某型煤礦許用電雷管高段瞎火原因的分析及改進(jìn)

閻巧玲，許 勇，張 凱

（西安慶華民用爆破器材公司，陜西 西安，710025）

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某型煤礦許用電雷管高段瞎火原因的分析及改進(jìn)

閻巧玲，許 勇，張 凱

（西安慶華民用爆破器材公司，陜西 西安，710025）

摘 要：針對(duì)某型煤礦許用雷管生產(chǎn)中出現(xiàn)的點(diǎn)火失效問(wèn)題進(jìn)行了分析，結(jié)果表明電點(diǎn)火藥頭-延期藥之間能量匹配裕度不足是導(dǎo)致產(chǎn)品瞎火的主要原因。通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)提高了電點(diǎn)火藥頭點(diǎn)火能力及延期藥的熱感度，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品發(fā)火的可靠性得到有效改善，解決了瞎火的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：煤礦許用雷管；瞎火；熱感度；點(diǎn)火能量

通常煤礦許用電雷管在有可燃?xì)夂兔簤m爆炸危險(xiǎn)的礦井中使用，必須進(jìn)行可燃?xì)獍踩仍囼?yàn)，即沼氣安全性試驗(yàn)。但國(guó)內(nèi)煤礦許用電雷管的沼氣試驗(yàn)并不樂(lè)觀，名義延期時(shí)間一般只能達(dá)到100ms，落后于國(guó)外(其名義時(shí)間達(dá)到400ms)。慶華民用爆破器材公司2011年研制出了某型電雷管系列，將煤礦許用雷管的名義時(shí)間延伸到了300ms，產(chǎn)品可燃?xì)獍踩仍囼?yàn)可靠，時(shí)間精度穩(wěn)定，但在其后生產(chǎn)驗(yàn)收中，不同程度地出現(xiàn)了兩次產(chǎn)品發(fā)火失效。為此，對(duì)故障進(jìn)行試驗(yàn)分析，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

1　煤礦許用電雷管結(jié)構(gòu)及作用過(guò)程

煤礦許用電雷管由火雷管、延期元件及電點(diǎn)火頭3部分組成，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1?；鹄坠芄軞げ捎梅ㄌm鋼殼，內(nèi)裝猛炸藥、起爆藥。延期元件采用五芯結(jié)構(gòu)的鉛延期索。電點(diǎn)火頭為灼熱橋絲式剛性藥頭。

圖1　煤礦許用雷管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of coal mine permissible detonator structure

雷管作用過(guò)程為電點(diǎn)火藥頭腳線通入電流，橋絲產(chǎn)生能量傳遞給涂覆在周圍的點(diǎn)火藥，藥劑受熱發(fā)生化學(xué)變化，釋放的熱量使其持續(xù)升溫至發(fā)火，燃燒產(chǎn)生的火焰及殘?jiān)鼑娚涞窖悠谠嗣?。延期藥受熱，溫度上升達(dá)到發(fā)火點(diǎn)即開(kāi)始燃燒并放出大量的熱及少許氣體，燃燒反應(yīng)持續(xù)，燃燒波面不斷向前推進(jìn)直至完全燃燒，輸出火焰沖能點(diǎn)燃底部的起爆藥，進(jìn)而引起雷管爆炸。

2　瞎火現(xiàn)象及原因分析

雷管的瞎火基本都表現(xiàn)為電點(diǎn)火藥頭輸出的火焰沖能不能引燃延期元件，此次兩批產(chǎn)品瞎火均為電點(diǎn)火頭未點(diǎn)燃延期藥。根據(jù)點(diǎn)火過(guò)程的作用原理可知點(diǎn)火失效主要是兩方面因素所致：一方面是點(diǎn)火源即藥頭輸出的能量不足，正常情況下無(wú)法將延期藥預(yù)熱到發(fā)火點(diǎn)的溫度；另一方面是由于延期藥的熱感度低，藥頭輸出的正常能量無(wú)法將其引燃。針對(duì)上述兩方面因素，對(duì)此產(chǎn)品用藥頭及延期元件分別進(jìn)行了分析。

煤礦許用雷管用藥頭有K系及Pb系兩種，其中K系藥頭一直在常規(guī)產(chǎn)品中應(yīng)用，其火焰長(zhǎng)、點(diǎn)火能力強(qiáng)、氣體量相對(duì)較大；Pb系藥頭是首次在此產(chǎn)品中應(yīng)用，其氣體產(chǎn)物少，產(chǎn)品作用精度高。對(duì)瞎火產(chǎn)品進(jìn)行解剖，解剖后發(fā)現(xiàn)作用后藥頭的導(dǎo)電箔上有未作用的點(diǎn)火藥殘留，如圖2所示。

圖2　瞎火產(chǎn)品的藥頭照片F(xiàn)ig.2 Photo of matchhead of dud product

分析認(rèn)為該點(diǎn)火藥含有的鉛起爆藥含量高，藥劑的猛度大、爆速快，而電感度（熱絲感度）低。橋絲加熱點(diǎn)火藥時(shí)，熱源小，功率大，除藥劑與橋絲接觸層溫度較高外，大部分點(diǎn)火藥仍處于原來(lái)的溫度，需要持續(xù)一定的時(shí)間方能達(dá)到熱點(diǎn)溫度。當(dāng)藥劑猛度過(guò)大時(shí)，部分還未作用的藥劑會(huì)因作用藥劑而被崩飛，產(chǎn)生的能量不足以激發(fā)后續(xù)藥劑，導(dǎo)致部分未作用的藥劑繼續(xù)殘留，同時(shí)使藥頭的點(diǎn)火能力下降。

煤礦許用電雷管的延期元件采用五芯索結(jié)構(gòu)，主要是利用其裝藥量少、金屬比例大的特點(diǎn)來(lái)降低燃燒溫度，達(dá)到雷管爆炸時(shí)不引起瓦斯爆炸的目的。低段產(chǎn)品采用快燃速毫秒延期藥，熱感度高，發(fā)火傳遞過(guò)程可靠。高段產(chǎn)品采用中等燃速的藥劑，其火焰感度及輸出能量較快燃速藥劑都有明顯的減弱。五芯索的索芯直徑小，相對(duì)于三芯或單芯索藥劑接收點(diǎn)火頭傳遞能量的能力較弱，藥劑燃燒所需的能量增加，點(diǎn)火會(huì)變得困難。

3　設(shè)計(jì)方案改進(jìn)

通過(guò)上述分析可知，引起產(chǎn)品瞎火的原因是點(diǎn)火藥頭-延期元件之間點(diǎn)火能量不匹配，點(diǎn)火藥頭的點(diǎn)火能力裕度不足，延期藥的熱感度低。為了提高點(diǎn)火可靠性，對(duì)藥頭及延期元件的設(shè)計(jì)分別進(jìn)行了改進(jìn)。

3.1在確?？扇?xì)獍踩然A(chǔ)上提高藥頭輸出能量

通過(guò)對(duì)瞎火產(chǎn)品進(jìn)行解剖分析，認(rèn)為點(diǎn)火藥因熱絲感度低、猛度高而作用不完全是導(dǎo)致點(diǎn)火失效的一個(gè)重要因素。藥劑熱絲感度主要與藥劑種類、藥劑粒度、涂敷的致密度及粘合劑加入量有關(guān)。受生產(chǎn)工藝影響，目前Pb系點(diǎn)火藥中的含鉛起爆藥比重輕，存在大量結(jié)塊，生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中如果攪拌不均勻，就不能將其充分分散，在涂敷時(shí)會(huì)影響藥劑與橋絲的接觸面積，降低藥劑的電感度。另外，由于藥劑比重輕，藥頭涂敷時(shí)粘合劑的量就會(huì)增大，其感度也就相應(yīng)地降低。由于提高含鉛起爆藥假比重的技術(shù)不成熟，技術(shù)人員將電點(diǎn)火頭用藥由單質(zhì)藥劑改為復(fù)合藥劑，將藥頭第1道涂藥由Pb系改為了常用的K系，這樣不但可以提高點(diǎn)火藥的電感度，而且能夠降低其猛度。

對(duì)改進(jìn)前后藥頭的作用效果進(jìn)行了對(duì)比，如圖3～4所示?？梢钥闯觯庮^第1道涂敷藥改為K系點(diǎn)火藥，電點(diǎn)火頭發(fā)火后，導(dǎo)電箔腳片上沒(méi)有了藥劑殘留，發(fā)火更加集中。

圖3　電點(diǎn)火藥頭作用后的照片F(xiàn)ig.3 Photo of electric matchhead after function

依據(jù)某型煤礦許用電雷管技術(shù)條件，對(duì)改進(jìn)后電點(diǎn)火頭進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后復(fù)式電點(diǎn)火頭的各項(xiàng)性能能夠滿足煤礦許用電雷管的技術(shù)要求。

圖4　電點(diǎn)火藥頭發(fā)火狀態(tài)高速攝影結(jié)果Fig.4 High-speed photograph of electric matchhead fire

表1　復(fù)合電點(diǎn)火頭性能測(cè)試結(jié)果Tab.1 Performance test results of compound electric matchhead

3.2提高延期藥的熱感度

煤礦許用電雷管高段采用的是中等燃速的延期藥，相對(duì)于低段快燃速延期藥，其熱感度低。中等燃速藥劑應(yīng)用于導(dǎo)爆管雷管或其它電雷管時(shí)一般采用三芯索結(jié)構(gòu)，藥芯直徑較五芯索粗。針對(duì)產(chǎn)品的特殊性，在索芯直徑不能變動(dòng)的情況下唯有提高藥劑自身的感度。

3.2.1調(diào)整延期藥配比

中等燃速硅系延期藥的燃速為0.03～0.05mm/ms，藥劑主要組成為硅粉、紅丹和硫化銻，其中硅粉為可燃劑、紅丹作為氧化劑，硫化銻是緩燃劑。硫化銻的化學(xué)式為Sb2S3，熔點(diǎn)低、性質(zhì)安定。當(dāng)藥劑被加熱到500℃左右時(shí)，硫化銻開(kāi)始熔融，吸收大量熱量，從而對(duì)硅-紅丹之間的燃燒起抑制作用。對(duì)不同配比的延期藥劑進(jìn)行感度測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　不同配比延期藥的發(fā)火點(diǎn)Tab.2 Ignition temperature of delay composition with different formulation

從表2測(cè)試結(jié)果可以看出，延期藥的熱感度隨藥劑組成、配比變化而異。當(dāng)硅粉與紅丹比例一定時(shí)，藥劑的發(fā)火溫度隨著硫化銻含量的增高而提高。因此，為了提高藥劑的熱感度應(yīng)該對(duì)藥劑中硫化銻的含量進(jìn)行控制。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有藥劑的不同配比進(jìn)行試驗(yàn)，最終將煤礦許用電雷管高段產(chǎn)品用硅/紅丹/硫化銻的配比由16/64/20調(diào)整到16.5/65.5/18。

3.2.2選擇細(xì)粒徑硅粉

硅與紅丹之間的氧化反應(yīng)首先從硅粉表面開(kāi)始，逐漸進(jìn)入中心，硅粉顆粒小，則比表面大、反應(yīng)快、藥劑的發(fā)火點(diǎn)相對(duì)較低。選取兩批不同比表面積的硅粉，利用激光粒度儀對(duì)其粒徑進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。在其它原材料相同的條件下，按照相同配比，分別利用這兩種硅粉混制成延期藥，用DSC儀對(duì)將編號(hào)Ⅰ、Ⅱ的藥劑進(jìn)行差示掃描量熱試驗(yàn)（溫度控制600℃，加熱速度10℃/min，氬氣流量50mL/min），結(jié)果見(jiàn)圖5。

表3　硅粉粒徑檢測(cè)結(jié)果Tab.3 The measurement result of Si powder diameter

圖5　硅系延期藥的DSC示意圖Fig.5 DSC curves of silicone delay composition

從圖5可以看出，藥劑Ⅰ在517℃才出現(xiàn)放熱峰，而藥劑Ⅱ在497℃時(shí)就有放熱峰出現(xiàn)，較前者提前了20℃。因此，粒度小的硅粉能夠降低延期藥主反應(yīng)的起始溫度。通過(guò)對(duì)不同粒徑硅粉的試驗(yàn)，最終將煤礦許用電雷管高段產(chǎn)品用中等燃速硅系藥劑的硅粉比表面積由目前的18 000～20 000cm2/g調(diào)整為21 000～23 000 cm2/g。

3.2.3限定藥劑的燃速

針對(duì)電雷管結(jié)構(gòu)，對(duì)不同索芯的藥劑燃燒特性的進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　不同索結(jié)構(gòu)的硅系藥延期時(shí)間Tab.4 Delay time of silicone system delay composition with different cable structure

從表4可以看出，由于藥劑燃燒直徑不同，不同燃速藥劑采用五芯索結(jié)構(gòu)時(shí)的延期時(shí)間較三芯索的均長(zhǎng)，而且藥劑的燃速越慢，其差異就越大。這也說(shuō)明，藥劑的燃速越慢，采用五芯索時(shí)其感度下降得就越大，出現(xiàn)瞎火的可能性增高。因此，為了保障產(chǎn)品可靠作用，應(yīng)該對(duì)藥劑的燃速作更進(jìn)一步的規(guī)定。經(jīng)過(guò)充分論證及點(diǎn)火裕度試驗(yàn)，將煤礦許用電雷管高段產(chǎn)品用硅系藥劑的燃速限定為不小于0.045mm/ms。

4　改進(jìn)后產(chǎn)品點(diǎn)火可靠性驗(yàn)證

按照改進(jìn)后的技術(shù)條件，分別生產(chǎn)了電點(diǎn)火藥頭和延期藥。為了驗(yàn)證產(chǎn)品改進(jìn)方案的有效性，通過(guò)裕度試驗(yàn)，驗(yàn)證電點(diǎn)火藥頭-延期藥之間點(diǎn)火的可靠性。

4.1減小延期索的直徑

隨著延期索直徑變小，藥芯進(jìn)一步變細(xì)，側(cè)向熱損失加大，點(diǎn)火變得困難，因此，通過(guò)減小藥芯直徑能夠考察點(diǎn)火能量匹配的裕度。試驗(yàn)將延期索拉拔時(shí)的終模由正常φ 6.2mm變?yōu)棣?5.2mm，切制高度為H=10mm，按照煤礦許用雷管技術(shù)條件裝配成產(chǎn)品，抽取230發(fā)進(jìn)行發(fā)火試驗(yàn)，結(jié)果全部發(fā)火。

4.2增大點(diǎn)火距離

試驗(yàn)中，裝配產(chǎn)品時(shí)將氣室空位由正常的32～35mm提高到37～40mm，抽取230發(fā)進(jìn)行發(fā)火可靠性試驗(yàn)，結(jié)果全部發(fā)火。

4.3延期元件吸濕

若延期藥水分含量較高，在點(diǎn)火燃燒時(shí)首先會(huì)有一部分熱量用于水分的氣化，藥劑的發(fā)火點(diǎn)溫度會(huì)升高。因此，通過(guò)對(duì)吸濕后的延期元件進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)以考察點(diǎn)火能量匹配的裕度。

試驗(yàn)中，將切制的延期元件（H=13.2mm）先在密閉容器中進(jìn)行室溫高濕吸潮，再按照煤礦許用雷管技術(shù)條件裝配成產(chǎn)品，先后抽取了200發(fā)進(jìn)行測(cè)時(shí)，全部正常作用，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　延期索吸潮后作用時(shí)間Tab.5 Delay time of delay fuse after moisture absorption

按照改進(jìn)后的技術(shù)條件，目前公司已生產(chǎn)某型煤礦許用雷管300ms產(chǎn)品6批次3.2萬(wàn)發(fā)，生產(chǎn)驗(yàn)收合格，滿足客戶需求。

5　結(jié)論

通過(guò)對(duì)某型煤礦許用電雷管瞎火產(chǎn)品的分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)，得到以下結(jié)論：（1）電點(diǎn)火頭-延期元件之間點(diǎn)火能量不匹配是造成產(chǎn)品瞎火的主要原因；（2）Pb系點(diǎn)火藥電感度低、猛度大，不適合作為電點(diǎn)火藥頭的第1道涂藥；（3）硅系延期藥的熱感度與藥劑配比、硅粉粒度有關(guān)，減少硫化銻含量、增大硅粉比表面積能夠提高藥劑的感度，降低發(fā)火點(diǎn)。（4）中等燃速硅系延期藥拉制成五芯索結(jié)構(gòu)時(shí)，其感度下降，為了確保產(chǎn)品可靠作用，藥劑的燃速應(yīng)控制在0.045mm/ms以上。

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Analysis and Improvement of Misfire of Some Permitted Electric Detonator for Coal Mine

YAN Qiao-ling，XU Yong，ZHANG Kai
(Xi’an Qinghua Research Institute of Industrial Explosive Material,Xi’an,710025)

Abstract：Aimed at the ignition failure in the coal mine permissible detonator production,the analysis was presented,which showed that the inadequate margin between the energy of electric matchhead and delay composition is the main reason.Through the design improvement,the ignition capacity of electric matchhead and the thermal sensitivity of delay composition were improved.The product verification test showed that the fire reliability can be effectively improved,and the problems of dud can be solved.

Key words：Coal mine permissible detonator；Misfire；Thermal sensitivity；Ignition energy

作者簡(jiǎn)介：閻巧玲（1973-），女，工程師，主要從事煙火延期技術(shù)研究。

收稿日期：2015-08-07

文章編號(hào)：1003-1480（2016）01-0015-04