粉狀乳化炸藥在云浮硫鐵礦安全開采中的應(yīng)用

陶鐵軍 ，李戰(zhàn)軍，葉圖強(qiáng)，施建俊

(1.北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京，100083；2.北京礦冶研究總院，北京，100070；3.廣東宏大爆破股份有限公司，廣東 廣州，510623)

云浮硫鐵礦為一巨大型的沉積變質(zhì)熱液富集礦床。礦體產(chǎn)于前泥盆系第四分層，目前正在開采的Ⅲ和Ⅳ礦體均屬于高硫礦體，占礦區(qū)總儲(chǔ)量的92%，Ⅲ和Ⅳ礦體是露天開采范圍的主要采掘?qū)ο?。由于這些礦體含硫較高，容易發(fā)生氧化反應(yīng)，放出熱量，造成炮采工作面溫度升高，當(dāng)炮孔溫度升高到一定程度時(shí)，就存在炸藥自爆、早爆的危險(xiǎn)。在云硫開采過程中，就發(fā)生過礦石自燃和炸藥自燃、自爆的現(xiàn)象。如 1995年1月在 9號勘探線334 m臺(tái)階已穿好孔的10余個(gè)炮孔中有1個(gè)炮孔出現(xiàn)自燃，火焰噴出孔口；2006年9月使用裝藥車裝藥過程中有2個(gè)炮孔冒煙等[1]。礦石自燃和炸藥自燃、自爆已成為云浮硫鐵礦安全生產(chǎn)及爆破作業(yè)的重大隱患，為了預(yù)防炸藥自燃、自爆事故的發(fā)生，開展硫化礦炸藥自燃、自爆機(jī)理分析與實(shí)驗(yàn)研究以確定合理的預(yù)防措施，具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值[2]。許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，主要包括以下幾個(gè)方面：

(1) 硫化礦炸藥自爆機(jī)理的研究。李榮其[3]研究發(fā)現(xiàn)：硫化礦物引起的硝酸銨炸藥自爆過程大致可以分為誘導(dǎo)期、發(fā)展期、爆炸期 (燃燒期) 3個(gè)階段。袁昌明等[4?5]指出硫化礦中 FeS2的氧化放熱反應(yīng)是硝酸銨炸藥產(chǎn)生自燃、自爆的主要原因，水分是硝銨炸藥產(chǎn)生自爆的一個(gè)重要條件；礦石中可溶性鐵離子的存在，礦石溫度也是引起自燃、自爆的因素。陽富強(qiáng)等[6]介紹了一種新的測試硫化礦樣氧化自熱性質(zhì)的方法，并進(jìn)行了硫化礦石動(dòng)態(tài)自熱率測定及數(shù)值模擬。

(2) 高硫高溫礦用安全炸藥的研究。郭素云等[7]采用涂覆隔離和抑制減緩的雙重技術(shù)措施，研制出BMH型硫化礦用散裝安全炸藥。葉圖強(qiáng)等[8]進(jìn)行了云浮礦的含硫礦樣與裝填的乳化炸藥的接觸實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了乳化炸藥在硫化礦的安全應(yīng)用。馬平等[9]利用熱重法研究了粉狀乳化炸藥的熱分解過程和非等溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，研究表明：粉狀乳化炸藥初始分解溫度稍高于乳化炸藥基質(zhì)。王波等[10]對露天粉狀乳化炸藥的質(zhì)量控制進(jìn)行了研究。

(3) 炸藥自爆危險(xiǎn)性評價(jià)與治理措施的研究。李孜軍等[11]提出了高溫高硫礦床開采中炸藥自爆危險(xiǎn)性的多指標(biāo)評價(jià)方法。陳壽如等[12?13]以Fe2+為指標(biāo)代替了以往的炸藥自爆判據(jù), 建立了礦樣水溶液中 Fe2+與pH關(guān)系的回歸經(jīng)驗(yàn)公式，提出了以 pH為指標(biāo)的炸藥自爆新判據(jù)以及簡單、實(shí)用的炸藥自爆礦樣的檢測方法和防自爆措施，并采取了“分區(qū)治理”的方法防止炸藥自爆。陽富強(qiáng)等[14]概述硫化礦石氧化自熱的機(jī)理；詳細(xì)介紹硫化礦石的自燃傾向性測試、綜合因素評價(jià)、統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法等預(yù)測方法，提出了數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測方法。粉狀乳化炸藥的初始分解溫度略高于工業(yè)硝酸銨與乳化炸藥基質(zhì)。與其他硝銨炸藥相比，其著火點(diǎn)高，熱感度低，因此，在高溫硫化礦的開采中，具有更好的安全性。

本文作者以粉狀乳化炸藥在云浮硫鐵礦開采中的安全應(yīng)用為工程背景，進(jìn)行含硫礦樣與粉狀乳化炸藥的接觸實(shí)驗(yàn)研究，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理，探討影響粉狀乳化炸藥自燃、自爆的重要因素及其內(nèi)在關(guān)系，提出預(yù)防措施為粉狀乳化炸藥的在高硫鐵礦的安全應(yīng)用提供決策依據(jù)。

1 粉狀乳化炸藥與硫化礦石接觸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

炸藥與硫化礦石的接觸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有：HHS?4 型電熱恒溫水浴鍋1臺(tái)，試管和pH試紙若干，溫度計(jì)1個(gè)。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：第1步，取牙輪鉆鉆孔時(shí)不同炮孔排出的礦巖屑，經(jīng)粉碎機(jī)細(xì)碎成粒度＜120 μm的礦粉作為實(shí)驗(yàn)礦樣；第2步，稱取實(shí)驗(yàn)礦樣8 g，加入4 g粉狀乳化炸藥，混合均勻后滴入4～6滴蒸餾水再次混合均勻，倒入試管內(nèi)，貼上編號標(biāo)簽；第3步，測定試樣的初始溫度，將浸潤的 pH試紙置于試管口進(jìn)行對比觀測，判斷試管內(nèi)有無反應(yīng)，當(dāng)試管內(nèi)有反應(yīng)時(shí)記錄反應(yīng)程度；第4步，將試樣放入水溫為50～60℃的恒溫水浴鍋里(試管浸入水中深度為7～8 cm)恒溫水浴加熱1 h，觀察試管內(nèi)反應(yīng)情況，當(dāng)試管內(nèi)有反應(yīng)時(shí)記錄反應(yīng)程度。

反應(yīng)程度的判定依據(jù)為：(1) 冒出深棕色(NO2)氣體較多，刺激性氣味較濃，鼓泡快為強(qiáng)烈反應(yīng)；(2) pH試紙顯色較快，而且顯色對比度很大為中強(qiáng)反應(yīng)；(3)pH 試紙顯色較快，但顯色對比度不大為中等反應(yīng)；(4) pH 試紙顯色較慢，為弱反應(yīng)；(5) pH 試紙顯色不明顯，為很弱反應(yīng)；(6) pH試紙不顯色為無反應(yīng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

云浮硫鐵礦Ⅲ和Ⅳ礦體均屬于高硫礦體，分別從云浮硫鐵礦采場的 3 個(gè)臺(tái)階共 5 個(gè)爆破區(qū)域進(jìn)行礦體部分的取樣，共收集到 60個(gè)礦石樣品。其中，Ⅲ礦體有380 臺(tái)階 2 個(gè)爆破區(qū)域的30 個(gè)礦樣。Ⅳ礦體有250 臺(tái)階 1 個(gè)爆破區(qū)域的15 個(gè)礦樣和334 臺(tái)階1 個(gè)爆破區(qū)域的15 個(gè)礦樣。60個(gè)礦樣的初始溫度、品位、pH和恒溫加熱1 h后的反應(yīng)程度如表1所示。

試樣放入恒溫水浴鍋中加熱之前，共有20個(gè)礦樣發(fā)生了弱或微弱反應(yīng)。

表1 不同爆區(qū)礦樣接觸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Contact test results of ore sample of different blasting areas

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 溫度對接觸反應(yīng)程度的影響

粉狀乳化炸藥與硫化礦石的接觸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑苯臃从吵稣ㄋ幾匀甲员奈ｋU(xiǎn)程度。當(dāng)接觸反應(yīng)強(qiáng)烈時(shí)，炸藥處于自燃危險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)反應(yīng)為中等反應(yīng)程度時(shí)，炸藥處于自燃的警戒區(qū)；當(dāng)反應(yīng)為弱和很弱反應(yīng)程度時(shí)，此時(shí)炸藥相對安全。

從表1可知：當(dāng)水浴溫度為50 ℃時(shí)，12個(gè)礦樣為中等反應(yīng)程度，占礦樣的26.7%；18 個(gè)礦樣為弱反應(yīng)程度，占礦樣的 40%，15個(gè)礦樣為很弱反應(yīng)程度，占礦樣的 33.3%。當(dāng)水浴溫度為 60 ℃時(shí)，13個(gè)礦樣為中等反應(yīng)程度，占實(shí)驗(yàn)礦樣的 86.7%；2個(gè)礦樣為弱反應(yīng)程度，占實(shí)驗(yàn)礦樣的 13.3%。

未放入恒溫水浴鍋之前，試樣初始溫度對接觸反應(yīng)程度的影響如圖1所示。由圖1可以看出：在16～30 ℃時(shí)，初始溫度對粉狀乳化炸藥與礦樣接觸反應(yīng)強(qiáng)弱程度的影響不大。

由表1和圖1可見：在高硫礦山開采中，當(dāng)孔溫為30 ℃以下時(shí)，粉狀乳化炸藥的使用是很安全的；溫度升高后，炸藥存在自燃、自爆的危險(xiǎn)；當(dāng)孔溫為50℃時(shí)，炸藥處于自燃警戒區(qū)的比例明顯升高；當(dāng)孔溫達(dá)到 60 ℃時(shí)，這一比例為86.7%。

圖1 初始溫度與接觸反應(yīng)程度的影響Fig.1 Effect of initial temperature on degree of contact reaction

2.2 pH對接觸反應(yīng)程度的影響

pH是反應(yīng)礦樣酸堿程度的重要依據(jù)，本次試驗(yàn)所選礦樣為弱堿性。從表1可知：在水浴溫度為50 ℃時(shí)，發(fā)生中等反應(yīng)的礦樣pH為7.01～7.72，發(fā)生弱反應(yīng)的礦樣 pH 為 6.14～7.39，發(fā)生很弱反應(yīng)的礦樣 pH 為4.6～7.04，pH對反應(yīng)程度的影響如圖2所示。從圖2可以看出：粉狀乳化炸藥與礦樣的接觸反應(yīng)程度與礦樣的pH呈指數(shù)關(guān)系，當(dāng)?shù)V樣的pH增大時(shí)，接觸反應(yīng)顯著加快。

圖2 pH對接觸反應(yīng)程度的影響Fig.2 Effect of pH on degree of contact reaction

2.3 礦樣品位對接觸反應(yīng)程度的影響

礦樣品位與反應(yīng)程度的關(guān)系如圖3所示。從圖3可知，云浮硫鐵礦礦石品位對乳狀乳化炸藥與礦樣接觸反應(yīng)強(qiáng)弱程度沒有直接影響。

圖3 礦樣品位與反應(yīng)程度的關(guān)系Fig.3 Relationship between grade of ore sample and degree of contact reaction

3 自爆原因分析及對策措施

3.1 自爆原因分析

對于炸藥自燃、自爆的機(jī)理研究很多，通常認(rèn)為硫化礦中FeS2被氧化，發(fā)生放熱反應(yīng)，使炮孔溫度升高，進(jìn)而與炸藥中的硝酸發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，引起炸藥自燃，溫度繼續(xù)升高，起爆炸藥被引爆，并引爆未燃炸藥。其化學(xué)反應(yīng)如下[8]：

云浮硫鐵礦礦樣與粉狀乳化炸藥的接觸實(shí)驗(yàn)表明：炸藥與礦樣的pH和接觸反應(yīng)的反應(yīng)溫度有關(guān)，這主要是因?yàn)椋?/p>

(1) 反應(yīng)溫度的升高有利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)會(huì)顯著加快化學(xué)反應(yīng)。

(2) pH能夠近似地表示礦樣中Fe2+和Fe3+含量的變化即表示礦樣中FeS2的氧化程度，同時(shí)礦樣的pH測定比較方便，因此在實(shí)際工作中，常用測定pH來代替分析 Fe2+和Fe3+含量的變化。

3.2 預(yù)防措施

在云浮硫鐵礦實(shí)際裝藥過程中，炸藥與炮孔壁接觸緊密，加大了兩者之間的反應(yīng)面積，且反應(yīng)生成的氣體不易溢出。在此密閉條件下，熱量不易釋放，炮孔溫度逐漸升高，加速乳化炸藥與炮孔壁礦巖的化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)炮孔溫度達(dá)到一定值時(shí)，乳化炸藥出現(xiàn)自燃甚至爆炸。結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)孔溫≥50 ℃或孔溫高于爆區(qū)其他炮孔平均溫度 10 ℃以上時(shí)必須采取相應(yīng)的安全措施：

(1) 對孔溫較高的炮孔，采取注水降溫辦法處理。

(2) 控制炸藥與炮孔壁的接觸時(shí)間，在炮孔裝藥后，在最短的時(shí)間內(nèi)完成爆破作業(yè)。一般要求從裝藥到起爆不超過2 h，對于孔溫＞60 ℃或接觸反應(yīng)特別強(qiáng)的炮孔，將裝藥到起爆時(shí)間控制在1 h以內(nèi)。用塑料袋或?yàn)r青牛皮紙將炸藥包裝好，使炸藥與孔壁不直接接觸。

(3) 對于孔溫＞60 ℃或接觸反應(yīng)強(qiáng)烈的炮孔，不用雷管引爆，改用不涂蠟的導(dǎo)爆索，且炮孔口部不要堵塞；采用專門的防自燃自爆的高安全乳化炸藥配方，例如北京礦冶研究總院針對德興銅礦高硫礦巖開采而研制的BDS乳化炸藥配方。

(4) 在有重點(diǎn)防護(hù)炮孔的爆區(qū)爆破作業(yè)時(shí)，還應(yīng)在爆破作業(yè)前選擇好安全撤離路線，安排人員觀察炮孔冒煙情況，一旦有炮孔冒出棕色或黃色煙霧，立即組織人員撤離。

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)反應(yīng)初始溫度為16～30 ℃時(shí)，反應(yīng)溫度對散裝乳化炸藥與礦樣接觸反應(yīng)強(qiáng)弱程度的影響不大。當(dāng)溫度＞30 ℃時(shí)，反應(yīng)溫度對炸藥自爆有顯著的影響，反應(yīng)溫度升高，炸藥發(fā)生自爆的可能性增加。當(dāng)反應(yīng)溫度＞50 ℃時(shí)，炸藥發(fā)生自爆的可能性顯著增加，當(dāng)反應(yīng)溫度＞60 ℃時(shí)，必須采取相應(yīng)的安全措施。

(2) 在弱堿性礦樣條件下，粉狀乳化炸藥與礦樣的反應(yīng)程度以及礦樣的pH有關(guān)，當(dāng)?shù)V樣pH增大時(shí)，反應(yīng)程度增強(qiáng)。這是因?yàn)?pH能夠近似地表示礦樣中Fe2+和Fe3+含量的變化，即表示礦樣中FeS2的氧化程度，同時(shí)礦樣的 pH測定比較方便，因此，在實(shí)際工作中，常用測定 pH來代替分析 Fe2+和 Fe3+含量的變化。

(3) 粉狀乳化炸藥的自爆與礦樣的品位關(guān)系不大。

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