粉狀乳化炸藥在云浮硫鐵礦安全開采中的應用

陶鐵軍 ，李戰軍，葉圖強，施建俊

(1.北京科技大學 土木與環境工程學院，北京，100083；2.北京礦冶研究總院，北京，100070；3.廣東宏大爆破股份有限公司，廣東 廣州，510623)

云浮硫鐵礦為一巨大型的沉積變質熱液富集礦床。礦體產于前泥盆系第四分層，目前正在開采的Ⅲ和Ⅳ礦體均屬于高硫礦體，占礦區總儲量的92%，Ⅲ和Ⅳ礦體是露天開采范圍的主要采掘對象。由于這些礦體含硫較高，容易發生氧化反應，放出熱量，造成炮采工作面溫度升高，當炮孔溫度升高到一定程度時，就存在炸藥自爆、早爆的危險。在云硫開采過程中，就發生過礦石自燃和炸藥自燃、自爆的現象。如 1995年1月在 9號勘探線334 m臺階已穿好孔的10余個炮孔中有1個炮孔出現自燃，火焰噴出孔口；2006年9月使用裝藥車裝藥過程中有2個炮孔冒煙等[1]。礦石自燃和炸藥自燃、自爆已成為云浮硫鐵礦安全生產及爆破作業的重大隱患，為了預防炸藥自燃、自爆事故的發生，開展硫化礦炸藥自燃、自爆機理分析與實驗研究以確定合理的預防措施，具有重要的理論意義和實際價值[2]。許多學者對此進行了大量研究，主要包括以下幾個方面：

(1) 硫化礦炸藥自爆機理的研究。李榮其[3]研究發現：硫化礦物引起的硝酸銨炸藥自爆過程大致可以分為誘導期、發展期、爆炸期 (燃燒期) 3個階段。袁昌明等[4?5]指出硫化礦中 FeS2的氧化放熱反應是硝酸銨炸藥產生自燃、自爆的主要原因，水分是硝銨炸藥產生自爆的一個重要條件；礦石中可溶性鐵離子的存在，礦石溫度也是引起自燃、自爆的因素。陽富強等[6]介紹了一種新的測試硫化礦樣氧化自熱性質的方法，并進行了硫化礦石動態自熱率測定及數值模擬。

(2) 高硫高溫礦用安全炸藥的研究。郭素云等[7]采用涂覆隔離和抑制減緩的雙重技術措施，研制出BMH型硫化礦用散裝安全炸藥。葉圖強等[8]進行了云浮礦的含硫礦樣與裝填的乳化炸藥的接觸實驗研究，實現了乳化炸藥在硫化礦的安全應用。馬平等[9]利用熱重法研究了粉狀乳化炸藥的熱分解過程和非等溫反應動力學，研究表明：粉狀乳化炸藥初始分解溫度稍高于乳化炸藥基質。王波等[10]對露天粉狀乳化炸藥的質量控制進行了研究。

(3) 炸藥自爆危險性評價與治理措施的研究。李孜軍等[11]提出了高溫高硫礦床開采中炸藥自爆危險性的多指標評價方法。陳壽如等[12?13]以Fe2+為指標代替了以往的炸藥自爆判據, 建立了礦樣水溶液中 Fe2+與pH關系的回歸經驗公式，提出了以 pH為指標的炸藥自爆新判據以及簡單、實用的炸藥自爆礦樣的檢測方法和防自爆措施，并采取了“分區治理”的方法防止炸藥自爆。陽富強等[14]概述硫化礦石氧化自熱的機理；詳細介紹硫化礦石的自燃傾向性測試、綜合因素評價、統計經驗法等預測方法，提出了數學模型模擬預測方法。粉狀乳化炸藥的初始分解溫度略高于工業硝酸銨與乳化炸藥基質。與其他硝銨炸藥相比，其著火點高，熱感度低，因此，在高溫硫化礦的開采中，具有更好的安全性。

本文作者以粉狀乳化炸藥在云浮硫鐵礦開采中的安全應用為工程背景，進行含硫礦樣與粉狀乳化炸藥的接觸實驗研究，對實驗結果進行分析處理，探討影響粉狀乳化炸藥自燃、自爆的重要因素及其內在關系，提出預防措施為粉狀乳化炸藥的在高硫鐵礦的安全應用提供決策依據。

1 粉狀乳化炸藥與硫化礦石接觸反應實驗

1.1 實驗設備與方法

炸藥與硫化礦石的接觸反應實驗設備主要有：HHS?4 型電熱恒溫水浴鍋1臺，試管和pH試紙若干，溫度計1個。

實驗步驟如下：第1步，取牙輪鉆鉆孔時不同炮孔排出的礦巖屑，經粉碎機細碎成粒度＜120 μm的礦粉作為實驗礦樣；第2步，稱取實驗礦樣8 g，加入4 g粉狀乳化炸藥，混合均勻后滴入4～6滴蒸餾水再次混合均勻，倒入試管內，貼上編號標簽；第3步，測定試樣的初始溫度，將浸潤的 pH試紙置于試管口進行對比觀測，判斷試管內有無反應，當試管內有反應時記錄反應程度；第4步，將試樣放入水溫為50～60℃的恒溫水浴鍋里(試管浸入水中深度為7～8 cm)恒溫水浴加熱1 h，觀察試管內反應情況，當試管內有反應時記錄反應程度。

反應程度的判定依據為：(1) 冒出深棕色(NO2)氣體較多，刺激性氣味較濃，鼓泡快為強烈反應；(2) pH試紙顯色較快，而且顯色對比度很大為中強反應；(3)pH 試紙顯色較快，但顯色對比度不大為中等反應；(4) pH 試紙顯色較慢，為弱反應；(5) pH 試紙顯色不明顯，為很弱反應；(6) pH試紙不顯色為無反應。

1.2 實驗樣品與實驗結果

云浮硫鐵礦Ⅲ和Ⅳ礦體均屬于高硫礦體，分別從云浮硫鐵礦采場的 3 個臺階共 5 個爆破區域進行礦體部分的取樣，共收集到 60個礦石樣品。其中，Ⅲ礦體有380 臺階 2 個爆破區域的30 個礦樣。Ⅳ礦體有250 臺階 1 個爆破區域的15 個礦樣和334 臺階1 個爆破區域的15 個礦樣。60個礦樣的初始溫度、品位、pH和恒溫加熱1 h后的反應程度如表1所示。

試樣放入恒溫水浴鍋中加熱之前，共有20個礦樣發生了弱或微弱反應。

表1 不同爆區礦樣接觸實驗結果Table 1 Contact test results of ore sample of different blasting areas

2 實驗結果分析

2.1 溫度對接觸反應程度的影響

粉狀乳化炸藥與硫化礦石的接觸反應實驗能夠直接反映出炸藥自燃自爆的危險程度。當接觸反應強烈時，炸藥處于自燃危險區；當反應為中等反應程度時，炸藥處于自燃的警戒區；當反應為弱和很弱反應程度時，此時炸藥相對安全。

從表1可知：當水浴溫度為50 ℃時，12個礦樣為中等反應程度，占礦樣的26.7%；18 個礦樣為弱反應程度，占礦樣的 40%，15個礦樣為很弱反應程度，占礦樣的 33.3%。當水浴溫度為 60 ℃時，13個礦樣為中等反應程度，占實驗礦樣的 86.7%；2個礦樣為弱反應程度，占實驗礦樣的 13.3%。

未放入恒溫水浴鍋之前，試樣初始溫度對接觸反應程度的影響如圖1所示。由圖1可以看出：在16～30 ℃時，初始溫度對粉狀乳化炸藥與礦樣接觸反應強弱程度的影響不大。

由表1和圖1可見：在高硫礦山開采中，當孔溫為30 ℃以下時，粉狀乳化炸藥的使用是很安全的；溫度升高后，炸藥存在自燃、自爆的危險；當孔溫為50℃時，炸藥處于自燃警戒區的比例明顯升高；當孔溫達到 60 ℃時，這一比例為86.7%。

圖1 初始溫度與接觸反應程度的影響Fig.1 Effect of initial temperature on degree of contact reaction

2.2 pH對接觸反應程度的影響

pH是反應礦樣酸堿程度的重要依據，本次試驗所選礦樣為弱堿性。從表1可知：在水浴溫度為50 ℃時，發生中等反應的礦樣pH為7.01～7.72，發生弱反應的礦樣 pH 為 6.14～7.39，發生很弱反應的礦樣 pH 為4.6～7.04，pH對反應程度的影響如圖2所示。從圖2可以看出：粉狀乳化炸藥與礦樣的接觸反應程度與礦樣的pH呈指數關系，當礦樣的pH增大時，接觸反應顯著加快。

圖2 pH對接觸反應程度的影響Fig.2 Effect of pH on degree of contact reaction

2.3 礦樣品位對接觸反應程度的影響

礦樣品位與反應程度的關系如圖3所示。從圖3可知，云浮硫鐵礦礦石品位對乳狀乳化炸藥與礦樣接觸反應強弱程度沒有直接影響。

圖3 礦樣品位與反應程度的關系Fig.3 Relationship between grade of ore sample and degree of contact reaction

3 自爆原因分析及對策措施

3.1 自爆原因分析

對于炸藥自燃、自爆的機理研究很多，通常認為硫化礦中FeS2被氧化，發生放熱反應，使炮孔溫度升高，進而與炸藥中的硝酸發生一系列的化學反應，引起炸藥自燃，溫度繼續升高，起爆炸藥被引爆，并引爆未燃炸藥。其化學反應如下[8]：

云浮硫鐵礦礦樣與粉狀乳化炸藥的接觸實驗表明：炸藥與礦樣的pH和接觸反應的反應溫度有關，這主要是因為：

(1) 反應溫度的升高有利于化學反應的進行。當溫度升高到一定程度時會顯著加快化學反應。

(2) pH能夠近似地表示礦樣中Fe2+和Fe3+含量的變化即表示礦樣中FeS2的氧化程度，同時礦樣的pH測定比較方便，因此在實際工作中，常用測定pH來代替分析 Fe2+和Fe3+含量的變化。

3.2 預防措施

在云浮硫鐵礦實際裝藥過程中，炸藥與炮孔壁接觸緊密，加大了兩者之間的反應面積，且反應生成的氣體不易溢出。在此密閉條件下，熱量不易釋放，炮孔溫度逐漸升高，加速乳化炸藥與炮孔壁礦巖的化學反應。當炮孔溫度達到一定值時，乳化炸藥出現自燃甚至爆炸。結合本次實驗可知，當孔溫≥50 ℃或孔溫高于爆區其他炮孔平均溫度 10 ℃以上時必須采取相應的安全措施：

(1) 對孔溫較高的炮孔，采取注水降溫辦法處理。

(2) 控制炸藥與炮孔壁的接觸時間，在炮孔裝藥后，在最短的時間內完成爆破作業。一般要求從裝藥到起爆不超過2 h，對于孔溫＞60 ℃或接觸反應特別強的炮孔，將裝藥到起爆時間控制在1 h以內。用塑料袋或瀝青牛皮紙將炸藥包裝好，使炸藥與孔壁不直接接觸。

(3) 對于孔溫＞60 ℃或接觸反應強烈的炮孔，不用雷管引爆，改用不涂蠟的導爆索，且炮孔口部不要堵塞；采用專門的防自燃自爆的高安全乳化炸藥配方，例如北京礦冶研究總院針對德興銅礦高硫礦巖開采而研制的BDS乳化炸藥配方。

(4) 在有重點防護炮孔的爆區爆破作業時，還應在爆破作業前選擇好安全撤離路線，安排人員觀察炮孔冒煙情況，一旦有炮孔冒出棕色或黃色煙霧，立即組織人員撤離。

4 結論

(1) 當反應初始溫度為16～30 ℃時，反應溫度對散裝乳化炸藥與礦樣接觸反應強弱程度的影響不大。當溫度＞30 ℃時，反應溫度對炸藥自爆有顯著的影響，反應溫度升高，炸藥發生自爆的可能性增加。當反應溫度＞50 ℃時，炸藥發生自爆的可能性顯著增加，當反應溫度＞60 ℃時，必須采取相應的安全措施。

(2) 在弱堿性礦樣條件下，粉狀乳化炸藥與礦樣的反應程度以及礦樣的pH有關，當礦樣pH增大時，反應程度增強。這是因為 pH能夠近似地表示礦樣中Fe2+和Fe3+含量的變化，即表示礦樣中FeS2的氧化程度，同時礦樣的 pH測定比較方便，因此，在實際工作中，常用測定 pH來代替分析 Fe2+和 Fe3+含量的變化。

(3) 粉狀乳化炸藥的自爆與礦樣的品位關系不大。

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