李澤華，李順波，樊保龍，白和強，王洪強

（北方爆破科技有限公司，北京 100089）

炸藥現場混裝技術將具有爆炸危險性的炸藥生產、運輸、儲存和使用變革為不具爆炸危險性原料生產、運輸、儲存和使用，是工業(yè)炸藥技術發(fā)展至今最具“本質安全性”的一項炸藥制備與爆破裝藥一體化新技術，安全、高效的現場混裝炸藥新技術，已成為當今工業(yè)炸藥技術的一個主要發(fā)展方向，在國內外露天礦山爆破中得到了廣泛應用，該技術具有生產效率高、爆破效果好、使用安全可靠、成本低等優(yōu)點，是中企實現海外礦山等工程項目爆破一體化技術服務的基礎，具有重要的工程實踐意義。在露天礦開采過程中會經常遇到高硫化礦體，在國內外硫化礦山的爆破作業(yè)中，炸藥自燃自爆事故時有發(fā)生，嚴重威脅著爆破人員的人身安全和礦山的正常生產，給企業(yè)造成了嚴重的人員傷亡和巨大的經濟損失。僅1960—1990年，我國硫化礦山就發(fā)生了12起炸藥自燃自爆事故，其中江西德興銅礦從1990—1996年，使用混裝車混裝乳化炸藥（美國Ireco化學工業(yè)公司配方）進行爆破作業(yè)時，曾發(fā)生8次炸藥自燃自爆事故，造成嚴重經濟損失。1962年和1963年，原蘇聯捷加爾斯克地下礦山發(fā)生了幾起炸藥起火事故，日本和加拿大等國也多次發(fā)生炸藥自燃自爆事故。硫化礦山爆破安全技術一直受到國內外學者和礦山企業(yè)的普遍關注。國內外學者針對硫化礦床開采的安全性開展了大量的研究工作。袁昌明[1]通過對硫化礦與硝銨炸藥接觸自爆機理和硫化礦石的理化性質分析以及硫化礦礦石與硝銨炸藥接觸的實驗研究，提出了預防硫化礦與硝銨炸藥接觸自爆危險的措施，為確保高硫礦山爆破作業(yè)的安全生產提供了參考；杜華善等[2-3]對硫化礦防自燃現場混裝乳化炸藥進行了改進，提高了混裝乳化炸藥在硫化礦爆破應用中的安全性；葉曉暉[4]對硫化礦床開采中炸藥自爆危險性開展了試驗研究；陳壽如等[5]通過對建立硫化礦炸藥自爆新判據，提出了一定的治理措施。為此通過對硝銨類炸藥與硫化礦石的反應機理進行的闡述，通過數值模擬的方法分析不耦合系數對熱傳導抑制作用，并提出相應的治理措施和施工方法。

1 礦山概況

緬甸萊比塘銅礦位于緬甸聯邦西北部實皆?。⊿againg）南部，礦區(qū)面積約32.73 km2。礦山年采剝計劃量7 000萬t，臺階高度為15 m，坡面角70°，鉆孔直徑為250 mm。礦區(qū)內建有炸藥制備地面站，炸藥類型為現場混裝重銨油炸藥和現場混裝銨油炸藥，含水區(qū)域選用現場混裝重銨油炸藥，采用的工藝配比為乳膠基質/多孔粒狀硝酸銨=（90～93）/（7～10），控制溫度范圍為52～70 ℃，敏化劑亞硝酸鈉流量為35～45 L/h，加入量占乳膠基質質量的0.27 %，裝藥密度1.10～1.15 g/cm3。礦區(qū)內部分區(qū)域含有黃鐵礦（FeS2），主要集中在礦巖交界處。在L45-2088炮區(qū)施工時，炮孔堵塞完畢約2 h后，陸續(xù)出現炮孔冒煙現象，炸藥自燃，炮區(qū)裝填重銨油炸藥的炮孔共計41個，發(fā)生炸藥自燃的共計20個。

2 硝銨類炸藥與硫化礦石的反應機理

關于硝銨類炸藥與硫化礦石這類反應的過程，國內外學者[6-7]通過各自的獨立研究得出了大體一致的結論，認為當有硫酸水（或蒸汽）參與作用時，其反應過程可描述為如下的系列形式：

在上面的反應系列中，硫酸溶液被視為導致危險反應的必要成分。H2SO4不僅參與整個反應，而且由于它是以液態(tài)或氣態(tài)起作用，所以較之固態(tài)活性物質，能促進硝酸銨的熔解，有助于反應的交流傳遞，使反應按更為活躍和內滲的方式展開。對于硫酸濃度不超過0.5～1 mol/L的硫化礦條件，硝酸銨作為一種強吸濕性的鹽同時起著吸收水分和濃縮酸的作用，因而在常溫下能加速分解，產生NO2，從而爆燃。

由硝酸銨類炸藥與硫化礦床的反應機理分析可知，有效阻止現場混裝炸藥產生爆燃現象的一個有效途徑是采用不耦合裝藥形式，避免混裝炸藥與炮孔壁直接接觸，從而有效阻止兩者之間的反應產生。

3 不耦合系數對熱傳導抑制作用的數值模擬

利用COMSOL有限元軟件對硫化礦床的熱傳導作用進行模擬，研究不同的不耦合系數對熱傳導抑制作用的影響。截取裝藥部位的小段炮孔作為研究對象，乳化炸藥不耦合裝藥物理模型如圖1。

圖1 不耦合裝藥物理模型示意圖

3.1 不耦合裝藥數值模型

圖1中空氣間隔和硫化礦接觸部分建立數值模型，模型的長0.3 m、寬0.3 m，空氣間隔根據不同的耦合系數分別選取為55、45、35、25、15 mm。

緬甸萊比塘銅礦炮孔直徑為250 mm，選取不同的裝藥直徑，分別為140、160、180、200、120 mm，對應的不耦合系數和模擬方案見表1。

表1 不耦合裝藥抑制作用模擬方案

將炸藥溫度分為上、中、下3個部分進行熱量加載，加載溫度分別為38、42、46 ℃，模型初始溫度為30 ℃，上下邊界為對稱邊界。

3.2 數值模擬結果分析

根據表1中的模擬方案，得到不同的耦合系數下溫度梯度分布（圖略）。由溫度梯度分布可以知，不耦合裝藥情況下，空氣間隔對乳化炸藥產生熱量的傳導起到了很大的抑制作用，隨著空氣間隔寬度的減小，傳導至硫化礦的溫度增加。

3.3 不同耦合系數接觸界面溫度變化規(guī)律

隨著不耦合系數的減小，空氣間隔逐漸較小，硫化礦和空氣間隔接觸界面發(fā)生移動，以該接觸界面為研究對象，探究不同耦合系數下，界面處的溫度變化情況。不同的不耦合系數接觸界面溫度變化曲線如圖2。

圖2 不同的不耦合系數接觸界面溫度變化曲線

由圖2可知，隨著溫度荷載加載面溫度的降低，接觸界面的溫度逐漸在降低。模擬方案中，裝藥直徑按照20 mm的差異逐漸增加，從圖2中看出來，隨著不耦合系數的減小，接觸界面的溫度增加幅度卻逐漸增大，增長規(guī)律是非線性的，和不耦合系數的變化規(guī)律不是一一對應的。

4 現場治理措施

不耦合裝藥裝置裝藥裝置的三視圖如圖3。

圖3 不耦合裝藥裝置裝藥裝置的三視圖

根據數值模擬結果，為了方便現場混裝炸藥的入孔，采用圖3中與炮孔相匹配的不耦合裝藥裝置，該裝置主要由裝藥管、炮孔擋板及重力錘網袋組成，其中：裝藥管主要是由連通凸起支撐點（與裝藥管連通）和裝藥管主管組成。連通凸起支撐點（與裝藥管連通）直接裝置在裝藥管上，在裝藥管上每隔一段距離就設置1組裝藥管，每組裝藥管有4個連通凸起支撐點（與裝藥管連通），這4個連通凸起支撐點（與裝藥管連通）位于同一個水平面上；且連通凸起支撐點（與裝藥管連通）的另一端部位置緊貼在炮孔壁表面上。裝藥管的連通凸起支撐點（與裝藥管連通）有很多組，每組由4個成半球形排列的軸向支撐組成，該不耦合裝置采用的柔性材料，裝置下方放置有重力錘網裝袋，當放入炮孔中，會因為自重而舒展開裝置，使裝置伸展到炮孔底部。當向里面裝炸藥時，炸藥也會因為自重直接到裝置的底部。

將裝藥裝置放置在打好的炮孔中，需要注意的是不耦合裝藥裝置與炮孔直徑是一一相匹配的。裝藥裝置的藥管為圓柱形，藥管每隔一段距離需布置1組連通凸起支撐點（與裝藥管連通）裝置，且它與藥管是相通的，當向藥管里裝炸藥時，炸藥會流入到連通凸起支撐點（與裝藥管連通）裝置中，裝藥裝置的位置在炮孔的中心位置。該不耦合裝藥裝置的連通凸起支撐點（與裝藥管連通），每間隔一段距離就需要布置1組，且每組連通凸起支撐點（與裝藥管連通）裝置在同一水平方向需布置4個，2組相對，且相鄰2個與裝藥管裝置中心成90°夾角。

該不耦合裝藥裝置的包裝包裝材料應具有良好的耐熱性、密封性、耐磨性以及高強度。同時還要考慮材料的來源廣、成本低、加工簡單、使用方便。大量實驗表明，選用的內包裝、外包裝及涂覆外包裝的耐熱膠3種材料能滿足上述要求，并能起到防自爆、防止硫化礦自燃作用。此外該裝置上部分的炮孔擋板主要是用于軸向不耦合裝藥。

5 結語

1）不耦合裝藥對乳化炸藥產生熱量的傳導起到了很大的抑制作用，在巖體和空氣間隔的交界處溫度沒多大變化，隨著空氣間隔寬度的減小，傳導至硫化礦的溫度增加。

2）隨著不耦合系數的減小，接觸界面的溫度增加幅度卻逐漸增大，增長規(guī)律是非線性的，和不耦合系數的變化規(guī)律不是一一對應的。

3）針對硫化礦床開采裝藥過程提出了相應的治理措施，設計一種不耦合裝藥裝置，有效的解決了硫化礦床對混裝炸藥對影響，起到防自爆、防止硫化礦自燃作用。