煤礦爆破公害防治技術研究

摘 要:煤礦爆破作業可能附帶危害煤礦安全和作業人員健康的爆破公害現象：引爆瓦斯煤塵，發生異常爆破，產生明火、有毒炮煙、飛石、噪音等，其中異常爆破具有複雜的表現形式因而具有很大的危害性，容易成為誘發煤礦安全02manbetx.com 的潛在因素。本文將對於我國煤礦異常爆破情況進行考查03manbetx ，對煤礦許用乳化炸藥和毫秒延期電雷管的鈍化機理予以試驗研究，探討耐壓型煤礦許用乳化炸藥研製技術途徑。

關鍵詞： 煤礦爆破公害 異常爆破 乳化炸藥受壓鈍化 雷管受壓失常 耐壓型乳化炸藥

1 煤礦異常爆破研究國內外概況

爆破是我國煤礦采掘作業的重要手段，但附帶有爆破公害，除通常的引爆瓦斯煤塵、有毒氣體、飛石和噪音外，主要以異常爆破形式表現［1～5］[6]：質量合格的煤礦許用炸藥和雷管，在井下實際爆破作業中出現崩煤能力降低、留殘藥、爆燃和拒爆等現象。起因源於裝藥受壓鈍化，即先爆毗鄰炮孔產生的應力波預先壓縮次爆炮孔裝藥，使該炮孔裝藥（炸藥和雷管）發生鈍化。這種現象易造成煤礦井下瞎炮、留殘根、藥卷爆燃、有毒炮煙超標、飛石以及瓦斯煤塵著火等危險02manbetx.com 發生［7～9］。為此，國內外曾對此展開研究，並可將內容和成果概括為四方麵：

〔1〕對現象的調查和03manbetx ［10～12］。美、德等國煤礦調研表明：煤礦延期爆破中，在引起炮孔裝藥鈍化的四種可能原因中（藥卷破壞、相鄰炮孔反應氣體滲透、管道效應和相鄰炮孔應力波的互相壓縮作用），後者是主要原因並對礦山安全產生負麵影響。

〔2〕靜、動壓作用下，煤礦許用炸藥爆轟性能變化及複原性的實驗研究［1～5］。

〔3〕爆破工藝與異常爆破關係的研究［13］。主要考察異常爆破現象與炮眼間距、起爆時差的關係，發現在引起炸藥鈍化方麵，炮眼間距占主導地位，而且，臨界炮眼間距為45～60cm。

〔4〕涉及炸藥壓力降敏的一些理論探討［14］。包括含水炸藥敏感氣泡與炸藥力學性質關係、乳化炸藥的流變特性和衝擊敏感性等，並由此認為煤礦用炸藥受壓鈍化機理是體係中敏感氣泡在壓力下的破壞使然。

上述研究成果開辟了煤礦異常爆破研究新領域並奠定防治基礎，但研究工作存在局限性，使其對我國煤礦安全生產具有實際意義的指導作用受到限製：

〔1〕我國煤礦異常爆破現象缺乏調查03manbetx ，對其嚴重性和特征難做估計和判斷，難形成有意識的預防。

〔2〕煤礦許用乳化炸藥、延期電雷管受壓鈍化機理解釋不全麵。

〔3〕預防措施和途徑有待拓展。

本文將圍繞上述三方麵的內容進行討論，以完善煤礦爆破公害防止技術內容。

2 我國煤礦異常爆破現象調研03manbetx 情況

經對東北、山東、兩淮等國有重點礦區的調研，在東北、山東部分礦發現異常爆破現象的表現：殘藥或拒爆現象都出現在後爆孔，具有受壓鈍化的先決條件。通過對這種現象的現場實驗重現和分析，表明我國煤炭生產中存在異常爆破現象，而且具有重現性。

3 煤礦許用乳化炸藥受壓爆轟特性變化機理研究

煤礦許用乳化炸藥是煤礦主體炸藥，具有較強的抵抗受壓鈍化能力，但複原能力較差。對其受壓鈍化機理的解釋停留在壓力作用下體係中氣泡的逃逸或破壞，而從乳化炸藥理化結構分析，研究鈍化機理也必須考慮乳狀液結構的受壓變化特性。

3．1 乳化炸藥在壓力作用下乳狀液結構變化特性的試驗研究

試驗分三個層次：衝擊載荷作用下乳化炸藥乳狀液結構變化的動態高速攝影，確定衝擊作用後乳狀液結構破壞的可能性及時間範圍；乳化炸藥動壓鈍化模擬試驗，了解炸藥鈍化後內相粒子直徑變化和分布情況；提出預防措施，確定乳化炸藥耐壓型產品研製的技術途徑。

采用擺錘衝擊、電爆炸衝擊加載動態高速攝影、乳化炸藥動壓鈍化模擬實驗裝置實現上述試驗意圖。乳化炸藥樣品按照目前典型工藝條件和基礎配方製備。試驗結果分別見表1～3和圖1～6。

表1 動態鈍化模擬試樣品種設計

質量百分含量

乳化劑品種
1.5
2.1
2.7
3.3
3.9

斯盤-80，發泡劑 複合型(1:1)，發泡劑 路博潤(2725)，發泡劑 pce,玻璃微球
A1

C1

A2

C2

E
A3

C3

A4

C4

D4
A5

C5

D5

注：基礎配方為氣泡敏化的二級煤礦許用型乳化炸藥。

表2 擺錘衝擊作用下乳化炸藥微結構變化的分析測試數據

分析測試項目

普通試樣

乳化劑含量增加試樣

C-2-0 C-2-1 C-2-2 C-2-3 C-2-4 C-2-5
C-3-0 C-3-1 C-3-2 C-3-3 C-3-4 C-3-5

應 變 值（με）
203.82 255.96 303.36 336.54 368.77
229.89 277.29 343.65 383.46 436.08

試驗測試衝擊壓力（Mpa）

不受衝擊 1.54 1.94 2.29 2.55 2.79

不受衝擊

1.74 2.10 2.60 2.91 3.30

試樣受到衝擊壓力（Mpa）
2.93 3.67 4.32 4.79 5.24
3.30 3.97 4.89 5.46 6.18

試驗衝擊時間 (s)
0.003 0.003 0.004 0.003 0.003
0.0035 0.0040 0.0040 0.0040 0.0040

試驗衝擊次數(次)
2 2 2 2 2
2 2 2 2 2

電子掃描攝影倍率（倍）
1100 1100 1100 1100 1100 1100
1100 1100 1100 1100 1100 1100

受試樣品電導率（μs/cm）
0.048 0.100 0.150 0.250 1.000 1.050
0.027 0.051 0.052 0.055 0.660 1.080

注：1.試樣為二級煤礦型乳化炸藥 2.PS=1.842PC+0.0969(kg/cm2)

表3 不同設計方案中各配方的耐壓能力比較

項目樣品種類 樣品編號 乳化劑種類 臨界鈍化距離 臨界鈍化距離時乳化劑含量%

A
A1
S-80
13
1.5

A2
S-80
13
2.1

A3
S-80
13
2.7

A4
S-80
10
3.3

A5
S-80
8
3.9

C
C1
S-80/PCE
7
1.5

C2
S-80/PCE
7
2.1

C3
S-80/PCE
2
2.7

C4
S-80/PCE
2
3.3

C5
S-80/PCE
2
3.9

D
D4
M5
16
3.3

D5
M5
16
3.9

E
E
PCE
27
2

由表2可見，隨擺錘衝擊壓力的增加，乳化炸藥的電導率逐漸增大，說明內相強電解質析出逐步增加；電導率的逐步增加亦呈現一定規律，在擺錘壓力增至4.79MPa（普通試樣）和5.46MPa（乳化劑含量增加的試樣）時，電導率發生突躍式增長，此時應處於體係微結構破壞的臨界狀態；當乳化劑含量增加後，臨界鈍化壓力明顯增強（由4.79MPa增至5.46或6.18MPa），說明耐壓性與乳化劑含量存在正比關係。

電爆炸衝擊加載作用前後乳化炸藥試樣的顯微照片見圖1和圖2。由圖1可見，衝擊前後乳化炸藥試樣微結構發生顯著變化，對於衝擊後的結果，資料 [17]提供的檢驗標準說明此時有結晶產生，結晶麵積約占藥樣總麵積的20%。定性的顯示了乳化炸藥乳狀液結構對壓力作用的敏感性。圖2則顯示了電爆炸衝擊加載作用。

圖5 乳化炸藥受壓前後粒徑對比圖 圖6 A3、C2和D4受壓前後比表麵積對比圖

下乳化炸藥試樣動態變化情況，此時試樣的透光率是結晶與否的重要指標［15］。由圖可見，隨著作用時間的增加，試樣的透光率逐漸變弱，當近300μs時，透光率幾近為零。

乳化炸藥動壓鈍化模擬試驗結果表明（表3，圖3～6）：被動藥卷受到主動藥卷作用，當超過其抗壓能力時，被動藥卷會鈍化而發生異常爆破，同時其微結構、粒子直徑、分布和比表麵積均會發生變化；隨體係乳化劑種類和含量的變化，主、被動藥卷的臨界鈍化距離發生巨大變化，說明乳化劑性能和含量對體係抗衝擊應力波能力的影響力；微結構的顯微照片、粒子分布和直徑、比表麵積和實測鈍化臨界距離的一致性，說明了衝擊應力作用下，乳化炸藥鈍化與其乳狀液結構破壞的關聯性。

進一步的分析可見：乳狀液粒徑變化範圍在0.9～19μm範圍內，其中以D4（M5乳化劑，含量3.3%）樣的粒徑變化幅度最大，C2（複合型乳化劑，含量2.1%）樣的粒徑變化幅度最小；單位體積內粒子氧化劑和還原劑接觸麵積變化範圍4310～9512㎝2/cm3,以C2（複合型乳化劑，含量2.1%）樣的變化幅度最小，以A3（斯盤-80型乳化劑，含量2.7%）樣的變化幅度最大。

3．2 乳化炸藥受壓鈍化機理

通過試驗和分析，對於煤礦許用乳化炸藥的受壓鈍化機理已可較全麵地描述，即在延期爆破作業中，衝擊應力波作用於後爆炮孔乳化炸藥，首先使乳化炸藥乳狀液結構受到擾動或破壞，造成體係中氧化劑與還原劑的接觸麵積縮小，化學反應速度下降，並妨礙了氣體產物滲透和擴散，使化學反應區完成反應時間延長、寬度增加，經向膨脹波所引起的能量損失加大，最終導致乳化炸藥感度降低、爆速下降並與後期遭到破壞的敏感氣泡一起作用，造成起爆“熱點”減少直至使爆轟反應中斷。

4 延期爆破中雷管性能異常問題的研究

延期爆破中，後爆裝藥中的雷管亦有可能因衝擊作用而異常[6]，且因雷管的剛性結構，這種異常現象不具備複原性，從而成為煤礦發生異常爆破的另一誘因。采用水下爆炸法測試煤礦許用毫秒延期電雷管在額定衝擊壓力作用下的異常情況，旨在揭示國產煤礦毫秒延期雷管在衝擊作用下的異常爆破行為及條件。同時，比較炸藥和雷管受壓鈍化條件及與煤礦異常爆破發生的關係，探討提高雷管抗受壓鈍化能力的技術途徑。

4．1 雷管衝擊損壞條件

　　工程上計算集中裝藥在爆破介質中的衝擊參數，采用衝擊波峰值壓力計算經驗式[18]：

（1）

式中，為衝擊波峰值壓力（MPa）；W為裝藥量（kg）；R為衝擊距離（m）；k、α為與炸藥、爆破介質有關的特性常數。先爆炮眼形成的衝擊波能夠損壞後爆炮眼中的雷管，必定是後爆炮眼中雷管所處位置上的衝擊波強度大於該雷管自身的抗衝擊能力，記為：
或（2）

式中，p — 衝擊波強度；x — 雷管抗衝擊能力。實際作業中往往pm低於p值，疊加作用同樣有能力達到損壞雷管的衝擊強度。

4．2 試驗研究 　　試驗設施的主體是爆炸水池（圖7），其上口直徑22m，底徑2m，深6m，注水深5m。水池上方對稱牽拉鐵絲4條，沿交叉中心向外輻射8條雷管懸吊線，懸吊點依試驗需要按等對數間隔距離分布，這樣，以交叉點為爆心，沿爆心向外，同等距離上最多可布8發雷管。

爆炸水池及實驗布置（圖7）

試驗分靜、動態兩種形式，同時分裸管和包覆藥卷試驗兩種。

試樣采用8號煤礦許用毫秒延期電雷管（二至五段，發藍鋼殼）。衝擊前測試各段延期時間。經水下衝擊作用後的雷管，性能失常與否通過實驗室檢驗予以確認。圖7 爆炸水池及試驗布置示意圖 凡雷管出現殉爆、管殼變形、拒爆、起爆能力不足、秒量失準等現象視為失常。延期時間異常的認定引用拉依達準則[19]。

完成全部試驗後，統計延期雷管失常形式及其比率（表4）。計失常形式有四種：殉爆、拒爆、管殼變形和秒量失常。其中秒量失常又細分為速爆（秒量小於12ms）、串段（逾出名義值±12.5ms）、大於130ms（煤礦安全01manbetx 界定值）和一般異常（雖未串段，但超差）。試驗未發現起爆力不足的失常現象。

表4顯示：靜態裸管試驗中，雷管失常率隨段別升高而增大，四、五段雷管的失常率高達40％，全係列雷管的平均失常數超過30%，秒量異常占50%以上，拒爆現象居其次。包覆藥卷後，因采用升降試驗，統計數據不能與靜態裸管試驗數據直接類比，但總體失常表現形式趨同，秒量異常比率顯著下降。

4．3 試驗小結

爆炸衝擊波能夠使煤礦延期雷管發生性能失常，50％失常壓力介於42～85MPa之間，最低失常壓力低達7.88MPa。煤礦延期雷管衝擊失常的主要表現為：秒量異常、拒爆、殉爆和管殼變形。其中秒量異常占主導地位，拒爆居其次，殉爆和管殼變形相對較少。延期雷管的抗衝擊能力依段別的升高而下降。裝在藥卷中的雷管，借助於藥卷的保護，抗衝擊能力有所上升，但仍不能避免失常發生。

5 煤礦異常爆破防治技術研究

煤礦異常爆破的防治可通過爆破參數的合理選擇和耐壓性產品的研製予以解決，爆破參數的調整受到爆破類型的限製（如光麵爆破工藝本身要求密集炮眼），耐壓性產品研製就成為防治的關鍵技術途徑，由於炸藥與雷管相比，炸藥降敏的臨界壓力更低，所以，主要應研製耐壓性乳化炸藥。

表4 雷管失常形式統計

失常形式二段 三段 四段 五段 占總失常

裸管
包覆藥卷
裸管
包覆藥卷
裸管
包覆藥卷
裸管
包覆藥卷

殉 爆
9

2

8
3
2
1
6.7%
20%

拒 爆

4
14
2
22
1
16
3
33.9%
50%

管殼變形
17
2
2

1.1%


秒量異常

2
18
2
22
1
38
1
52.8%
30%

其中： 速 爆
13

6
1
11

10
1
22.2%
20%

偏差大
1

5
1


21

15.0%
5%

串 段
3

6

9
1
3

11.7%
5%

>130ms


1

2

4

3.9%


失常比率
26/128
6/10
46/128
4/10
52/128
5/10
56/128
5/10
180/512
20/40

5．1 耐壓型乳化炸藥研製的關鍵技術途徑分析

乳化炸藥受壓鈍化機理表明：乳化炸藥的乳狀液結構、敏化氣泡的動態穩定是耐壓的技術關鍵，而保持動態穩定使體係形成強韌界麵膜和柔性氣泡是重要的，因為強韌界麵膜將會強烈製約結晶生長。

乳狀液穩定理論指出［16］：乳狀液中液滴的破壞由連續相在液滴與界麵之間排泄和界麵膜的破裂兩個步驟組成。因此膜間連續相排泄速度和壓力之間的關係以及膜破裂後洞孔擴張速度與膜厚度和強度的關係為：
（3）（4）

式中：h為兩界麵膜之間的距離；t為時間；η為排泄液的粘度；F為壓力；A為界麵膜的麵積；r為洞孔半徑；l為界麵膜的厚度；ρ為界麵膜的密度；γ為界麵張力。式（3）、（4）表明：當壓力F作用於體係時，膜之間的連續相被迅速擠出，造成內相液滴迅速靠攏，完成聚結第一步；若F值繼續增大，就有可能在膜最薄弱部分發生破裂，並不斷增大洞孔擴張速度，導致乳狀液結構破壞而使炸藥失去爆炸性能。由式(4)可知，界麵膜已破裂的洞孔擴張速度dr/dt與界麵膜厚度I成反比關係，而界麵膜厚度I和乳化劑含量C成正比關係。
（5）

式中： I為界麵膜厚度； 為相體積比；C為乳化劑含量；A為液滴體積及麵積有關的因子。即：如果界麵膜厚度和致密度增加，將會有效遏止界麵膜破裂洞孔的擴張速度。因此，增加乳化劑的含量或效能，不僅對其自然貯存穩定性有效果，而且對形成良好的耐壓性具有重要意義。

乳化劑效能方麵的最新研究[]從幾何意義上討論了乳化劑含量和種類與乳化炸藥理化性能關係，其要點是：W/O型乳狀液的形成是表麵活性劑分子鏈尾麵積增加和油溶性增強的結果，這樣利於表麵活性劑分子在界麵上緊密排列並形成致密膜層。進一步的，乳化劑含量決定了分散相粒徑，而具有與之相適應的充填係數的乳化劑分子，則為這種穩定提供保證。根據球形表麵積公式，表麵活性劑的充填係數與表麵活性劑的分子長度和分散相粒子大小的關係為：

（6）

式中： r為分散相粒徑；δ為表麵活性劑層厚度；C為充填係數。上述討論表明，使乳化炸藥自然貯存穩定和動壓作用下保持乳狀液結構穩定的關鍵技術途徑基本相同，且是基礎和加強的關係。因此乳化劑選擇應兼顧粒子分散度和界麵膜強度，實際運用中應注意避免Span-80乳化劑由於原料原因可能產生的“疏鬆”而使界麵膜強度受損；或高分子乳化劑長鏈形成的脆性凝膠結構而不耐剪切。本項研究通過M201、大豆卵磷脂、TX—03、PCE等與改性Span-80乳化劑複合試驗，發現以Span-80乳化劑和PCE符合效果最好。其次通過發泡劑超細加工和摻混工藝的特殊設置，達到良好敏化效果。

5．3 耐壓型乳化炸藥配方設計

以我國典型煤礦許用乳化炸藥為基礎配方，通過使乳化劑複合、增加乳化劑含量、精細敏化工藝等技術途徑，定型耐壓型乳化炸藥係列配方，性能測試結果表明，達到了國家標準要求（表5、表6）。

表5 耐壓型乳化炸藥係列配方

品種 組成 岩石型（%） 二級煤礦（%） 三級煤礦（%）硝酸銨
74.7
65.45
63.65

硝酸鈉
10
14
13

氯化鉀
0
5
8

尿 素
0
1
1

十二烷基硫酸鈉
0
0.05
0.05

水
10
8
8

複合乳化劑
3
3
3

58＃白石蠟
1
1
1

工業凡士林
1
1
1

40＃機械油
0.5
0.5
0.5

微晶蠟
0.8
0.8
0.8

發泡劑
0.2
0.2
0.2

表6 耐壓型煤礦許用乳化炸藥綜合性能測試結果

序號 項目 單位標準要求 二級實測數據 三級實測數據 岩石實測數據 結果
1
可燃氣安全度
g
M50≥180（400
＞180
＞436
23
合格

2
有毒氣體含量
L/kg
≤80
22
22
1.18
合格

3
炸藥密度
g/cm3
1.00～1.30
1.15
1.16
[2]3/3
合格

4
殉爆距離
cm
≥2（3）
[2]3/3
[2]3/3
不合格頻數：0/2

5.4×103

5.4×103
合格

5
爆速
----
抽樣方案：2/0，1

最小值（m/s）：≥3.0×103

平均值（m/s）：
不合格頻數：0/2

4.3×103

4.3×103
不合格頻數：0/2

4.1×103

4.1×103
不合格頻數：0/2

18.4

19.4
合格

6
猛度
----
抽樣方案：2/0，1

最小值（mm）：≥10（8，12）

平均值（mm）：
不合格頻數：0/2

17.3

17.4
不合格頻數：0/2

15.5

16.1
294
合格

7
作功能力
ML
≥220（210，260）
278
246
0
合格

8
撞擊感度
爆炸概率
≤8%
0
0
0
合格

9
摩擦感度
爆炸概率
≤8%
0
0
0/3
合格

10
熱感度
燃爆頻數
0/3
0/3
0/3

合格

6 結論

（1）我國部分礦區異常爆破方麵的調研表明，我國煤礦爆破作業中確實存在異常爆破現象；而且當未產生危害或危害極大情況下，這種異常爆破現象都有可能被忽略或掩蓋。

（2）對於乳化炸藥受壓鈍化機理有了較清晰的認識，即在先爆炮孔應力波作用下，乳化炸藥的乳狀液結構和體係中敏化氣泡的破壞是造成體係鈍化的原因，前者的破壞可能在時間上還要提前。

（3）延期雷管同樣具有受壓鈍化鈍化現象，主要表現為秒量異常、拒爆、殉爆和管殼變形。其中秒量異常占主導地位。高段雷管更容易遭受衝擊破壞。裝在藥卷中的雷管，借助於藥卷的保護作用，抗衝擊能力有所上升，但仍不能避免失常的發生。

（4）乳化炸藥乳狀液結構破壞的臨界壓力小於雷管發生失常現象的臨界壓力，且在實際爆破作業中，雷管包覆在藥卷內，因此，在工藝設計合理的情況下，異常爆破更易是炸藥引起。

（5）根據實驗情況設計了耐壓型乳化炸藥配方，並將成為煤礦爆破公害防治的重要措施。

作者簡介： 張少波（1960-- ），男，研究員。1982年畢業於安徽理工大學采礦係，1982年～2003年在煤炭科學研究總院爆破技術研究所工作，2003～至今在煤炭科學研究總院南京研究所工作。多年從事煤礦炸藥和煤礦爆破研究工作，發表論文約20篇。 所在單位 煤炭科學研究（北京）南京研究所煤礦爆破公害防治技術研究