孫 晨 夏 光 趙曉莉 何 振 王 傲 楊 文

中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司檢測(cè)中心(安徽淮北，235100)

引言

工業(yè)炸藥以成本低、應(yīng)用可靠等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的工程爆破作業(yè)中[1-2]。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)安全問(wèn)題的重視程度日益提高，炸藥在使用過(guò)程中的安全技術(shù)指標(biāo)也得到高度重視。其中，較為重要的是炸藥爆炸產(chǎn)生的有毒氣體，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的身體健康[3]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于炸藥爆炸產(chǎn)生有毒氣體方面的研究已相當(dāng)豐富，涉及工藝條件、炸藥包裝、彈筒擴(kuò)孔率、爆溫、爆壓以及炸藥含水量等因素對(duì)有毒氣體含量的影響[4-7]。但這些研究均基于傳統(tǒng)小彈筒抽真空的測(cè)試方法之上，該方法需要抽真空進(jìn)行，并且彈筒容量較小，導(dǎo)致測(cè)試藥量受限，這與實(shí)際常壓爆破作業(yè)的條件不符[8]。并且研究對(duì)象多局限在工業(yè)卷裝炸藥，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥方面的研究相對(duì)匱乏。

筆者實(shí)驗(yàn)室前期建立了有毒氣體爆炸箱測(cè)試裝置，可以對(duì)炸藥爆炸產(chǎn)氣進(jìn)行大藥量常壓條件測(cè)試?；趯?shí)驗(yàn)室大爆炸箱常壓測(cè)試裝置，建立了針對(duì)多孔粒狀銨油炸藥這類現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥爆炸后的有毒氣體測(cè)試方法[9]。

為確定更加精確的炸藥爆炸后有毒氣體含量的測(cè)試方法，本文中，主要基于大爆炸箱和小彈筒兩種試驗(yàn)測(cè)試裝置，對(duì)常見(jiàn)的工業(yè)炸藥和現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥進(jìn)行了爆炸后有毒氣體含量的測(cè)定，比較了測(cè)試結(jié)果的差異性。為工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體含量測(cè)試方法的完善以及針對(duì)具體炸藥選擇合適的爆后有毒氣體測(cè)試裝置及方法提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置與主要儀器

1.1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1(a)為大爆炸箱測(cè)試裝置。內(nèi)置鋼炮:外部尺寸?450 mm×600 mm，中心孔尺寸?100 mm×420 mm；主體為圓柱體，內(nèi)徑2.60 m，總高3.30 m，頂部為?2.6 m的半球體，有效容積[9](含管道)為17.24 m3。

圖1(b)為小彈筒測(cè)試裝置。內(nèi)置鋼炮:外部尺寸?240mm×300mm，中心孔尺寸?45mm×200 mm；主體為外徑0.60 m、內(nèi)徑0.35 m、深度0.55m的鋼制圓筒，有效容積約0.05 m3。

圖1 兩種測(cè)試裝置Fig.1 Two test devices

1.1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

溫度濕度計(jì)，型號(hào)AS106A；紅外線CO分析儀，型號(hào)GXH-3011A1、GXH-3011N；紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，型號(hào)UV1900。

1.2 試驗(yàn)方案

選擇的工業(yè)炸藥樣品(包含現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥)為巖石乳化炸藥、三級(jí)煤礦許用乳化炸藥、水膠炸藥、重銨油炸藥和多孔粒狀銨油炸藥?，F(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥均采用三級(jí)煤礦許用乳化炸藥作為起爆藥。均以8＃工業(yè)電雷管作為起爆具進(jìn)行起爆測(cè)試。

為便于比較，將炸藥樣品分為兩組:工業(yè)卷裝炸藥和現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥。所有樣品均分別在兩種測(cè)試裝置中進(jìn)行起爆，收集爆后氣體試樣進(jìn)行測(cè)試分析。

參照之前建立的試驗(yàn)方法進(jìn)行大爆炸箱測(cè)試[10]。工業(yè)卷裝炸藥試驗(yàn)藥量為600 g左右，原藥卷直接進(jìn)行起爆；現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥采用牛皮紙將現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥改裝成直徑80 mm的藥卷進(jìn)行測(cè)試，起爆藥量為100 g，總藥量600 g左右。整個(gè)測(cè)試過(guò)程要保證裝置的氣密性符合要求，起爆完畢后，循環(huán)5 min以上，取氣進(jìn)行分析。

小彈筒測(cè)試參照GB 18098—2000《工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體含量的測(cè)定》中規(guī)定的方法進(jìn)行。工業(yè)卷裝炸藥，試驗(yàn)藥量110 g左右，將藥卷裝入彈筒中，加入300 g石英砂后進(jìn)行抽真空，至剩余壓力小于4 kPa后進(jìn)行接線起爆?，F(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥，選擇30 g左右起爆藥置于80 g左右現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥之上，并采用牛皮紙改裝成直徑35 mm的藥卷進(jìn)行起爆測(cè)試。以上針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥的試驗(yàn)均假定起爆藥與受試藥爆炸后有毒氣體具有加和性。

2 結(jié)果與討論

2.1 工業(yè)卷裝炸藥爆炸后有毒氣體測(cè)試

將現(xiàn)有的工業(yè)卷裝炸藥樣品分別在兩個(gè)測(cè)試裝置中按要求進(jìn)行起爆，收集氣體試樣進(jìn)行測(cè)試分析。每種炸藥樣品平行試驗(yàn)2次，結(jié)果取平均值。有毒氣體測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

從表1和表2數(shù)據(jù)可知，3種工業(yè)卷裝炸藥在大爆炸箱中起爆測(cè)得的有毒氣體含量明顯低于在小彈筒中的測(cè)試結(jié)果。造成這種情況的原因可能有以下幾方面:首先，大爆炸箱為常壓測(cè)試條件，箱體空間較大且含有空氣，空氣中的O2會(huì)導(dǎo)致爆炸產(chǎn)生的CO向CO2轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致CO含量下降，有毒氣體總含量下降；其次，大爆炸箱內(nèi)用于試驗(yàn)的臼炮孔徑較大，因此，覆蓋試驗(yàn)藥量的藥卷需要的石英砂用量遠(yuǎn)高于小彈筒中的用量，大量的石英砂會(huì)將藥卷束縛得更加緊實(shí)，有利于炸藥爆轟，同時(shí)，爆炸后石英砂能起到快速冷卻周圍氣體的作用[11]，使反應(yīng)向不利于CO生成的方向進(jìn)行；最后，由于在小彈筒中測(cè)試需要進(jìn)行抽真空操作，相當(dāng)于給彈筒內(nèi)施加壓力，該操作很可能導(dǎo)致藥卷狀態(tài)發(fā)生改變，從而影響炸藥的起爆性能。

表1 大爆炸箱有毒氣體測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of toxic gases in large explosive boxes

表2 小彈筒有毒氣體測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of toxic gases in small cartridge poisonous

為了進(jìn)一步證實(shí)抽真空對(duì)炸藥的影響，以三級(jí)煤礦許用乳化炸藥為例，將炸藥放進(jìn)小彈筒中抽真空后取出，與未抽真空的藥卷進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2所示。同時(shí)，制作了3組抽真空后的炸藥試樣并進(jìn)行爆速測(cè)試，與正常的爆速測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。

圖2 炸藥抽真空前、后實(shí)物圖Fig.2 Pictures of the explosive before and after vacuuming

表3 炸藥抽真空前、后的爆速Tab.3 Detonation velocity of explosives before and after vacuuming m/s

由圖2可知，抽真空后的藥卷外觀狀態(tài)發(fā)生了明顯改變。從表3爆速的測(cè)試結(jié)果不難看出，抽真空后，藥卷的爆速相對(duì)不穩(wěn)定，其中一組試驗(yàn)未正常測(cè)出數(shù)值，平均爆速比原藥卷測(cè)出的結(jié)果偏低。這從一定程度上說(shuō)明了抽真空操作會(huì)影響炸藥的性能，從而影響炸藥的爆轟效果，導(dǎo)致爆后有毒氣體測(cè)試結(jié)果與常壓大爆炸箱中測(cè)試結(jié)果存在差異。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥爆炸后有毒氣體測(cè)試

以三級(jí)煤礦許用乳化炸藥作為起爆藥，分別與重銨油炸藥和多孔粒狀銨油炸藥改裝成受試藥卷，并在兩種裝置下進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表4所示。

表4 現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥爆炸后的有毒氣體測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test results of toxic gas after explosion of mixed explosives on site

由測(cè)試結(jié)果可知，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥在兩種測(cè)試裝置下測(cè)得的爆后有毒氣體含量差異比工業(yè)卷裝炸藥更加明顯。其中，多孔粒狀銨油炸藥在小彈筒測(cè)試方法規(guī)定的試驗(yàn)藥量下并未能正常取出氣體試樣；而單位質(zhì)量重銨油炸藥在小彈筒中測(cè)試得到的爆后有毒氣體含量為184.3 L/kg，明顯高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的數(shù)值，并且有毒氣體含量遠(yuǎn)大于在大爆炸箱中的測(cè)試結(jié)果。由于現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥為散裝炸藥，需要進(jìn)行改裝后測(cè)試，并且由于小彈筒測(cè)試裝置的條件限制，導(dǎo)致測(cè)試藥量受限，裝藥受限，在該裝藥直徑和藥量下，所用現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥樣品未能達(dá)到完全爆轟，產(chǎn)生較多的氮氧化物NOx，從而導(dǎo)致爆炸后產(chǎn)生的有毒氣體增加。這也從側(cè)面說(shuō)明了對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥而言，小彈筒測(cè)試方法相對(duì)受限。為進(jìn)一步證實(shí)這一結(jié)論，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥爆轟性能進(jìn)行了研究。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥的爆轟性能研究

以重銨油炸藥為待測(cè)樣品，分別在兩種測(cè)試裝置中起爆，觀察起爆后的現(xiàn)象，結(jié)果如圖3所示。

圖3 炸藥在兩種裝置中爆炸后現(xiàn)象Fig.3 Phenomena after explosion of explosives in two devices

從圖3可以看出:重銨油炸藥在小彈筒中起爆后，打開(kāi)裝置發(fā)現(xiàn)有大量深黃色煙霧；而將同一樣品在大爆炸箱中起爆，發(fā)現(xiàn)起爆后為白色煙霧。多孔粒狀銨油炸藥也存在同樣現(xiàn)象。事實(shí)上，當(dāng)爆轟不完全，未達(dá)到穩(wěn)定爆轟狀態(tài)時(shí)，會(huì)生成較多的有毒氣體，尤其是氮氧化物；而氮氧化物較多時(shí)，表現(xiàn)為黃色煙霧，嚴(yán)重時(shí)呈棕褐色。因此，小彈筒爆炸后出現(xiàn)黃色煙霧，進(jìn)一步說(shuō)明了現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥在小彈筒測(cè)試裝置條件下，爆轟效果不好。

同時(shí)，為排除小彈筒測(cè)試因起爆藥量較小、起爆能量不足導(dǎo)致的現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥爆轟不完全，以80 g左右重銨油炸藥為對(duì)象，將起爆藥量從30 g左右增加至40 g左右和50 g左右，在同樣條件下起爆，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5測(cè)試結(jié)果可得，在小彈筒測(cè)試裝置中，保持重銨油炸藥裝藥量不變的情況下，增加起爆藥量，測(cè)試得到的爆后有毒氣體含量仍然較大，尤其是改裝后的藥卷在小彈筒中起爆后產(chǎn)生了較多的氮氧化物。這也進(jìn)一步證實(shí)了之前黃色煙霧的現(xiàn)象，從而說(shuō)明了現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥在小彈筒中起爆，在當(dāng)前裝藥條件下很難達(dá)到穩(wěn)定爆轟。并且由于裝置條件限制，繼續(xù)增加起爆藥量意義不大，也說(shuō)明了傳統(tǒng)小彈筒測(cè)試方法對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥爆炸后的有毒氣體測(cè)試有一定的局限性。

表5 不同起爆藥量下現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥在小彈筒中測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test results of mixed explosives on site in small cartridges under different priming charges

3 結(jié)論

1)工業(yè)炸藥在大爆炸箱常壓測(cè)試裝置和小彈筒測(cè)試裝置中測(cè)得的爆后有毒氣體含量存在一定的差異。

2)在小彈筒中，工業(yè)炸藥爆后有毒氣體含量測(cè)試結(jié)果高于大爆炸箱中的測(cè)試結(jié)果。主要由于兩種裝置不同的測(cè)試條件導(dǎo)致；同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥在小彈筒中測(cè)試，爆后有毒氣體含量遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，且爆轟效果不好。

3)大爆炸箱測(cè)試裝置更加適用于無(wú)雷管感度的現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥爆后有毒氣體測(cè)試。兩種裝置下，有毒氣體含量測(cè)試結(jié)果的差異研究對(duì)于完善工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體測(cè)試方法以及建立合適的針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥爆后有毒氣體測(cè)試手段的必要性提供技術(shù)支撐。