煤礦乳化炸藥爆炸有毒氣體探究

金慶軍

（國家礦山安全監(jiān)察局重慶局統(tǒng)計中心，重慶 401121）

近年來，隨著煤礦開采技術的不斷進步，煤礦機械化能力得到提升，煤礦井下使用放炮工藝進行采煤和掘進的方式逐漸被淘汰。然而，西南地區(qū)的一些小型煤礦，井下部分巷道掘進和工作面回采仍采用放炮工藝。此種工藝雖對礦井生產(chǎn)作業(yè)產(chǎn)生積極作用，但也存在種種弊端，并引發(fā)了一些生產(chǎn)安全事故。據(jù)統(tǒng)計，在爆破事故中，有超過四分之一的事故是因為炮煙熏人引起的，而且實踐證明，炸藥爆炸后產(chǎn)生的有毒氣體對瓦斯、煤塵爆炸起著催化作用[1-6]。因此，對煤礦乳化炸藥爆炸產(chǎn)生的有毒氣體進行探究，對煤礦安全生產(chǎn)有著重要意義。

1 煤礦乳化炸藥作用機制

1.1 煤礦乳化炸藥成分

煤礦井下因瓦斯、煤塵等特定因素，井下爆破作業(yè)必須使用煤礦許用炸藥和煤礦許用電雷管，并且對煤礦不同瓦斯等級、不同作業(yè)地點乳化炸藥安全等級都進行細化。以三級煤礦乳化炸藥為例，它是由多種成分組成的機械混合物，其主要成分是碳、氫、氧和氮四種元素，其中氧化劑和可燃劑兩個部分是按照一定比例均勻混合在一起的。

1.2 煤礦乳化炸藥爆炸反應

炸藥爆炸就是炸藥在一定條件下發(fā)生快速的物理化學反應，釋放出大量能量，產(chǎn)生高溫，并放出大量氣體，同時伴隨發(fā)光和聲響等效應。對煤礦乳化炸藥而言，爆炸過程實質(zhì)上就是氧化劑與可燃劑進行急劇化學反應，生成碳氧化物（一氧化碳、二氧化碳）、氮氧化物（一氧化氮）和水蒸氣的氧化還原過程。

1.3 炸藥氧平衡及作用

炸藥氧平衡，依據(jù)氧化劑把可燃劑氧化的程度分為以下三種情況。當氧化劑恰好把可燃劑氧化時，稱為零氧平衡，即碳和氫均被氧化成二氧化碳和水，這時生成的有毒氣體最少，放出的熱量最多，做功能量也最大；反之，氧化劑有剩余稱為正氧平衡，會生成氮氧化化合物，不僅對人體有害，還對瓦斯爆炸反應起催化作用；不足稱為負氧平衡，會生成一氧化碳和固體碳，一氧化碳不僅有毒還容易因“二次火焰”引燃引爆瓦斯和粉塵。所以炸藥在設計時，氧平衡控制一般都會無限接近零氧平衡。

2 乳化炸藥爆炸有毒氣體危害

乳化炸藥爆炸生成的炮煙是一種混合性有毒氣體，其主要成分是一氧化碳和氮氧化物（如二氧化氮），人們對炸藥爆炸有毒氣體危害進行探究時，為便于測試和計算，通常把有毒氣體中氮氧化物按6.5倍折算成一氧化碳含量，再與實際產(chǎn)生的一氧化碳含量相加作為有毒氣體的總含量。目前，我國乳化炸藥有毒氣體國家標準中規(guī)定，煤礦許用乳化炸藥有毒氣體含量≤50 L/kg。

（1）有毒氣體對人體的危害

一氧化碳能阻止人體血紅蛋白吸收氧氣，造成人體缺氧、記憶力衰退、失眠等，重則引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)損壞，嚴重時會窒息死亡。血中含10%～20%碳氧血紅蛋白時發(fā)生頭脹、心痛、惡心，達到30%～50%時則出現(xiàn)無力、嘔吐、暈眩、精神錯亂、震顫，甚至虛脫，至50%～60%則出現(xiàn)昏迷和驚厥，至70%～80%則呼吸中樞麻痹，心跳停止。二氧化氮是劇毒氣體，它遇水（包括呼吸道的水分）后生成硝酸，所以對人的眼睛、鼻、呼吸器官、肺部組織具有強烈的腐蝕作用，特別是會破壞肺組織，很容易引起肺部浮腫。當二氧化氮濃度為0.666%時，短時間內(nèi)會出現(xiàn)咳嗽、胸部發(fā)痛癥狀；濃度為0.025%時，可很快使人死亡。由此可推斷，炸藥爆炸后產(chǎn)生的有毒氣體對礦工生命的危害是致命的。

（2）有毒氣體對礦井的危害

炸藥爆炸生成的氣態(tài)爆炸物中，含有大量的可燃性物質(zhì)，其中重要成分是一氧化碳，當這些可燃物質(zhì)與礦井瓦斯相混合后，爆炸瞬間，可能形成“二次火焰”。二次火焰具有1600～2000 ℃的高溫，大大超過瓦斯、煤塵的發(fā)火溫度，從而可能引起瓦斯、煤塵爆炸。同時，二氧化氮會急劇降低引燃瓦斯、煤塵爆炸溫度，從而引起瓦斯、煤塵爆炸。根據(jù)實驗，加入1%二氧化氮引燃溫度降低170 ℃，加入4%二氧化氮引燃溫度降低200 ℃，原因是二氧化氮能分解出初生態(tài)的氧。煤礦井下一旦發(fā)生瓦斯、煤塵爆炸，可引起巷道嚴重破壞、通風系統(tǒng)紊亂，甚至可造成礦毀人亡。

3 乳化炸藥有毒氣體排放量影響因素

3.1 乳化炸藥質(zhì)量

對于乳化炸藥來說，嚴格控制生產(chǎn)工藝，可以很好地保持較低的有毒氣體含量。以西南地區(qū)如貴州、重慶等地部分煤礦井下使用的重慶順安爆破器材有限公司（以下簡稱順安公司）生產(chǎn)的煤礦乳化炸藥為例，該公司煤礦乳化炸藥生產(chǎn)線采用中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司和深圳市金奧博科技有限公司的制藥工藝，并結(jié)合智能自動化藥卷包裝（紙筒、塑膜）設備，分別在重慶綦江區(qū)、銅梁區(qū)和萬盛經(jīng)開區(qū)建有中、低溫、高溫生產(chǎn)線（如圖1所示），因技術成熟可靠、智能自動化程度較高，有力保障了出廠產(chǎn)品的質(zhì)檢合格率。同時，順安公司的檢驗報告顯示，三級煤礦許用乳化炸藥有毒氣體含量分別為24 L/kg、25 L/kg和 27 L/kg，均低于國家標準。

圖1 煤礦乳化炸藥生產(chǎn)工藝流程圖

3.2 爆破周圍介質(zhì)

爆破過程中，裝藥周圍的爆破介質(zhì)可與爆炸物起化學反應，影響有毒氣體的產(chǎn)生量。同種炸藥在煤炮眼爆破時，產(chǎn)生的有毒氣體量比在硬巖中多2～3倍，這是由于煤還原了爆破產(chǎn)物中的二氧化碳為一氧化碳的結(jié)果。煤礦乳化炸藥在爆炸時，炸藥藥卷的包裝物（紙筒、塑膜）等也會在爆炸時與爆炸物作用，改變炸藥自身的氧平衡狀態(tài)，從而生成更多的一氧化碳。

3.3 一次起爆炸藥量

從抽調(diào)重慶某煤礦1401回采工作面一次起爆裝藥量與爆炸一氧化碳含量實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著一次起爆炸藥量的增加，工作面上出口一氧化碳傳感器最大值也隨之增加，同時單次超限時長也因此增長（見表1）。按照《煤礦通風能力核定標準》要求，對煤礦井下爆破作業(yè)工作面風量分配進行驗算，通常采用Q≥25A或Q≥10A公式（其中，Q為稀釋炮煙所需要的分量，m3/min；A為一次起爆的炸藥量，kg），表明一次起爆炸藥量多少決定一氧化碳排放量多少，進而決定稀釋一氧化碳所需風量多少。

表1 炸藥量與一氧化碳最大值和超限時長實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

3.4 炮眼堵塞質(zhì)量

炸藥爆炸反應產(chǎn)生的熱能稱為爆熱，爆炸產(chǎn)物被加熱達到的最高溫度為炸藥的爆溫，爆溫取決于爆熱，并與爆速、藥包包裝和炮眼堵塞質(zhì)量有關。爆熱越大，爆速越高，藥包包裝和炮眼堵塞越緊密，爆溫就越高，炸藥做功就越大。煤礦炸藥雖然對爆溫進行了限制，如順安公司在煤礦乳化炸藥中加入氯化鈉（惰性物質(zhì)）和氯化鉀（消焰劑）收斂爆熱，隔離火焰，降低爆溫，但質(zhì)量過關的炮眼封堵（煤礦井下大多采用水泡泥和粘土炮泥進行炮眼封堵）能保證乳化炸藥充分反應，有效減少有毒氣體生成。因為水炮泥爆裂后形成的水幕能吸收有毒氣體并滅塵、降溫，粘土炮泥能將爆炸產(chǎn)物約束在炮眼內(nèi)，促使爆炸高溫高壓氣體完成破碎，增強爆炸效果。據(jù)試驗測定：用水泡泥煤層濃度可降低近50%，二氧化碳含量可減少35%，二氧化氮可減少45%。

3.5 起爆器輸出能力

通常情況下，炸藥能處于相對的穩(wěn)定狀態(tài)，即不會自行發(fā)生爆炸。要使炸藥發(fā)生爆炸，必須使炸藥失去相對的穩(wěn)定狀態(tài)，即必須給炸藥施加一定的外能作用。炸藥在外界能量作用下發(fā)生爆炸變化過程稱為炸藥的起爆，外界能量越大，炸藥起爆越容易，把引起炸藥爆炸變化的最小能量稱為引爆沖能，它是度量引起爆炸變化的定量指標。煤礦井下正是運用這一原理進行爆破作業(yè)，即起爆器引爆電雷管，電雷管引爆起爆藥卷，起爆藥卷引爆主炸藥卷，發(fā)生爆炸連鎖反應。因此起爆器的輸出能力將直接決定爆炸效果。如果起爆器的輸出能力不足，會引起電雷管乃至炸藥的起爆能力不足，造成炸藥不能完全反應，導致半爆、爆燃或者拒爆現(xiàn)象，從而增加有毒氣體排放。合格的起爆器輸出能力強，能保證起爆能量達到最低限度，炸藥能完全反應，降低有毒氣體排放。

4 結(jié)論

從炸藥質(zhì)量、一次起爆炸藥量、炮眼封堵質(zhì)量、合格起爆器幾個方面入手，減少或降低炸藥爆炸后有毒氣體的排放含量，使用先進智能化的機械設備代替落后的放炮作業(yè)工藝，杜絕涉煤工作面有毒氣體的生成。通過以上防范措施，減少炸藥爆炸后有毒氣體對井下作業(yè)人員的傷害，降低炸藥爆炸后引發(fā)瓦斯、煤塵爆炸的風險，提升礦井的安全系數(shù)，保障礦井的正常生產(chǎn)。