液態CO2相變爆炸激發藥劑的爆炸性與安全性

楊海斌 ,汪旭光 ,王尹軍 ,張建如

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.河北云山化工集團有限公司，河北 邢臺 054011；3.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

CO2相變爆炸技術是指將密閉容器內處于低溫和高壓狀態下的液態CO2瞬間轉變為氣態，利用其體積快速膨脹完成對外做功的一種工程爆破技術。這種“液-氣”相變做功是一種物理爆炸過程。相較于炸藥爆炸而言，CO2相變爆炸過程的破壞性較小，危險性較低，具有振動和噪聲小、揚塵和飛石少、爆破點溫度低、相變過程無有害氣體生成等優點，在煤礦掘進、放頂和煤層增透中應用較多，尤其適用于高瓦斯煤礦開采中抽排瓦斯的致裂爆破[1]。歐美國家于1914 年開始研究CO2相變爆炸技術，20世紀50～60年代，一些采礦業比較發達的國家，如英、法、美、俄、波蘭、挪威等，將高壓氣體爆破采煤技術用于大型煤礦壓裂增透和地下礦開采[2-3]。20世紀80年代，國內對CO2相變爆炸技術在煤礦的應用進行了相關試驗。杜澤生等[4]自2011年開始從CO2爆破管、發熱藥劑、點火藥頭等幾個部分對Cardox裝置進行了改進。周西華等[5]測試了液態CO2爆炸過程中儲液管內壓力的變化情況。張家行[6]在煤礦井下使用 CO2爆破技術，抽采濃度和純量明顯提升。張開加[7]分析了爆壓、地應力對液態CO2致裂爆破裂紋擴展和增透效果的影響。楊百舸等[8]在山西新元煤礦 31002工作面，開展了CO2相變爆炸技術的應用試驗，瓦斯抽采濃度從17.3%上升到48.1%。方鵬[9]在斜溝煤礦18205工作面的CO2相變爆炸增透試驗結果表明，煤層透氣性系數提高了17.52～21.98倍。李穩等[10]開展了CO2相變爆炸激發地震波的野外人工震源激發-接收實驗。夏軍等[11]研究了CO2相變爆炸技術在臺階破巖、塊體破巖、孤石破巖、隧道掘進等環境下的應用。龔政[12]將CO2相變爆炸技術應用于南水北調工程的包封混凝土拆除。李世安[13]在城市地鐵車站基坑開挖中采用了直徑98 mm的 CO2致裂管。熊宏武[14]將CO2相變爆炸技術應用于綜合管廊基坑開挖中。丁海龍等[15]將CO2相變爆炸技術應用于海拔4 000 m高的水庫工程隧洞開挖和邊坡、槽挖、孤石預裂等。董云濤等[16]采用CO2相變爆炸技術對某單位電石爐軟斷電極進行了破碎處理。王燕等[17]研究得到CO2相變高壓氣體動壓破巖的機理及巖體裂隙、強度和CO2相變氣體壓力等參數之間的關系。趙程鵬等[18]對73型液態CO2致裂管單管單孔致裂巖體性能進行了現場試驗。衡獻偉等[19]在轎子山煤礦M9煤層，通過對比試驗考察了致裂孔不同施工順序和不同裝液量對有效抽采半徑的影響。趙丹等[20]在王家嶺煤礦 2 號煤層 20109 工作面回風巷，開展了液態 CO2相變爆炸增透試驗。李青松等[21]在貴州安順轎子山煤礦平橋井二水平9807進風巷，進行了CO2相變致裂增透鉆孔參數優化試驗。白鑫等[22]采用液態 CO2相變爆炸技術，在低滲砂巖型鈾礦地浸采鈾抽、注液孔之間產生大量的聯通裂隙。朱寬等[23]就CO2爆破不同步問題，研究了電點火頭電阻值、致裂管結構和激發管藥劑與CO2氣體質量配比3個因素的影響。賈進章等[24]對液態 CO2相變爆破后應力波在煤體中的衰減、煤體損傷程度和致裂半徑形成進行研究。李維[25]在臨近邊坡的綜合管廊開挖過程中，采用垂直孔、傾斜孔與控制孔相結合的方式進行液態CO2相變爆破。

在CO2由液態轉變為氣態的過程中，需要吸收一定的熱量，這些熱量由激發藥劑提供，因此能否可控且穩定地進行有效激發而產生足夠的熱量，是一個關鍵問題。常用的方法是通過點火藥頭對一定質量的化學藥劑進行點火，使之快速反應，在短時間內產生大量熱量。這類化學藥劑通常被稱作激發藥劑或發熱藥劑，一般是由氧化劑和還原劑混合而成。激發藥劑的爆炸性關系到激發藥劑的物質歸類、危險性等級和安全使用等問題。郭超等[26]基于最小自由能原理分別計算了3種激發藥劑和黑火藥、高氯酸銨的爆轟參數，結果表明由Al和Fe2O3組成的鋁熱劑產熱量較大，但是爆炸威力較小，難以維持爆轟，分別由偶氮二甲酰胺、高氯酸鉀和水楊酸、高氯酸鉀、草酸銨組成的2種激發藥劑，性質相仿，爆炸威力均大于黑火藥和高氯酸銨。而關于激發藥劑爆炸性的試驗研究，還未見有關報道。

本文對自主研制的激發藥劑進行了爆炸性試驗，分別用工業雷管和膨化硝銨炸藥，測試了激發藥劑的爆轟感度。研究結果不僅對于激發藥劑的物質歸類、危險性等級劃分、性能測試等有參考價值，而且對于CO2相變爆炸技術的可靠應用具有指導意義。

1 爆炸性測試

1.1 測試方法

根據國家標準《危險貨物運輸 爆炸品的認可和分項試驗方法》(GB/T 14372-2013)，開展了試驗系列1類型和試驗系列2類型的(b)克南試驗。該國標是與聯合國《關于危險貨物運輸的建議書 試驗和標準手冊》相對應的國家標準，以下簡稱《分項試驗方法》。

試驗裝置主要有試驗鋼管、加熱和保護裝置、天平(精度0.1 g)、孔板、溫度傳感器和數據采集儀(精度0.1 ℃)等，其中試驗鋼管由符合ASTM 620/620M規定的A620 薄鋼板沖壓而成，外徑25 mm，壁厚0.5 mm；孔板由符合GB/T 20878標準的304號不銹鋼做成，本試驗采用了2個型號的孔板，其內孔的直徑分別為1 mm和2 mm。

1.2 測試步驟

測試過程主要分3步，分別為向試驗鋼管內裝藥、加熱升溫和記錄結果。

第1步：向試驗鋼管內裝藥。由于激發藥劑為粉沫狀固體，因此按照《分項試驗方法》中固態物質的裝藥步驟進行操作，即將激發藥劑分成3等份依次裝入鋼管，每1等份裝入后都用80 N的壓力將其體積壓縮成9 cm3，3等份藥劑裝完之后藥劑上端距離管頂端15 mm。然后，將螺紋套筒涂上潤滑油，從下端套到鋼管上，并用扳手將端帽擰緊。

第2步：加熱升溫。將第1步中裝有27 cm3藥劑且配有孔板的試驗鋼管，夾緊在固定的臺鉗上，用扳手把螺帽擰緊。然后將鋼管懸掛在保護箱內的兩根棒之間。打開工業氣瓶排氣閥門，燃氣通過流量計和1根管道分配到4個燃燒器，然后點燃燃燒器，用放在鋼管中央距離管口43 mm處、直徑為1 mm的熱電偶測量液體溫度，記錄液體溫度從135 ℃上升至285 ℃時所需時間，并計算加熱速率。通過調節氣體壓力，使升溫速率達到(3.3±0.3) ℃/s。

第3步：記錄結果。如果鋼管沒有破裂，繼續加熱至少5 min再結束試驗。在每次試驗之后，如果有鋼管破片，收集起來稱量破片質量(稱重)。

1.3 試驗結果

按照上述試驗步驟，分別用內孔直徑1 mm和2 mm的孔板，測試了1次和2次，結果試驗鋼管均破裂成多片，且主要是大片，按照《分項試驗方法》的判別標準，結果均為“爆炸”，表明研發的藥劑具有爆炸特性，屬于爆炸性物質。

2 爆轟感度試驗

2.1 雷管引爆試驗

為了檢驗研制的激發藥劑在常溫常壓下是否具有雷管感度，將2 kg藥劑用塑膜包裝，做成直徑50 mm的藥卷，即規格為φ50 mm×2 000 g。然后，在藥卷的一端插入1發8號工業雷管進行引爆試驗。與此同時，將相同質量的2 kg藥劑自然堆積，也用1發8號工業雷管進行引爆試驗。在藥卷和自然堆積兩種狀態下，各做了20次雷管引爆試驗。結果表明，無論是卷狀，還是自然堆積狀，均不能被1發8號工業雷管引爆。

1發雷管引爆直徑50 mm激發藥劑藥卷的試驗現場如圖1所示，由圖1可以看出，雷管爆炸后將插雷管一端的藥劑粉沫炸開飛散于附近地面，而沒有發生爆炸，也沒有燃燒的痕跡，這說明藥劑不具有雷管起爆感度。

圖1 雷管引爆激發藥劑Fig.1 Excitant initiated by detonators

2.2 炸藥起爆試驗

2.2.1 激發藥劑起爆試驗

同樣將2 kg激發藥劑做成直徑為50 mm、長度為68～69 mm、密度1.48～1.50 g/cm3的塑膜包裝藥卷，將其平放在試驗場地的沙地上，分別用直徑均為32 mm的150、300、450、500 g膨化硝銨炸藥作引爆藥包，將膨化硝銨炸藥引爆后觀察藥劑是否發生爆炸，每個藥量的引爆試驗重復做3次。試驗結果表明，150 ～500 g膨化硝銨炸藥均未引爆激發藥劑。500 g膨化硝銨炸藥的引爆試驗現場如圖2所示。

圖2 500 g膨化硝銨炸藥引爆激發藥劑Fig.2 Excitant detonated by 500 g expanded ammonium nitrate explosives

從圖2可以看出，與雷管引爆試驗的不同之處在于被炸散的藥劑量更多，飛散的更遠?？梢姡诔爻汉吐短鞜o強約束條件下即使是500 g膨化硝銨炸藥，也無法將其引爆，爆炸感度很低。

考慮到藥卷直徑效應的影響，增加藥卷直徑進行試驗。將2 kg激發藥劑做成直徑90 mm、長度21.5～22 cm、密度1.43～1.46 g/cm3的塑膜藥卷，分別用300、450、500 g膨化硝銨炸藥進行引爆(見圖3)。每組試驗重復做3次，9次試驗均未將激發藥劑引爆。

圖3 500 g膨化硝銨炸藥引爆直徑90 mm激發藥劑藥卷Fig.3 Excitant roll with a diameter of 90 mm detonated by 500 g expanded ammonium nitrate explosives

2.2.2 對比試驗

多孔粒狀銨油炸藥是工程爆破常用的炸藥品種之一，不具備雷管起爆感度，但可以用一定質量的具備雷管感度的炸藥起爆。為了與激發藥劑作對照，也將2 kg多孔粒狀銨油炸藥分別做成直徑50、90 mm的塑膜藥卷，分別用150、300、450、500 g膨化硝銨炸藥進行引爆。試驗結果表明，直徑為50 mm的多孔粒狀銨油炸藥藥卷沒有被膨化硝銨炸藥引爆，直徑90 mm的多孔粒狀銨油炸藥塑膜藥卷全部被引爆(見圖4)。與前文對照，可看出在直徑同樣為90 mm的塑膜包裝情況下，藥量大于150 g的膨化硝銨炸藥能將多孔粒狀銨油炸藥引爆，而不能將激發藥劑引爆，說明激發藥劑的爆轟感度比多孔粒狀銨油炸藥低。

圖4 500 g膨化硝銨炸藥引爆直徑90 mm多孔粒狀銨油炸藥Fig.4 Porous granular ammonium nitrate explosives with a diameter of 90 mm detonated by 500 g expanded ammonium nitrate explosives

3 結論

1)克南試驗結果表明，由高氯酸鉀、水楊酸和草酸銨按一定配比組成的的激發藥劑具有爆炸性，應該歸類于爆炸性物質，但其爆轟感度很低，不僅不具有雷管起爆感度，而且很難用炸藥引爆。

2)在無強約束條件下，直徑均為90 mm的塑膜包裝藥卷，500 g膨化硝銨炸藥不能將2 kg激發藥劑引爆，而150 g膨化硝銨炸藥就可以將2 kg多孔粒狀銨油炸藥引爆，說明激發藥劑的爆轟感度比多孔粒狀銨油炸藥還低。在激發藥劑的生產、運輸、使用過程中，相對傳統的工業炸藥而言，安全性較高。