工业炸药爆炸有毒气体及影响因素研究
时间：2023-04-22 09:15:05 来源：千叶帆 本文已影响人
张春燕
(中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司,安徽 淮北 235000)
工业炸药由于其较高的能量利用率和经济性,被广泛用于矿山开采、路桥建设、水利建设等基础建设工程,炸药爆炸后的有毒气体也因此备受关注,各国对工业炸药有毒气体含量作了具体规定[1-2]。
许多学者对工业炸药有毒气体进行了研究:姚银梅[3]对我国20 世纪90 年代煤矿炸药爆炸后有毒气体生产量进行了统计分析,结合炸药爆速和猛度,着重分析了煤矿铵梯炸药有毒气体生产量的影响因素;金庆军[4]从炸药质量、爆破周围介质、一次爆破药量和炮孔封堵质量出发,提出了降低煤矿乳化炸药爆炸有毒气体对人体毒害和对矿井瓦斯煤尘爆炸灾害影响的措施;彭云昆[5]从炸药爆炸化学反应平衡机理和影响化学反应方向出发,研究分析了膨化硝铵炸药和乳化炸药爆炸有毒气体生成的影响因素,得出炸药爆压、爆温和含水量对炸药有毒气体生产量有显著影响,提出提高爆炸体系温度可降低炸药爆炸有毒气体的生产量结论;黄达权[6]研究了2 号岩石铵梯炸药的石英砂-玻璃管药包在18 L 比海尔弹内真空条件下,石英砂和玻璃管对炸药爆炸有毒气体生产量的影响及调节作用,并与现场模拟进行比对,提出实验室测试工业炸药爆炸有毒气体的方法意见;段赟等[7]通过对炸药有毒气体生产量和气体组分的影响的试验研究,确定了工业炸药有毒气体含量测定方法的标准条件,同时探讨了试验条件下影响炸药有毒气体生产量的因素。
Iwona[8]采用符合欧盟标准EN 13631-16:2004(E)要求的测试方法,对波兰国家矿用炸药的有毒气体生成量进行测试,得出与欧盟等国矿用炸药有毒气体含量相当的结果。
由上述资料可知,国内关于工业炸药有毒气体的研究限于以粉状铵梯炸药为主的早期,且研究对象是煤矿许用炸药,这导致研究对象和结果与我国工业炸药产品现状不符。
国外工业炸药产品结构、配方组分、测试方法与我国有较大区别[9],相关研究结果和结论对我国炸药产品适用性不强。
近年来,我国工业炸药从产品品种结构、原材料、工艺技术和生产规模上发生了很大变化,淘汰了铵梯炸药,形成以含水炸药为主,大力发展现场混装炸药的产品格局。
随着我国绿色发展和人民生命健康至上的发展理念不断强化,围绕工程及其材料的环保和健康要求的重要性和强制性进一步加强,开展工业炸药爆炸后有毒气体的分析研究与总结,特别是在目前产品结构调整和相关技术标准更新变化之际显得十分必要和有意义。
炸药爆炸是其快速分解的化学反应,伴生大量的气体和热量,但炸药爆炸反应不是通俗意义上平衡的化学反应过程,而是初始分子结构分解形成的非平衡化学系统,即分解过程中的原子、自由基和材料分解产物之间发生反应,使得由CaHbOcNd典型元素的炸药组分最终形成H2O、CO2、CO、NOx、N2、O2和C 等产物,释放能量。
爆炸的最终产物及组成与炸药原始组分有关,也与爆炸条件及环境密切相关。
一些规则典型的CaHbOcNd组分炸药的反应方程式[9-10]为:
由上式可知,只有体系负氧平衡时才会产生CO 气体,实际上,爆炸反应过程由一系列中间产物和中间反应组成。
由于大多数反应随反应平衡条件的变化都有正逆向发生的可能,CO、NO、NO2等有毒组分是体系中H2O、N2、CO2的伴生产物,不可避免且充满了不确定性。
研究表明,工业炸药爆炸过程中产生CO、NO、NO2等有毒组分与爆炸过程中的温度、压力、约束、水分等影响反应平衡走向的条件密切相关[5]。
目前我国主要包装型炸药产品组成、氧平衡及其爆炸后有毒气体含量基本情况见表1、表2。
表1 我国主要炸药产品组成、氧平衡
2.1 炸药爆炸气体总量与有毒气体总量
依据GB 18098—2000《工业炸药爆炸后有毒气体含量的测定》规定,有毒气体总量V=VCO+6.5VNOx。
我国目前主要工业炸药产品爆炸气体总量及其有毒气体总量见表2 和图1。
通过分析可得:含水炸药的两种产品爆炸后产生的气体总量和有毒气体总量较粉状类炸药低;乳化炸药和水胶炸药有毒气体总量相当,膨化硝铵炸药有毒气体总量则明显高于粉状乳化炸药。
图1 主要工业炸药产品爆炸气体总量及其有毒气体总量
表2 我国主要炸药产品氧平衡及爆炸后有毒气体含量实测值
2.2 氧平衡对爆炸后有毒气体影响
炸药氧平衡是从化学反应的角度将炸药成分中H、C 全部氧化变为H2O、CO2时体系中氧元素量的状态,分为正、负、零氧平衡。
由炸药爆炸过程中可能发生的一系列的中间反应可知,炸药组分的氧平衡值对爆炸产物及有毒气体组分、含量的影响毋庸置疑。
炸药氧平衡值与有毒气体组分及含量的关系如图2 所示。
图2 炸药氧平衡值与有毒气体组分及含量的关系
实测4 种不同氧平衡组分的乳化炸药产品的有毒气体含量表明:一定范围内,随炸药氧平衡值减小和负氧程度的加深,有毒气体总量和CO 含量逐渐减少,同时除1 号岩石乳化炸药外,其他3 个样品的NOx含量均呈增大趋势,1 号岩石乳化炸药表现出的不同或与其组分中H2O 含量的减少有关。
表中所列的水胶炸药、粉状乳化炸药和膨化硝铵炸药的有毒气体组分及含量随氧平衡变化的趋势与乳化炸药不尽相同,这说明炸药爆炸生成有毒气体组分和含量与氧平衡、炸药品种密切相关。
由于工业炸药组分的多元化和有机组分分子组成的复杂化,炸药氧平衡理论计算值与其实际值可能存在较大差异。
2.3 炸药爆炸气体产物中CO 含量及影响因素
实验结果还表明,不同品种炸药的爆炸产物CO 含量影响因素不尽相同。
对比膨化硝铵炸药与铵梯炸药[3]测试结果可知,硝铵与木粉混合类粉状炸药加入TNT 猛炸药使得爆炸产物CO 百分含量减少,加入NaCl、KCl 类物质,使爆炸产物CO 百分含量增加。
这是因为加入猛炸药提高了炸药的爆热、爆压、爆温、爆速等爆炸性能,抑制CO 生成的同时,有利于CO 向CO2的转化。
相反,加入降低体系热能和温度类的惰性消焰物质可以促进中间产物CO 的生成。
图3 炸药爆炸气体产物CO 含量
2.4 炸药爆炸气体产物中NO x 含量及影响因素
图4 炸药爆炸气体产物中NO x 含量
1)含水炸药的两种产品爆炸后产生的气体总量和有毒气体总量较粉状类炸药低。
乳化炸药和水胶炸药有毒气体总量相当,膨化硝铵炸药有毒气体总量则明显高于粉状乳化炸药。
2)乳化炸药、水胶炸药、粉状乳化炸药和膨化硝铵炸药爆炸生成有毒气体组分及含量随氧平衡大小变化的趋势不尽相同,与炸药品种密切相关。
3)胶状乳化炸药NOx生成量显著低于水胶、粉状乳化和膨化硝铵炸药, CO 生成量低于膨化硝铵炸药高于水胶炸药,与粉状乳化炸药相当,且CO生成量与含水量关系不明显。
4)加入提高炸药的爆热、爆压、爆温、爆速等爆炸性能物质,能有效抑制CO、NOx生成;加入降低体系热能和温度类的惰性消焰物质会增加爆炸产物中CO、NOx含量。
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