液態(tài)CO2相變爆炸激發(fā)藥劑的爆炸性與安全性

楊海斌 ,汪旭光 ,王尹軍 ,張建如

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.河北云山化工集團(tuán)有限公司，河北 邢臺(tái) 054011；3.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

CO2相變爆炸技術(shù)是指將密閉容器內(nèi)處于低溫和高壓狀態(tài)下的液態(tài)CO2瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，利用其體積快速膨脹完成對(duì)外做功的一種工程爆破技術(shù)。這種“液-氣”相變做功是一種物理爆炸過(guò)程。相較于炸藥爆炸而言，CO2相變爆炸過(guò)程的破壞性較小，危險(xiǎn)性較低，具有振動(dòng)和噪聲小、揚(yáng)塵和飛石少、爆破點(diǎn)溫度低、相變過(guò)程無(wú)有害氣體生成等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦掘進(jìn)、放頂和煤層增透中應(yīng)用較多，尤其適用于高瓦斯煤礦開(kāi)采中抽排瓦斯的致裂爆破[1]。歐美國(guó)家于1914 年開(kāi)始研究CO2相變爆炸技術(shù)，20世紀(jì)50～60年代，一些采礦業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，如英、法、美、俄、波蘭、挪威等，將高壓氣體爆破采煤技術(shù)用于大型煤礦壓裂增透和地下礦開(kāi)采[2-3]。20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)對(duì)CO2相變爆炸技術(shù)在煤礦的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。杜澤生等[4]自2011年開(kāi)始從CO2爆破管、發(fā)熱藥劑、點(diǎn)火藥頭等幾個(gè)部分對(duì)Cardox裝置進(jìn)行了改進(jìn)。周西華等[5]測(cè)試了液態(tài)CO2爆炸過(guò)程中儲(chǔ)液管內(nèi)壓力的變化情況。張家行[6]在煤礦井下使用 CO2爆破技術(shù)，抽采濃度和純量明顯提升。張開(kāi)加[7]分析了爆壓、地應(yīng)力對(duì)液態(tài)CO2致裂爆破裂紋擴(kuò)展和增透效果的影響。楊百舸等[8]在山西新元煤礦 31002工作面，開(kāi)展了CO2相變爆炸技術(shù)的應(yīng)用試驗(yàn)，瓦斯抽采濃度從17.3%上升到48.1%。方鵬[9]在斜溝煤礦18205工作面的CO2相變爆炸增透試驗(yàn)結(jié)果表明，煤層透氣性系數(shù)提高了17.52～21.98倍。李穩(wěn)等[10]開(kāi)展了CO2相變爆炸激發(fā)地震波的野外人工震源激發(fā)-接收實(shí)驗(yàn)。夏軍等[11]研究了CO2相變爆炸技術(shù)在臺(tái)階破巖、塊體破巖、孤石破巖、隧道掘進(jìn)等環(huán)境下的應(yīng)用。龔政[12]將CO2相變爆炸技術(shù)應(yīng)用于南水北調(diào)工程的包封混凝土拆除。李世安[13]在城市地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖中采用了直徑98 mm的 CO2致裂管。熊宏武[14]將CO2相變爆炸技術(shù)應(yīng)用于綜合管廊基坑開(kāi)挖中。丁海龍等[15]將CO2相變爆炸技術(shù)應(yīng)用于海拔4 000 m高的水庫(kù)工程隧洞開(kāi)挖和邊坡、槽挖、孤石預(yù)裂等。董云濤等[16]采用CO2相變爆炸技術(shù)對(duì)某單位電石爐軟斷電極進(jìn)行了破碎處理。王燕等[17]研究得到CO2相變高壓氣體動(dòng)壓破巖的機(jī)理及巖體裂隙、強(qiáng)度和CO2相變氣體壓力等參數(shù)之間的關(guān)系。趙程鵬等[18]對(duì)73型液態(tài)CO2致裂管單管單孔致裂巖體性能進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。衡獻(xiàn)偉等[19]在轎子山煤礦M9煤層，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)考察了致裂孔不同施工順序和不同裝液量對(duì)有效抽采半徑的影響。趙丹等[20]在王家?guī)X煤礦 2 號(hào)煤層 20109 工作面回風(fēng)巷，開(kāi)展了液態(tài) CO2相變爆炸增透試驗(yàn)。李青松等[21]在貴州安順轎子山煤礦平橋井二水平9807進(jìn)風(fēng)巷，進(jìn)行了CO2相變致裂增透鉆孔參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。白鑫等[22]采用液態(tài) CO2相變爆炸技術(shù)，在低滲砂巖型鈾礦地浸采鈾抽、注液孔之間產(chǎn)生大量的聯(lián)通裂隙。朱寬等[23]就CO2爆破不同步問(wèn)題，研究了電點(diǎn)火頭電阻值、致裂管結(jié)構(gòu)和激發(fā)管藥劑與CO2氣體質(zhì)量配比3個(gè)因素的影響。賈進(jìn)章等[24]對(duì)液態(tài) CO2相變爆破后應(yīng)力波在煤體中的衰減、煤體損傷程度和致裂半徑形成進(jìn)行研究。李維[25]在臨近邊坡的綜合管廊開(kāi)挖過(guò)程中，采用垂直孔、傾斜孔與控制孔相結(jié)合的方式進(jìn)行液態(tài)CO2相變爆破。

在CO2由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程中，需要吸收一定的熱量，這些熱量由激發(fā)藥劑提供，因此能否可控且穩(wěn)定地進(jìn)行有效激發(fā)而產(chǎn)生足夠的熱量，是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。常用的方法是通過(guò)點(diǎn)火藥頭對(duì)一定質(zhì)量的化學(xué)藥劑進(jìn)行點(diǎn)火，使之快速反應(yīng)，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量。這類(lèi)化學(xué)藥劑通常被稱(chēng)作激發(fā)藥劑或發(fā)熱藥劑，一般是由氧化劑和還原劑混合而成。激發(fā)藥劑的爆炸性關(guān)系到激發(fā)藥劑的物質(zhì)歸類(lèi)、危險(xiǎn)性等級(jí)和安全使用等問(wèn)題。郭超等[26]基于最小自由能原理分別計(jì)算了3種激發(fā)藥劑和黑火藥、高氯酸銨的爆轟參數(shù)，結(jié)果表明由Al和Fe2O3組成的鋁熱劑產(chǎn)熱量較大，但是爆炸威力較小，難以維持爆轟，分別由偶氮二甲酰胺、高氯酸鉀和水楊酸、高氯酸鉀、草酸銨組成的2種激發(fā)藥劑，性質(zhì)相仿，爆炸威力均大于黑火藥和高氯酸銨。而關(guān)于激發(fā)藥劑爆炸性的試驗(yàn)研究，還未見(jiàn)有關(guān)報(bào)道。

本文對(duì)自主研制的激發(fā)藥劑進(jìn)行了爆炸性試驗(yàn)，分別用工業(yè)雷管和膨化硝銨炸藥，測(cè)試了激發(fā)藥劑的爆轟感度。研究結(jié)果不僅對(duì)于激發(fā)藥劑的物質(zhì)歸類(lèi)、危險(xiǎn)性等級(jí)劃分、性能測(cè)試等有參考價(jià)值，而且對(duì)于CO2相變爆炸技術(shù)的可靠應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1 爆炸性測(cè)試

1.1 測(cè)試方法

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸 爆炸品的認(rèn)可和分項(xiàng)試驗(yàn)方法》(GB/T 14372-2013)，開(kāi)展了試驗(yàn)系列1類(lèi)型和試驗(yàn)系列2類(lèi)型的(b)克南試驗(yàn)。該國(guó)標(biāo)是與聯(lián)合國(guó)《關(guān)于危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸?shù)慕ㄗh書(shū) 試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》相對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)《分項(xiàng)試驗(yàn)方法》。

試驗(yàn)裝置主要有試驗(yàn)鋼管、加熱和保護(hù)裝置、天平(精度0.1 g)、孔板、溫度傳感器和數(shù)據(jù)采集儀(精度0.1 ℃)等，其中試驗(yàn)鋼管由符合ASTM 620/620M規(guī)定的A620 薄鋼板沖壓而成，外徑25 mm，壁厚0.5 mm；孔板由符合GB/T 20878標(biāo)準(zhǔn)的304號(hào)不銹鋼做成，本試驗(yàn)采用了2個(gè)型號(hào)的孔板，其內(nèi)孔的直徑分別為1 mm和2 mm。

1.2 測(cè)試步驟

測(cè)試過(guò)程主要分3步，分別為向試驗(yàn)鋼管內(nèi)裝藥、加熱升溫和記錄結(jié)果。

第1步：向試驗(yàn)鋼管內(nèi)裝藥。由于激發(fā)藥劑為粉沫狀固體，因此按照《分項(xiàng)試驗(yàn)方法》中固態(tài)物質(zhì)的裝藥步驟進(jìn)行操作，即將激發(fā)藥劑分成3等份依次裝入鋼管，每1等份裝入后都用80 N的壓力將其體積壓縮成9 cm3，3等份藥劑裝完之后藥劑上端距離管頂端15 mm。然后，將螺紋套筒涂上潤(rùn)滑油，從下端套到鋼管上，并用扳手將端帽擰緊。

第2步：加熱升溫。將第1步中裝有27 cm3藥劑且配有孔板的試驗(yàn)鋼管，夾緊在固定的臺(tái)鉗上，用扳手把螺帽擰緊。然后將鋼管懸掛在保護(hù)箱內(nèi)的兩根棒之間。打開(kāi)工業(yè)氣瓶排氣閥門(mén)，燃?xì)馔ㄟ^(guò)流量計(jì)和1根管道分配到4個(gè)燃燒器，然后點(diǎn)燃燃燒器，用放在鋼管中央距離管口43 mm處、直徑為1 mm的熱電偶測(cè)量液體溫度，記錄液體溫度從135 ℃上升至285 ℃時(shí)所需時(shí)間，并計(jì)算加熱速率。通過(guò)調(diào)節(jié)氣體壓力，使升溫速率達(dá)到(3.3±0.3) ℃/s。

第3步：記錄結(jié)果。如果鋼管沒(méi)有破裂，繼續(xù)加熱至少5 min再結(jié)束試驗(yàn)。在每次試驗(yàn)之后，如果有鋼管破片，收集起來(lái)稱(chēng)量破片質(zhì)量(稱(chēng)重)。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述試驗(yàn)步驟，分別用內(nèi)孔直徑1 mm和2 mm的孔板，測(cè)試了1次和2次，結(jié)果試驗(yàn)鋼管均破裂成多片，且主要是大片，按照《分項(xiàng)試驗(yàn)方法》的判別標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果均為“爆炸”，表明研發(fā)的藥劑具有爆炸特性，屬于爆炸性物質(zhì)。

2 爆轟感度試驗(yàn)

2.1 雷管引爆試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)研制的激發(fā)藥劑在常溫常壓下是否具有雷管感度，將2 kg藥劑用塑膜包裝，做成直徑50 mm的藥卷，即規(guī)格為φ50 mm×2 000 g。然后，在藥卷的一端插入1發(fā)8號(hào)工業(yè)雷管進(jìn)行引爆試驗(yàn)。與此同時(shí)，將相同質(zhì)量的2 kg藥劑自然堆積，也用1發(fā)8號(hào)工業(yè)雷管進(jìn)行引爆試驗(yàn)。在藥卷和自然堆積兩種狀態(tài)下，各做了20次雷管引爆試驗(yàn)。結(jié)果表明，無(wú)論是卷狀，還是自然堆積狀，均不能被1發(fā)8號(hào)工業(yè)雷管引爆。

1發(fā)雷管引爆直徑50 mm激發(fā)藥劑藥卷的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，由圖1可以看出，雷管爆炸后將插雷管一端的藥劑粉沫炸開(kāi)飛散于附近地面，而沒(méi)有發(fā)生爆炸，也沒(méi)有燃燒的痕跡，這說(shuō)明藥劑不具有雷管起爆感度。

圖1 雷管引爆激發(fā)藥劑Fig.1 Excitant initiated by detonators

2.2 炸藥起爆試驗(yàn)

2.2.1 激發(fā)藥劑起爆試驗(yàn)

同樣將2 kg激發(fā)藥劑做成直徑為50 mm、長(zhǎng)度為68～69 mm、密度1.48～1.50 g/cm3的塑膜包裝藥卷，將其平放在試驗(yàn)場(chǎng)地的沙地上，分別用直徑均為32 mm的150、300、450、500 g膨化硝銨炸藥作引爆藥包，將膨化硝銨炸藥引爆后觀察藥劑是否發(fā)生爆炸，每個(gè)藥量的引爆試驗(yàn)重復(fù)做3次。試驗(yàn)結(jié)果表明，150 ～500 g膨化硝銨炸藥均未引爆激發(fā)藥劑。500 g膨化硝銨炸藥的引爆試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 500 g膨化硝銨炸藥引爆激發(fā)藥劑Fig.2 Excitant detonated by 500 g expanded ammonium nitrate explosives

從圖2可以看出，與雷管引爆試驗(yàn)的不同之處在于被炸散的藥劑量更多，飛散的更遠(yuǎn)?？梢?jiàn)，在常溫常壓和露天無(wú)強(qiáng)約束條件下即使是500 g膨化硝銨炸藥，也無(wú)法將其引爆，爆炸感度很低。

考慮到藥卷直徑效應(yīng)的影響，增加藥卷直徑進(jìn)行試驗(yàn)。將2 kg激發(fā)藥劑做成直徑90 mm、長(zhǎng)度21.5～22 cm、密度1.43～1.46 g/cm3的塑膜藥卷，分別用300、450、500 g膨化硝銨炸藥進(jìn)行引爆(見(jiàn)圖3)。每組試驗(yàn)重復(fù)做3次，9次試驗(yàn)均未將激發(fā)藥劑引爆。

圖3 500 g膨化硝銨炸藥引爆直徑90 mm激發(fā)藥劑藥卷Fig.3 Excitant roll with a diameter of 90 mm detonated by 500 g expanded ammonium nitrate explosives

2.2.2 對(duì)比試驗(yàn)

多孔粒狀銨油炸藥是工程爆破常用的炸藥品種之一，不具備雷管起爆感度，但可以用一定質(zhì)量的具備雷管感度的炸藥起爆。為了與激發(fā)藥劑作對(duì)照，也將2 kg多孔粒狀銨油炸藥分別做成直徑50、90 mm的塑膜藥卷，分別用150、300、450、500 g膨化硝銨炸藥進(jìn)行引爆。試驗(yàn)結(jié)果表明，直徑為50 mm的多孔粒狀銨油炸藥藥卷沒(méi)有被膨化硝銨炸藥引爆，直徑90 mm的多孔粒狀銨油炸藥塑膜藥卷全部被引爆(見(jiàn)圖4)。與前文對(duì)照，可看出在直徑同樣為90 mm的塑膜包裝情況下，藥量大于150 g的膨化硝銨炸藥能將多孔粒狀銨油炸藥引爆，而不能將激發(fā)藥劑引爆，說(shuō)明激發(fā)藥劑的爆轟感度比多孔粒狀銨油炸藥低。

圖4 500 g膨化硝銨炸藥引爆直徑90 mm多孔粒狀銨油炸藥Fig.4 Porous granular ammonium nitrate explosives with a diameter of 90 mm detonated by 500 g expanded ammonium nitrate explosives

3 結(jié)論

1)克南試驗(yàn)結(jié)果表明，由高氯酸鉀、水楊酸和草酸銨按一定配比組成的的激發(fā)藥劑具有爆炸性，應(yīng)該歸類(lèi)于爆炸性物質(zhì)，但其爆轟感度很低，不僅不具有雷管起爆感度，而且很難用炸藥引爆。

2)在無(wú)強(qiáng)約束條件下，直徑均為90 mm的塑膜包裝藥卷，500 g膨化硝銨炸藥不能將2 kg激發(fā)藥劑引爆，而150 g膨化硝銨炸藥就可以將2 kg多孔粒狀銨油炸藥引爆，說(shuō)明激發(fā)藥劑的爆轟感度比多孔粒狀銨油炸藥還低。在激發(fā)藥劑的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過(guò)程中，相對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)炸藥而言，安全性較高。