一種安全型激發(fā)管的探究

摘要：安全型激發(fā)管是新余國泰特種化工有限責任公司自主研發(fā)的一種裝配在二氧化碳致裂器中為致裂器啟動提供熱能和壓力能的激發(fā)裝置，其作用是在二氧化碳致裂爆破中為沖裝在致裂器中的液態(tài)二氧化碳提供相變所需的熱能和壓力能。安全型激發(fā)管是主要由點火裝置和激發(fā)藥組成。文章通過對激發(fā)藥的探究和點火裝置的探究充分展示安全型激發(fā)管的安全性能，為二氧化碳爆破技術(shù)在煤礦的瓦斯安全防治、煤層抽采及其它特殊條件下的工程爆破提供參考。

關(guān)鍵詞：二氧化碳爆破技術(shù) 安全型 激發(fā)管 激發(fā)藥 磁電引發(fā)器

Exploration of a Safe Excitation Tube

ZHAN Yongbo

（Jiangxi Xinyu Guotai Special Chemical Co.， Ltd.， Xinyu， Jiangxi Province， 338018 China）

Abstract： Safety excitation tube is a kind of excitation device which is independently developed by Xinyu Guotai Special Chemical Co.， Ltd. and is assembled in carbon dioxide cracker to provide heat and pressure energy for cracker startup. Its function is to provide the heat energy and pressure energy required for the phase transformation of liquid carbon dioxide punched in the cracker the carbon dioxide fracturing blasting. The safe excitation tube is mainly composed of ignition device and activator. This paper fully demonstrates the safety performance of the safe excitation tube through the exploration of the excitation drug and the ignition device， it provides a reference for the engineering blasting of carbon dioxide blasting technology in coal mine gas safety prevention， coal seam extraction and other special conditions.

Key Words： Carbon dioxide blasting technology; Safe; Excitation tube; Stimulants; Magnetoelectric initiator

引言

二氧化碳爆破技術(shù)在煤礦的瓦斯、煤層抽采及其它特殊條件下的工程爆破下具有獨特的優(yōu)越性能[1]，激發(fā)管作為二氧化碳爆破技術(shù)中的核心材料，激發(fā)管的安全穩(wěn)定性直接影響到二氧化碳爆破技術(shù)的健康發(fā)展。本文通過對激發(fā)管中的點火裝置和激發(fā)藥的研究和設計，來提高激發(fā)管的本質(zhì)安全性。

1 激發(fā)管的介紹

1.1 激發(fā)管的結(jié)構(gòu)

激發(fā)管的基本結(jié)構(gòu)[2]是一種通過內(nèi)部裝有激發(fā)藥，激發(fā)藥通過點火裝置被點燃，然后燃燒反應產(chǎn)生高溫高壓氣體的火工品裝置。由點火裝置、管殼、塑料塞、塑料頭、銅擋片及激發(fā)藥組成[3]（如下圖1）。安全型激發(fā)管采用的激發(fā)藥為一種在常壓條件下難以被點燃和持續(xù)燃燒的安全型煙火藥，使用的點火裝置為抗干擾能力強、作用可靠的磁電引發(fā)器。

1.2 激發(fā)管的用途及工作原理

激發(fā)管是應用于二氧化碳爆破技術(shù)中的一種爆破器材，二氧化碳爆破是一種污染小的液態(tài)二氧化碳相變過程，涉及到熱量的交換和能量的蓄積[4]，其相變膨脹破巖無需火工品，引起的危害較炸藥爆破破巖小，在露天臺階破巖、基坑開挖、巖石破碎及隧道掘進等工程中得到較為廣泛的應用[5]。激發(fā)管的作用是裝配于二氧化碳致裂器中，為液態(tài)二氧化碳提供相變所需的熱能和壓力能，是致裂器啟動做功的激發(fā)裝置。其工作原理是二氧化碳致裂器中激發(fā)管內(nèi)的激發(fā)藥通過點火裝置被點燃并迅速燃燒釋放熱和產(chǎn)生氣體，使二氧化碳致裂器中的液態(tài)二氧化碳溫度在極短的時間內(nèi)升高并迅速氣化，快速發(fā)生液-氣相變[6]，當二氧化碳致裂器中的壓強上升達到致裂器泄壓頭上的設定值時，破裂片被剪切，氣體被瞬間釋放并膨脹做功，氣體擠壓力作用于致裂器周邊礦體（巖土），達到類似炸藥爆破巖土的效果（爆破效果）。

2 激發(fā)管的安全性探究

激發(fā)管是二氧化碳致裂技術(shù)應用中的核心材料之一，它是形成膨脹集聚力（破裂力）的必備啟動部件。二氧化碳致裂技術(shù)使用的二氧化碳本身不是易燃易爆物質(zhì)，因此二氧化碳致裂技術(shù)本身是一種安全可靠的爆破技術(shù)，但是因激發(fā)管在結(jié)構(gòu)設計和原材料使用中采取了一些非理性、非專業(yè)措施，容易在爆破之前產(chǎn)生一定的危險性。因此本文通過設計激發(fā)管中的激發(fā)藥及點火裝置來達到一種安全型激發(fā)管的爆破器材，使得二氧化碳致裂技術(shù)從原材料生產(chǎn)到爆破完成全過程達到本質(zhì)性的安全。

2.1 激發(fā)管的激發(fā)藥探究

激發(fā)藥使用較廣的藥劑多為高敏感的煙火藥、單質(zhì)炸藥或者在藥劑中加入可以提高爆熱的高熱值金屬粉[7]，此類裝有高敏感的煙火藥或者單質(zhì)炸藥的激發(fā)管在原材料的使用過程、激發(fā)管裝配生產(chǎn)運輸過程中以及在二氧化碳致裂爆破使用過程中容易因外部因素（如：震動、雷電、靜電和雜散電流等）造成點火裝置發(fā)生點火和藥劑早爆而形成重大人身安全事故，影響到二氧化碳致裂技術(shù)的健康發(fā)展。本文研究的安全型激發(fā)管是采用一種安全型煙火藥為激發(fā)藥劑。通過裝配安全型煙火藥使得激發(fā)管不會因早爆而造成安全事故的發(fā)生。安全型煙火藥的主要組分為高氯酸鉀（KClO4）、草酸銨（C2H8N2O4）、水楊酸（C7H6O3）、防水劑（外加）等[8]，組分中以高氯酸鉀為氧化劑，還原劑成分為草酸銨和水楊酸。組分中高氯酸鉀、草酸銨、水楊酸的完全零氧平衡的化學反應如下：

9 KClO4+ 2 C2H8N2O4 + 2 C7H6O3 → 9 KCl + 2 N2 + 14 H2O +18 CO2

當煙火藥中的成分處于完全零氧平衡狀態(tài)時，根據(jù)化學反應方程式可知高氯酸鉀、草酸銨和水楊酸的配比為176：39：35。而通過完全零氧平衡配比制備的煙火藥在常壓條件能夠被點燃和持續(xù)燃燒，無法保證激發(fā)管在裝備此類煙火藥時達到本質(zhì)安全性。因此需根據(jù)原材料的特性對使用高氯酸鉀、草酸銨和水楊酸制備煙火藥進行配比優(yōu)化。

草酸銨，在常壓條件下加熱到95 ℃時發(fā)生脫水分解，而分解反應是一種吸熱反應。因此通過草酸銨分解產(chǎn)生的吸熱效應，使的草酸銨在安全型煙火藥中不僅作為還原劑存在，同時具有使激發(fā)藥鈍感和增加熱穩(wěn)定性的作用。所以，當通過提高草酸銨的含量制備的煙火藥可使其在常壓條件下其點燃過程的發(fā)熱量小于散熱量，點燃過程難以持續(xù)，保證了煙火藥在常壓條件下無法被點燃燃燒，從而杜絕了二氧化碳致裂器用激發(fā)管在生產(chǎn)、運輸和貯存情況下發(fā)生燃燒爆炸。但是，當安全煙火藥處于高壓環(huán)境下時，因草酸銨的分解溫度隨著壓強的增加而升搞，因此，在一定壓強條件下，可以使煙火藥點燃過程發(fā)熱量大于散熱量，使得煙火藥容易被點燃并穩(wěn)定燃燒（爆燃）。所以，基于零氧平衡基本不變的情況下通過提高草酸銨的含量，使煙火藥在二氧化碳致裂器工作壓強（臨界壓強）能夠被點燃并穩(wěn)定燃燒（爆燃）。而基于此配比制備的安全型煙火藥在常壓條件下卻無法被點燃。因此，激發(fā)管使用此類安全型煙火藥為激發(fā)藥時，能夠保證激發(fā)管在生產(chǎn)、運輸和使用過程中不會發(fā)生早爆，達到本質(zhì)性的安全。

2.2 激發(fā)管的的點火裝置探究

點火裝置是一種通過外部能量（如電能、化學能等））給藥劑提供燃燒反應所必需的初始能量的部件。安全型激發(fā)管使用的點火裝置為公司自主研發(fā)的安全型磁電引發(fā)器，安全型磁電引發(fā)器是由引火元件、點火藥、管殼、堵片等組成。

激發(fā)管在制造、運輸和使用過中，常因點火裝置受到雷電、靜電和雜散電流的影響而造成點火裝置發(fā)生點火而早爆[9]，因此為了減少雷電、靜電和雜散電流對激發(fā)管的影響，減少環(huán)境對激發(fā)管的影響，提高激發(fā)管在生產(chǎn)、運輸和使用過程的本質(zhì)安全性能，安全型磁電引發(fā)器的引發(fā)元件采用一種抗干擾能力強的磁電雷管用點火頭，磁電雷管用點火頭具備以下性能優(yōu)勢：①具備固定的安全電流，在有效頻率70 kHz±10 %條件下，對磁電雷管用點火頭通以≤500 mA高頻脈沖電流，持續(xù)時間不大于500 mA時，磁電雷管點火頭不發(fā)生點火;②具備固定的啟動電流，在有效頻率70 kHz±10 %條件下，對磁電雷管點火頭通以≥2.5 A高頻脈沖電流，持續(xù)時間不大于500 mA，磁電雷管點火頭發(fā)生點火;③具備一定的安全頻率，在頻率≤3 kHz或≥900 kHz范圍內(nèi)，對產(chǎn)品通以≥8.6±1.6 A高頻脈沖電流，持續(xù)時間不大于500 mA，不發(fā)生點火;④具備市電安全性，對磁電雷管點火頭通以380 V，50 Hz市電，不發(fā)生點火。

為了提高安全型磁電引發(fā)器的防潮性能，增強二氧化碳致裂器用激發(fā)管的貯存時間，磁電引發(fā)器采用類似雷管的結(jié)構(gòu)：用G-8發(fā)藍雷管殼改制，管殼前后通口，管殼一端插入磁電點火頭，另一端用硝基軟片封堵。因為二氧化碳致裂器用激發(fā)管使用的藥劑為一種頓感的安全型煙火藥，所以需提高點火裝置點火能力;因此，在管殼中裝入一種點火能力強，綜合性能好的點火藥，點火藥是采用以鎢、鉻酸鋇、高氯酸鉀、硅藻土為原材料制備的一種高能點火藥。

磁電引發(fā)器的結(jié)構(gòu)設計如下：管殼（通孔）用G-8發(fā)藍雷管殼改制，磁電點火頭從管殼一端插入用緊口機緊口，裝入點火藥后底部用硝基軟片封堵并涂密封膠固定成為一個整體。通過管殼與磁電點火頭的緊口和管殼與和硝基軟片涂密封膠密封達到點火藥頭和點火藥的防潮性能，提高激發(fā)管的貯存時間;通過磁電點火頭點燃點火藥，使點火藥燃燒釋放能量并且?guī)庸軞さ撞康南趸浧紵?，提高磁電引發(fā)器的點火能力;磁電引發(fā)器的能量通過管殼底部釋放點燃激發(fā)管中的煙火藥。

3 安全型激發(fā)管的優(yōu)點

安全型二氧化碳致裂器用激發(fā)管具備安全可控性：激發(fā)管中采用了提高草酸銨含量的煙火藥，由于草酸銨為吸熱性可燃劑，是降低燃速的催化劑，使得藥劑感度低（撞擊、摩擦、靜電感度為0），藥頭難點不著，常壓很難被點燃和持續(xù)燃燒，此類煙火藥保證了激發(fā)管在正常生產(chǎn)、運輸和使用過程中不會發(fā)生早爆。同時激發(fā)管中采用的點火裝置為磁電引發(fā)器，磁電引發(fā)器的抗干擾能力強、作用可靠，并且需用專用的磁電控制器進行起爆控制，磁電引發(fā)器保證了激發(fā)管的安全可控性

安全型二氧化碳致裂器用激發(fā)管具備環(huán)保性：激發(fā)管使用的藥劑中不含砷化合物、汞化合物、沒食子酸、苦味酸、六氯代苯、鎂粉、鋯粉、磷鉛化合物、金屬粉末等有毒有害成分，組分燃充分燃燒后，產(chǎn)物無毒無害（包括氯化鉀、氮氣、二氧化碳和水蒸氣），具備優(yōu)越的環(huán)保性。

4 結(jié)論

通過對激發(fā)管中激發(fā)藥的基本材料選擇、激發(fā)藥配比的優(yōu)化和點火元件的選擇以及點火裝置的結(jié)構(gòu)設計研究出一種安全型激發(fā)管。安全型激發(fā)管采用優(yōu)化設計的具備常壓無法被點燃和持續(xù)燃燒的煙火藥為激發(fā)藥，使用具有抗干擾能力強、作用可靠的磁電引發(fā)器為點火裝置。通過此材料和結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的激發(fā)管產(chǎn)品安全性能高，社會安全性好，為二氧化碳爆破提供了穩(wěn)定安全的爆破操作環(huán)境。

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詹勇波，1993年，男，大學本科，助理工程師，研究方向：化學工程