胡洋勇，顏事龍，郭子如，劉 鋒

（安徽理工大學化工學院，安徽 淮南，232001）

炸藥爆炸產(chǎn)生的CO、NOx等有毒氣體會對爆破作業(yè)人員的健康及環(huán)境產(chǎn)生極大的危害，特別是在井下爆破、隧道掘進爆破中巷道或隧道受通風條件的限制情況下，這種影響會更加明顯。而且，大量的實驗證明 CO、NOx等有毒氣體對井下的瓦斯和煤塵爆炸起催化作用，影響煤礦的生產(chǎn)安全。因此，炸藥爆炸后有毒氣體的含量是衡量工業(yè)炸藥性能的一項限制性指標，對爆炸生成有毒氣體含量的測量評價對工程爆破具有十分重要的實際意義。

目前我國采用GB l8098-2000 工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體含量的測定中規(guī)定的方法[1]進行有毒氣體含量測定。該方法是將110g的待測炸藥置于密閉的爆壓彈中用雷管引爆后，再測量氣體產(chǎn)物中CO和NOx的含量，用單位質量炸藥所生成的有毒氣體的總量來衡量工業(yè)炸藥使用的安全性能。這種測試方法試樣是在一個密閉環(huán)境中爆炸的，排除了外界環(huán)境的干擾，但是測試周期長，實驗步驟繁瑣。

本研究將炸藥在爆炸碉堡中爆炸，爆炸空間大，同時，藥量較大更能真實地反映炸藥的爆轟，測試意義更明確。采用德國益康多功能煙氣分析儀檢測爆炸容器中有毒氣體的含量，操作步驟簡單快速、自動化程度高，可以實時地反映爆炸后一段時間內有毒氣體含量的變化過程。本文對乳化炸藥、改性銨油炸藥和水膠炸藥爆炸后的有毒氣體含量進行了測試。

1 工業(yè)炸藥有毒氣體含量的測定

1.1 試驗設備及儀器

分別稱取改性銨油炸藥、乳化炸藥、水膠炸藥，并依次置于爆炸碉堡中進行試驗，爆炸后利用煙氣分析儀對爆生氣體分時段取樣并進行組分及含量分析。試驗設備及儀器見圖1。

圖1 試驗設備和儀器Fig.1 Test equipment and instruments

爆炸容器為容積24.9m3的16MnR鋼制容器。實測爆炸容器承受最大爆炸壓力為（1kgTNT) 325MPa，設計最大工作壓力（靜壓）2MPa，設計最大試驗炸藥量為1kgTNT當量。

Ecom-j2kn煙氣分析儀對 O2、CO、NO、NO2、SO2等氣體測試使用的測量模塊都是電化學傳感器。電化學氣體傳感器是由膜電極和電解液灌封而成的。氣體濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點是：反應速度快、準確（可用于 ppm 級），穩(wěn)定性好，能夠用于定量檢測。CO量程為0～10 000ppm，最大上限20 000ppm；NO量程 0～2 000ppm，上限為 5 000ppm；NO2量程為0～200ppm，最大上限為1 000ppm；SO2量程為0～2 000ppm，最大上限為5 000ppm。氣體濃度測試在7min左右達到穩(wěn)定狀態(tài)。

試驗所使用的工業(yè)炸藥是淮南舜泰化工有限責任公司生產(chǎn)的改性銨油炸藥、2#巖石乳化炸藥、三級煤礦許用乳化炸藥和水膠炸藥。

1.2 測試方法

試驗分為爆炸容器中裸露裝藥爆炸和鋼管裝藥約束爆炸兩部分。

1.2.1 爆炸容器中裸露裝藥試驗

分別稱取裝藥直徑為32mm的一定量改性銨油炸藥、2#巖石乳化炸藥和水膠炸藥，分別懸掛在爆炸容器中心部位，用8號工業(yè)電雷管起爆，Ecom-j2kn煙氣分析儀處于等待狀態(tài)，藥包起爆后立即采樣收集。

（1）對爆炸容器內氣體進行取樣分析并記錄數(shù)據(jù)，與大氣成分進行比較，建立空白標本。

（2）密封爆炸容器，起爆藥包，分段取樣分析記錄數(shù)據(jù)。取樣分析時間設置在10min以上，取樣時間間隔設置為5s。

（3）測試完成后，對爆炸容器進行通風除塵，待恢復常態(tài)后繼續(xù)下一個試樣的試驗。

1.2.2 鋼管模擬炮眼裝藥試驗

按1.2.1將稱取的直徑為32mm的炸藥藥卷置于內徑45mm、外徑50mm、高250mm的鋼管中，用粒度為 0.40～0.63mm、二氧化硅含量不少于 90%的石英砂進行自然堵塞。將裝藥鋼管埋入爆炸容器，埋深300mm。煙氣分析儀采樣時長為15min，采樣間隔5s。

1.3 計算公式

根據(jù)氣體狀態(tài)方程PV=nRT，令爆炸后容器內各組分的體積為Vi，此狀態(tài)下的溫度和壓力分別為Ti，Pi。轉換為標準狀態(tài)則：

標準狀態(tài)下，每千克炸藥爆炸后的各有毒氣體組分體積按式（2）計算：

式（1）～（3）中：Vx為標準狀態(tài)下每千克的炸藥爆炸后產(chǎn)生的各有毒氣體組分體積，L/kg；Vr為爆炸容器實際體積，19.8×103L；φi為氣體體積濃度，ppm；m為炸藥質量，g；△p為爆炸容器內外壓差 hPa；P為標準大氣壓1.01×103hPa。將炸藥爆炸后實測的各氣體組分的體積濃度φi代入式（3），可計算標準狀態(tài)下每千克炸藥爆炸后各組分氣體的體積。

每千克炸藥生成的有毒氣體總量（按標準狀態(tài)下折算成CO算）：

式（4）中：V為每千克炸藥爆炸后生成的有毒氣體總量，L/kg；VCO為每千克炸藥爆炸后生成的CO體積，L/kg；VNOx為每千克炸藥爆炸后生成的 NOx體積，L/kg。

2 試驗結果分析討論

2.1 爆炸生成有毒氣體隨取樣時間的變化

圖 2～3為有毒氣體體積濃度隨時間的變化。由圖2～3可以看出爆炸之后爆炸容器內的有毒氣體的含量是不斷變化的。變化過程大致可以分為以下4個階段：產(chǎn)生階段、擴散階段、穩(wěn)定階段、NO明顯轉化階段。即：炸藥引爆之后產(chǎn)生的有毒氣體在容器內擴散，有毒氣體到達測試點，之后體積濃度不斷變大直至達到最高值，然后氣體組分濃度經(jīng)擴散混合后達到一個相對平衡的狀態(tài)，容器中的O2對NO具有氧化作用，從NO產(chǎn)生開始這種作用一直伴隨著整個試驗過程，直至達到平衡。

圖2 100g水膠炸藥裸露裝藥爆炸的有毒氣體體積濃度Fig.2 The poisonous gas volume concentration of exposed 100g water gel explosive explosion

圖3 100g乳化炸藥鋼管裝藥爆炸的有毒氣體體積濃度Fig.3 The poisonous gas volume concentration of 100g emulsion explosive explosion in steel tube

2.2 不同炸藥之間爆炸生成有毒氣體含量的比較

不同品種的炸藥爆生有毒氣體含量不同，本文分析了較常見的改性銨油炸藥、水膠炸藥、乳化炸藥有毒氣體。

表1～2為3種常見工業(yè)炸藥測試的結果。

表1 裸露裝藥試樣及測試結果Tab.1 Exposed charge sample and test results

表2 鋼管模擬炮孔試驗Tab.2 The test results of steel tube simulating blasthole

比較表 2中生成的有毒氣體含量可以看出，粉狀炸藥的有毒氣體含量相對含水炸藥要高，尤其是氮氧化物的生成量在改性銨油中表現(xiàn)地更加突出。乳化炸藥爆生氣體中CO較水膠炸藥多，但是其NOx含量約為水膠炸藥的一半。

圖4、5分別為裸露裝藥、鋼管裝藥爆炸有毒氣體總含量隨質量的變化。

圖4 裸露裝藥爆炸有毒氣體總含量隨質量的變化Fig.4 The total amount of poisonous gas generated from exposed explosive explosion vs the explosive mass

從圖 4中可以看出有毒氣體的含量和炸藥質量基本呈線性關系。從圖5中也可以看出100g炸藥在鋼管中裝藥爆炸生成的有毒氣體含量也幾乎為其50g的兩倍左右。

圖5 鋼管裝藥爆炸生成有毒氣體總含量隨質量的變化Fig.5 The total amount of poisonous gas generated from explosive explosion in steel tube vs the explosive mass

圖6～7中可以看出隨著炸藥量的增加，在標準狀態(tài)下計算出來的1kg炸藥有毒氣體生成量是降低的，也就是說隨著炸藥量的增大，炸藥的爆轟程度相對較好，反應更加完全，生成的有毒氣體含量越少。但是藥量不可能無限增加，因而有毒氣體最終的影響因素還是炸藥的組分及其性質。

圖6 不同裸露裝藥換算成標準狀態(tài)下1kg炸藥生成的有毒氣體體積Fig.6 The poisonous gas volume of different exposed explosive converted into standard condition

圖7 鋼管裝藥條件下?lián)Q算成標準狀態(tài)下1kg炸藥產(chǎn)生的有毒氣體體積Fig.7 The poisonous gas volume of different steel tube explosive converted into standard condition

2.3 不同裝藥約束條件測試結果的比較

通過對比表1～2，可以看出在鋼管加石英砂填塞的約束條件下爆炸有毒氣體的濃度下降，同時氮氧化物的生成量也減少。造成這一結果的原因可能是不同約束條件影響著炸藥爆炸反應速度，同時約束介質對爆轟氣體有一定的約束作用，吸附和解吸過程伴隨著整個測試過程。因此加強約束和裝藥周圍介質的吸附能力是減少有毒氣體的有效途徑。

2.4 不同品種炸藥爆炸有毒氣體組分

測試結果顯示，粉狀銨油炸藥生成的有毒氣體濃度較含水炸藥高，含水炸藥中乳化炸藥生成的CO較高，而水膠炸藥爆轟生成的 NOx濃度則比乳化炸藥高。由于粉狀銨油炸藥各組分是以顆粒狀態(tài)混合，爆炸反應速度較慢，化學反應區(qū)較寬，傾向飛散比含水炸藥嚴重，炸藥爆轟反應不完全，因此硝酸銨還原到反應過程產(chǎn)生的氮氧化物含量較含水炸藥高。

3 結論

炸藥爆炸是一個復雜的化學變化過程，產(chǎn)生的有毒氣體含量與炸藥的組分、加工工藝、約束條件等有關。通過測試及理論分析可以得出以下結論：（1）炸藥裸露爆炸生成有毒氣體濃度高于約束條件的爆炸；（2）炸藥有毒氣體含量與加工工藝有關，粉狀炸藥有毒氣體含量高于含水炸藥；（3）提高炸藥爆炸的完全性、增強約束條件和固體顆粒吸附性是減少有毒氣體的有效途徑；（4）本測試方法高效簡單，可實現(xiàn)實時監(jiān)控，易于實現(xiàn)。

[1]GB l8098-2000 工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體含量的測定[S].北京:中國標準出版社, 2000．

[2]高貧,劉大斌.多孔粒狀銨油炸藥爆炸后有毒氣體含量測定[J].爆破器材,2008,37(6):8-10.

[3]劉麗梅,寧平,呂春緒.工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體含量測定方法標準的討論[J].工程爆破,2011,16(1):74-77.

[4]丁秀珍,楊紅紅,劉大斌.梯恩梯爆炸后有毒氣體生成量的測定[J].爆破器材,2005,34(3):8-9.

[5]吳翠香.炸藥爆炸的有毒氣體對人體的危害[J].礦業(yè)快報,2003 (8):42-43.