不同測試條件下炸藥爆炸后有毒氣體含量的差異研究?

孫 晨 夏 光 趙曉莉 何 振 王 傲 楊 文

中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司檢測中心(安徽淮北，235100)

引言

工業(yè)炸藥以成本低、應(yīng)用可靠等特點被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的工程爆破作業(yè)中[1-2]。近年來，隨著國家對安全問題的重視程度日益提高，炸藥在使用過程中的安全技術(shù)指標(biāo)也得到高度重視。其中，較為重要的是炸藥爆炸產(chǎn)生的有毒氣體，嚴(yán)重威脅作業(yè)人員的身體健康[3]。目前，國內(nèi)學(xué)者對于炸藥爆炸產(chǎn)生有毒氣體方面的研究已相當(dāng)豐富，涉及工藝條件、炸藥包裝、彈筒擴(kuò)孔率、爆溫、爆壓以及炸藥含水量等因素對有毒氣體含量的影響[4-7]。但這些研究均基于傳統(tǒng)小彈筒抽真空的測試方法之上，該方法需要抽真空進(jìn)行，并且彈筒容量較小，導(dǎo)致測試藥量受限，這與實際常壓爆破作業(yè)的條件不符[8]。并且研究對象多局限在工業(yè)卷裝炸藥，現(xiàn)場混裝炸藥方面的研究相對匱乏。

筆者實驗室前期建立了有毒氣體爆炸箱測試裝置，可以對炸藥爆炸產(chǎn)氣進(jìn)行大藥量常壓條件測試。基于實驗室大爆炸箱常壓測試裝置，建立了針對多孔粒狀銨油炸藥這類現(xiàn)場混裝炸藥爆炸后的有毒氣體測試方法[9]。

為確定更加精確的炸藥爆炸后有毒氣體含量的測試方法，本文中，主要基于大爆炸箱和小彈筒兩種試驗測試裝置，對常見的工業(yè)炸藥和現(xiàn)場混裝炸藥進(jìn)行了爆炸后有毒氣體含量的測定，比較了測試結(jié)果的差異性。為工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體含量測試方法的完善以及針對具體炸藥選擇合適的爆后有毒氣體測試裝置及方法提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置與主要儀器

1.1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。

圖1(a)為大爆炸箱測試裝置。內(nèi)置鋼炮:外部尺寸?450 mm×600 mm，中心孔尺寸?100 mm×420 mm；主體為圓柱體，內(nèi)徑2.60 m，總高3.30 m，頂部為?2.6 m的半球體，有效容積[9](含管道)為17.24 m3。

圖1(b)為小彈筒測試裝置。內(nèi)置鋼炮:外部尺寸?240mm×300mm，中心孔尺寸?45mm×200 mm；主體為外徑0.60 m、內(nèi)徑0.35 m、深度0.55m的鋼制圓筒，有效容積約0.05 m3。

圖1 兩種測試裝置Fig.1 Two test devices

1.1.2 試驗儀器設(shè)備

溫度濕度計，型號AS106A；紅外線CO分析儀，型號GXH-3011A1、GXH-3011N；紫外-可見分光光度計，型號UV1900。

1.2 試驗方案

選擇的工業(yè)炸藥樣品(包含現(xiàn)場混裝炸藥)為巖石乳化炸藥、三級煤礦許用乳化炸藥、水膠炸藥、重銨油炸藥和多孔粒狀銨油炸藥?，F(xiàn)場混裝炸藥均采用三級煤礦許用乳化炸藥作為起爆藥。均以8＃工業(yè)電雷管作為起爆具進(jìn)行起爆測試。

為便于比較，將炸藥樣品分為兩組:工業(yè)卷裝炸藥和現(xiàn)場混裝炸藥。所有樣品均分別在兩種測試裝置中進(jìn)行起爆，收集爆后氣體試樣進(jìn)行測試分析。

參照之前建立的試驗方法進(jìn)行大爆炸箱測試[10]。工業(yè)卷裝炸藥試驗藥量為600 g左右，原藥卷直接進(jìn)行起爆；現(xiàn)場混裝炸藥采用牛皮紙將現(xiàn)場混裝炸藥改裝成直徑80 mm的藥卷進(jìn)行測試，起爆藥量為100 g，總藥量600 g左右。整個測試過程要保證裝置的氣密性符合要求，起爆完畢后，循環(huán)5 min以上，取氣進(jìn)行分析。

小彈筒測試參照GB 18098—2000《工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體含量的測定》中規(guī)定的方法進(jìn)行。工業(yè)卷裝炸藥，試驗藥量110 g左右，將藥卷裝入彈筒中，加入300 g石英砂后進(jìn)行抽真空，至剩余壓力小于4 kPa后進(jìn)行接線起爆?，F(xiàn)場混裝炸藥，選擇30 g左右起爆藥置于80 g左右現(xiàn)場混裝炸藥之上，并采用牛皮紙改裝成直徑35 mm的藥卷進(jìn)行起爆測試。以上針對現(xiàn)場混裝炸藥的試驗均假定起爆藥與受試藥爆炸后有毒氣體具有加和性。

2 結(jié)果與討論

2.1 工業(yè)卷裝炸藥爆炸后有毒氣體測試

將現(xiàn)有的工業(yè)卷裝炸藥樣品分別在兩個測試裝置中按要求進(jìn)行起爆，收集氣體試樣進(jìn)行測試分析。每種炸藥樣品平行試驗2次，結(jié)果取平均值。有毒氣體測試結(jié)果如表1和表2所示。

從表1和表2數(shù)據(jù)可知，3種工業(yè)卷裝炸藥在大爆炸箱中起爆測得的有毒氣體含量明顯低于在小彈筒中的測試結(jié)果。造成這種情況的原因可能有以下幾方面:首先，大爆炸箱為常壓測試條件，箱體空間較大且含有空氣，空氣中的O2會導(dǎo)致爆炸產(chǎn)生的CO向CO2轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致CO含量下降，有毒氣體總含量下降；其次，大爆炸箱內(nèi)用于試驗的臼炮孔徑較大，因此，覆蓋試驗藥量的藥卷需要的石英砂用量遠(yuǎn)高于小彈筒中的用量，大量的石英砂會將藥卷束縛得更加緊實，有利于炸藥爆轟，同時，爆炸后石英砂能起到快速冷卻周圍氣體的作用[11]，使反應(yīng)向不利于CO生成的方向進(jìn)行；最后，由于在小彈筒中測試需要進(jìn)行抽真空操作，相當(dāng)于給彈筒內(nèi)施加壓力，該操作很可能導(dǎo)致藥卷狀態(tài)發(fā)生改變，從而影響炸藥的起爆性能。

表1 大爆炸箱有毒氣體測試結(jié)果Tab.1 Test results of toxic gases in large explosive boxes

表2 小彈筒有毒氣體測試結(jié)果Tab.2 Test results of toxic gases in small cartridge poisonous

為了進(jìn)一步證實抽真空對炸藥的影響，以三級煤礦許用乳化炸藥為例，將炸藥放進(jìn)小彈筒中抽真空后取出，與未抽真空的藥卷進(jìn)行比較，結(jié)果如圖2所示。同時，制作了3組抽真空后的炸藥試樣并進(jìn)行爆速測試，與正常的爆速測試結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。

圖2 炸藥抽真空前、后實物圖Fig.2 Pictures of the explosive before and after vacuuming

表3 炸藥抽真空前、后的爆速Tab.3 Detonation velocity of explosives before and after vacuuming m/s

由圖2可知，抽真空后的藥卷外觀狀態(tài)發(fā)生了明顯改變。從表3爆速的測試結(jié)果不難看出，抽真空后，藥卷的爆速相對不穩(wěn)定，其中一組試驗未正常測出數(shù)值，平均爆速比原藥卷測出的結(jié)果偏低。這從一定程度上說明了抽真空操作會影響炸藥的性能，從而影響炸藥的爆轟效果，導(dǎo)致爆后有毒氣體測試結(jié)果與常壓大爆炸箱中測試結(jié)果存在差異。

2.2 現(xiàn)場混裝炸藥爆炸后有毒氣體測試

以三級煤礦許用乳化炸藥作為起爆藥，分別與重銨油炸藥和多孔粒狀銨油炸藥改裝成受試藥卷，并在兩種裝置下進(jìn)行測試，結(jié)果如表4所示。

表4 現(xiàn)場混裝炸藥爆炸后的有毒氣體測試結(jié)果Tab.4 Test results of toxic gas after explosion of mixed explosives on site

由測試結(jié)果可知，現(xiàn)場混裝炸藥在兩種測試裝置下測得的爆后有毒氣體含量差異比工業(yè)卷裝炸藥更加明顯。其中，多孔粒狀銨油炸藥在小彈筒測試方法規(guī)定的試驗藥量下并未能正常取出氣體試樣；而單位質(zhì)量重銨油炸藥在小彈筒中測試得到的爆后有毒氣體含量為184.3 L/kg，明顯高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的數(shù)值，并且有毒氣體含量遠(yuǎn)大于在大爆炸箱中的測試結(jié)果。由于現(xiàn)場混裝炸藥為散裝炸藥，需要進(jìn)行改裝后測試，并且由于小彈筒測試裝置的條件限制，導(dǎo)致測試藥量受限，裝藥受限，在該裝藥直徑和藥量下，所用現(xiàn)場混裝炸藥樣品未能達(dá)到完全爆轟，產(chǎn)生較多的氮氧化物NOx，從而導(dǎo)致爆炸后產(chǎn)生的有毒氣體增加。這也從側(cè)面說明了對于現(xiàn)場混裝炸藥而言，小彈筒測試方法相對受限。為進(jìn)一步證實這一結(jié)論，對現(xiàn)場混裝炸藥爆轟性能進(jìn)行了研究。

2.3 現(xiàn)場混裝炸藥的爆轟性能研究

以重銨油炸藥為待測樣品，分別在兩種測試裝置中起爆，觀察起爆后的現(xiàn)象，結(jié)果如圖3所示。

圖3 炸藥在兩種裝置中爆炸后現(xiàn)象Fig.3 Phenomena after explosion of explosives in two devices

從圖3可以看出:重銨油炸藥在小彈筒中起爆后，打開裝置發(fā)現(xiàn)有大量深黃色煙霧；而將同一樣品在大爆炸箱中起爆，發(fā)現(xiàn)起爆后為白色煙霧。多孔粒狀銨油炸藥也存在同樣現(xiàn)象。事實上，當(dāng)爆轟不完全，未達(dá)到穩(wěn)定爆轟狀態(tài)時，會生成較多的有毒氣體，尤其是氮氧化物；而氮氧化物較多時，表現(xiàn)為黃色煙霧，嚴(yán)重時呈棕褐色。因此，小彈筒爆炸后出現(xiàn)黃色煙霧，進(jìn)一步說明了現(xiàn)場混裝炸藥在小彈筒測試裝置條件下，爆轟效果不好。

同時，為排除小彈筒測試因起爆藥量較小、起爆能量不足導(dǎo)致的現(xiàn)場混裝炸藥爆轟不完全，以80 g左右重銨油炸藥為對象，將起爆藥量從30 g左右增加至40 g左右和50 g左右，在同樣條件下起爆，測試結(jié)果見表5。

由表5測試結(jié)果可得，在小彈筒測試裝置中，保持重銨油炸藥裝藥量不變的情況下，增加起爆藥量，測試得到的爆后有毒氣體含量仍然較大，尤其是改裝后的藥卷在小彈筒中起爆后產(chǎn)生了較多的氮氧化物。這也進(jìn)一步證實了之前黃色煙霧的現(xiàn)象，從而說明了現(xiàn)場混裝炸藥在小彈筒中起爆，在當(dāng)前裝藥條件下很難達(dá)到穩(wěn)定爆轟。并且由于裝置條件限制，繼續(xù)增加起爆藥量意義不大，也說明了傳統(tǒng)小彈筒測試方法對于現(xiàn)場混裝炸藥爆炸后的有毒氣體測試有一定的局限性。

表5 不同起爆藥量下現(xiàn)場混裝炸藥在小彈筒中測試結(jié)果Tab.5 Test results of mixed explosives on site in small cartridges under different priming charges

3 結(jié)論

1)工業(yè)炸藥在大爆炸箱常壓測試裝置和小彈筒測試裝置中測得的爆后有毒氣體含量存在一定的差異。

2)在小彈筒中，工業(yè)炸藥爆后有毒氣體含量測試結(jié)果高于大爆炸箱中的測試結(jié)果。主要由于兩種裝置不同的測試條件導(dǎo)致；同時，現(xiàn)場混裝炸藥在小彈筒中測試，爆后有毒氣體含量遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，且爆轟效果不好。

3)大爆炸箱測試裝置更加適用于無雷管感度的現(xiàn)場混裝炸藥爆后有毒氣體測試。兩種裝置下，有毒氣體含量測試結(jié)果的差異研究對于完善工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體測試方法以及建立合適的針對現(xiàn)場混裝炸藥爆后有毒氣體測試手段的必要性提供技術(shù)支撐。