硫化矿防自燃现场混装乳化炸药的研究.pdf

doi 10 ． 3969／j ． issn ． 1001‐8352 ． 2013 ． 06 ． 002 硫化矿防自燃现场混装乳化炸药的研究 倡 杜华善 ① 徐秀焕 ① 杨敏会 ① 朱海波 ② 代泽军 ② ① 葛洲坝易普力股份有限公司（重庆 ， ４０１１２１） ② 葛洲坝易普力股份有限公司呼伦贝尔分公司（内蒙古呼伦贝尔 ， ０２１４９９） ［摘 要］ 根据硫化矿爆破中孔内炸药自燃机理 ， 采用在水相中添加化学抑制剂 、 油相中添加高韧性材料 、 增加乳 胶粒子油膜强度 、 提高隔离效果的化学物理方法 ， 研制了防自燃混装乳化炸药 。 质量分数为 １ ． ５％ ～ ３ ． ５％ 添加剂 １ ＃ 和 ０ ～ １ ． ５％ 矿物油的防自燃混装乳化炸药在 ９５ ℃ 下与硫化矿粉接触而不发生反应 ， 表现出了良好的相容性 。 提高了混装乳化炸药在硫化矿爆破应用中的安全性 。 ［关键词］ 硫化矿 自燃自爆 现场混装乳化炸药 油膜强度 化学抑制剂 ［分类号］ TQ５６４ ． ４ TD２３５ ． ２ ＋ １ 引言 混装乳化炸药在含硫金属矿深孔爆破作业中 ， 有时会发生自燃 ， 对温度较高的车上制乳混装乳化 炸药而言这一危险性更大 。 公司在新疆富蕴蒙库铁 矿及内蒙古乌努格土山铜钼矿爆破作业中曾出现过 个别装药孔冒汽 、 冒烟现象 。 在炸药配方中添加碱性抑制剂一定程度上可以 抑制这一现象的发生 ［１］ ， 但适用的抑制剂多为负氧 有机物 ， 过多的添加会导致炸药氧平衡偏负 ， 降低炸 药的爆破效果 。 为实现既能抑制炸药自燃 ， 又不显 著降低炸药爆破效果 ， ２０１２ 年公司立项进行了“硫 化矿防自燃混装乳化炸药的研制”的工作 。 通过提 高炸药的稳定性 ， 降低了抑制剂的加入量 ， 达到了研 究预期目的 。 1 炸药自燃自爆机理 硫化矿炮孔中硝铵类炸药发生自燃自爆的条件 及机理 ［２］ ， 比较一致的观点认为 在潮湿的环境中 ， 硫化矿被氧化 ， 其生成物又与硫化矿作用 ， 生成的硫 酸与炸药中的硝酸铵反应 ， 生成的硝酸再与硫化矿 反应 。 此系列反应过程产生大量的热 ， 若热量大量 积累 ， 就使得炸药自燃甚至爆炸 。 其化学反应的历 程可简单描述为 ２FeS２＋ ７O２＋ ２H２O ２FeSO４＋ ２H２SO４＋ ２ ． ５７４ １０ ６ J ；（１） １２FeSO４＋ ６H２O ＋ ３O２ ４Fe（OH）３＋ ４Fe２（SO４）３；（２） FeS２＋ Fe２（SO４）３＋ ２H２O ＋ ３O２ ３FeSO４＋ ２H２SO４；（３） ２NH４NO３＋ H２SO４ （NH４）２SO４＋ ２HNO３－１ ． ５９ １０ ４ J ；（４） ２FeS２＋ ８HNO３ Fe２（SO４）３＋ ８NO ＋ ４H２O ＋ S ＋ １ ． ４０６ １０ ６ J ； （５） S ＋ ２HNO３H２SO４＋ ２NO ＋ ２ ． ８３８ １０ ５ J 。 （６） 2 研制途径 硫化矿防自燃炸药国内外已有研究 ［３‐４］ ， 早期主 要采用隔离炸药组分硝酸铵与硫化矿或其它活性物 接触的物理方式 ； 随着研究的深入 ， 也采用了在炸药 中添加抑制放热反应的组分的化学方式 。 就混装乳 化炸药粒子微观结构而言 ， 研制途径可以采用物理 隔离与化学抑制相结合的方法 ， 即采用成膜更韧的 油相材料提高乳化炸药粒子油膜强度 ， 加强隔离效 果 ； 又在水相材料中添加高效抑制剂阻断炸药与矿 石成分的放热反应 。 3 试验部分 ［5‐7］ 3 ． 1 接触试验 称取适量硫化矿粉（乌努格土山铜钼矿）、 乳化 炸药于试管中 ，加少量水混合均匀 。 将热电阻 （WZPK１‐０００FG）插入试管的试样中 ， 联接数据记 录系统（WP‐R８０A‐０１‐００４‐００８１A）后 ， 将试管放入 已达设定温度的恒温水浴 。 记录系统记录试管中试 样的时间 温度值 ， 观察试样的状态及温度变化情 况 ， 适时终止试验 。 接触试验示意如图 １ 所示 。 ９２２０１４ 年 ２ 月 硫化矿防自燃现场混装乳化炸药的研究 杜华善等 倡收稿日期 ２０１３‐０６‐０４ 作者简介 杜华善（１９５９ ～ ） ， 男 ， 研究员 ， 研究方向 工业炸药生产 。 E‐mail dyyjs２００７＠ sohu ． com 图 １ 接触试验示意图 Fig ． １ Schematic diagram of the contact test 3 ． 2 判定条件 ［8‐9］ 不同试样结束接触试验时其状态各不相同（图 ２） ， 试样温度随时间的变化也各异（图 ３） ， 根据试样 状态及温度变化 ， 结合观察现象判断试样与硫化矿 的反应程度 ， 判定条件见表 １ 。 （a） （b） （c） （d） （a）激烈反应 ； （b）反应 ； （c）轻微反应 ； （d）不反应 图 ２ 接触试验样品状态 Fig ． ２ State of the samples in contact test （a） （b） （c） （d） （e） （a）、（b）激烈反应 ； （c）反应 ； （d）轻微反应 ； （e）不反应 图 ３ 接触试验温度 时间曲线 Fig ． ３ Curves of temperature and time in contact test 表 １ 判定条件 Tab ． １ Determination conditions 反应程度激烈反应反应轻微反应不反应 颜色特征 试样全部 呈黄色 试样部分 呈黄色 试管壁 显黄色 试样颜色 无变化 烟雾 很浓褐黄 色烟雾 较少褐黄 色烟雾 很少黄 色烟雾 无烟雾 气味 很刺鼻 气味 有刺鼻 气味 有气味无气味 曲线特征 有明显 放热峰 一段时间接 近或超过 恒温温度 接近恒 温温度 在恒温线 以下 3 ． 3 炸药组成调整及试验结果分析 按研制途径设计路线 ， 以现有混装乳化炸药配 ０３ 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 ４３ 卷第 １ 期 方为基础 ， 根据油相材料的黏度特性及与乳化剂的 配伍性 ， 调整种类及用量 ， 加强隔离防护效果 ； 以在 水中可溶且不与其它组分发生反应为原则 ， 选择添 加剂作为化学反应抑制剂 ， 并遵从炸药零氧平衡的 原则设计炸药配方 。 采用配方设计 乳化 敏化 接触试验程序进行试验 ， 不同品种 、 不同质量分数水 相添加剂及不同油相材料对接触试验的影响情况如 表 ２ 、 表 ３ 、 表 ４ 所示 ， 按零氧平衡原则优化后的配方 接触性试验情况如表 ５ 所示 。 从试验结果看 ， 通过改变油相组成加强了油膜 强度 ， 对炸药与硫化矿的反应产生了一定的抑制作 表 ２ 添加剂 １ ＃ 的质量分数对接触试验的影响 Tab ． ２ Effect of the mass fraction of additive １ to contact test 编 号 组成 硝酸 铵／g 水／ g 添加 剂 １ ＃ ／g 柴 油／g Span ８０／g 接触试验 结果 １耨７８７ １５８ ０ ４０c１５┅６０ ℃ 激烈反应 ２耨７７５ １６０ ５ ４５c１５┅６０ ℃ 激烈反应 ３耨７７０ １６０ １０5４５c１５┅６０ ℃ 反应 ４耨７６０ １６０ ２０5４５c１５┅６０ ℃ 不反应 ５耨 ７６０ ７６０ ７６０ １６０ １６０ １６０ ３０ ３０ ３０5 ３５ ３５ ３５c １５ １５ １５┅ ６０ ℃ 不反应 ８０ ℃ 不反应 ９５ ℃ 激烈反应 表 ３ 添加剂 ２ ＃ 质量分数对接触试验的影响 Tab ． ３ Effect of the mass fraction of additive ２ to contact test 编号 组成 硝酸 铵／g 水／ g 添加 剂 ２ ＃ ／g 柴 油／g Span ８０／g 接触试验 结果 ６７６０洓１６０缮２０�４５１５儍６０ ℃ 反应 ７７５０洓１６０缮３０�４５１５儍６０ ℃ 反应 用 。 但就现有混装乳化炸药制备系统来说 ， 适当控 制黏度较大的油相材料加入量 ， 避免乳化基质黏度 过大给制药及输送系统增加负荷是有必要的 ； 在水 相中加入添加剂 ， 对炸药与硫化矿的反应有较好的 抑制作用 ， 需注意的是添加剂为碱性有机物 ， 虽能很 好溶于水且与其它组分相容 ， 但此类物质多为负氧 平衡化合物 ， 添加量过大会使炸药整体的氧平衡偏 负 ， 影响炸药的爆炸性能 。 试验中通过适当添加硝 酸钠调节炸药的氧平衡 ， 既可降低水相溶液析晶点 ， 也有利于提高炸药的稳定性 。 综合各种影响因素 ， 初步确定硫化矿防自燃现场混装乳化炸药配方如表 ６ 所示 ， 测试参数见表 ７ 。 4 工业爆破试验 4 ． 1 爆破现场简介 工业爆破试验分别在内蒙古乌努格吐山铜钼矿 表 ４ 油相组成调整及接触试验判定 Tab ． ４ Adjustment of the compositions of oil phase and judgment of contact test 编号 组成 硝酸铵／g水／g 添加剂 １ ＃ ／g 柴油／g 矿物油 A／gSpan８０／g 接触试验结果 ８N７７０d１６０c２０L３５z‐１５a６０ ℃ 反应 ９N７７０d１６０c２０L３８z‐１２a６０ ℃ 反应 １０e７７０d１６０c２０L３０z５憫１５a６０ ℃ 轻微反应 １１e７７０d１６０c２０L２５z１０１５a８５ ℃ 轻微反应 表 ５ 组成氧平衡调整及接触试验判定 Tab ． ５ Adjustment of oxygen balance of compositions and judgment of contact test 编号 组成 硝酸铵／g水／g 硝酸钠／g添加剂 １ ＃ ／g 柴油／g Span８０／g 接触试验判定 １２e７２８M１５１ ４７刎１９c４４铑１１y６０ ℃ 不反应 １３e７１８M１５１ ４７刎２９c４４铑１１y９５ ℃ 不反应 表 ６ 防自燃现场混装乳化炸药基本配方 Tab ． ６ Basic ula of the anti‐spontaneous combustion site mixed emulsion explosive ％ 组分硝酸铵硝酸钠添加剂 １ ＃ 水柴油矿物油乳化剂 质量分数７０ ～ ７４┅３栽． ５ ～ ５ ． ５１ ． ５ ～ ３ ． ５１５ ～ １７y３觋． ５ ～ ４ ． ５０ ～ １． ５１ ． ０ ～ １ ． ５ １３２０１４ 年 ２ 月 硫化矿防自燃现场混装乳化炸药的研究 杜华善等 表 ７ 防自燃现场混装乳化炸药的测试参数 Tab ． ７ Testing parameters of the anti‐spontaneous combustion site mixed emulsion explosive 油相密度／（g cm － ３ ）水相密度／（g cm － ３ ）水相析晶点／℃水相 pH 值基质黏度（６２ ℃ ）／（Pa s） ０种． ８５ ～ ０ ． ８７１照． ３８ ～ １ ． ４０５５ ～ ５７４觋． ６ ～ ５ ． ０２０ ～ ３０祆 表 ８ 油相 、 水相制备与炸药装填试验检测数据 Tab ． ８ Data of preparation of oil phase and water phase and explosive loaded test 油相密度／ （g cm － ３ ） 水相密度／ （g cm － ３ ） 水相析晶点／ ℃ 水相 pH 值 炸药密度／（g cm － ３ ） １ min５ min１０ min 爆速／ （m s － １ ） ０烫． ８７１创． ３９５５适． ０５l． ０１儍． ３７１T． ２５１． ２０４５００栽 ０烫． ８８１创． ４０５４适． ５５l． １１儍． ３５１T． ２４１． １８４５００栽 ０烫． ８７１创． ４０５４适． ５５l． ０１儍． ３５１T． ２５１． １９４５００栽 ０烫． ８９１创． ３９５７适． ０４l． ６１儍． ３２１T． ２０１． １５４５００栽 ０烫． ８９１创． ３９６３适． ０４l． ２１儍． ２８１T． １６（原配方）４６００栽 表 ９ 爆破现场采集数据 Tab ． ９ Data collected from blasting site 爆破区炮孔／个测孔／个含硫质量分数／％矿样 pH 值装药量／t装药至起爆／h ▽ ８２５ 平台１２０刎１５览１５． ００３觋． ０ ～ ４ ． ６３２鲻． ０６哌． ０ ▽ ８１０‐０５８３ 平台４２亮２┅３． ４２４觋． ２ ～ ５ ． ４２９鲻． ０２哌． ５ ▽ ８１０‐０５６９ 平台４３亮１９览５． ６１４觋． １ ～ ５ ． ２３０鲻． ０２哌． ５ ▽ ２ ＃ １０５８ 平台６０亮－３． ００３T． ０１５鲻． ７５鼢． ０（试验配方） ▽ ２ ＃ １０５８ 平台６０亮－３． ００３T． ０１５鲻． ７５． ０（原配方） 和新疆富蕴蒙库铁矿进行 。 乌努格吐山铜钼矿由于 矿区中不均匀地分布有含硫矿体 ， 局部矿样硫质量 分数可达 １５％ 甚至更高 ， 在 ８２５ m 平台开采过程中 曾发生过炸药装入炮孔后 ， 孔口冒出黄烟现象 。 富 蕴蒙库铁矿西段由 ３３ 条规模不等的磁铁矿矿体组 成 ， 含硫量较高的部位主要分布在矿石与岩石的结 合部位 ， 曾连续发生炮孔内炸药冒烟（燃烧）现象 。 4 ． 2 制药装药起爆 爆破试验场所作业方式为 按照表 ６ 的配方 ， 地 面站制备水相溶液 、油相溶液 、敏化剂溶液储存 ； 计 量 、 泵送至混装车相应的料仓 ； 混装车制乳 、 敏化 、 装 药 ； 按设计堵塞炮孔 、 联网起爆 。 水相 、油相及制药 过程生产参数如表 ８ 所示 ， 爆破现场数据采集如表 ９ 所示 。 4 ． 3 爆破效果 在爆破现场 ， 已知较高含硫量的炮孔或测得矿 石水溶液 pH 值较小的炮孔最后装药 。 试验中从开 始装药到起爆过程中炮区没有发现冒黄烟 、自燃等 异常现象 。 炮区爆破效果（图 ４）良好 ， 沉降沟明显 ， 爆堆规整 ， 块度均匀 ， 大块率较低 。 在▽ ２ ＃ １０５８ 平 台试验区域 ， 原有混装乳化炸药和试验混装乳化炸 药同时进行爆破试验 ， 试验配方装药区域爆破大块 率更低 ， 破碎的效果更好（图 ５）。 图 ４ ▽ ８２５ 平台爆破效果 Fig ． ４ Blasting effect of ▽ ８２５ plat 图 ５ ▽ ２ ＃ １０５８ 平台爆破效果（左原配方 ， 右试验配方） Fig ． ５ Blasting effect of ▽ ２ ＃ １０５８ plat （the original recipe on left ，the test recipe on right） ２３ 爆 破 器 材 Explosive Materials 第 ４３ 卷第 １ 期 5 结论 从工业化生产及爆破效果看 ， 本课题研究的混 装乳化炸药的配方及工艺适用于现有地面站制备和 混装车生产 ， 乳化条件及输送压力没有改变 ， 无需额 外改动设备即可生产 。 爆破效果与现有混装乳化炸 药相当 ， 解决了含硫采矿现场混装炸药的爆破安全 问题 。 但试验也存在炸药敏化速度较原配方稍慢 ， 堵塞炮孔时间需作适当延时的不足 ， 尚有待今后进 一步完善解决 。 参 考 文 献 ［１］ 余习敏 ． 高硫高温矿用防自爆炸药的研制［J］ ． 爆破器 材 ， １９９５ ， ２４（６） １１‐１４ ． Yu Ximin ．A research of anti‐autoignition explosive for high‐sulfur and high‐temperature ore mining ［J］ ．Ex‐ plosive Materials ， １９９５ ， ２４（６） １１‐１４ ． ［２］ 聂森林 ， 周叔良 ． 硫化矿条件下硝酸铵基炸药的自燃自 爆及其化学抑制 ［J］ ． 长沙矿山研究院季刊 ， １９８３ ， ３ （２） ４５‐５１ ． Nie Senlin ， Zhou Shuliang ．The spontaneous combus‐ tion and explosion of an‐based explosives under sul‐ phidic mineral conditions and the inhibiting it chemically［J］ ． Quarterly of CIMR ， １９８３ ， ３（２） ４５‐５１ ． ［３］ Cranney D H ， Maxfield B T ． Emulsion that is compati‐ ble with reactive sulfide／pyrite 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２００５ ， １１（３） １９‐２２ ． Chen Shouru ，Xie Shengquan ．Study on a new criteria and treatment s of auto‐ignition explosive in sulphide ore blasting［J］ ． Engineering Blasting ， ２００５ ， １１ （３） １９‐２２ ． Study on Anti‐Spontaneous Combustion Site Mixed Emulsion Explosives Used in Sulphide Ore DU Huashan ① ，XU Xiuhuan ① ，YANG Minhui①，ZHU Haibo ② ，DAI Zejun ② ① Gezhouba Explosive Co ． ，Ltd ．（Chongqing ，４０１１２１） ② Hulun Buir Branch ，Gezhouba Explosive Co ． ，Ltd ．（Inner Mongolia Hulun Buir ，０２１４９９） ［ABSTRACT］ According to the spontaneous combustion mechanism of explosive used in sulphide ore ，chemical and physical s were developed such as the addition of the chemical inhibitor in aqueous phase solution and the high toughness material in oil phase ．The oil film strength of latex particles and the isolation effects between the mixed emulsion explosive and the sulfide minerals were improved ． Results show that anti － spontaneous combustion mixed emulsion explosive containing １ ． ５％ ～ ３ ． ５％ additive １ and ０ ～ １ ． ５％ mineral oil dose not react when it contact with sulphide ore at ９５ ℃ ，which exhibits better compatibility ．The security has been improved when the mixed e‐ mulsion explosive is used in the explosion of sulphide ore ． ［KEY WORDS］ sulphide ore ，spontaneous combustion and explosion ，site mixed emulsion explosives ，oil film strength ，chemical inhibitor ３３２０１４ 年 ２ 月 硫化矿防自燃现场混装乳化炸药的研究 杜华善等