煤矿许用电雷管药剂爆温的理论计算与分析.pdf

2 0 1 2 年2 月 煤矿许用电雷管药剂爆温的理论计算与分析刘丽梅等 煤矿许用电雷管药剂爆温的理论计算与分析’ 刘丽梅①夏建才①刘 永⑦ ①云南国防工业职业技术学院 云南昆明，6 5 0 2 2 3 ②中国兵器工业规划研究院 北京，1 0 0 0 5 3 【摘要] 运用B w 法确定煤矿许用电雷管药剂的爆炸反应方程式，用盖斯定律计算定容爆热，用加权法计算 爆炸产物的摩尔定容热容，研究计算得出采用冰晶石作消焰剂的煤矿许用电雷管药剂常见配方的爆热、爆温数据。 并对计算结果进行了分析与讨论。计算结果显示随着冰晶石含量的增加，煤矿许用电雷管药剂的爆热、爆温分别 呈现下降趋势。 [ 关键词] 煤矿许用电雷管药剂爆温冰晶石消焰剂 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 I 邳6 5 3 众所周知，使用瓦斯安全性合格的煤矿许用雷 管进行煤矿井下爆破作业，是预防瓦斯爆炸事故的 重要安全生产措施之一。目前，各火工品生产企业 普遍在一、二道猛炸药装药中加入适量消焰剂。确保 雷管爆炸时不会引起瓦斯爆炸。对于煤矿许用炸药 而言，通常加入的消焰剂是金属卤化物，例如N a C I 或者K C I ，煤矿许用雷管中采用的消焰剂通常是 K C I 。当采用K C I 作消焰剂时，在雷管中的加入量 一般不少于1 5 ％，且K C I 具有吸湿性，不利于药量 控制以及长期储存，同时对金属壳及生产设备有腐 蚀作用J 。前苏联专家曾对碱金属氧化物、氯化 物、氟化物、碳酸氢钠、硼砂、硫酸钠等物质的消焰效 果进行研究对比，结果发现氟化物的效果最好【2J 。 杨祖一等人对氟化镁、氟化铵、氟化钾、氟铝酸钠等 氟化盐作煤矿许用电雷管消焰剂进行研究，结果表 明氟化盐具有吸湿性小、流散性好、机械感度适宜、 不腐蚀壳体、对工装设备也无明显腐蚀等优点⋯。 近几年煤矿许用电雷管装药中常采用冰晶石作 消焰剂，经大量煤矿使用证明冰晶石消焰效果较好。 但对采用冰晶石作消焰剂的装药药剂爆温情况的研 究不多，有关采用冰晶石作消焰剂后药剂爆温值的 理论计算以及分析至今未见报道。为了更好地表征 冰晶石用作消焰剂的消焰效果，也为进一步优化配 方设计提供依据，本文对加入冰晶石作消焰剂后煤 矿许用雷管装药药剂的爆温进行计算，并对计算结 果进行讨论。 l 炸药爆温理论计算依据 1 ．1 炸药爆炸反应方程式的确定 炸药热化学参数的计算需要确定爆炸反应方程 式，本文采用经典的B W B r i n k l e y ．W i l s o n 法建立 煤矿许用电雷管药剂的爆炸反应方程式。 1 ．2 炸药爆热的计算 根据爆炸反应方程式，依据盖斯定律，利用炸药 各组分和爆炸产物在2 9 8 K 下的定容生成热数据， 计算炸药的定容爆热 Q ， Q 邺一Q n ．2 1 式中Q ，为炸药的定容爆热；Q 为炸药爆炸产物 的定容生成热之和；Q n ．为炸药各组分的定容生成 热之和。 1 ．3 炸药爆温的计算‘“ 1 爆温是指炸药爆炸瞬间所放出的能量将爆炸产 物加热到的最高温度，它是炸药的重要性能示性数 之一。利用炸药定容爆热和爆炸产物的平均定容热 容C ， A B t 数据，计算出爆炸产物能够达到的最 高温度，即为理论爆温。爆温的计算公式如下“ 】 I - A v ／A 2 ‘ i 4 B Q vx 一1 0 0 0 2 ‘2 ■再f 一 Lz ， 瓦 I 7 “ o 3 式中Q ，为炸药的定容爆热，J ／k g ；瓦为炸药的初 温，取2 9 8 K ；瓦为炸药的爆温，K ；t 为爆炸产物从％ 到瓦的温度间隔，℃；C ，为爆轰产物温度由O 。C 到 t ℃范围内的平均摩尔定容热容，J ／ t o o l K 。 一般认为平均摩尔定容热容与温度的关系为直 线关系C ， A B t ，其中A 、B 分别为 A ∑ 口。；日 ∑n i b ‘ 4 式中／“ t i 为各爆炸产物的物质的量。 收稿日期2 0 1 1 - 0 9 - 2 9 作者简介刘丽梅 1 9 6 4 一 ，女，硕士，副教授．从事爆炸理沦及其民爆器材生产技术等方面的教学与研究。E - m a i l l l m j j c s i n a ．咖 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 l 卷第1 期 2 计算过程及结果讨论 2 ．1 炸药爆炸反应方程式的确定 冰晶石分子式为N a 3 A l F 6 ，或写为3 N a F A I F 3 ， 是氟化钠与氟化铝的复盐，称为六氟铝酸钠。采用 钝化R D X 与冰晶石混合制得的煤矿许用电雷管药 剂的常见配方见表I 。 表1 煤矿许用电雷管药剂的配方 煤矿许用电雷管药剂中N a ，A l F 6 作为消焰剂， R D X 作为猛炸药，石蜡与聚醋酸乙烯脂作为钝感 剂。其中聚醋酸乙烯脂的聚合量为8 0 0 0 0 ～9 0 0 0 0 ， 为了简化计算，聚醋酸乙烯脂用醋酸乙烯脂代替。 由此可见，该药剂主要由C 、H 、0 、N 、N a 、A I 和F 7 种 元素构成‘5 母】。 取lk g 炸药为计算基准，根据表l 所列配方写 出以上3 种炸药中各组分物质的量、千克实验式，并 根据B w 法则建立这3 种煤矿许用电雷管药剂的 爆炸反应方程式 配方1 C 1 4 ．5 6 9 I H 勰．，9 盯0 2 4 ．2 l 2 N 2 3 ．5 1 3 5 O ．3 8 1 0 N a 3 A I F 6 1 4 ．2 9 9 3 H 2 0 9 ．9 1 1 9 C O 4 ．6 5 7 5 C 1 1 ．7 5 6 8 N 2 0 ．3 8 1 0 N a ，A 1 1 7 6 5 配方2 C 1 4 ．0 2 静H 2 7 ．5 1 7 60 1 3 ．1 3 1 lN 忿．4 3 拼 O ．5 7 1 4 N a 3 A l F 6 1 3 ．7 5 8 8 H ，O 9 ．3 7 1 3 C O 4 ．6 5 7 6 C 1 1 ．2 1 6 2 N 2 0 ．5 7 1 4 N a 3 A 1 F 6 6 配方3 C 1 3 ．螂H 拍．伽O “．哪N 2 缁 O ．7 6 1 9 N a 3 A 1 F 6 _ 1 3 ．2 1 8 2 H ，O 8 ．8 3 0 8 C O 4 ．6 5 7 5 C 1 0 ．6 7 5 7 N 2 0 ．7 6 1 9 N a 3 A 氓 7 2 ．2 爆热的计算 应用盖斯定律，根据炸药爆炸反应方程式以及 各种反应物、产物的定容生成热数据“ J ，用式 1 计 算各炸药2 9 8K 时的定容爆热数据，计算结果见 表2 。 假设煤矿许用电雷管药剂爆炸过程中，爆温 超过N a ，A l F 6 的相变温度，且N a 。A I F 61 0 0 ％发生相变， 因此实际用于使爆炸产物升温的热量需要扣除 表2 煤矿许用电雷管药剂的定容爆热计算结果 l 【J l 【g 以 N a ，A l F 6 的相变热口 N a 3 A I F 6 ，即Q Q y Q N a 3 灿F 6 。N a 3 灿F 6 的熔点为1 0 4 0 。Cn 0 1 ，熔化热 为一6 8 ．5 8k J ／m o l t l 0 1 。 分析表2 可以看出，配方l 药剂爆热最高，配方 3 药剂的爆热最低。 2 ．3 定容热容和爆温的计算 根据炸药爆炸反应方程式以及各种反应物、产 物的摩尔平均定容热容数据“ 】，利用式 4 计算炸 药爆炸产物的平均定容热容值，其中N a 3 A I F 6 比热 容数据为1 ．0 5 6J ／ g ℃ 。 根据炸药爆炸产物的平均定容热容计算结果， 结合表2 的数据，根据式 2 、 3 计算出煤矿许用 电雷管药剂的爆温，其中爆热数据取绝对值，计算结 果见表3 。 表3 煤矿许用电雷管药剂爆炸产物的 平均定容热容和爆温计算值 注N a 3 m F 6 比热容数据为1 8 一l O O 。C 范围的数据。 从表3 可以看出，配方l 药剂爆温最高，配方3 药剂最低。三种配方药剂的爆温均在3 1 0 0 ℃以上， 远高于N a ，m F 6 的沸点1 0 4 0 。C ，说明此前的假设正 确。 从表3 数据可知。随着炸药中N a 3 A I F 6 含量的 增加，炸药的爆温呈降低趋势。 2 ．4 关于N a 3 A I F 6 对炸药爆温影响的讨论 根据热力学计算分析，假如药剂的爆温高于消 焰剂N a ，A l F 6 的熔点，则计算药剂爆温时应该考虑 N a ，A I F 。的相变。笔者查阅到了很多有关炸药爆温 计算方面的文章，大多没有考虑消焰剂的相变热，即 直接用Q ，代入计算。考虑到由于爆炸反应的高速 度，加之现有测试技术无法测知炸药爆炸瞬间究竟 有多少消焰剂发生了相变，因此为了简化计算通常 不考虑消焰剂的相变。本文假设N a 。A I F 6 1 0 0 ％发 生了相变，因此用Q 代人计算，这样有可能使计算 结果比实际爆温数值偏低。假如用Q ，代人计算， 万方数据 2 0 1 2 年2 月煤矿许用电雷管药剂爆温的理论计算与分析刘丽梅等 3 则计算出配方l 的爆温为3 6 4 8 K ，与用Q 计算出的 结果3 6 3 5 K 的偏差为 0 ．3 6 ％；计算出配方2 的爆 温为3 5 6 3 K ，与前述计算结果3 5 4 3 K 的偏差为 O ．5 6 ％；计算出配方3 的爆温为3 4 7 3 K ，与前述计 算结果3 4 4 5 K 的偏差为 O ．8 l ％。因此对于炸药 爆炸瞬间究竟有多少消焰剂发生了相变还有待进一 步深入研究。 分析表2 、表3 数据可知，随着炸药中N a ，灿F 6 含量的增加，炸药的爆热、爆温均呈降低趋势。这是 因为 1 在炸药爆炸反应中，N a ，A l F 6 作为惰性介质 稀释了单位质量炸药的爆炸能量，即降低了炸药的 能量密度； 2 由于N a ，A l F 6 具有很高的热容量，同时在爆 炸产物的升温过程中经历了相变，使得N a 3 m F 6 在 炸药爆炸反应中吸收大量的热能，因而显著减低了 炸药的爆热； 3 N a 3 A I F 6 作为一种消焰剂，减少了灼热固体 颗粒数量，使可燃气尘点火的可能性大大下降； 4 N a 3 A I F 6 作为碱金属的卤化物，是瓦斯燃烧 分解反应最有效的化学阻化剂，破坏或阻止了甲烷 或煤尘的燃烧反应，产生了负催化效应⋯，且对炸 药的爆炸能量消耗较小【1 1 1 。 3 结论 1 计算表明煤矿许用电雷管药剂配方1 R D X N a 3 A I F 6 8 7 8 药剂爆热为- 4 8 3 5 ．8 9k J ／k g ，爆 温为3 6 3 5K ；配方2 R D X N a 3 A I F 6 8 3 1 2 药剂 的爆热为一4 6 2 8 ．9 5k J ／k g ，爆温为3 5 4 3K ；配方3 R D X N a 3 A 1 F 6 7 9 1 6 药剂的爆热为一4 4 2 2 ．0 0 彬k g ，爆温为3 4 4 5K 。 2 由于消焰剂N a ，A I F 。的加入，使得煤矿许用 电雷管药剂的爆热、爆温值均呈现下降趋势，且随着 N a ，A 氓含量的增加。其爆热、爆温值均进一步降 低。 3 对于炸药爆炸瞬间消焰剂的相变情况需要 进一步开展研究。 参考文献 [ 1 ] 杨祖一，刘风华．氟化盐作煤矿许用雷管消焰剂的研 究[ J ] ．爆破器材，1 9 9 3 ，2 2 1 1 7 - 2 1 ． [ 2 ]云庆夏．国外矿用工业炸药[ M 】．北京冶金工业出 版社，1 9 7 5 ． [ 3 ]陆明．工业炸药配方设计[ M ] ．北京北京理工大学 出版社，2 0 0 2 7 7 - 1 0 4 ． [ 4 ] 庄宝元，徐士明．炸药总论[ M ] ．北京国防工业出版 社，1 9 7 9 3 2 - 3 5 ． [ 5 ] 北京工业学院八系爆炸及其作用 编写组．爆炸及 其作用[ M ] ．北京国防工业出版社，1 9 7 9 7 7 - 8 5 ． [ 6 ] 刘丽梅，倪欧琪，刘永，等．粉状乳化炸药爆温的理论 计算[ J ] ．爆破器材，2 0 1 0 ，3 9 4 l - 4 ． [ 7 ] 黄文尧，侯传仪，吴国群．氯化钾对煤矿乳化炸药爆温 影响的理论计算[ J ] ．煤矿爆破，2 0 0 8 3 1 - 3 ． [ 8 ] 吴国群。黄文尧，王晓光，等．二级煤矿许用乳化炸药 爆轰参数的理论计算[ J ] ．安徽理工大学学报，2 0 0 7 ， 2 8 1 7 8 - 8 0 ． [ 9 】陆明，吕春绪．几种粉状工业炸药的热化学计算与分 析[ J ] ．爆破器材，1 9 9 9 ，2 7 4 1 - 5 ． [ 1 0 ] 刘光启，马连湘，刘杰．化学化工物性数据手册 无机 卷 [ M ] ．北京化学工业出版社，2 0 0 6 4 3 8 ，4 4 9 ． [ 1 1 ] 郭磊．氯化钾对煤矿水胶炸药性能参数的影响[ J ] ． 煤矿爆破。2 0 0 9 3 1 4 1 7 ． T h e o r e t i c a lC a l c u l a t i o na n dA n a l y s i sf o rt h eE x p l o s i o nT e m p e r a t u r eo f C o m p o s i t i o ni nP e r m i s s i b l eE l e c t r i cD e t o n a t o r L I UL i m e i ①．X I AJ i a n e a i ①，L I UY o n g o ①Y 蝴V o c a t i o n a l ＆T e c h n i c a lC o l l e g eo fN a t i o n a lD e f e n s eI n d u s t r y Y u r m a nK u n m i n g ，6 5 0 2 2 3 ②孔岫a n dR e s e a r c hI n s t i t u t eo fN O R I N C OG R O U P B e i j i n g ，1 0 0 0 5 3 [ A B S T R A C T ] B a s e do n 卜Wr u l et h ee x p l o s i o nr e a c t i o ne q u a t i o no fc o m p o s i t i o ni np e r m i s s i b l ee l e c t r i cd e t o n a t o r 删 e s t a b l i s h e d ，t h ec o n s t a n tv o l u m ee x p l o s i o nh e a to fc o m p o s i t i o ni np e r m i s s i b l ee l e c t r i cd e t o n a t o rw a sc a l c u l a t e db a s e do n H e s sl a w ，a n ds p e c i f i ch e a tc a p a c i t y S H C 0 fe x p l o s i o np r o d u c t sw e 陀c a l c u l a t e dw i t ht h em e t h o do fw e i g h t e da v e r a g e s ． T h ec o n s t a n tv d u m ee x p l o s i o nh e a ta n de x p l o s i o nt e m p e r a t u r ew e r ec a l c u l a t e df o rt h ec o m p o s i t i o ni np e r m i s s i b l ee l e c t r i c d e t o n a t o rw h i c hc o n t a i ns o d i u ma l u m i n u mf l u o r i d e ∞f l a m e - d e p r e s s a n t ．C a l c u l 8 t i 伽r e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p l o s i o nh e a ta n d e x p l o s i o nt e m p e r a t u r eo fc o m p o s i t i o ni np e r m i s s i b l ed e e t r i cd e t o n a t o rr e s p e c t i v e l yd e c r e a s e 鹊t h ec o n t e n to fs o d i n ma l u m l n n mf l u o r i d ei n c m a s e d ． [ K E YW O R D S ] c o m p o s i t i o ni np e r m i s s i b l ee l e c t r i cd e t o n a t o r ，e x p l o s i o nt e m p e r a t u r e ，s o d i u ma l u m i n u mf l u o r i d e ，f l a m e - d e p r e s s a n t 万方数据