低爆速多孔粒狀銨油炸藥的實(shí)驗(yàn)研究

武 軒，郭占江，閆海勇，王建英

(神華準(zhǔn)能集團(tuán)炸藥廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

1 工程背景

黑岱溝露天煤礦設(shè)計(jì)開采的煤層為二疊紀(jì)6#煤層，平均厚度為31 m，為復(fù)合煤層，分6上、6中、6下3層。其中6上厚10 m、6中厚16 m、6下厚5 m，優(yōu)質(zhì)煤集中于6中煤層，發(fā)熱量為4 200～5 700 kcal。煤臺(tái)階分3層開采，現(xiàn)場工作面空間狹窄，穿孔和爆破作業(yè)受到很大限制。如何在此不利條件下，使煤臺(tái)階爆破[1]的粉碎區(qū)范圍減小，裂隙區(qū)范圍增大，以提高塊煤率，是一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題[2-3]。

多孔粒狀銨油炸藥ANFO(Ammonium nitrate fuel oil)具有生產(chǎn)工藝簡單、成本低、原材料來源廣、施工操作簡單、可現(xiàn)場混裝等優(yōu)點(diǎn)，在各類巖石工程爆破中被廣泛應(yīng)用。多孔粒狀銨油炸藥的爆速通常為3 400 m/s左右，密度為0.86 g/cm3左右，波阻抗為2.92×106kg/m2·s。煤臺(tái)階波阻抗為1.1×106kg/m2·s，兩者相差較大。如果炸藥爆炸峰值壓力高，作用時(shí)間短，則易造成炮孔周圍巖石過度粉碎，裂隙區(qū)發(fā)育范圍小，塊煤率低。因此，降低炸藥的波阻抗是解決問題的關(guān)鍵[2]。

低爆速炸藥是指一類極限爆速較低的炸藥，其極限爆速通常在1 500～2 200 m/s。目前國內(nèi)低爆速炸藥主要由改性銨油炸藥添加高分子材料[4]、乳化炸藥中添加黏土或硫酸鈉[5-6]、單質(zhì)炸藥添加金屬粉末[5]等制成，這些產(chǎn)品生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本較高，生產(chǎn)、貯存、使用的安全性較差。自20世紀(jì)80年代以來，國外研制了許多品種的低爆速炸藥，如瑞典的納必特、古立恃及日本的SB光爆炸藥等都是含有硝化甘油的粉狀炸藥，但爆速均在3 000 m/s以上。

國內(nèi)劉曉明[4]在改性的銨油炸藥中添加聚苯乙烯微球來降低爆速，結(jié)果表明當(dāng)聚苯乙烯球的加入量在0.5%～1.0%時(shí)，爆速由原來的2 857 m/s降低至2 564 m/s，降低程度并不明顯。馬宏昊等[5]在乳化炸藥中添加5%～25%的黏土，爆速為2 000～ 2 800 m/s主要適用于低爆速爆炸焊接。李占榮等[6]在粉狀乳化炸藥中添加20%～33%的工業(yè)硫酸鈉，爆速為2 100～2 200 m/s，主要應(yīng)用于高端異相金屬板材的爆炸焊接。王鵬等[7]在單質(zhì)炸藥中添加10%～25%的鋁粉，爆速在2 510～2 760 m/s之間，爆速調(diào)節(jié)范圍較窄，且安全性能不佳，機(jī)械感度較高。近年來低爆速的多孔粒狀銨油炸藥研究較少，能適用于露天礦生產(chǎn)的低爆速炸藥更少。

為了降低多孔粒狀銨油炸藥的爆速，作者在銨油炸藥中添加不同的惰性物質(zhì)，主要成分是SiO2、Al2O3等氧化物，在低爆速銨油炸藥中不參與反應(yīng)，只是在局部隔斷了銨油炸藥連續(xù)性，延長爆炸反應(yīng)時(shí)間，從而降低了爆速和威力。并探索出了一條生產(chǎn)工藝簡單、成本較低、適合露天礦生產(chǎn)要求且環(huán)境友好的工藝路線。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料有多孔粒狀硝酸銨(烏拉山化肥廠)、柴油(-35#神華煤制油化工有限公司)、珍珠巖(內(nèi)蒙古華亨有限責(zé)任公司)、火山巖(河北萬景浮石科技有限公司)、陶粒濾料(河南博達(dá)凈水材料有限公司)。

儀器有BSW-3A智能爆速測定儀(湖南湘西州奇博礦山儀器廠)，密度杯(自制，體積1 L，不銹鋼材質(zhì))。

2.2 炸藥配方

炸藥配方如表1～表3所示，將多孔粒狀硝酸銨、惰性添加物和柴油按表中配比混合均勻，即可得到低爆速粒狀銨油炸藥。

表1 添加珍珠巖的炸藥配方

表2 添加火山巖的炸藥配方

表3 添加陶粒濾料的炸藥配方

2.3 數(shù)據(jù)測試與結(jié)果分析

2.3.1 吸油率

準(zhǔn)確稱取惰性物質(zhì)樣品20 g(精確至0. 000 1 g)，放置入100 mL干燥潔凈的燒杯中，用柴油浸濕并覆蓋試樣，不斷攪拌，浸泡24 h后傾入砂芯漏斗中，用真空泵抽濾10 min后稱取試樣(精確至0.000 1 g)。 吸油率按下式計(jì)算：

(1)

式中：x為粒狀硝酸銨吸油率，%；m1為試樣吸油前的總質(zhì)量，g；m2為試樣吸油后的總質(zhì)量，g。

珍珠巖、火山巖、陶粒濾料在柴油中的吸油情況，火山巖的吸油率最高達(dá)8.3%，陶粒濾料的吸油率最低為6.32%，珍珠巖的吸油率為6.70%。多孔粒狀硝酸銨吸油率為8%～10%。惰性物質(zhì)吸油率越低越好，造成柴油的浪費(fèi)少。對(duì)比數(shù)據(jù)可知，陶粒濾料的吸油率最低。

2.3.2 密度

炸藥的密度是炸藥爆炸性能的重要參數(shù)之一。用密度杯盛樣粒狀銨油炸藥，用刮刀將杯口刮平，電子秤稱量，計(jì)算炸藥密度。

隨著珍珠巖質(zhì)量比的增加，ANFO的密度下降(見圖1)。當(dāng)珍珠巖含量在4%～9%之間變化時(shí)，炸藥的密度在0.45～0.69 g/cm3之間變化。多孔粒狀硝酸銨的堆積密度為0.73～0.86 g/cm3，本實(shí)驗(yàn)選取的珍珠巖的堆積密度為0.08～0.10 g/cm3。由于兩者密度差異較大，珍珠巖質(zhì)量比越大，ANFO的密度下降就會(huì)越多。

圖1 添加珍珠巖后ANFO的密度

ANFO密度隨著火山巖質(zhì)量比的增加而增大(見圖2)，當(dāng)火山巖含量在25%～35%之間變化時(shí)，炸藥的密度在0.85～0.88 g/cm3之間變化，且呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，說明火山巖與多孔粒狀硝酸銨混合的均勻度最好。本實(shí)驗(yàn)選取的火山巖堆積密度為1.00～1.05 g/cm3，密度略大于多孔粒狀硝酸銨。

圖2 添加火山巖后ANFO的密度

ANFO密度隨著陶粒濾料質(zhì)量比的增加而增大(見圖3)，當(dāng)陶粒濾料含量在15%～40%之間變化時(shí)，炸藥的密度在0.77～0.91 g/cm3之間變化，陶粒濾料的堆積密度為0.85～0.95 g/cm3，與多孔粒狀硝酸銨的堆積密度差異最小，混合均勻度較好。

圖3 添加陶粒濾料后ANFO的密度

2.3.3 爆速與波阻抗

將配制的炸藥裝在直徑為150 mm 的PVC管內(nèi)，運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)場，用爆速儀測試爆速。測試前，將兩根把線插入炸藥內(nèi)部，相距200 mm，通過測試炸藥爆炸時(shí)兩根把線前后導(dǎo)通的時(shí)間差，計(jì)算出爆速。

波阻抗按照下式計(jì)算：

Z=ρD

(2)

式中：Z為波阻抗 ；ρ為密度；D為爆速。

添加不同質(zhì)量比的惰性物質(zhì)后多孔粒狀銨油炸藥的爆速與波阻抗如表4～表6所示，當(dāng)珍珠巖的質(zhì)量比為4.6%～9%時(shí)，爆速在1 500～2 200 m/s范圍內(nèi)，其中含量為4.6%爆速為2 046 m/s時(shí)，波阻抗為0.98×106kg/m2·s與煤臺(tái)階波阻抗1.1×106kg/m2·s匹配程度較高，應(yīng)用于露天礦煤臺(tái)階松動(dòng)爆破，塊煤的產(chǎn)出率提高了3%。當(dāng)火山巖的質(zhì)量比在27.5%～30%時(shí)，爆速在1 500～2 200 m/s范圍內(nèi)，其中含量為30%時(shí)，爆速為1 506 m/s，波阻抗為1.31×106kg/m2·s，此時(shí)的質(zhì)量比最佳。當(dāng)陶粒濾料的質(zhì)量比為30%～40%時(shí)，爆速在1 500～2 200 m/s范圍內(nèi)，其中含量為40%時(shí)，爆速為1 631 m/s，波阻抗為1.58×106kg/m2·s，此時(shí)的質(zhì)量比最佳。

表4 添加珍珠巖后ANFO的爆速與波阻抗

表5 添加火山巖后ANFO的爆速與波阻抗

表6 添加陶粒濾料后ANFO的爆速與波阻抗

3 3種惰性添加物的優(yōu)缺點(diǎn)分析

1)珍珠巖?；旌暇鶆蛐约氨ǚ€(wěn)定性：珍珠巖顆粒密度很低，與多孔粒狀硝酸銨混合后飄在上層，混合均勻度很差，易導(dǎo)致炸藥的爆轟性能不穩(wěn)定。

環(huán)境保護(hù)方面：珍珠巖混合過程中有粉塵，車間生產(chǎn)環(huán)境差，不利于操作人員身體健康。

成本：珍珠巖價(jià)格約為12 000元/t，多孔粒狀硝酸銨價(jià)格約為3 000元/t，-35#柴油價(jià)格約為7 000元/t。珍珠巖、多孔粒狀硝酸銨、柴油的最佳質(zhì)量比為4.6∶89.9∶5.5，計(jì)算得添加珍珠巖的ANFO成本約為3 637元。

吸油率:珍珠巖吸油率在3種惰性物質(zhì)中居中。

2)火山巖?；旌暇鶆蛐约氨ǚ€(wěn)定性∶火山巖顆粒密度略大于多孔粒狀硝酸銨，混合密度呈良好的線性關(guān)系，混合后均勻度最好，爆轟性能穩(wěn)定。

環(huán)境保護(hù)方面:火山巖硬度較低，顆粒不規(guī)則，混合過程中顆粒易粉碎產(chǎn)生粉塵，不利于操作人員身體健康。

成本:火山巖顆粒可添加質(zhì)量比為27.5%～30%，市場價(jià)格約1 200元/t，火山巖、多孔粒狀硝酸銨、柴油的最佳質(zhì)量比為30∶64.5∶5.5，材料成本約為2 680元。

吸油率：火山巖吸油率在3種惰性物質(zhì)中最高。

3)陶粒濾料?；旌暇鶆蛐约氨ǚ€(wěn)定性：陶粒濾料顆粒密度與多孔粒狀硝酸銨最接近，混合均勻度較好，爆轟性能穩(wěn)定。

環(huán)境保護(hù)方面：陶粒濾料硬度較高，球狀顆粒，混合過程中不易粉碎，無粉塵，有利于環(huán)保和員工身體健康。

成本：陶粒濾料價(jià)格便宜價(jià)格約為700元/t，按最佳質(zhì)量比計(jì)算，即陶粒濾料∶多孔粒狀硝酸銨∶柴油為40∶54.5∶5.5，得出成本約為2 300元。

吸油率：陶粒濾料顆粒為球狀，表面較光滑，吸油率3者中最低。

4 結(jié)語

1)添加惰性物質(zhì)調(diào)節(jié)多孔粒狀銨油炸藥的爆速，延長爆炸作用時(shí)間，降低炸藥波阻抗，提高其與煤臺(tái)階波阻抗的匹配度，有利于裂隙區(qū)發(fā)育，從而提高塊煤率。

2)綜合考慮混合均勻性、爆轟穩(wěn)定性、環(huán)保要求、材料成本等幾方面，在珍珠巖、火山巖和陶粒濾料中，陶粒濾料是最佳的惰性添加物。陶粒濾料添加質(zhì)量比為30%～40%，陶粒濾料∶多孔粒狀硝酸銨∶柴油的最佳質(zhì)量比為40∶54.5∶5.5。此配比的銨油炸藥爆速為1 631 m/s，波阻抗為1.58×106kg/m2·s，與煤臺(tái)階的波阻抗1.1×106kg/m2·s匹配度較高。