煤礦許用乳化炸藥配方設(shè)計(jì)

費(fèi) 月，王桂萍

(沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159)

煤炭作為主要能源，在我國(guó)占一次能源總量的70%以上[1].乳化炸藥是一種含水型炸藥，于上世紀(jì)70年代問世.這種炸藥優(yōu)于銨梯炸藥，開灤試驗(yàn)證明，在同樣條件下，掘進(jìn)時(shí)采用乳化炸藥15%～25%，回采時(shí)乳化炸藥炮眼利用率達(dá)96.7%，用量為40 kg/t煤，而銨梯炸藥炮眼利用率僅為88.9%，用量為50 kg/t煤；銨梯炸藥放炮后約20 min才允許人進(jìn)入放炮區(qū)域，而乳化炸藥很快就可進(jìn)入，能夠縮短放炮排粉時(shí)間，提高工效約10%，減少瓦斯、煤塵爆炸事故的發(fā)生，也有利于減輕放炮區(qū)操作人員受到的粉塵危害和工作量.此外，乳化炸藥生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，原料來源廣，成本低，不含有毒成分，不污染環(huán)境，不怕水，除爆轟感度外，其他感度都較低，生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用等過程都比銨梯炸藥安全[2].本文擬通過理論計(jì)算，對(duì)煤礦許用乳化炸藥的組分含量進(jìn)行調(diào)整，確定新的配方.

1 乳化炸藥配方設(shè)計(jì)的理論計(jì)算

1.1 氧平衡及爆炸反應(yīng)方程式的確定

乳化炸藥的氧平衡為：

h藥=h1H1+h2H2+…+hngHng

(1)

式中:h1，h2，…h(huán)ng為乳化炸藥中各組分的氧平衡；H1，H2，…Hng為乳化炸藥中各組分的質(zhì)量百分比.

采用國(guó)際公認(rèn)的Brinkley-Wilson規(guī)則(俗稱B-W規(guī)則) ，可確定煤礦許用乳化炸藥的爆炸分解產(chǎn)物, 通過爆炸反應(yīng)優(yōu)先順序得出煤礦許用乳化炸藥的爆炸反應(yīng)方程式.

1.2 爆轟參數(shù)的計(jì)算

(1) 通常根據(jù)蓋斯定律來計(jì)算炸藥的定容爆熱，即

QV=QV1,3-QV1,2

(2)

式中：QV1,3為炸藥爆炸產(chǎn)物的定容生成熱之和,kJ/kg;QV1,2為炸藥各組分的定容生成熱之和，kJ/kg.

(2) 根據(jù)文獻(xiàn)[2]，可直接運(yùn)用爆轟產(chǎn)物的平均熱容計(jì)算爆溫，即

(3)

(3) 根據(jù)已知的炸藥爆炸反應(yīng)方程式，由Avo- gadro定律可求得炸藥的爆容，即

(4)

式中：m為爆炸反應(yīng)方程式中炸藥的質(zhì)量，kg；n為爆炸反應(yīng)方程式中各氣態(tài)產(chǎn)物的總量，mol.

(4) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，炸藥的爆速與其定容爆熱和氣體產(chǎn)物絕熱指數(shù)有關(guān)，即

(5)

式中：gD為炸藥的爆速，m/s;R為氣體產(chǎn)物絕熱指數(shù).

(5) 從大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可推知，爆壓與炸藥密度和爆速的關(guān)系為：

(6)

式中:P為爆轟氣體產(chǎn)物的理論爆壓，Pa；d0為炸藥密度，g/cm3.

1.3 炸藥的做功能力和單耗計(jì)算

(1) 炸藥爆炸時(shí)對(duì)周圍介質(zhì)所產(chǎn)生的各種爆破作用的總和稱作炸藥做功能力[3]。常用臼炮能量(其單位為：kJ/kg)來表示炸藥的做功能力.根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，臼炮能量為：

A=3.65×10-4QV·V

(7)

(2) 在實(shí)際爆破中，炸藥的單耗尤為重要，被定義為單位體積巖石的炸藥消耗量.根據(jù)文獻(xiàn)[5],對(duì)炸藥單耗影響最大的是其定容爆熱和爆容，可表示為：

(8)

式中:k為炸藥的單耗，kg/m3；a為爆熱所占權(quán)重，取0.65；b為爆容所占權(quán)重，取0.35.

2 乳化炸藥配方設(shè)計(jì)的基本原則

安全炸藥的配方設(shè)計(jì)必須遵循兩大原則，即最大安全原則和能量適中原則.煤礦許用乳化炸藥所達(dá)到的氧平衡應(yīng)趨近于零，以降低煤礦許用乳化炸藥的爆溫和灼熱固體顆粒的量，避免爆炸氣體二次燃燒而產(chǎn)生有害氣體，確保其使用的安全性.

正氧平衡的乳化炸藥與零氧平衡的乳化炸藥相比，其爆炸性能相對(duì)較好，但是正氧平衡的煤礦許用炸藥對(duì)于礦下使用來說極其危險(xiǎn).負(fù)氧平衡不高(即-4%～-2%)的煤礦許用乳化炸藥安全性能更好[4].在微負(fù)氧的情況下，炸藥爆炸時(shí)不會(huì)產(chǎn)生灼熱的炭粒和大量的氧化氮，這樣既可確保煤礦許用乳化炸藥的爆炸能力，也能達(dá)到爆破能量適中、爆轟穩(wěn)定的目的.常用煤礦許用乳化炸藥的性能主要體現(xiàn)在爆轟參數(shù)、做功能力及單耗等方面.爆轟參數(shù)包括炸藥爆炸過程的爆熱、爆溫、爆壓、爆速、爆容等[5].其中,做功能力與單耗是衡量炸藥性能的主要指標(biāo).

3 消焰劑與敏化劑的選擇

消焰劑能夠?qū)ν咚谷紵ㄆ鹨种谱饔?，?duì)鹵化物和無機(jī)鹽都有明顯的抑制效果[6].常用的消焰劑有氯化鈉和氯化鉀.考慮到氯化鈉需要高溫熔化，不利于安全生產(chǎn)，本文采用氯化鉀作為消焰劑.

在選擇敏化劑時(shí)，考慮到化學(xué)敏化需將乳膠基質(zhì)加入發(fā)泡劑中保溫2～4 h才能發(fā)泡敏化合格，會(huì)造成工序中斷而難以管理[7]，而且會(huì)降低敏化劑的敏化能力.因此，本文擬采用物理敏化方式.

在物理敏化中，因膨脹珍珠巖是一種體積大、易吸濕、儲(chǔ)存成本高、基體分布不均勻的多孔蜂窩結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致炸藥性能降低；雖然樹脂空心微球重量輕，可參與爆炸反應(yīng)，增加爆炸能量，但其成本太高；空心玻璃微球粒徑小，密度約為氧化劑用鹽的十分之一，即使少量添加也能有效地改變煤礦許用炸藥的總密度，可在炸藥基體中均勻分散，而且工藝簡(jiǎn)單.因此，最終選擇空心玻璃微球作為敏化劑.

4 乳化劑的選擇

乳化劑是制備乳化炸藥的關(guān)鍵組分.根據(jù)乳化理論和實(shí)踐，生產(chǎn)乳化炸藥，應(yīng)選擇那些與油料相容性好、相對(duì)分子質(zhì)量大、黏稠度大、乳化能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定、來源廣的油包水型乳化劑.

4.1 乳化劑的理論計(jì)算

首先求出乳化炸藥配方的氧平衡，然后確定其化學(xué)方程式，最后計(jì)算各性能參數(shù)并進(jìn)行比較.原始乳化炸藥配方1和經(jīng)過調(diào)整的配方2中各成分含量等分別見表1和表2.表3所示為乳化劑的理論計(jì)算結(jié)果.

表1 配方1中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計(jì)為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計(jì)為16.257 mol;算出的氧平衡為-2.5%.

配方1的化學(xué)方程式為：

9.010NH4NO3+0.942NaNO3+5.556H2O+0.152C18H38+0.060C19H42O4+0.537KCl →27.724H2O+3.581CO2+0.295CO +0.471Na2O+9.471N2+0.537KCl

(9)

表2 配方2中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計(jì)為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計(jì)為16.242 mol;算出的氧平衡為-2.5%.

配方2的化學(xué)方程式為：

9.000NH4NO3+0.942NaNO3+5.556H2O+0.157C18H38+0.050C24H44O6+0.537KCl →

27.639H2O+3.695CO2+0.525CO +0.471Na2O+9.471N2+0.537KCl

(10)

表3 乳化劑的理論計(jì)算結(jié)果

4.2 乳化劑的選定

由表3可看出，乳化劑2比乳化劑1的性能更好，含H元素的量更少，反應(yīng)生成的水較少，有利于提高爆熱，從而提高做功能力.根據(jù)結(jié)構(gòu)相似原理，Span-80親水基中—OH與分散相的結(jié)構(gòu)相似，有利于水相在油相中分散;Span-80的親油基(油酸部分)油溶性較好，較易乳化[8].因此，乳化劑采用Span-80.

5 油相材料的選擇

5.1 油相材料的理論計(jì)算

原始乳化炸藥配方3中各成分含量等如表4所示.經(jīng)過調(diào)整的配方4同配方2.

表4 配方3中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計(jì)為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計(jì)為16.234 mol;算出的氧平衡為-2.4%.

配方3的化學(xué)方程式為：

9.000NH4NO3+0.942NaNO3+5.556H2O+0.140C18H38+0.009C35H72+0.050C24H44O6+0.537KCl→27.640H2O+3.879CO2+0.156CO +0.471Na2O+9.471N2+0.537KCl

(11)

配方4與配方2的化學(xué)方程式相同.

油相材料的理論計(jì)算結(jié)果如表5所示.

表5 油相材料的理論計(jì)算結(jié)果

5.2 油相材料的選定

碳?xì)浜扛叩奈镔|(zhì)有利于提高爆熱.復(fù)合蠟1與Span-80這種油包水型乳化劑有良好的乳化迭加效果，且成本低廉.用復(fù)合蠟1作油相材料的乳化炸藥，分散相粒子細(xì)小且分布均勻，儲(chǔ)存穩(wěn)定.因此，本文選擇復(fù)合蠟1作為油相材料.

考慮到多因素的共同作用，通過正交試驗(yàn)進(jìn)行配方設(shè)計(jì)，對(duì)乳化劑和油相材料進(jìn)行交叉調(diào)整，在上述配方基礎(chǔ)上制定了表6所示的配方5.

表6 配方5中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計(jì)為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計(jì)為16.244 mol;算出的氧平衡為-5%.

因其氧平衡不在最佳區(qū)間，故配方5不合理.

6 水相材料的選擇

6.1 水相材料的理論計(jì)算

將原始乳化炸藥配方適當(dāng)調(diào)整，得到表7、表8和表9所示的3個(gè)新配方(即配方6、配方7和配方8).

表7 配方6中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計(jì)為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計(jì)為16.319 mol;算出的氧平衡為-2.5%.

配方6的化學(xué)方程式為：

8.920NH4NO3+0.942NaNO3+0.167CO(NH2)2+5.556H2O+0.147C18H38+0.050C24H44O6+0.537KCl→27.623H2O+3.973CO2+0.400CO+0.471Na2O+9.558N2+0.537KCl

(12)

表8 配方7中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計(jì)為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計(jì)為16.394 mol;算出的氧平衡為-2.4%.

配方7的化學(xué)方程式為：

8.840NH4NO3+0.942NaNO3+0.333CO(NH2)2+5.556H2O+0.136C18H38+0.050C24H44O6+0.537KCl→27.586H2O+3.968CO2+0.013CO+0.471Na2O+9.644N2+0.537KCl

(13)

表9 配方8中各成分含量等

注：配方中各成分含量合計(jì)為100%;1 kg炸藥中各成分含量合計(jì)為16.471 mol;算出的氧平衡為-2.4%.

配方8的化學(xué)方程式為：

8.760NH4NO3+0.942NaNO3+0.500CO(NH2)2+5.556H2O+0.126C18H38+0.050C24H44O6+0.537KCl →27.570H2O+3.924CO2+0.044CO +0.471Na2O+9.641N2+0.537KCl

(14)

水相材料的理論計(jì)算結(jié)果如表10所示.

表10 水相材料的理論計(jì)算結(jié)果

6.2 水相材料的選定

由表10可看出：添加尿素，其爆轟參數(shù)及做功能力明顯提高，采用混合氧化劑，以硝酸銨為主，再加入一些能與硝酸銨組成低共熔點(diǎn)的尿素，可降低水相的析晶點(diǎn)；隨著尿素含量的升高，油相材料的減少，理論上雖能提高乳化炸藥的性能，但是油相材料減少，稠度降低，會(huì)給生產(chǎn)造成一定的困難；添加2%的尿素時(shí)，一氧化碳的生成量最少，更符合煤礦許用乳化炸藥的使用要求.因此，水相材料選取2%的尿素.

7 煤礦許用乳化炸藥設(shè)計(jì)結(jié)果

通過理論計(jì)算,多次調(diào)整煤礦許用乳化炸藥的配方，確定以氯化鈉作為消焰劑,采取物理敏化方式并選用空心玻璃微球進(jìn)行敏化,在選定合適的乳化劑、油相材料和水相材料后，最終確定了煤礦許用乳化炸藥的新配方.

最終確定的煤礦許用乳化炸藥配方為配方7，即：硝酸銨(NH4NO3)70.74%、硝酸鈉(NaNO3)8%、尿素(CO(NH2)2)2%、水(H2O)10%、復(fù)合蠟1(C18H38)3.26%、Span-80(C24H44O6)2%、氯化鉀(KCl)4%。按此配方算出的煤礦許用乳化炸藥的性能參數(shù)如下：定容爆熱為3 377.00 kJ/ kg，爆溫為1 077.00 K，爆容為923.13 L/kg，爆速為5 353.9 m/s，爆壓為7 883 MPa，臼炮能量為1 137.85 kJ/kg，單耗為1.41×10-6kg/m3.