乳化炸藥毒氣抑制劑在礦山爆破中的應(yīng)用研究

張西良 李二寶 楊海濤 儀海豹 詹思博 1

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽 馬鞍山 243000；2.馬鞍山礦山研究院爆破工程有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山 243000）

爆破工藝被廣泛應(yīng)用于我國(guó)礦山、水利水電、交通等行業(yè)建設(shè)中，爆破作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的有毒有害氣體（簡(jiǎn)稱毒氣）［1-4］，惡化井下作業(yè)環(huán)境，危害作業(yè)人員身體健康，嚴(yán)重威脅著地下礦山開(kāi)采安全，采取有效措施降低爆破毒氣濃度具有重大意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了一些相關(guān)研究，王天暘等［5］、郭敬中等［6］研制了新型多組分水炮泥配方，測(cè)定了不同水炮泥裝填類型以及炮煙中CO、NO濃度變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，多組份水炮泥對(duì)CO的抑制效率提高了51.9%，但對(duì)NO的抑制效果提升不顯著；丁厚成等［7］運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT建立壓入式通風(fēng)條件下成分運(yùn)輸模型，分析風(fēng)筒口至掌子面的距離及風(fēng)筒入口風(fēng)速對(duì)隧道內(nèi)風(fēng)流流場(chǎng)及炮煙濃度分布規(guī)律的影響，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的炮煙濃度分布情況進(jìn)行對(duì)比分析，數(shù)據(jù)基本吻合；張舸等［8］對(duì)某地下礦山獨(dú)頭巷道強(qiáng)制通風(fēng)狀態(tài)下的炮煙濃度變化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)巷道中炮煙的濃度變化可按e指數(shù)規(guī)律衰減，且炮煙散發(fā)過(guò)程中各巷道截面位置處的最大濃度與炮煙拋擲區(qū)的理論初始濃度有較強(qiáng)的線性關(guān)系。

通過(guò)現(xiàn)有成果分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有研究側(cè)重于毒氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析，缺少相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)［9-11］，針對(duì)不同類型的炸藥進(jìn)行毒氣控制的研究成果較少。為此，本研究以乳化炸藥為試驗(yàn)對(duì)象，在理論分析的基礎(chǔ)上，研制出爆破毒氣抑制劑，通過(guò)設(shè)置不同添加比例、裝填方式，開(kāi)展爆破毒氣抑制劑降毒氣試驗(yàn)研究，為有效控制礦山爆破毒氣產(chǎn)生提供理論及數(shù)據(jù)支撐。

1 爆破毒氣產(chǎn)生機(jī)理

工業(yè)炸藥爆炸所產(chǎn)生的炮煙是導(dǎo)致中毒事故的根源，由于炸藥成分及爆破作業(yè)場(chǎng)所環(huán)境復(fù)雜等因素，導(dǎo)致爆破毒氣產(chǎn)生的因素多種多樣。根據(jù)相關(guān)研究［12-15］，炸藥的氧平衡是毒氣產(chǎn)生的重要途徑，工業(yè)炸藥除了少數(shù)是無(wú)機(jī)物外，一般都是有機(jī)物。這些有機(jī)物無(wú)論是單質(zhì)還是混合物，大多數(shù)只含C、H、O、N 4種元素，一般所使用的工業(yè)炸藥在發(fā)生爆炸時(shí)，其中的O分別與C、H發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，生成爆炸產(chǎn)物。單位質(zhì)量的炸藥中所含的氧元素是否能達(dá)到氧平衡，是影響炸藥爆炸產(chǎn)生有毒有害氣體的重要因素。按照最大放熱原理［16-18］，根據(jù)含氧量的多少，炸藥反應(yīng)生成氧化產(chǎn)物的過(guò)程可進(jìn)行如下描述：

式中，a，b，c，d為方程式系數(shù)。

零氧平衡時(shí)可燃元素充分氧化，理論上不會(huì)產(chǎn)生毒氣。雖然礦山使用的工業(yè)炸藥大都是零氧或接近零氧平衡，但是由于包裝材料參與反應(yīng)、巖石間的熱交換、反應(yīng)本身不完全等因素，造成炸藥爆炸系統(tǒng)本身無(wú)法實(shí)現(xiàn)零氧平衡，從而產(chǎn)生毒氣。

毒氣產(chǎn)生的另一個(gè)重要原因是工業(yè)炸藥主要成分硝酸銨的不完全分解，其與炸藥組成、成分性質(zhì)、炸藥密度、粒度、裝藥直徑、起爆沖能大小等諸多因素有關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究，在不同反應(yīng)環(huán)境下，乳化炸藥主要成分NH4NO3可產(chǎn)生的分解方程式見(jiàn)表1。

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由表1可知：理論上乳化炸藥（主要為硝酸銨）是不產(chǎn)生毒氣的，但炸藥爆炸過(guò)程受到多種因素影響，很難能按理論上的反應(yīng)方程式進(jìn)行，其余反應(yīng)方程式中均有毒氣產(chǎn)生，這也是爆破有毒氣體產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)。

毒氣產(chǎn)生的另一原因是受到周圍介質(zhì)的作用，某些礦物介質(zhì)可與爆炸產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或者對(duì)爆炸產(chǎn)物的二次反應(yīng)起到催化作用，使有毒氣體含量增大。爆炸作用時(shí)，含硫的礦石可生成硫的氧化物或硫化氫有毒氣體。當(dāng)周圍介質(zhì)溫度較低時(shí)，有些炸藥在低溫情況下也常出現(xiàn)不完全爆炸或爆轟中斷現(xiàn)象，使有毒氣體含量大大增加。

2 爆破毒氣吸收試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料及方案

試驗(yàn)主要材料為巖石乳化炸藥、爆破毒氣抑制劑、電子計(jì)量天平，輔助材料有塑料吸管、膠帶、剪刀等。試驗(yàn)在自制的爆破毒氣測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行，容積為2.16 m3（圖1），爆破后采用Drager X-am5000有毒有害氣體檢測(cè)儀采集數(shù)據(jù)，測(cè)量精度0.021 4 mg/m3，炸藥的各項(xiàng)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

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試驗(yàn)乳化炸藥卷及雷管分別從正門及頂部懸掛孔置入測(cè)試系統(tǒng)，并將雷管插入藥卷內(nèi)，懸吊在容器中心位置。試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)30 min處理，使用檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，并記錄原始值。試驗(yàn)后立即對(duì)系統(tǒng)內(nèi)側(cè)面測(cè)量孔的毒氣進(jìn)行檢測(cè)，單個(gè)測(cè)量孔取樣時(shí)間為2 min，計(jì)算各毒氣成分含量最大值及平均值。

2.2 不同添加比例試驗(yàn)

稱量乳化炸藥30 g，將抑制劑與其按照0mass%、3mass%、5mass%、8mass%的比例進(jìn)行配比（圖2），并制作成直徑32 mm的藥卷。

藥卷起爆后，按照毒氣測(cè)定方案對(duì)爆破毒氣測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)的毒氣產(chǎn)生情況進(jìn)行檢驗(yàn)。各成分產(chǎn)生量及各添加比例、毒氣降低率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

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根據(jù)表3和表4，提取了不添加抑制劑時(shí)各類毒氣產(chǎn)生量，繪制了4種主要成分占比情況圖，如圖3所示。

由圖3可知：巖石乳化炸藥爆炸后，4種主要毒氣成分中，CO所占比例最高，約占毒氣總量的37.36%～37.98%，NH3、NO、NO2產(chǎn)生量相近，分別占總量的21.22%～23.29%，20.58%～20.8%，17.99%～19.24%。

進(jìn)一步分析表3、表4可知：與對(duì)照試驗(yàn)（未添加毒氣抑制劑）對(duì)比，隨著抑制劑添加比例逐漸增加，毒氣降低率呈現(xiàn)先增大后減小的拋物線走勢(shì)，抑制劑與乳化炸藥存在最佳的添加比例，即抑制劑添加比例為5mass%時(shí)，炸藥爆炸反應(yīng)生成的毒氣總量最大值和平均值分別為144.66 mg/m3、128.6 mg/m3，降毒率分別為71.73%、72.03%。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，為了消除試驗(yàn)誤差的影響，驗(yàn)證毒氣抑制劑降毒效果，再次開(kāi)展了5組抑制劑添加5mass%和不添加時(shí)的對(duì)照試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知：5次試驗(yàn)所有毒氣成分產(chǎn)生總量為299.41～708.78 mg/m3，添加5mass%的抑制劑后，毒氣產(chǎn)生總量降至107.22～287.82 mg/m3，抑制劑降毒率為53.79%～77.76%，平均降毒率為66.50%，與前述試驗(yàn)結(jié)果相符。

2.3 不同裝填方式試驗(yàn)

考慮到在施工現(xiàn)場(chǎng)添加毒氣抑制劑困難，選取4種裝填方式（圖5）并設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)，進(jìn)行效果對(duì)比試驗(yàn)分析。

試驗(yàn)后對(duì)爆破毒氣主要成分進(jìn)行檢測(cè)，繪制了不同裝填方式下各毒氣成分產(chǎn)生量圖，如圖6所示。

由圖6可知：4種裝填方式均取得了良好的降毒效果，其中降毒效果優(yōu)劣依次為均勻混合結(jié)構(gòu)、無(wú)吸管徑向耦合結(jié)構(gòu)、有吸管徑向耦合結(jié)構(gòu)、軸向耦合結(jié)構(gòu)。均勻混合結(jié)構(gòu)降毒率較其它結(jié)構(gòu)分別提高了26.07%、56.79%、59.54%。

3 工程實(shí)例

本研究在某地下鐵礦斜坡道掘進(jìn)斷面開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（圖7）。斷面孔深3.2 m，裝填直徑32 mm乳化炸藥藥卷，每卷質(zhì)量150 g，孔內(nèi)雷管微差爆破。本次抑制劑添加比例按照5mass%添加，均勻混合結(jié)構(gòu)，并設(shè)置無(wú)抑制劑的對(duì)照試驗(yàn)，各鉆孔抑制劑添加量見(jiàn)表5。在距爆源40 m處安裝FGD2-C氣體檢測(cè)儀（圖8），分別記錄爆破后通風(fēng)時(shí)間15 min、20 min時(shí)的毒氣產(chǎn)生情況（表6）。

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由表6可知：爆區(qū)通風(fēng)15 min后，對(duì)比是否添加抑制劑兩種方案，毒氣產(chǎn)生總量可由119.8 mg/m3降至52.11 mg/m3，降毒率達(dá)56.5%；通風(fēng)20 min后，毒氣產(chǎn)生總量可由96.98 mg/m3降至43.33 mg/m3，降毒率達(dá)55.32%。

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4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了30 g巖石乳化炸藥爆炸試驗(yàn)，在自制的毒氣測(cè)試系統(tǒng)中，按照測(cè)定方案對(duì)毒氣產(chǎn)生量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明：炸藥爆炸后，產(chǎn)生的毒氣主要成分有4種。其中，CO所占比例最高，約占毒氣總量的37.36%～37.98%，NH3、NO、NO2產(chǎn)生量相近，分別占總量的21.22%～23.29%，20.58%～20.80%，17.99%～19.24%。

（2）設(shè)計(jì)0mass%、3mass%、5mass%、8mass%4種抑制劑乳化炸藥配比方案，開(kāi)展了爆炸試驗(yàn)：結(jié)果表明：隨著抑制劑添加比例增大，降毒率呈先增大后減小的拋物線走勢(shì)，且5mass%為最佳添加比例。在此基礎(chǔ)上的5次驗(yàn)證試驗(yàn)顯示，平均降毒率為66.5%，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

（3）設(shè)計(jì)4種抑制劑裝填方式，開(kāi)展了爆炸試驗(yàn)：結(jié)果表明：降毒效果優(yōu)劣依次為均勻混合結(jié)構(gòu)、無(wú)吸管徑向耦合結(jié)構(gòu)、有吸管徑向耦合結(jié)構(gòu)、軸向耦合結(jié)構(gòu)。其中，均勻混合結(jié)構(gòu)降毒率較其它結(jié)構(gòu)分別提高了26.07%、56.79%、59.54%。