呂梅芳 張興明 董 振 劉 剛 王志敏 曹 俊 葉志文

①國(guó)家民用爆破器材質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心(江蘇南京，210094)

②南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

引言

根據(jù)不同爆破作業(yè)場(chǎng)所，工業(yè)炸藥一般分為露天型炸藥、巖石型炸藥和煤礦許用型炸藥[1]；根據(jù)作功能力高低，分為一級(jí)和二級(jí)；根據(jù)礦井的可燃?xì)獍踩燃?jí)和使用的爆破作業(yè)場(chǎng)所，分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)[2-3]。炸藥性能的測(cè)試項(xiàng)目一般有熱安定性、撞擊感度、摩擦感度、熱感度、可燃?xì)獍踩?、煤塵-可燃?xì)獍踩?、抗爆燃性、熄爆直徑、抗間隙效應(yīng)、有毒氣體產(chǎn)量、藥卷密度、殉爆距離、爆速、猛度和作功能力等[4]。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)使用較廣泛的工業(yè)炸藥是乳化炸藥和膨化硝銨炸藥[5]，乳化炸藥市場(chǎng)占有率在60%以上，膨化硝銨炸藥占20%以上[6]。乳化炸藥主要由水、硝酸銨、硝酸鈉、油相及其他成分組成。氧化劑的微小液滴均勻懸浮在由可燃劑、表面活性劑和氣泡(或玻璃微球)組成的油狀介質(zhì)中，形成乳膠狀混合炸藥[1]。膨化硝銨炸藥是由改性的膨化硝酸銨、復(fù)合燃料油和木粉等組成的一種粉狀工業(yè)炸藥[7-8]。膨化硝銨炸藥和乳化炸藥原材料成本分別為4 000、4 600元/t；乳化炸藥具有抗水性，而膨化硝銨炸藥不具有抗水性。

出于安全管理需要，我國(guó)對(duì)炸藥生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、銷售和使用進(jìn)行了嚴(yán)格的監(jiān)督和審批。對(duì)于不同類型的炸藥，出廠檢驗(yàn)和型式檢驗(yàn)都有明確的要求[9]。炸藥性能的好壞以及對(duì)于工程的適用性可以通過不同的性能參數(shù)來(lái)體現(xiàn)。本文中，采用某公司生產(chǎn)的規(guī)格型號(hào)為?32 mm的包裝藥卷，通過測(cè)試藥卷密度、爆速、猛度、作功能力、有毒氣體產(chǎn)量等參數(shù)來(lái)比較分析乳化炸藥及膨化硝銨炸藥的爆炸特性。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

研究對(duì)象分別為規(guī)格?32 mm/200 g的1＃巖石乳化炸藥、2＃巖石乳化炸藥、一級(jí)煤礦許用乳化炸藥、二級(jí)煤礦許用乳化炸藥、三級(jí)煤礦許用乳化炸藥和規(guī)格?32 mm/150 g的巖石膨化硝銨炸藥、一級(jí)煤礦許用膨化硝銨炸藥、二級(jí)煤礦許用膨化硝銨炸藥，共8種工業(yè)炸藥。

表1為測(cè)試炸藥藥卷密度、爆速、作功能力、猛度、有毒氣體產(chǎn)量所需的儀器設(shè)備。

表1 測(cè)試儀器Tab.1 Test equipment

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 藥卷密度的測(cè)定

藥卷密度按照標(biāo)準(zhǔn)WJ/T 9056.1《工業(yè)炸藥密度測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)試。

乳化炸藥藥卷密度采用量筒法。在1 000 mL的量筒中加入約650 mL水，記錄水的體積，精確至1 mL；用天平稱取藥卷質(zhì)量，精確至0.5 g。緩慢地將稱量過的藥卷放入量筒的水中，使藥卷完全浸入水中。輕輕振動(dòng)量筒，使藥卷表面吸附的氣泡排出。待水面上升平穩(wěn)后，記錄水面上升后量筒內(nèi)水的體積，精確至1 mL。藥卷密度按照一定公式計(jì)算。

膨化硝銨炸藥藥卷密度采用稱量法。稱取藥卷質(zhì)量。用卡尺從藥卷一端的凹處至另一端的凹處測(cè)量藥卷的長(zhǎng)度。倒凈紙筒中的炸藥，稱取紙筒質(zhì)量。將紙筒壓扁，用鋼直尺測(cè)量距紙筒兩端各3 cm處的紙筒寬度，取其算術(shù)平均值即為藥卷半周長(zhǎng)。藥卷密度按照一定公式計(jì)算。

1.2.2 爆速測(cè)試

爆速按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13228—2015《工業(yè)炸藥爆速測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)試。

隨機(jī)選擇密度接近的3支藥卷。利用游標(biāo)卡尺確定的靶線安裝位置距離為60 mm，用鋼針將靶線垂直于藥卷軸線，并通過藥卷中心徑向穿透藥卷。在靠近鋼針處將漆包圓銅線剪斷，取下鋼針，并將兩根線頭分開。靶線的首、尾均折向藥卷尾端，并用膠布固定于試驗(yàn)樣品，用砂紙磨掉引線接線端的絕緣漆，檢查爆速測(cè)量?jī)x和電纜線完好。

在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)按要求將靶線和電纜線連接，插入雷管，操作人員撤離至安全地方后，起爆炸藥并讀取數(shù)據(jù)。

1.2.3 作功能力測(cè)試

作功能力按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12436—1990《炸藥作功能力試驗(yàn) 鉛法》進(jìn)行測(cè)試。

稱取炸藥試樣(10.00±0.01)g，裝入紙筒中，再放上帶孔圓紙板。將紙筒放在內(nèi)徑為(24.5±0.1)mm的專用銅壓模中，用專用銅沖子(沖子中心有直徑7.5、高12 mm的突起部)將炸藥壓成中心有孔、裝藥密度在一定范圍內(nèi)的藥柱。拔出沖子后，在中心孔內(nèi)插入雷管殼。試驗(yàn)時(shí)，再換上電雷管。將藥柱放入已知體積的鉛內(nèi)后，加入石英砂進(jìn)行起爆。

1.2.4 猛度測(cè)試

猛度按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12440—1990《炸藥猛度試驗(yàn) 鉛柱壓縮法》進(jìn)行測(cè)試。

先將紙筒放入壓模中，然后稱取(50.0±0.1)g混合均勻的炸藥倒入紙筒中，再在炸藥上面放一帶孔圓紙板，用有雷管孔沖頭的沖子壓藥。控制裝藥密度在一定范圍內(nèi)。撥去沖子，在炸藥裝藥中心孔內(nèi)插入雷管殼，插入裝藥中的深度為15 mm。然后退模，再將紙筒邊緣摺邊。共準(zhǔn)備2個(gè)。將鋼底座放置在堅(jiān)硬的基礎(chǔ)上，依次放置鉛柱(畫線端面朝下)、鋼片、炸藥裝藥，使系統(tǒng)在同一軸線上(目測(cè))，并用繩將它們固定在鋼底座上。取出炸藥中心孔內(nèi)的雷管殼，換上8＃瞬發(fā)電雷管，確保雷管垂直藥面，起爆炸藥。

依次測(cè)量爆炸前、后鉛柱的高度，結(jié)果以鉛柱高度的壓縮值來(lái)表示。

1.2.5 有毒氣體產(chǎn)量測(cè)試

有毒氣體產(chǎn)量按照標(biāo)準(zhǔn)GB 18098—2000《工業(yè)炸藥爆炸后有毒氣體含量的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。

稱取(110.0±0.5)g原裝藥卷。將雷管插入藥卷中央，深度為雷管全長(zhǎng)的2/3。然后，裝入鋼炮內(nèi)孔中。再稱取(300.0±0.5)g石英砂，自然填充在藥卷周圍與上部，雷管腳線分別接在兩個(gè)接線柱上。蓋緊爆炸彈筒蓋，啟動(dòng)真空泵抽氣，至爆炸彈筒內(nèi)剩余壓力不大于4.0 kPa時(shí)，停止抽氣。起爆炸藥。待爆炸彈筒內(nèi)氣體冷卻到室溫后，讀取大氣壓力、室溫和U型水銀壓差計(jì)壓差。大氣壓力應(yīng)進(jìn)行溫度和緯度修正。用球膽收集氣體。用一氧化碳測(cè)試儀測(cè)氣體中一氧化碳CO的含量。對(duì)于氮氧化物，利用萘基鹽酸二氨基乙烯(化學(xué)純)、對(duì)氨基苯磺酰銨和酒石酸(GB/T 1294)按質(zhì)量比為1∶4∶95混合的顯色劑顯色30 min后，在545 nm處測(cè)試其吸光度。

最后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得出二氧化氮NO2的含量，從而計(jì)算出炸藥爆炸后生成的有毒氣體的總量。

2 結(jié)果與分析

表2為8種工業(yè)炸藥的性能測(cè)試結(jié)果。

2.1 藥卷密度

乳化炸藥的藥卷密度為1.10～1.13 g/cm3；而膨化硝銨炸藥的密度為0.80～0.82 g/cm3。從表2可知，乳化炸藥的藥卷密度比膨化硝銨炸藥高。這和炸藥的組成形態(tài)有關(guān)。乳化炸藥為油包水乳狀液，其組分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:硝酸銨70%～85%，硝酸鈉5%～10%，水分8.0%～12.5%，油相及其他6%～8%[10]；膨化硝銨炸藥的組分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:膨化硝銨80.0%～94.0%，油相(柴油、機(jī)械油、石蠟等)2.5%～5.0%，木 粉3.0%～5.5%，食 鹽8%～10%[11]。膨化硝銨炸藥的組分中，木粉及油相密度均??；雖然膨化硝銨通過硝酸銨改性增加了表面積，但縮小了密度；因此，乳化炸藥的藥卷密度遠(yuǎn)大于膨化硝銨炸藥。

2.2 爆速

在Kamlet公式中，爆速與炸藥的裝藥密度和炸藥的特性值有關(guān)。在兩種不同類型的炸藥中，乳化炸藥的藥卷密度大于膨化硝銨炸藥。改性的膨化硝銨雖體現(xiàn)了其作為氧化劑的優(yōu)異性能，但由于其密度較低，且與可燃劑復(fù)合油、木粉物理混合，制備的膨化硝銨炸藥的爆速略低于乳化炸藥。

2.3 作功能力

從表2的測(cè)試數(shù)據(jù)可以直觀地看出，等級(jí)別的炸藥，膨化硝銨炸藥的作功能力優(yōu)于乳化炸藥。這和炸藥的成分有一定的關(guān)系。乳化炸藥中，除了硝酸銨和氧化劑外，含有大量的水分；在爆炸反應(yīng)中，水的汽化會(huì)消耗部分反應(yīng)熱量；因此，在一定程度上降低了爆炸的威力。由此體現(xiàn)出膨化硝銨炸藥的威力優(yōu)勢(shì)。

表2 炸藥部分性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of explosive performances

2.4 猛度

猛度表示爆轟產(chǎn)物粉碎或破壞與其接觸(或接近)介質(zhì)的能力，與爆轟波與介質(zhì)的距離、爆速和作用時(shí)間有關(guān)[1]。表2的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，兩種類型炸藥的猛度中，乳化炸藥的較高。

2.5 有毒氣體產(chǎn)量

有毒氣體產(chǎn)量是指樣品爆炸后CO、氮氧化物的含量。通過測(cè)試，乳化炸藥的有毒氣體產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于膨化硝銨炸藥。這與乳化炸藥中含有大量的水分有關(guān)。乳化炸藥爆炸后產(chǎn)生的氮氧化物，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng):

因此，乳化炸藥爆炸后的氮氧化物的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于膨化硝銨炸藥。原因就在于乳化炸藥在爆炸瞬間產(chǎn)生的氮氧化物在高溫、高壓下被炸藥中的水吸收并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成硝酸，從而減少了爆炸氣體產(chǎn)物中氮氧化物的含量。

分別對(duì)表2中的8種樣品進(jìn)行有毒氣體產(chǎn)量測(cè)試，如表3所示。

表3 有毒氣體產(chǎn)量測(cè)試結(jié)果Tab.3 Test results of toxic gas output(L·kg-1)

3 探索研究

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

基于乳化炸藥和膨化硝銨炸藥配方不同，進(jìn)行如下試驗(yàn):

在測(cè)試膨化硝銨炸藥有毒氣體產(chǎn)量時(shí)，起爆前在炮臼中加入水，通過對(duì)比加水前、后炸藥爆炸后有毒氣體生成量的變化，得到了一種降低膨化硝銨炸藥有毒氣體產(chǎn)量的方法。

3.2 試驗(yàn)過程

稱取110.0 g原裝藥卷。將雷管插入藥卷中央，深度為雷管全長(zhǎng)的2/3，然后裝入鋼炮內(nèi)孔中。再稱取300.0 g石英砂，自然填充在藥卷周圍與上部，雷管腳線分別接在兩個(gè)接線柱上。蓋緊爆炸彈筒蓋，啟動(dòng)真空泵抽氣，至爆炸彈筒內(nèi)剩余壓力不大于4.0 kPa時(shí)停止抽氣。起爆炸藥，待爆炸彈筒內(nèi)氣體冷卻到室溫后，讀取大氣壓力、室溫和U型水銀壓差計(jì)壓差。大氣壓力應(yīng)進(jìn)行溫度和緯度修正。使用專用球膽收集彈筒內(nèi)氣體，收集前，使用彈筒內(nèi)氣體清洗球膽2～3次，然后將球膽充滿氣體備用。

取40 mL氣體試樣，注入兩個(gè)裝有15 mL NO2吸收液的真空采樣瓶中。將氣體試樣經(jīng)24 h氧化和吸收后，用于測(cè)定。準(zhǔn)確吸取5 mL顯色劑溶液于采樣瓶中，以試劑空白溶液作參比，測(cè)定吸光度。根據(jù)吸光度在工作曲線上查得該試樣所對(duì)應(yīng)的NO2的質(zhì)量，然后換算成NO2體積分?jǐn)?shù)。球膽中的氣體接入CO紅外測(cè)試儀，根據(jù)儀器讀數(shù)，得出CO含量。 對(duì)比試驗(yàn)，炸藥原藥卷加入一層防水包裝，鋼炮的炮臼內(nèi)孔中加入100 g水，其他操作同上。

通過以上測(cè)試得到的有毒氣體產(chǎn)量如表4所示。膨化硝銨炸藥爆炸前在炮臼中加入水后，有毒氣體產(chǎn)量由原來(lái)的32.0 L/kg降低到11.9 L/kg，大大地減少有毒氣體中的氮氧化物，驗(yàn)證了2.5中的結(jié)論。

表4 加水前、后有毒氣體產(chǎn)量對(duì)比Tab.4 Comparison of toxic gas output before and after adding water(L·kg-1)

4 結(jié)論

乳化炸藥的藥卷密度比膨化硝銨炸藥高，相同級(jí)別的乳化炸藥的爆速及猛度高于膨化硝銨炸藥。因此，乳化炸藥更適用于硬巖爆破。膨化硝銨炸藥的作功能力較乳化炸藥高，更適用于大孔徑爆破。乳化炸藥有毒氣體產(chǎn)量明顯低于于膨化硝銨炸藥；其原因在于乳化炸藥中的水分有效地吸收了硝酸銨爆炸后產(chǎn)生的氮氧化物。