乳化炸藥爆炸引燃瓦斯的影響因素研究

吳 競,崔珍珍,陳 龍,宋家良

(中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

炸藥爆炸引燃瓦斯性能是煤礦用炸藥最重要的安全性指標(biāo),也是煤礦炸藥技術(shù)的核心,通常用試驗(yàn)巷道中模擬井下裸露爆破或炮孔作業(yè)時(shí)的懸吊試驗(yàn)和發(fā)射臼炮試驗(yàn),以引燃瓦斯的炸藥量大小來衡量被測炸藥的瓦斯安全性[1-4]。這個(gè)方法能判定炸藥的瓦斯安全性優(yōu)劣,不能獲取炸藥爆炸引燃瓦斯的過程特征和不同爆破條件下爆炸作用的更多信息,導(dǎo)致分析炸藥爆炸引燃瓦斯因素和有針對性進(jìn)行煤礦乳化炸藥配方和性能調(diào)整工作受到極大限制。

國外在煤礦炸藥安全性理論方面的研究較早,在瓦斯點(diǎn)火機(jī)理及抑制方面的研究較多。我國煤礦炸藥發(fā)展與國外不同,國外目前煤礦炸藥是銨銻類和離子交換型不含水的粉狀炸藥,我國煤礦炸藥則是以煤礦乳化炸藥為主的含水炸藥[5-8]。國外以無水的粉狀炸藥為基礎(chǔ)建立起來的理論應(yīng)用于含水炸藥時(shí)具有局限性,所以有必要對我國煤礦乳化炸藥的瓦斯安全性及影響因素進(jìn)行較為深入的研究。國內(nèi)關(guān)于煤礦乳化炸藥瓦斯安全性方面的研究大多集中在炸藥爆炸性能與瓦斯安全性的關(guān)系,手段僅限于前面述及的模擬瓦斯巷道試驗(yàn),不能反映炸藥爆炸能力輸出形式、引燃瓦斯過程與瓦斯安全性的關(guān)系,不利于我國煤礦乳化炸藥的研究與應(yīng)用。

利用光電轉(zhuǎn)換模擬量測試系統(tǒng),對懸吊和發(fā)射臼炮兩種炸藥爆炸和引燃瓦斯的光信號(hào)進(jìn)行測試,考察藥量、消焰劑含量變化與光信號(hào)的關(guān)系,揭示不同爆破作用方式下炸藥爆炸對瓦斯引燃特性的影響,結(jié)合樣品的瓦斯安全性測試結(jié)果,探討消焰劑作用及其影響。不但有利于提升我國煤礦乳化炸藥產(chǎn)品質(zhì)量,而且對煤礦乳化炸藥瓦斯消焰理論和高安全性炸藥的研究也十分有利。在測試方法上,國內(nèi)外沒有類似方法研究炸藥瓦斯安全性的報(bào)道。

1 測試系統(tǒng)與炸藥樣品

1.1 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)由炸藥瓦斯安全性試驗(yàn)系統(tǒng)(包括模擬瓦斯巷道、臼炮試驗(yàn)裝置和懸吊試驗(yàn)裝置)和光電測試系統(tǒng)(包括光電探頭、瞬態(tài)波形、計(jì)算機(jī)、繪圖儀和相機(jī))組成,如圖1所示。

圖1 炸藥瓦斯安全性試驗(yàn)測試系統(tǒng)

1)炸藥瓦斯安全性試驗(yàn)測試系統(tǒng)原理:在Φ1.8 m×9.0 m 封閉空間內(nèi)充入瓦斯以模擬瓦斯巷道,經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)使瓦斯和空氣混合至所需濃度,用懸吊試驗(yàn)和臼炮試驗(yàn)?zāi)M巷道內(nèi)炸藥裸露爆炸情況和炸藥炮孔內(nèi)爆炸引燃瓦斯情況,用半數(shù)引火藥量大小來衡量炸藥安全級別。

2)光電測試系統(tǒng):炸藥爆炸產(chǎn)生的光信號(hào)被光電傳感器接收并進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換,經(jīng)瞬態(tài)波形存貯器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理輸出數(shù)據(jù)和圖形。對于給定的光電傳感器,靈敏度和光敏面的面積一定,入射到光敏面上的光通量Φ和傳感器所輸出的電壓U都與入射到光電傳感器光敏面上的光照度成正比,因此,光通量也與電壓U成正比,據(jù)此,光能Qv(光通量Φ對時(shí)間t的積分)與電壓U對時(shí)間t的積分成正比,即:

根據(jù)上述分析,對于給定的光電傳感器,可以用U和∫Udt分別表示爆炸火焰的光強(qiáng)度D及光能Qv相對大小。爆炸產(chǎn)物燃燒主要是可見光,選用響應(yīng)速度 3 μs,波長為 0.5～1.0 μm 的 3DU 型光電三極管作為光電傳感器,可以滿足試驗(yàn)需要。放大部分采用參考文獻(xiàn)[9]介紹的射極輸出電路。

1.2 試驗(yàn)樣品

乳化炸藥樣品的配方見表1。

表1 乳化炸藥試樣組成 %

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

炸藥瓦斯安全性試驗(yàn)分為懸吊試驗(yàn)和發(fā)射臼炮試驗(yàn)兩種,也代表炸藥在瓦斯環(huán)境中裸露和炮孔約束兩種條件下爆炸作用的結(jié)果。

2.1 藥量與炸藥爆炸火焰光強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和火焰光能的關(guān)系

炸藥試驗(yàn)樣品為珍珠巖敏化的,外加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.5%KCl 的煤礦乳化炸藥,在懸吊和發(fā)射臼炮兩種約束條件下爆炸的光信號(hào)測試結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 炸藥爆炸光信號(hào)的波形

圖3 藥量(W)與爆炸火焰光信號(hào)的關(guān)系

由圖2、圖3可知:

1)試驗(yàn)藥量下,懸吊試驗(yàn)光信號(hào)為單峰曲線,臼炮試驗(yàn)則為雙峰曲線。說明炮孔約束使得炸藥爆炸產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)。

2)懸吊和臼炮試驗(yàn)中,炸藥爆炸火焰光能量Qv和持續(xù)時(shí)間tc,隨藥量增加而顯著增大；最大光強(qiáng)度D則隨藥量增加表現(xiàn)出不同趨勢:懸吊試驗(yàn)隨藥量增加總體呈上升趨勢,藥量250 g 后增加不明顯；臼炮試驗(yàn)則總體呈下降趨勢。無約束條件下爆炸產(chǎn)物溫度有一個(gè)上限值,這個(gè)值在一定藥量范圍內(nèi)不隨藥量增加而增大；有炮孔約束情況下,藥量增加可能會(huì)使爆炸產(chǎn)物的不完全氧化程度加深,致使火焰最大光強(qiáng)度D降低。

3)臼炮試驗(yàn)測得的爆炸光信號(hào)除最大光強(qiáng)度D外,光能Qv和持續(xù)時(shí)間tc都顯著大于懸吊試驗(yàn)。這說明臼炮條件下炸藥爆炸能轉(zhuǎn)化為爆炸火焰的能量遠(yuǎn)大于懸吊條件。

2.2 藥量與瓦斯點(diǎn)火延滯期的關(guān)系

懸吊試驗(yàn)和發(fā)射臼炮試驗(yàn)的結(jié)果見圖4和表2。

圖4 炸藥爆炸與引燃瓦斯的典型光信號(hào)

表2 藥量與瓦斯點(diǎn)火延滯期的關(guān)系

炸藥爆炸能量釋放分為沖擊波和燃燒產(chǎn)物兩種形式。試驗(yàn)條件下,瓦斯首先被沖擊波絕熱壓縮,并受到隨后而來的爆炸產(chǎn)物的作用,光信號(hào)呈波浪形,當(dāng)沖擊波點(diǎn)火能較弱時(shí),瓦斯點(diǎn)火主要取決于爆炸產(chǎn)物的作用,有時(shí)會(huì)在一兩個(gè)波浪后熄滅(見圖4(a)),有的可以發(fā)展成為點(diǎn)火(見圖4(b))。如果沖擊波強(qiáng)度大則形成沖擊波點(diǎn)火,不受隨后爆炸產(chǎn)物的影響,其燃燒波形是逐漸上升的曲線,從炸藥爆炸到瓦斯被點(diǎn)燃并能持續(xù)燃燒的時(shí)間小于1 ms,如圖4(c)所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)兩種條件下,點(diǎn)火延滯期td差別較大,但都隨著藥量W的增加而縮短。

2)相對于有炮孔約束的發(fā)射臼炮試驗(yàn),懸吊試驗(yàn)的點(diǎn)火延滯期明顯小于臼炮試驗(yàn)點(diǎn)火延滯期。這是由于約束條件不同,爆炸能對瓦斯作用的形式有很大不同,懸吊條件下沖擊波能占爆炸能量的70%以上[10-12]。所以,即使懸吊的爆炸火焰能量小,但對瓦斯的引燃能力卻遠(yuǎn)大于在臼炮中爆炸。

3)從點(diǎn)火延滯期td的測試結(jié)果可以看出,臼炮條件下不形成沖擊波點(diǎn)火,爆炸產(chǎn)物對引燃瓦斯起主導(dǎo)作用。

2.3 消焰劑含量對最大光強(qiáng)度、火焰光能和半數(shù)引火藥量的影響

從煤礦乳化炸藥的發(fā)展歷程可以看出,消焰劑是煤礦乳化炸藥必不可少的瓦斯引燃抑制劑,對消焰劑KCl 作用矛盾性的研究是煤礦乳化炸藥的應(yīng)用和發(fā)展的基礎(chǔ)[13-16]。煤礦乳化炸藥作為我國特有的產(chǎn)品品種,對消焰劑作用研究的系統(tǒng)性和深度不夠。

在藥量不變(225 g)情況下,消焰劑KCl 對模擬炮孔內(nèi)炸藥爆炸火焰光信號(hào)的影響試驗(yàn)結(jié)果見圖5,在50%引火率不變條件下,消焰劑對半數(shù)引火量及其爆炸火焰光信號(hào)的影響見圖6。

圖5 固定藥量條件下消焰劑對爆炸火焰光信號(hào)的影響

圖6 相同引火率條件下消焰劑對半數(shù)引火量及其爆炸火焰光信號(hào)的影響

圖5表明:在爆炸藥量不變的前提下,爆炸火焰光信號(hào)總體上隨炸藥中消焰劑含量的增加而減弱,說明消焰劑的加入,可以降低炸藥爆炸產(chǎn)物的溫度、能量和火焰持續(xù)時(shí)間。

圖6的試驗(yàn)結(jié)果表明:

1)隨消焰劑含量增加,炸藥半數(shù)引火藥量大幅提高,近似直線關(guān)系。

2)在保持瓦斯引火率不變的情況下,隨消焰劑含量增加,爆炸火焰光信號(hào)最大光強(qiáng)D減小、爆炸火焰持續(xù)時(shí)間tc和光能量Qv增大,瓦斯被點(diǎn)燃的延滯期td延長。出現(xiàn)這種隨爆炸藥量和爆炸火焰能量增加而引火率不變的情況,說明消焰劑具有物理和化學(xué)兩方面的作用。一方面由于消焰劑是無機(jī)鹽,在炸藥中作為惰性物添加,稀釋了炸藥能量、吸收熱量,降低了爆炸產(chǎn)物溫度,使得光強(qiáng)D減??；另一方面,說明消焰劑組分混合在爆炸產(chǎn)物中具有抑制瓦斯引燃連鎖反應(yīng)的化學(xué)作用,即捕捉瓦斯連鎖反應(yīng)游離基的功能,使得爆炸藥量增加、爆炸火焰持續(xù)時(shí)間tc和光能量Qv增大的情況下,延長瓦斯的點(diǎn)火延滯期,保持瓦斯引火率不變。

3 結(jié)語

1)針對煤礦炸藥爆炸引燃瓦斯的研究,輔以光電測試手段,可以獲取更多關(guān)于炸藥爆炸和瓦斯引燃的過程信息,對炸藥配方設(shè)計(jì)和組分選擇,以及應(yīng)用都具有實(shí)際意義。

2)不同的約束條件,炸藥爆炸能量輸出與作用形式的差異較大,對炸藥爆炸引燃瓦斯的影響顯著。裸露條件下以沖擊波作用為主,炮孔約束條件下以爆炸產(chǎn)物作用為主。

3)煤礦炸藥的消焰劑組分,一方面通過降低爆炸能量、產(chǎn)物溫度和火焰持續(xù)時(shí)間的物理作用,減弱炸藥自身對外的爆炸作用,有效延長了瓦斯引燃的點(diǎn)火延滯時(shí)間；另一方面通過捕捉瓦斯連鎖反應(yīng)游離基的化學(xué)作用,中止瓦斯燃燒,實(shí)現(xiàn)其對瓦斯的控制作用。