張西良 李二寶 楊海濤 儀海豹 詹思博 1
(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責任公司,安徽 馬鞍山 243000;3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山 243000)
爆破工藝被廣泛應(yīng)用于我國礦山、水利水電、交通等行業(yè)建設(shè)中,爆破作業(yè)過程中產(chǎn)生的有毒有害氣體(簡稱毒氣)[1-4],惡化井下作業(yè)環(huán)境,危害作業(yè)人員身體健康,嚴重威脅著地下礦山開采安全,采取有效措施降低爆破毒氣濃度具有重大意義。國內(nèi)外學者已開展了一些相關(guān)研究,王天暘等[5]、郭敬中等[6]研制了新型多組分水炮泥配方,測定了不同水炮泥裝填類型以及炮煙中CO、NO濃度變化規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn),多組份水炮泥對CO的抑制效率提高了51.9%,但對NO的抑制效果提升不顯著;丁厚成等[7]運用計算流體力學軟件FLUENT建立壓入式通風條件下成分運輸模型,分析風筒口至掌子面的距離及風筒入口風速對隧道內(nèi)風流流場及炮煙濃度分布規(guī)律的影響,將模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測的炮煙濃度分布情況進行對比分析,數(shù)據(jù)基本吻合;張舸等[8]對某地下礦山獨頭巷道強制通風狀態(tài)下的炮煙濃度變化規(guī)律進行了研究,發(fā)現(xiàn)巷道中炮煙的濃度變化可按e指數(shù)規(guī)律衰減,且炮煙散發(fā)過程中各巷道截面位置處的最大濃度與炮煙拋擲區(qū)的理論初始濃度有較強的線性關(guān)系。
通過現(xiàn)有成果分析發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有研究側(cè)重于毒氣運動規(guī)律分析,缺少相關(guān)現(xiàn)場試驗[9-11],針對不同類型的炸藥進行毒氣控制的研究成果較少。為此,本研究以乳化炸藥為試驗對象,在理論分析的基礎(chǔ)上,研制出爆破毒氣抑制劑,通過設(shè)置不同添加比例、裝填方式,開展爆破毒氣抑制劑降毒氣試驗研究,為有效控制礦山爆破毒氣產(chǎn)生提供理論及數(shù)據(jù)支撐。
工業(yè)炸藥爆炸所產(chǎn)生的炮煙是導致中毒事故的根源,由于炸藥成分及爆破作業(yè)場所環(huán)境復雜等因素,導致爆破毒氣產(chǎn)生的因素多種多樣。根據(jù)相關(guān)研究[12-15],炸藥的氧平衡是毒氣產(chǎn)生的重要途徑,工業(yè)炸藥除了少數(shù)是無機物外,一般都是有機物。這些有機物無論是單質(zhì)還是混合物,大多數(shù)只含C、H、O、N 4種元素,一般所使用的工業(yè)炸藥在發(fā)生爆炸時,其中的O分別與C、H發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng),生成爆炸產(chǎn)物。單位質(zhì)量的炸藥中所含的氧元素是否能達到氧平衡,是影響炸藥爆炸產(chǎn)生有毒有害氣體的重要因素。按照最大放熱原理[16-18],根據(jù)含氧量的多少,炸藥反應(yīng)生成氧化產(chǎn)物的過程可進行如下描述:
式中,a,b,c,d為方程式系數(shù)。
零氧平衡時可燃元素充分氧化,理論上不會產(chǎn)生毒氣。雖然礦山使用的工業(yè)炸藥大都是零氧或接近零氧平衡,但是由于包裝材料參與反應(yīng)、巖石間的熱交換、反應(yīng)本身不完全等因素,造成炸藥爆炸系統(tǒng)本身無法實現(xiàn)零氧平衡,從而產(chǎn)生毒氣。
毒氣產(chǎn)生的另一個重要原因是工業(yè)炸藥主要成分硝酸銨的不完全分解,其與炸藥組成、成分性質(zhì)、炸藥密度、粒度、裝藥直徑、起爆沖能大小等諸多因素有關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究,在不同反應(yīng)環(huán)境下,乳化炸藥主要成分NH4NO3可產(chǎn)生的分解方程式見表1。
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由表1可知:理論上乳化炸藥(主要為硝酸銨)是不產(chǎn)生毒氣的,但炸藥爆炸過程受到多種因素影響,很難能按理論上的反應(yīng)方程式進行,其余反應(yīng)方程式中均有毒氣產(chǎn)生,這也是爆破有毒氣體產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)。
毒氣產(chǎn)生的另一原因是受到周圍介質(zhì)的作用,某些礦物介質(zhì)可與爆炸產(chǎn)物發(fā)生化學反應(yīng),或者對爆炸產(chǎn)物的二次反應(yīng)起到催化作用,使有毒氣體含量增大。爆炸作用時,含硫的礦石可生成硫的氧化物或硫化氫有毒氣體。當周圍介質(zhì)溫度較低時,有些炸藥在低溫情況下也常出現(xiàn)不完全爆炸或爆轟中斷現(xiàn)象,使有毒氣體含量大大增加。
試驗主要材料為巖石乳化炸藥、爆破毒氣抑制劑、電子計量天平,輔助材料有塑料吸管、膠帶、剪刀等。試驗在自制的爆破毒氣測試系統(tǒng)中進行,容積為2.16 m3(圖1),爆破后采用Drager X-am5000有毒有害氣體檢測儀采集數(shù)據(jù),測量精度0.021 4 mg/m3,炸藥的各項性能指標見表2。
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試驗乳化炸藥卷及雷管分別從正門及頂部懸掛孔置入測試系統(tǒng),并將雷管插入藥卷內(nèi),懸吊在容器中心位置。試驗前應(yīng)對系統(tǒng)進行通風30 min處理,使用檢測儀進行檢測,并記錄原始值。試驗后立即對系統(tǒng)內(nèi)側(cè)面測量孔的毒氣進行檢測,單個測量孔取樣時間為2 min,計算各毒氣成分含量最大值及平均值。
稱量乳化炸藥30 g,將抑制劑與其按照0mass%、3mass%、5mass%、8mass%的比例進行配比(圖2),并制作成直徑32 mm的藥卷。
藥卷起爆后,按照毒氣測定方案對爆破毒氣測試系統(tǒng)內(nèi)的毒氣產(chǎn)生情況進行檢驗。各成分產(chǎn)生量及各添加比例、毒氣降低率測試結(jié)果見表3和表4。
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根據(jù)表3和表4,提取了不添加抑制劑時各類毒氣產(chǎn)生量,繪制了4種主要成分占比情況圖,如圖3所示。
由圖3可知:巖石乳化炸藥爆炸后,4種主要毒氣成分中,CO所占比例最高,約占毒氣總量的37.36%~37.98%,NH3、NO、NO2產(chǎn)生量相近,分別占總量的21.22%~23.29%,20.58%~20.8%,17.99%~19.24%。
進一步分析表3、表4可知:與對照試驗(未添加毒氣抑制劑)對比,隨著抑制劑添加比例逐漸增加,毒氣降低率呈現(xiàn)先增大后減小的拋物線走勢,抑制劑與乳化炸藥存在最佳的添加比例,即抑制劑添加比例為5mass%時,炸藥爆炸反應(yīng)生成的毒氣總量最大值和平均值分別為144.66 mg/m3、128.6 mg/m3,降毒率分別為71.73%、72.03%。
根據(jù)上述試驗結(jié)果,為了消除試驗誤差的影響,驗證毒氣抑制劑降毒效果,再次開展了5組抑制劑添加5mass%和不添加時的對照試驗,結(jié)果見圖4。
由圖4可知:5次試驗所有毒氣成分產(chǎn)生總量為299.41~708.78 mg/m3,添加5mass%的抑制劑后,毒氣產(chǎn)生總量降至107.22~287.82 mg/m3,抑制劑降毒率為53.79%~77.76%,平均降毒率為66.50%,與前述試驗結(jié)果相符。
考慮到在施工現(xiàn)場添加毒氣抑制劑困難,選取4種裝填方式(圖5)并設(shè)置對照試驗,進行效果對比試驗分析。
試驗后對爆破毒氣主要成分進行檢測,繪制了不同裝填方式下各毒氣成分產(chǎn)生量圖,如圖6所示。
由圖6可知:4種裝填方式均取得了良好的降毒效果,其中降毒效果優(yōu)劣依次為均勻混合結(jié)構(gòu)、無吸管徑向耦合結(jié)構(gòu)、有吸管徑向耦合結(jié)構(gòu)、軸向耦合結(jié)構(gòu)。均勻混合結(jié)構(gòu)降毒率較其它結(jié)構(gòu)分別提高了26.07%、56.79%、59.54%。
本研究在某地下鐵礦斜坡道掘進斷面開展現(xiàn)場試驗(圖7)。斷面孔深3.2 m,裝填直徑32 mm乳化炸藥藥卷,每卷質(zhì)量150 g,孔內(nèi)雷管微差爆破。本次抑制劑添加比例按照5mass%添加,均勻混合結(jié)構(gòu),并設(shè)置無抑制劑的對照試驗,各鉆孔抑制劑添加量見表5。在距爆源40 m處安裝FGD2-C氣體檢測儀(圖8),分別記錄爆破后通風時間15 min、20 min時的毒氣產(chǎn)生情況(表6)。
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由表6可知:爆區(qū)通風15 min后,對比是否添加抑制劑兩種方案,毒氣產(chǎn)生總量可由119.8 mg/m3降至52.11 mg/m3,降毒率達56.5%;通風20 min后,毒氣產(chǎn)生總量可由96.98 mg/m3降至43.33 mg/m3,降毒率達55.32%。
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(1)設(shè)計了30 g巖石乳化炸藥爆炸試驗,在自制的毒氣測試系統(tǒng)中,按照測定方案對毒氣產(chǎn)生量進行檢測,結(jié)果表明:炸藥爆炸后,產(chǎn)生的毒氣主要成分有4種。其中,CO所占比例最高,約占毒氣總量的37.36%~37.98%,NH3、NO、NO2產(chǎn)生量相近,分別占總量的21.22%~23.29%,20.58%~20.80%,17.99%~19.24%。
(2)設(shè)計0mass%、3mass%、5mass%、8mass%4種抑制劑乳化炸藥配比方案,開展了爆炸試驗:結(jié)果表明:隨著抑制劑添加比例增大,降毒率呈先增大后減小的拋物線走勢,且5mass%為最佳添加比例。在此基礎(chǔ)上的5次驗證試驗顯示,平均降毒率為66.5%,與試驗結(jié)果一致。
(3)設(shè)計4種抑制劑裝填方式,開展了爆炸試驗:結(jié)果表明:降毒效果優(yōu)劣依次為均勻混合結(jié)構(gòu)、無吸管徑向耦合結(jié)構(gòu)、有吸管徑向耦合結(jié)構(gòu)、軸向耦合結(jié)構(gòu)。其中,均勻混合結(jié)構(gòu)降毒率較其它結(jié)構(gòu)分別提高了26.07%、56.79%、59.54%。