工業炸藥爆炸有毒氣體及影響因素研究

張春燕

(中煤科工集團淮北爆破技術研究院有限公司,安徽 淮北 235000)

0 引言

工業炸藥由于其較高的能量利用率和經濟性,被廣泛用于礦山開采、路橋建設、水利建設等基礎建設工程,炸藥爆炸后的有毒氣體也因此備受關注,各國對工業炸藥有毒氣體含量作了具體規定[1-2]。 許多學者對工業炸藥有毒氣體進行了研究:姚銀梅[3]對我國20 世紀90 年代煤礦炸藥爆炸后有毒氣體生產量進行了統計分析,結合炸藥爆速和猛度,著重分析了煤礦銨梯炸藥有毒氣體生產量的影響因素;金慶軍[4]從炸藥質量、爆破周圍介質、一次爆破藥量和炮孔封堵質量出發,提出了降低煤礦乳化炸藥爆炸有毒氣體對人體毒害和對礦井瓦斯煤塵爆炸災害影響的措施;彭云昆[5]從炸藥爆炸化學反應平衡機理和影響化學反應方向出發,研究分析了膨化硝銨炸藥和乳化炸藥爆炸有毒氣體生成的影響因素,得出炸藥爆壓、爆溫和含水量對炸藥有毒氣體生產量有顯著影響,提出提高爆炸體系溫度可降低炸藥爆炸有毒氣體的生產量結論;黃達權[6]研究了2 號巖石銨梯炸藥的石英砂-玻璃管藥包在18 L 比海爾彈內真空條件下,石英砂和玻璃管對炸藥爆炸有毒氣體生產量的影響及調節作用,并與現場模擬進行比對,提出實驗室測試工業炸藥爆炸有毒氣體的方法意見;段赟等[7]通過對炸藥有毒氣體生產量和氣體組分的影響的試驗研究,確定了工業炸藥有毒氣體含量測定方法的標準條件,同時探討了試驗條件下影響炸藥有毒氣體生產量的因素。 Iwona[8]采用符合歐盟標準EN 13631-16:2004(E)要求的測試方法,對波蘭國家礦用炸藥的有毒氣體生成量進行測試,得出與歐盟等國礦用炸藥有毒氣體含量相當的結果。 由上述資料可知,國內關于工業炸藥有毒氣體的研究限于以粉狀銨梯炸藥為主的早期,且研究對象是煤礦許用炸藥,這導致研究對象和結果與我國工業炸藥產品現狀不符。 國外工業炸藥產品結構、配方組分、測試方法與我國有較大區別[9],相關研究結果和結論對我國炸藥產品適用性不強。

近年來,我國工業炸藥從產品品種結構、原材料、工藝技術和生產規模上發生了很大變化,淘汰了銨梯炸藥,形成以含水炸藥為主,大力發展現場混裝炸藥的產品格局。 隨著我國綠色發展和人民生命健康至上的發展理念不斷強化,圍繞工程及其材料的環保和健康要求的重要性和強制性進一步加強,開展工業炸藥爆炸后有毒氣體的分析研究與總結,特別是在目前產品結構調整和相關技術標準更新變化之際顯得十分必要和有意義。

1 工業炸藥爆炸后有毒氣體產生機理

炸藥爆炸是其快速分解的化學反應,伴生大量的氣體和熱量,但炸藥爆炸反應不是通俗意義上平衡的化學反應過程,而是初始分子結構分解形成的非平衡化學系統,即分解過程中的原子、自由基和材料分解產物之間發生反應,使得由CaHbOcNd典型元素的炸藥組分最終形成H2O、CO2、CO、NOx、N2、O2和C 等產物,釋放能量。 爆炸的最終產物及組成與炸藥原始組分有關,也與爆炸條件及環境密切相關。 一些規則典型的CaHbOcNd組分炸藥的反應方程式[9-10]為:

由上式可知,只有體系負氧平衡時才會產生CO 氣體,實際上,爆炸反應過程由一系列中間產物和中間反應組成。 由于大多數反應隨反應平衡條件的變化都有正逆向發生的可能,CO、NO、NO2等有毒組分是體系中H2O、N2、CO2的伴生產物,不可避免且充滿了不確定性。 研究表明,工業炸藥爆炸過程中產生CO、NO、NO2等有毒組分與爆炸過程中的溫度、壓力、約束、水分等影響反應平衡走向的條件密切相關[5]。

2 工業炸藥爆炸后有毒氣體影響因素分析

目前我國主要包裝型炸藥產品組成、氧平衡及其爆炸后有毒氣體含量基本情況見表1、表2。

表1 我國主要炸藥產品組成、氧平衡

2.1 炸藥爆炸氣體總量與有毒氣體總量

依據GB 18098—2000《工業炸藥爆炸后有毒氣體含量的測定》規定,有毒氣體總量V=VCO+6.5VNOx。 我國目前主要工業炸藥產品爆炸氣體總量及其有毒氣體總量見表2 和圖1。 通過分析可得:含水炸藥的兩種產品爆炸后產生的氣體總量和有毒氣體總量較粉狀類炸藥低;乳化炸藥和水膠炸藥有毒氣體總量相當,膨化硝銨炸藥有毒氣體總量則明顯高于粉狀乳化炸藥。

圖1 主要工業炸藥產品爆炸氣體總量及其有毒氣體總量

表2 我國主要炸藥產品氧平衡及爆炸后有毒氣體含量實測值

2.2 氧平衡對爆炸后有毒氣體影響

炸藥氧平衡是從化學反應的角度將炸藥成分中H、C 全部氧化變為H2O、CO2時體系中氧元素量的狀態,分為正、負、零氧平衡。 由炸藥爆炸過程中可能發生的一系列的中間反應可知,炸藥組分的氧平衡值對爆炸產物及有毒氣體組分、含量的影響毋庸置疑。 炸藥氧平衡值與有毒氣體組分及含量的關系如圖2 所示。

圖2 炸藥氧平衡值與有毒氣體組分及含量的關系

實測4 種不同氧平衡組分的乳化炸藥產品的有毒氣體含量表明:一定范圍內,隨炸藥氧平衡值減小和負氧程度的加深,有毒氣體總量和CO 含量逐漸減少,同時除1 號巖石乳化炸藥外,其他3 個樣品的NOx含量均呈增大趨勢,1 號巖石乳化炸藥表現出的不同或與其組分中H2O 含量的減少有關。

表中所列的水膠炸藥、粉狀乳化炸藥和膨化硝銨炸藥的有毒氣體組分及含量隨氧平衡變化的趨勢與乳化炸藥不盡相同,這說明炸藥爆炸生成有毒氣體組分和含量與氧平衡、炸藥品種密切相關。 由于工業炸藥組分的多元化和有機組分分子組成的復雜化,炸藥氧平衡理論計算值與其實際值可能存在較大差異。

2.3 炸藥爆炸氣體產物中CO 含量及影響因素

實驗結果還表明,不同品種炸藥的爆炸產物CO 含量影響因素不盡相同。 對比膨化硝銨炸藥與銨梯炸藥[3]測試結果可知,硝銨與木粉混合類粉狀炸藥加入TNT 猛炸藥使得爆炸產物CO 百分含量減少,加入NaCl、KCl 類物質,使爆炸產物CO 百分含量增加。 這是因為加入猛炸藥提高了炸藥的爆熱、爆壓、爆溫、爆速等爆炸性能,抑制CO 生成的同時,有利于CO 向CO2的轉化。 相反,加入降低體系熱能和溫度類的惰性消焰物質可以促進中間產物CO 的生成。

圖3 炸藥爆炸氣體產物CO 含量

2.4 炸藥爆炸氣體產物中NO x 含量及影響因素

圖4 炸藥爆炸氣體產物中NO x 含量

3 結論

1)含水炸藥的兩種產品爆炸后產生的氣體總量和有毒氣體總量較粉狀類炸藥低。 乳化炸藥和水膠炸藥有毒氣體總量相當,膨化硝銨炸藥有毒氣體總量則明顯高于粉狀乳化炸藥。

2)乳化炸藥、水膠炸藥、粉狀乳化炸藥和膨化硝銨炸藥爆炸生成有毒氣體組分及含量隨氧平衡大小變化的趨勢不盡相同,與炸藥品種密切相關。

3)膠狀乳化炸藥NOx生成量顯著低于水膠、粉狀乳化和膨化硝銨炸藥, CO 生成量低于膨化硝銨炸藥高于水膠炸藥,與粉狀乳化炸藥相當,且CO生成量與含水量關系不明顯。

4)加入提高炸藥的爆熱、爆壓、爆溫、爆速等爆炸性能物質,能有效抑制CO、NOx生成;加入降低體系熱能和溫度類的惰性消焰物質會增加爆炸產物中CO、NOx含量。