工业炸药有毒气体含量测定的影响因素 .pdf
doi10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2014. 06. 007 工业炸药有毒气体含量测定的影响因素 ❋ 高 贫①② 潘 峰①② ①南京理工大学化工学院江苏南京,210094 ②国家民用爆破器材质量监督检验中心江苏南京,210094 [摘 要] 文章探讨了工业炸药爆炸后有毒气体测定过程中多种因素对测定结果的影响。 试验表明,钢炮扩孔对 有毒气体测定结果影响明显,随钢炮扩孔增大,有毒气体含量显著增大。 当扩孔率为 37% 和 95% 时,有毒气体总 量比新钢炮分别增大了24. 5%和29. 2%。 起爆用雷管对低感度炸药有毒气体测定结果影响较显著,而对高感度炸 药影响较小;用军用雷管起爆产生的有毒气体最少,而用煤矿许用瞬发电雷管起爆产生的有毒气体最多,并且膨化 硝铵炸药有毒气体的增加23. 0%大于粉状乳化炸药10. 8%。 石英砂用量对有毒气体测定结果也有明显影响。 当石英砂完全覆盖药卷时,在一定范围内,增加石英砂用量导致有毒气体含量增大;当钢炮扩孔相当大时,增大石 英砂用量使钢炮口全部覆盖严实,有毒气体含量减少。 [关键词] 工业炸药;有毒气体;钢炮扩孔;石英砂;雷管 [分类号] TD235. 2 + 1 引言 工业炸药在煤矿井下爆炸后产生的有毒气体, 不仅危害煤矿工人的身体健康,而且对井下的瓦斯 和煤尘起催化作用,影响煤矿的安全生产,因此炮烟 中的有毒气体含量是煤矿炸药的一项重要安全性指 标[1-2]。 前人对有毒气体产生的原因、药卷外壳、真 空度、不同稀释液对氮氧化物的影响以及爆炸后有 毒气体含量影响因素都做过研究[3-10],但测定过程 中爆炸弹筒内钢炮扩孔程度、石英砂用量大小以及 起爆用雷管类型等因素对有毒气体含量测定结果的 影响未见有研究报道。 目前,我国工业炸药爆炸后有毒气体含量的测 定,采用 GB 180982000工业炸药爆炸后有毒气 体含量的测定规定的方法[11]。 其基本过程是将定 量的待测炸药置于密闭的爆炸弹筒中用雷管引爆, 再对气体产物的生成总量及一氧化碳CO和氮氧 化物NOx的含量进行测定,最终给出单位质量炸 药所生成的有毒气体总量。 在试验过程中,由于炸 药爆炸产物的膨胀与冲击,钢炮炮孔的容积不断扩 大,而标准中对钢炮扩孔率没有作具体规定。 当炮 孔容积扩到一定程度时,标准规定的石英砂用量已 不能覆盖药卷,会导致有毒气体测定结果有偏差。 同样,对起爆用电雷管,标准只规定使用 8#金属壳 瞬发电雷管,但没有指明是普通瞬发电雷管还是煤 矿许用瞬发电雷管,而在煤矿井下起爆炸药时只能 使用煤矿许用电雷管。 不同电雷管起爆能力不同, 对有毒气体测定结果也可能产生影响。 为此,本文研究了钢炮扩孔、石英砂用量以及起 爆用雷管等因素对工业炸药爆炸后有毒气体含量测 定结果的影响。 1 试验部分 1. 1 试验方法 称取110 0. 5g 原装药卷,按照 GB 18098 2000工业炸药爆炸后有毒气体含量的测定规定 的方法,制取气体试样。 分别测定气体试样中的一 氧化碳和氮氧化物,其中一氧化碳用红外线气体分 析仪测定,氮氧化物用分光光度计测定。 最后计算 出每千克炸药爆炸后生成的有毒气体总量按标准 状况下折算成一氧化碳计,计算公式如下 Vt= V CO + 6. 5V NOx。1 式中Vt为每千克炸药爆炸后生成的有毒气体总 量,L/ kg;V CO为每千克炸药爆炸后生成的一氧 化碳体积,L/ kg;6. 5 为将氮氧化物折算成一氧化碳 时的毒性系数;V NOx为每千克炸药爆炸后生成 的氮氧化物体积,L/ kg。 1. 2 试验样品及仪器 试验样品煤矿许用膨化硝铵炸药;粉状乳化炸 药。 03 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 6 期 ❋ 收稿日期2014-03-14 作者简介高贫1969 ,女,副研究员,主要从事含能材料分析测试和理论研究。 E-mailgaop1969@ sina. com 试验仪器有毒气体试样制备装置自制,见 图 1;QGS-08B 红外线气体分析仪,北分麦哈克分析 仪器有限公司;UNCO 分光光度计,尤尼柯上海仪 器有限公司。 1 - 爆炸弹筒;2 - 钢炮;3 - 药卷;4 - 雷管;5 - 爆炸弹 筒盖;6 - 总阀;7 - 压力表;8 - 三通阀;9 - 真空表; 10 - U 型水银压力计;11 - 采样阀;12 - 真空泵 图 1 气体试样制备装置示意图[11] Fig. 1 A schematic diagram of equipment for gas preparation 2 结果与讨论 2. 1 钢炮扩孔对有毒气体测定结果的影响 准确称取 110 g 试验样品、300 g 石英砂分别放 入新钢炮、扩孔率为 95%的旧钢炮和扩孔率为 37% 的中等旧钢炮中,用 8#普通瞬发电雷管起爆,测定 不同钢炮状况下煤矿许用膨化硝铵炸药爆炸后有毒 气体的含量,试验结果见表 1。 表 1 中 V0为标准状况下,每千克炸药爆炸后产 生的气体体积;△Vt/ Vt为与新钢炮相比,使用扩孔 率为 37%和 95% 的钢炮时产生的有毒气体总量的 变化率;6. 5△VNOx / △Vt为与新钢炮相比,使用 扩孔率为37%和95%的钢炮时产生的 VNOx变化 量占有毒气体总量 Vt变化量的比率;△VCO / △Vt为与新钢炮相比,使用扩孔率为37%和95%的 钢炮时产生的 VCO变化量占有毒气体总量变化 量的比率。 从表 1 可以看出,使用新钢炮时,产生的有毒气 体含量最小,随着钢炮扩孔的增大,有毒气体含量明 显增大。 当旧钢炮扩孔率为 37% 时,有毒气体总量 比新钢炮增大了 12. 6 L/ kg24. 5%,而扩孔率为 95%时,有毒气体含量比新钢炮增大了 15. 0 L/ kg 29. 2%。 另外还可以发现,当钢炮扩孔增大时,有毒气体 总量 Vt、 CO 量 [ V CO ] 和 氮 氧 化 物 量 [ V NOx]均有不同程度的增大。 在增大的有毒气体 含量中,氮氧化物含量增大明显,分别占有毒气体含 量增量的 73. 8%和 71. 5%,远大于 CO 含量的增大 幅度26. 2% 和 28. 7%。 由于随着钢炮扩孔不断 变大,钢炮对炸药的约束越来越弱,导致炸药爆炸不 完全,从而使有毒气体含量增大。 同时还发现,钢炮 扩孔从 37%增大到 95%时,有毒气体含量增幅不大 仅增大了 2. 4 L/ kg,3. 75%,这表明当钢炮扩孔 到一定程度时,钢炮进一步扩孔对有毒气体含量影 响不大。 2. 2 石英砂用量对有毒气体含量测定结果的影响 准确称取 110 g 试验样品,石英砂用量 A 为标 准规定值 300 g;B 为药卷被石英砂覆盖,仅露出雷 管管帽时用量;C 为石英砂盖住钢炮口时用量。 试 验时石英砂用量分别见图 2 图 4。 用 8#普通瞬发 电雷管起爆,测定在不同用量的石英砂约束下以及 不同钢炮状况下煤矿许用膨化硝铵炸药爆炸后有毒 气体的含量,试验结果见表 2。 根据表 2 数据,石英砂用量对测定结果的影响 比较复杂。 对扩孔率 95%的旧钢炮,石英砂用量达 到 410 g 时才能覆盖药卷而仅露出雷管帽,达到 482 g 时才能盖住钢炮口;而对于新钢炮和扩孔率 37% 的中等旧钢炮,标准规定的石英砂用量 300 g 足以 盖住钢炮口,因此导致对不同扩孔情况的钢炮当石 英砂用量不同时,测得的有毒气体含量差别较大。 对扩孔率为 95%的旧钢炮,测得的有毒气体含 量为 46. 8 71. 4 L/ kg,变化幅度超过 50%。 当石 英砂盖住钢炮口时,有毒气体含量最小,这是因为这 时装填最密实,爆炸反应完全。采用标准规定用量 时,有毒气体含量增加近20L/ kg,而当石英砂盖住 表 1 钢炮扩孔对有毒气体测定结果的影响 Tab. 1 Effects of the cannon expanding degree ontest results of toxic gasescontents 钢炮 状况 扩孔率/ % V0/ Lkg -1 V CO / Lkg -1 V NOx / Lkg -1 Vt/ Lkg -1 △Vt Vt / % 6. 5△VNOx △Vt / % △VCO △Vt / % 新34622. 24. 4951. 4 中等旧3735925. 55. 9264. 024. 573. 826. 2 旧9536426. 56. 1466. 429. 271. 528. 7 132014 年 12 月 工业炸药有毒气体含量测定的影响因素 高 贫,等 aA =300 g bB =410 g cC =482 g 图 2 旧钢炮时石英砂用量 Fig. 2 Mass of quartz sand for the cannon with an expanding degree of 95% aA =300 g bB =203 g 图 3 中等旧钢炮时石英砂用量 Fig. 3 Mass of quartz sand for the cannon with an expanding degree of 37% aA =300 g bB =152 g 图 4 新钢炮时石英砂用量 Fig. 4 Mass of quartz sand for the new cannon 表 2 约束条件对有毒气体测定结果的影响 Tab. 2 Effects of the mass of quartz sand on test results of toxic gasescontents 钢炮 状况 石英砂 质量/ g V0/ Lkg -1 V CO / Lkg -1 V NOx / Lkg -1 Vt/ Lkg -1 旧 A300 B410 C482 364 353 346 26. 5 23. 0 19. 8 6. 14 7. 44 4. 16 66. 4 71. 4 46. 8 中等旧 A300 B203 359 361 25. 5 23. 1 5. 92 4. 11 64. 0 49. 8 新 A300 B152 346 366 22. 2 25. 0 4. 49 2. 52 51. 4 41. 4 药卷露出雷管帽时,有毒气体含量最大。 对新钢炮和扩孔率为 37% 的中等旧钢炮,采用 标准规定质量的石英砂时就能盖住钢炮口,但此时 测得的结果均大于石英砂盖住药卷而露出雷管帽 所用石英砂的量均小于 300 g时的结果。 这说明 在一定范围内,石英砂越多,有毒气体量越多,这与 文献报道相符[2,12]。 出现这种现象的原因,主要是因为炸药爆炸产 生的几种有毒气体之间存在如下几个反应平衡 2NO→N2+ O2+ Qv;2 2CO + O2→2CO2+ Qv;3 CO2+ H2→CO + H2O + Qv。4 由于石英砂是惰性物质,不参与反应而只起 “冷却剂”作用[1],当药卷周围及顶部的石英砂覆盖 量增加时,会导致爆炸产物的温度急剧下降,从而使 反 应2和反应3很快达到平衡,不再向右移动, 23 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 6 期 表 3 不同雷管对有毒气体测定结果的影响 Tab. 3 Effects of various kinds of detonators on test results of toxic gasescontents 样品 雷管 类型 V0/ Lkg -1 V CO / Lkg -1 V NOx / Lkg -1 Vt/ Lkg -1 △Vt Vt / % 膨化硝铵炸药 标准雷管 普通瞬发电雷管 煤矿许用瞬发电雷管 409 405 394 27. 4 20. 7 19. 0 3. 5 6. 15 8. 68 50 61 75 23. 0 粉状乳化炸药 标准雷管 普通瞬发电雷管 煤矿许用瞬发电雷管 418 411 406 31. 6 30. 3 24. 8 0. 3 1. 1 2. 5 34 37 41 10. 8 抑制了二次反应的进行,使爆炸产物中的NOx和CO 不再转变为 N2和 CO2,因此,爆炸产物中 NOx和 CO 含量升高;但另一方面,爆炸产物温度下降也使反应 4很快达到平衡,不再继续向右移动,从而由 CO2 转变为 CO 的量也减少。 由此可以看出,石英砂用量对有毒气体的影响 比较复杂,没有简单的规律可寻。 但有两点可以肯 定一是当药卷被完全覆盖时,在一定范围内,增加 石英砂用量会引起有毒气体含量增大;二是当钢炮 扩孔相当大时,增大石英砂用量使钢炮口全部盖严 实,会减少有毒气体含量。 增大石英砂用量使钢炮 口全部盖严实时,测试值与采用新钢炮300 g 石英 砂测试时相差较小。 2. 3 不同雷管对有毒气体含量测定结果的影响 准确称取 110 g 膨化硝铵炸药和粉状乳化炸 药,石英砂 300 g 放入新钢炮中,分别用标准雷 管[13]、普通电雷管和煤矿许用电雷管[14]起爆,测定 这两种炸药爆炸后有毒气体的含量,试验结果见表 3。 表 3 中△Vt/ Vt为相对于用普通瞬发电雷管起爆 时,用煤矿许用瞬发电雷管起爆时工业炸药爆炸后 有毒气体的变化率。 由表 3 可以发现,对同一工业炸药,无论是膨化 硝铵炸药还是粉状乳化炸药,标准雷管起爆时产生 的有毒气体最少,煤矿许用瞬发电雷管起爆时产生 的有毒气体最多,普通瞬发电雷管起爆时产生的有 毒气体量介于两者之间。 这是因为标准雷管比现行 的 8#工业电雷管具有较大的输出威力[13],而煤矿许 用瞬发电雷管由于加入了消焰剂质量分数为 15% 的 KCl,客观上提高了煤矿许用电雷管的可燃气安 全度,但正是由于钝感剂KCl的加入,使得煤矿许 用电雷管起爆力大大减弱[14]。 因此,雷管起爆力越 强,炸药爆炸越完全,产生的有毒气体含量越少。 反 之,雷管起爆力弱,炸药爆炸不完全,产生的有毒气 体含量就大。 而增加的有毒气体主要是 NOx,CO 含 量则反而有所减少。 相对于用普通瞬发电雷管起爆,用煤矿许用瞬 发电雷管起爆时,粉状乳化炸药有毒气体含量的增 大4. 0 L/ kg,体积分数为 10. 8%少于膨化硝铵炸 药14. 0 L/ kg,体积分数为23. 0% ,在标准规定的 误差范围内。 这可能是由炸药的感度差异所致,粉 状乳化炸药的起爆感度比膨化硝铵炸药强,容易爆 炸完全,因此,不同起爆能力的雷管对粉状乳化炸药 爆炸后有毒气体含量影响较小,对膨化硝铵炸药爆 炸后有毒气体含量影响较大。 3 结论 1 钢炮扩孔对工业炸药爆炸后有毒气体测定 结果影响显著,建议修订有毒气体含量测定标准时 应规定钢炮的扩孔率,以减少钢炮扩孔对测定结果 的影响;或者规定石英砂用量应完全覆盖钢炮口,以 符合实际爆破情况。 2 由于起爆用雷管的类型对有毒气体含量测 定结果有影响,建议在有毒气体含量测定标准修订 中,规定在测定时要根据不同类型炸药的使用场合 使用相应的起爆用雷管。 例如,煤矿许用炸药主要 在井下使用,爆破时只能用煤矿许用电雷管,因此, 在测定有毒气体时采用煤矿许用电雷管起爆更符合 实际使用情况。 参 考 文 献 [1] 汪旭光. 乳化炸药[M]. 北京冶金工业出版社,1986. [2] 炸药理论编写组. 炸药理论[M]. 北京国防工业出 版社,1989. [3] 徐龙. 测量因素对炸药有毒气体测定结果的影响[J]. 煤矿爆破,200131-4. [4] 赵晓莉,王继峰. 炸药爆炸产生有毒气体的原因及其 防治[J]. 煤矿爆破,2007223-26. Zhao Xiaoli, Wang Jifeng. The reason for shaping toxic gas during the blasting of explosive and its preventive measures[J]. Coal Mine Blasting, 2007223-26. [5] Ignac-Nowicka J, Pustelny T.Monitoring methods of nitrogen dioxide[J]. Molecular and Quantum Acous- tics,2001,22171-182. 332014 年 12 月 工业炸药有毒气体含量测定的影响因素 高 贫,等 [6] 彭云昆. 浅析影响工业炸药爆炸后有毒气体含量的因 素[J]. 爆破器材,2010,39435-38. Peng Yunkun. Analysis of factors influencing the content of toxic gases after industrial explosive explosion [J]. Explosive Materials, 2010, 394 35-38. [7] 胡洋勇,颜事龙,郭子如,等. 工业炸药爆炸后有毒气 体含量的测定及结果分析[J]. 火工品,2013225- 28. Hu Yangyong, Yan Shilong, Guo Ziru, et al. Analysis and determination of poisonous gas volume generated from industrial explosive detonation[J]. Initiator & Pyrotech- nics, 2013225-28. [8] 唐淑娟,倪欧琪,高贫,等. 不同稀释液对有毒气体中 氮氧化物测定的影响[J]. 爆破器材,2005,34610- 12. Tang Shujuan, Ni Ouqi, Gao Pin, et al. The effect of different dilution solution on the test result of NOxin the toxic gas [J]. Explosive Materials, 2005, 34610- 12. [9] 高贫,刘大斌. 多孔粒状铵油炸药爆炸后有毒气体含 量测定[J]. 爆破器材,2008,3768-10. Gao Pin, Liu Dabin. Measurement of the toxic gases pro- duced by ANFO[J]. Explosive Materials, 2008, 376 8-10. [10] 庄金钊,关军,李双群,等. 切缝药包爆破炮烟的有毒 气体分析[J]. 煤,2001116-18. Zhuang Jinzhao, Guan Jun, Li Shuangqun, et al. Analysis of noxious gas after cut-crack explosive package demditing [J]. Coal, 2001116-18. [11] 吴维勤, 李建湘, 倪欧琪,等. GB180982000 工业 炸药爆炸后有毒气体含量的测定[S]. 北京 中国标 准出版社, 2000. [12] 黄寅生. 炸药理论[M]. 南京南京理工大学,2001. [13] 章文义,朱顺官,王志敏,等. 防爆硝酸铵抗爆性能检 测用标准雷管研究[J]. 爆炸与冲击,2007,274 375-379. Zhang Wenyi, Zhu Shunguan, Wang Zhimin, et al. Re- search on standard detonator for testing of non-explosive AN [J]. Explosion and Shock Waves,2007,27 4 375-379. [14] 刘自铴,蒋荣光. 工业火工品[M]. 北京兵器工业出 版社,2003. Factors Affecting the Measurement of Toxic Gases Produced by Industrial Explosives GAO Pin①②, PAN Feng①② ①School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and TechnologyJiangsu Nanjing,210094 ②National Quality Supervision and Inspection Center for Industrial Explosive MaterialsJiangsu Nanjing,210094 [ABSTRACT] This paper discusses the effects of various factorson the measured contents of toxic gases produced from the explosion of industrial explosives. In experiments, it was observed that the cannon expanding degree has obvious effect on the measured results. With the increase of the expanding degree, the contents of toxic gases increase obviously. When the expanding degrees are 37% and 95%, the increments in the toxic gases in comparison with that of the new cannon are 24. 5% and 29. 2%, respectively. Different kinds of detonators do not have visible effects on the results of high sensitive explosives, while do significantly affect the results of the low sensitive explosives. The toxic gases produced by the military detonators are the least, and that produced by the mining detonator are the most, and in addition, the increments for the expanded nitramine explosive 23. 0% are bigger than that for the powdery emulsion explosive 10. 8%. The mass of quartz sand alsohas obvious effects on the test results. When the contents of the quartz sand are enough to cover the explosive roll completely, increasing the mass of quartz sand within certain limits leads to the increase in the contents of toxic gases. When the expanding degree of the cannon is very big, increase in the mass of quartz sand to cover the gun muzzle tightly will lead to the decrease in toxic gases. [KEY WORDS] industrial explosive; toxic gas; cannon expanding; quartz sand;detonator 43 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 43 卷第 6 期