煤礦爆破一氧化碳產生機制及控制技術研究

文/于 鵬 陳小雨 李 志

（1.國家礦山安全監察局安徽局；2.中國礦業大學安全工程學院；3.淮北礦業集團通防地測部）

一、引言

煤礦井下開采過程中，爆破作業仍然是現階段重要的采掘作業方式之一，然而爆破作業易產生大量的一氧化碳（CO）有毒有害氣體，嚴重威脅工作人員健康安全。經測試，當環境中CO 濃度超過100 ppm 時，人體就會產生頭暈、乏力等不適感；當CO 濃度超過600 ppm 時，短期內就會引起窒息死亡。因此，為保護礦工的身體健康和生命安全，改善作業環境，必須采取有效措施降低爆破作業產生的一氧化碳濃度。

為控制爆破產生的CO 等有毒有害氣體，減少作業環境污染，按照國家礦山安全監察局安徽局遠程監察工作要求，自2022 年開始，淮北礦業集團組織開展專題研究，與中國礦業大學密切合作，以安徽雷鳴科化有限責任公司生產的水膠炸藥為研究對象，基于CO 催化氧化機制，通過對布置工藝、消除劑用量等研究，開展爆破現場一氧化碳快速消除實驗，并取得一定研究成果，有效降低了爆破作業產生的CO 的濃度。

二、爆破一氧化碳產生機制

1.氧平衡

大多數炸藥成分中都含有C、H、O、N 幾種元素，由于炸藥爆炸瞬間只有其自身的化學元素發生反應，其產物可能有CO2、CO、H2O、NO、NO2、O2、N2、C、H2等物質。其中氮的氧化物（NOx）和CO 都是有毒物質，碳（C）可燃，氧氣（O2）具有氧化碳和氮的能力，這些產物都是炸藥爆炸所不希望產生的。從爆破效果來看，最理想的結果是炸藥中的氧與碳、氫完全反應，生成二氧化碳（CO2）和水（H2O）。這樣就沒有多余的氧與氮反應，也不會因氧含量不夠而生成CO 和C。即使有其他產物，也只能是N2。如果能實現這樣的目的，則炸藥爆炸產物就沒有毒害副作用，能量利用率也高，形成炸藥“氧平衡”。

2.氧平衡的種類

氧平衡可分為三類：

（1）正氧平衡：炸藥中的氧含量足夠將碳、氫元素完全氧化，且有剩余，易生成氮的氧化物；

（2）零氧平衡：炸藥中的氧恰好夠將碳、氫元素完全氧化，不多不少；

（3）負氧平衡：炸藥中的氧不足以將碳、氫元素完全氧化，易生成CO。

3.爆炸有害產物

實際上，即使是零氧平衡炸藥，在爆炸時仍會不同程度地產生有毒有害物質，其根源在于：

（1）結合的不確定性。在氧平衡計算時，人為地確定炸藥中氧首先與炸藥中的碳、氫發生反應生成CO2和H2O，然后才有多余的氧和氮，生成氧氣、氮氣或氮氧化合物。實際上在爆炸反應瞬間，各元素相互結合具有化學反應的選擇性和隨機性，可能出現炸藥中的氧還沒有將碳和氫完全氧化就與氮發生反應生成氮氧化物，從而使爆炸產物中既有氮的氧化物，也有CO、碳元素和氫氣。

（2）反應不完全。炸藥各組分的配比是按反應完全的情況確定的，但實際爆炸往往出現部分反應不完全，這樣就會產生有毒有害產物。比如炸藥的顆粒較大，而爆炸反應的時間又非常短，有的成分沒來得及反應。另外，炸藥中的各成分在反應中的敏感程度不同，也會產生這種現象。所以在炸藥中摻入某些鈍感成分，也會影響炸藥爆炸反應的完全性。

（3）后續產物。如果炸藥爆炸按照預想的反應方式進行，零氧平衡炸藥的產物都是二氧化碳、水和氮氣。爆炸反應結束的瞬間，這些產物都是高溫高壓氣體，很容易熱分解或與其他外界的物質發生二次反應而生成有毒有害物質，如CO2、CO、NO、NO2、SO2、H2S等（即俗稱的“炮煙”）。其中CO、氮化物（NO、NO2）、H2S等都是有毒有害氣體，這些有毒有害氣體就是導致中毒事故的根源。

工業炸藥爆炸產生的大量有毒有害氣體是導致中毒事故的重要原因之一。爆破作業時，爆炸產物以氣體為主，其中CO 產生的原因主要為：①水膠炸藥爆炸產生一定量的有毒氣體，包括CO 和氮氧化物；②藥卷外包裝物在爆炸高溫下反應會產生一定量的CO；③高溫下，煤可以將CO2還原為CO，同種炸藥在煤礦炮孔中爆破生成的CO 和NO 的量要比銅、鐵礦石中多2～3 倍。

4.水膠炸藥簡介

淮北礦業集團使用的是安徽雷鳴科化有限責任公司生產的PT 473 型三級煤礦許用水膠炸藥。經國家有關機構檢驗，該型號的炸藥爆破后有毒有害氣體含量為28 L/kg（其中CO 含量為12～15 L/kg），遠低于《工業炸藥通用技術條件》（GB 28286—2012）等標準要求的≤50 L/kg，相關具體參數見表1。

由于水膠炸藥爆破時較小的負氧平衡有利于水膠炸藥等含水炸藥的能量釋放，故在實踐中通常將水膠炸藥的配方設計為小的負氧平衡，即現場作業時傾向于生成CO。

三、爆破一氧化碳消除試驗研究

本次試驗創新性地將適宜的CO 消除劑布置到炮孔中，并在爆破作業面進行試驗，測試爆破CO 產物快速消除技術的CO 消除能力，實現CO 的原位消除。

1.爆破工作面CO 消除技術試驗方案確定

針對煤礦井下難以解決的掘進工作面爆破作業后CO 超限的問題，采取工作面爆破除毒技術措施，將爆破后產生的有毒有害氣體降到最低限度，再輔助以新鮮風流的稀釋作用減輕處于爆破作業面風流下游的污染程度，為工人創造較好的作業環境。

在確定現場CO 消除試驗方案時，需要對礦井工作面的環境條件以及其他不確定因素進行排查，以免其他不利因素影響試驗效果。本實驗采取消除劑袋裝填充方法作為CO 消除措施，研究其對爆破后CO 的消除能力。

消除劑工作原理：2CO+O2=2CO2。

2.爆破CO 消除技術實施

消除技術方案井下具體實施流程如圖1 所示。具體步驟如下所述：

圖1 消除技術方案實施流程圖

（1）將制備好的CO 消除劑裝入粉袋中，消除劑粉袋為阻燃材料，規格為36 mm×200 mm，消除劑粉袋裝實密封。

（2）確定爆破作業炮孔數量，根據炮孔數量確定消除劑填裝量，設置裝藥梯度，研究消除劑量對消除性能的影響。

（3）根據每個炮眼所需的炸藥量填裝炸藥，然后按既定的消除劑用量填裝消除劑粉袋。

（4）待封孔工作結束，按照既定程序進行爆破網路設置準備起爆；起爆前，進行爆破警戒，人員撤離到安全區域。

3.工程試驗概況

選取淮北礦業集團某礦具有代表性的巖巷為試驗地點，該巷道采用2×15 kW 風機配合φ600 mm 風筒進行供風，風量為186 m3/min，斷面為4600 mm（寬）×3500 mm（高），支護形式為錨網索噴支護，采取爆破落巖方式。爆破工作面具體參數見表2。

表2 爆破工作面作業參數

在爆破作業巷道距迎頭約60 m 處，安放了一臺CO 傳感器，傳感器掛在巷道上部，監測爆破前后巷道內CO 濃度。

傳感器布置如圖2 所示。

圖2 傳感器布置圖

4.試驗結果分析

在相同的試驗地點、外界條件下，改變消除劑布置量，研究用量對于消除效率的影響。

基于傳感器監測數據，最終獲得單孔填裝75 g 和100 g 消除劑情況下的巷道內CO 消除效率，如圖3 所示。

圖3 CO 消除效率

通過對圖4 的分析可得出，應用該消除技術之后巷道內CO 濃度顯著下降，單孔75 g 和100 g 降低幅度分別達到了53.5%和65.3%，實現了爆破作業后的CO 消除。隨著炮孔內消除劑的濃度增加，CO 消除效率增加，大致是由于炮孔內單位體積內的消除劑增多，爆破后產生的CO 分子能夠更多地和消除劑相接觸，從而使得CO 被消除，進一步提升了CO 消除效率。但由于隨著CO 消除劑的使用量增多，消除成本也在增加，因此需要根據爆破作業現場合理選擇CO 消除劑填充量，經濟高效地利用消除劑，實現爆破后的CO 消除。

四、結論

（1）爆破作業產生大量CO 有毒有害氣體，是由炸藥反應的負氧平衡導致的，同時周圍介質以及環境的改變也會對爆破作業的CO 產生量產生重要影響。

（2）本次消除試驗使用的高溫CO 消除劑，主要活性成分為Co3O4，創新性地提出將消除劑運用到爆破CO 原位消除中，工藝簡單易操作，并通過工程試驗驗證了CO 快速技術的可行性以及有效性，100 g 消除劑情況下CO 消除效率超65%，取得了很好的試驗效果。同時，隨著CO 消除劑用量的增大，消除效率也會逐漸提高，礦方可根據自身需求選擇CO 消除劑用量。

（3）未來研究中也需要對于消除劑布置方式進行研究，同時需要對于爆破作業中的作業環境等因素對于CO 消除的影響進行研究，形成一整套有效的CO消除技術，以實現煤礦爆破作業CO 快速消除。