工業(yè)炸藥爆炸有毒氣體及影響因素研究

張春燕

(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

工業(yè)炸藥由于其較高的能量利用率和經(jīng)濟(jì)性,被廣泛用于礦山開采、路橋建設(shè)、水利建設(shè)等基礎(chǔ)建設(shè)工程,炸藥爆炸后的有毒氣體也因此備受關(guān)注,各國(guó)對(duì)工業(yè)炸藥有毒氣體含量作了具體規(guī)定[1-2]。 許多學(xué)者對(duì)工業(yè)炸藥有毒氣體進(jìn)行了研究:姚銀梅[3]對(duì)我國(guó)20 世紀(jì)90 年代煤礦炸藥爆炸后有毒氣體生產(chǎn)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合炸藥爆速和猛度,著重分析了煤礦銨梯炸藥有毒氣體生產(chǎn)量的影響因素;金慶軍[4]從炸藥質(zhì)量、爆破周圍介質(zhì)、一次爆破藥量和炮孔封堵質(zhì)量出發(fā),提出了降低煤礦乳化炸藥爆炸有毒氣體對(duì)人體毒害和對(duì)礦井瓦斯煤塵爆炸災(zāi)害影響的措施;彭云昆[5]從炸藥爆炸化學(xué)反應(yīng)平衡機(jī)理和影響化學(xué)反應(yīng)方向出發(fā),研究分析了膨化硝銨炸藥和乳化炸藥爆炸有毒氣體生成的影響因素,得出炸藥爆壓、爆溫和含水量對(duì)炸藥有毒氣體生產(chǎn)量有顯著影響,提出提高爆炸體系溫度可降低炸藥爆炸有毒氣體的生產(chǎn)量結(jié)論;黃達(dá)權(quán)[6]研究了2 號(hào)巖石銨梯炸藥的石英砂-玻璃管藥包在18 L 比海爾彈內(nèi)真空條件下,石英砂和玻璃管對(duì)炸藥爆炸有毒氣體生產(chǎn)量的影響及調(diào)節(jié)作用,并與現(xiàn)場(chǎng)模擬進(jìn)行比對(duì),提出實(shí)驗(yàn)室測(cè)試工業(yè)炸藥爆炸有毒氣體的方法意見;段赟等[7]通過對(duì)炸藥有毒氣體生產(chǎn)量和氣體組分的影響的試驗(yàn)研究,確定了工業(yè)炸藥有毒氣體含量測(cè)定方法的標(biāo)準(zhǔn)條件,同時(shí)探討了試驗(yàn)條件下影響炸藥有毒氣體生產(chǎn)量的因素。 Iwona[8]采用符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 13631-16:2004(E)要求的測(cè)試方法,對(duì)波蘭國(guó)家礦用炸藥的有毒氣體生成量進(jìn)行測(cè)試,得出與歐盟等國(guó)礦用炸藥有毒氣體含量相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。 由上述資料可知,國(guó)內(nèi)關(guān)于工業(yè)炸藥有毒氣體的研究限于以粉狀銨梯炸藥為主的早期,且研究對(duì)象是煤礦許用炸藥,這導(dǎo)致研究對(duì)象和結(jié)果與我國(guó)工業(yè)炸藥產(chǎn)品現(xiàn)狀不符。 國(guó)外工業(yè)炸藥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、配方組分、測(cè)試方法與我國(guó)有較大區(qū)別[9],相關(guān)研究結(jié)果和結(jié)論對(duì)我國(guó)炸藥產(chǎn)品適用性不強(qiáng)。

近年來,我國(guó)工業(yè)炸藥從產(chǎn)品品種結(jié)構(gòu)、原材料、工藝技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模上發(fā)生了很大變化,淘汰了銨梯炸藥,形成以含水炸藥為主,大力發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)混裝炸藥的產(chǎn)品格局。 隨著我國(guó)綠色發(fā)展和人民生命健康至上的發(fā)展理念不斷強(qiáng)化,圍繞工程及其材料的環(huán)保和健康要求的重要性和強(qiáng)制性進(jìn)一步加強(qiáng),開展工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體的分析研究與總結(jié),特別是在目前產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更新變化之際顯得十分必要和有意義。

1 工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體產(chǎn)生機(jī)理

炸藥爆炸是其快速分解的化學(xué)反應(yīng),伴生大量的氣體和熱量,但炸藥爆炸反應(yīng)不是通俗意義上平衡的化學(xué)反應(yīng)過程,而是初始分子結(jié)構(gòu)分解形成的非平衡化學(xué)系統(tǒng),即分解過程中的原子、自由基和材料分解產(chǎn)物之間發(fā)生反應(yīng),使得由CaHbOcNd典型元素的炸藥組分最終形成H2O、CO2、CO、NOx、N2、O2和C 等產(chǎn)物,釋放能量。 爆炸的最終產(chǎn)物及組成與炸藥原始組分有關(guān),也與爆炸條件及環(huán)境密切相關(guān)。 一些規(guī)則典型的CaHbOcNd組分炸藥的反應(yīng)方程式[9-10]為:

由上式可知,只有體系負(fù)氧平衡時(shí)才會(huì)產(chǎn)生CO 氣體,實(shí)際上,爆炸反應(yīng)過程由一系列中間產(chǎn)物和中間反應(yīng)組成。 由于大多數(shù)反應(yīng)隨反應(yīng)平衡條件的變化都有正逆向發(fā)生的可能,CO、NO、NO2等有毒組分是體系中H2O、N2、CO2的伴生產(chǎn)物,不可避免且充滿了不確定性。 研究表明,工業(yè)炸藥爆炸過程中產(chǎn)生CO、NO、NO2等有毒組分與爆炸過程中的溫度、壓力、約束、水分等影響反應(yīng)平衡走向的條件密切相關(guān)[5]。

2 工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體影響因素分析

目前我國(guó)主要包裝型炸藥產(chǎn)品組成、氧平衡及其爆炸后有毒氣體含量基本情況見表1、表2。

表1 我國(guó)主要炸藥產(chǎn)品組成、氧平衡

2.1 炸藥爆炸氣體總量與有毒氣體總量

依據(jù)GB 18098—2000《工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體含量的測(cè)定》規(guī)定,有毒氣體總量V=VCO+6.5VNOx。 我國(guó)目前主要工業(yè)炸藥產(chǎn)品爆炸氣體總量及其有毒氣體總量見表2 和圖1。 通過分析可得:含水炸藥的兩種產(chǎn)品爆炸后產(chǎn)生的氣體總量和有毒氣體總量較粉狀類炸藥低;乳化炸藥和水膠炸藥有毒氣體總量相當(dāng),膨化硝銨炸藥有毒氣體總量則明顯高于粉狀乳化炸藥。

圖1 主要工業(yè)炸藥產(chǎn)品爆炸氣體總量及其有毒氣體總量

表2 我國(guó)主要炸藥產(chǎn)品氧平衡及爆炸后有毒氣體含量實(shí)測(cè)值

2.2 氧平衡對(duì)爆炸后有毒氣體影響

炸藥氧平衡是從化學(xué)反應(yīng)的角度將炸藥成分中H、C 全部氧化變?yōu)镠2O、CO2時(shí)體系中氧元素量的狀態(tài),分為正、負(fù)、零氧平衡。 由炸藥爆炸過程中可能發(fā)生的一系列的中間反應(yīng)可知,炸藥組分的氧平衡值對(duì)爆炸產(chǎn)物及有毒氣體組分、含量的影響毋庸置疑。 炸藥氧平衡值與有毒氣體組分及含量的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 炸藥氧平衡值與有毒氣體組分及含量的關(guān)系

實(shí)測(cè)4 種不同氧平衡組分的乳化炸藥產(chǎn)品的有毒氣體含量表明:一定范圍內(nèi),隨炸藥氧平衡值減小和負(fù)氧程度的加深,有毒氣體總量和CO 含量逐漸減少,同時(shí)除1 號(hào)巖石乳化炸藥外,其他3 個(gè)樣品的NOx含量均呈增大趨勢(shì),1 號(hào)巖石乳化炸藥表現(xiàn)出的不同或與其組分中H2O 含量的減少有關(guān)。

表中所列的水膠炸藥、粉狀乳化炸藥和膨化硝銨炸藥的有毒氣體組分及含量隨氧平衡變化的趨勢(shì)與乳化炸藥不盡相同,這說明炸藥爆炸生成有毒氣體組分和含量與氧平衡、炸藥品種密切相關(guān)。 由于工業(yè)炸藥組分的多元化和有機(jī)組分分子組成的復(fù)雜化,炸藥氧平衡理論計(jì)算值與其實(shí)際值可能存在較大差異。

2.3 炸藥爆炸氣體產(chǎn)物中CO 含量及影響因素

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明,不同品種炸藥的爆炸產(chǎn)物CO 含量影響因素不盡相同。 對(duì)比膨化硝銨炸藥與銨梯炸藥[3]測(cè)試結(jié)果可知,硝銨與木粉混合類粉狀炸藥加入TNT 猛炸藥使得爆炸產(chǎn)物CO 百分含量減少,加入NaCl、KCl 類物質(zhì),使爆炸產(chǎn)物CO 百分含量增加。 這是因?yàn)榧尤朊驼ㄋ幪岣吡苏ㄋ幍谋瑹?、爆壓、爆溫、爆速等爆炸性?抑制CO 生成的同時(shí),有利于CO 向CO2的轉(zhuǎn)化。 相反,加入降低體系熱能和溫度類的惰性消焰物質(zhì)可以促進(jìn)中間產(chǎn)物CO 的生成。

圖3 炸藥爆炸氣體產(chǎn)物CO 含量

2.4 炸藥爆炸氣體產(chǎn)物中NO x 含量及影響因素

圖4 炸藥爆炸氣體產(chǎn)物中NO x 含量

3 結(jié)論

1)含水炸藥的兩種產(chǎn)品爆炸后產(chǎn)生的氣體總量和有毒氣體總量較粉狀類炸藥低。 乳化炸藥和水膠炸藥有毒氣體總量相當(dāng),膨化硝銨炸藥有毒氣體總量則明顯高于粉狀乳化炸藥。

2)乳化炸藥、水膠炸藥、粉狀乳化炸藥和膨化硝銨炸藥爆炸生成有毒氣體組分及含量隨氧平衡大小變化的趨勢(shì)不盡相同,與炸藥品種密切相關(guān)。

3)膠狀乳化炸藥NOx生成量顯著低于水膠、粉狀乳化和膨化硝銨炸藥, CO 生成量低于膨化硝銨炸藥高于水膠炸藥,與粉狀乳化炸藥相當(dāng),且CO生成量與含水量關(guān)系不明顯。

4)加入提高炸藥的爆熱、爆壓、爆溫、爆速等爆炸性能物質(zhì),能有效抑制CO、NOx生成;加入降低體系熱能和溫度類的惰性消焰物質(zhì)會(huì)增加爆炸產(chǎn)物中CO、NOx含量。