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2 0 1 0 年1 0 月浅谈木粉在膨化硝铵炸药中的物理敏化作用谢圣艳等 浅谈木粉在膨化硝铵炸药中的物理敏化作用’ 谢圣艳高欣张洪文 四川雅化实业集团股份有限公司 四川雅安，6 2 5 0 0 0 【摘要] 文章通过分析和生产实践，提出木粉作为膨化硝铵炸药的一种组分，具有物理敏化的重要作用。木粉 可改善膨化硝铵炸药管道效应作用，并提出加强炸药管道效应的研究以及建立炸药管道效应检测标准的建议。 [ 关键词] 膨化硝铵炸药木粉物理敏化管道效应 【分类号] T D 2 3 5 ．2 1 引言 随着铵梯炸药的淘汰，膨化硝铵炸药和改性铵 油炸药已成为粉状硝铵炸药市场的主要品种。这些 炸药品种均以表面物理化学为理论基础，通过改善 硝铵抗结块和抗水表面性质，提高硝铵比表面积和 可燃剂间的渗透、接触均匀度，来提高炸药的爆轰反 应完全程度、能量利用率和炸药爆炸、贮存、使用性 能。 但实际使用中，普遍反映膨化硝铵炸药和改性 铵油炸药都存在感度偏低、管道效应敏感等问题。 在爆破实际应用中则表现为窜火、残孔、残药、爆破 效果不佳等，影响炸药爆轰效果和爆破作业的安全。 1 管道效应u 刮 当炮孔直径与药卷 包 直径之间的间隙值在 一定范围内时，其装药长度大于一定值时，常常会发 生爆轰的中断或爆轰转燃烧的现象，这种现象称为 管道效应。 由于管道效应的存在，常使炸药传爆到一定距 离后，爆轰中止或爆轰不稳定，致使不能充分利用炸 药爆炸能量来破碎岩石 或煤层 ，降低爆破效果。 爆破是我国煤矿采掘作业的重要手段，管道效应不 仅降低了爆破效果，而且在有瓦斯矿井中进行爆破 时，若炸药发生燃烧，还有引发事故的可能。同时， 未爆的残药还能带来其它危害，成为引发事故的潜 在隐患。 对于炸药爆炸时出现的管道效应现象，众多的 研究者均认为，炸药爆轰后在间隙中形成超前爆轰 波传播的空气冲击波，冲击波压缩前方未扰动的炸 药，使其直径减小、密度增大而导致爆速降低，严重 的产生爆轰中断或爆轰转变为燃烧。实验研究证 明，在孔壁与装药之间，存在超前于爆轰波阵面的高 压气流，其平均压力为1 0M P a ，高速气流带前沿的 传播速度比爆轰波速度 爆速 高5 0 0m ／s 。 国内外某些研究人员提出了种种假说，其中最 著名的是由爆轰流体力学理论得到的结论，认为炸 药在沟槽中爆轰时，产生爆炸产物飞散锥，这个锥体 对径向间隙的空气起一个斜向活塞作用，从而在间 隙中激起空气冲击波，它在间隙中的传播速度大于 爆轰速度，即超前于爆轰波传播，并冲击压缩炸药。 如果这种空气冲击波对炸药的压缩作用使炸药活 化，则炸药的爆轰能力增强，爆轰加速，若压缩作用 使炸药钝化，则爆轰波衰减或熄灭。 膨化硝铵炸药是在表面活性剂的作用下，硝酸 铵溶液通过真空膨化制得轻质、疏松、多孔的膨化硝 酸铵，颗粒内含有大量微孔，形成热点，使得硝酸铵 自敏化设计得以实现。但疏松、多孔的膨化硝酸铵 的机械强度比乳化炸药用的膨胀珍珠岩、玻璃微球 等脆弱得多，在外力作用下，容易受到破坏。因此膨 化硝铵炸药品种的管道效应表现明显，炮孔间隙中 的空气冲击波传播速度大于膨化硝铵炸药爆轰速 度，并冲击压缩炸药，压缩作用破坏了膨化硝酸铵的 微孔热点，造成炸药钝化。在中深孔小直径不耦合 装药爆破中，经常由于管道效应而造成爆轰方向末 端膨化硝铵炸药药卷压死成为残药。 2 木粉对膨化硝铵炸药的物理敏化作用 乳化炸药的物理敏化是把含有微小气泡的添加 物带入乳化基质主体中。目前所用添加物有膨胀珍 珠岩、玻璃微球、E x p a n c e I 高分子微球等，其作用在 于提高炸药的各种感度，通过在乳化基质中混入均 匀、分散的微小气泡，使其在受到外界起爆能的作用 下形成热点，进而激发炸药爆炸。类比乳化炸药中 膨胀珍珠岩、玻璃微球等的物理敏化特征，木粉作为 收稿日期2 0 1 0 - 0 4 - 2 8 作者简介谢圣艳 1 9 8 3 一 ，男，助理工程师，主要从事工业炸药技术和质量管理工作。E m a i l x i e e y 0 9 2 4 t o m ．c o i n 万方数据 1 6 爆破器材E x p l o s i v e M a t e r i a l s 第3 9 卷第5 期 膨化硝铵炸药的一种组分，在膨化硝酸铵自敏化的 基础上，对膨化硝铵炸药敏化体系能起到物理敏化 的重要作用。 2 ．1 膨化硝酸铵的自敏化 硝铵炸药的爆轰是一种非理想爆轰，在炸药爆 炸理论中，“热点”学说是一致公认和及其重要的， 它较好地解释了炸药在极少的外界能量作用下能够 爆炸的原因，指导了调整炸药安全性的途径和感度 设计。设法在硝酸铵颗粒中引人微气泡，同时使颗 粒歧形化、粗糙化，当受到外界能量激发作用时，这 些微气泡就可能形成高温、高压的“热点”，进而发 展成为爆炸，达到自敏化的目的。 2 ．2 木粉的主要特征p 1 木粉是木材加工制材时产生的木屑，具有孔隙 多、碳氢含量高、负氧平衡大、密度小等特点，其堆积 密度一般为0 ．1 7 一O ．2 4g ／c m 3 。干燥的木粉属于胶 体毛细管多孔体，且具有细胞的结构。因其来源广 泛、价格低廉、使用方便、安全性好以及用它制得的 粉状硝铵炸药爆炸性能优良而得到广泛应用。木粉 在膨化硝铵炸药中不仅是可燃剂，而且因其多孔隙、 疏松的结构特征，对膨化硝铵炸药体系有很好的敏 化作用，提高了体系的敏感性。 在实际生产过程中，木粉的孔径一般是介于粗 孔 m a c r o p o r e s 和微孔 m i c m p o r e s 之间，称之为中 孔或介孔 m e s o p o r e s ，孔径为 2 0 5 0 0 1 0 。1 0 m ， 且具有较窄的孔径分布，这与炸药爆炸的“热点”学 说中的理论是一致的，即只有热点尺寸相当小时，才 能出现相当高的温度，从而保证了膨化硝铵炸药具 有足够的起爆热点，提高了起爆感度并使爆轰波得 以稳定传播，也充分说明了木粉在粉状硝铵炸药中 的敏化作用。 木粉的材质、灰分、水分、细度等影响木粉微孔 “热点”的有效性，成为影响木粉对膨化硝铵炸药敏 化效果的重要因素。 2 ．3 木粉材质和灰分的影响H 1 膨化硝铵炸药对木粉的材质没有严格的要求， 一般以松柏科木材的木粉为好，松柏科的木粉蓬松 度很好，具有较大的比表面积和孔体积，在膨化硝铵 炸药中可起到良好的敏化作用。实际生产过程中使 用的木粉常含有谷糠壳、中纤板 含胶质 等杂质。 木粉的灰分大小反映了木粉中可燃物质的纯度，木 粉灰分越大，相应杂质越多，木粉的有效微孔数量减 少，生产出的膨化硝铵炸药爆炸性能就越低。谷糠 壳、中纤板 含胶质 等杂质灰分较高，且其密度较 大，无孔隙或孔隙被堵塞，且其粉碎后成粉末状，对 膨化硝铵炸药爆炸反应没有贡献，反而降低了膨化 硝铵炸药的爆炸性能。 木粉灰分的检测方法是称取已处理好的木粉试 样约3 ．0 0 0 0g ，精确到0 ．0 0 0 2g ，放入已称量过的坩 埚中。将坩埚置于高温炉内加热，使温度逐渐上升 到5 0 0 。C 左右，使其在此温度下燃烧完全 约3 5 h ，然后升温到8 0 0 ℃并关闭炉门灼烧至恒重，即 可测出木粉灰分大小。 用纯木粉、谷糠壳、中纤板分别做出不同灰分大 小的木粉，测出的结果及生产的膨化硝铵炸药爆炸 性能检测结果见表1 。 表1木粉的材质和灰分对膨化硝铵炸药 爆炸性能的影响 木粉种类嚣絮／。篓_ 1 寇辈，瓣 通过表l 中数据可知，谷糠壳、中纤板等灰分较 高，组织结构中无孔隙或孔隙被堵塞，相应制备的膨 化硝铵炸药爆炸性能较低，随着多孔隙、低灰分的纯 木粉加入，制备的膨化硝铵炸药爆炸性能有明显升 高。根据实验及生产实践，木粉灰分控制在≤4 ％可 以获得较好的爆炸性能。 2 ．4 木粉细度的影响p 声’ 木粉作为膨化硝铵炸药的重要组成部分，其细 度对炸药的性能影响很大。木粉细度越大，木粉中 有效微孔数量越多，木粉越能充分分散和渗透于氧 化剂颗粒之间，氧化剂颗粒与之接触的面积越大且 越紧密，两者之间的混合均匀度越好，越有利于爆炸 反应的顺利进行和爆轰波的传播。另外还能够较有 效地降低炸药的结块性，使炸药具有良好的爆炸性 能和贮存性能。因此，木粉的细度大小是影响炸药 爆炸性能的重要因素。 将普通纯木粉干燥后先过6 0 目筛，再过4 0 目 筛，然后过2 0 目筛，依次收集不同细度的木粉。通 过对不同细度的木粉、混合木粉 6 0 目占4 5 ．0 2 ％， 4 0 目占2 2 ．6 3 ％，2 0 目占3 2 ．3 5 ％ 按照膨化硝铵炸 药木粉油相 9 2 4 4 的配方，制备的膨化硝 铵炸药与 9 4 6 的膨化铵油炸药爆炸性能结果对 比见表2 。 万方数据 2 0 1 0 年1 0 月浅谈木粉在膨化硝铵炸药中的物理敏化作用谢圣艳等 1 7 表2 不同细度木粉对膨化硝铵炸药爆炸性能的影响 W J 9 0 2 6 - - 2 0 0 4 膨化硝铵炸药中，岩石膨化硝 铵炸药爆速≥3 ．2 1 0 3 m ／s ，殉爆距离4 e m 为合 格。通过表中数据可知，炸药的爆炸性能随木粉细 度的增大 6 0 目 4 0 目 2 0 目 而提高，用混合木 粉制备的炸药的爆速略小于4 0 目和6 0 目木粉制备 的炸药，而殉爆距离略高于二者。对于膨化铵油炸 药来说，其爆炸性能比用2 0 目木粉制备的炸药优， 但比用4 0 目、6 0 目和混合木粉制备的炸药差。混 合木粉具有一定的细度搭配，合理的细度搭配既可 以增加炸药各组分间的有效接触，增加接触面积和 紧密程度，也可以保证炸药优良的爆炸性能。因此 在膨化硝铵炸药生产中，并不采用单一细度的木粉， 而是采用不同细度搭配的混合木粉。生产过程中一 般要求木粉5 5 ％以上过6 0 目筛。 2 ．5 木粉水分的影响 木粉作为膨化硝铵炸药的重要组成部分，其水 分对炸药的性能影响很大。木粉水分较高时，其中 的水分会填充木粉中的微孔，同时部分破坏膨化硝 酸铵中的有效微孔，致使炸药中爆炸所需的“热点” 数量减少，降低了炸药的爆轰感度，不利于爆炸反应 的顺利进行和爆轰波的传播。 将不同水分的普通纯木粉，按照岩石膨化硝铵 炸药木粉油相 9 2 4 4 的配方制备的岩石 膨化硝铵炸药，日常积累数据对比见表3 。 表3 木粉水分对膨化硝铵炸药的爆炸性能的影响 通过表3 中数据可知，炸药的爆炸性能随着木 粉水分的增大而降低，木粉水分在2 ．5 ％以下时，炸 药爆速标准差较小，炸药爆炸性能比较稳定，在木粉 水分≥3 ．5 ％时，炸药爆速标准差较大。炸药爆炸性 能不稳定，甚至出现不合格。因此，木粉水分也是影 响炸药爆炸性能的重要因素。 有关科研人员在改性木粉的研究中M J ，通过对 木粉进行纸浆化处理，得到具有较大比表面积、扩展 表面积、累积孔面积和累积孔体积、孔容和吸附能力 的纤维状改性木粉，也体现了木粉对膨化硝铵炸药 体系的物理敏化作用。纤维状改性木粉对增加木粉 的比表面积和孔容最为显著，比表面积增加了4 倍 左右，孔容或总孔体积增加了4 倍左右，明显改进了 炸药的爆炸性能。 3 木粉可减少膨化硝铵炸药管道效应的影响 在中深孔小直径不耦合装药爆破中，炮孔间隙 中的空气冲击波传播速度大于膨化硝铵炸药爆轰速 度，并冲击压缩炸药，压缩作用破坏了膨化硝酸铵的 “微孔”热点。若膨化硝铵炸药中含有多孔隙、疏松 结构的高质量木粉，木粉“微孔”有一定强度和韧 性，相当于乳化炸药的物理敏化所用树脂高分子微 球，空气冲击波压缩木粉中“微孑L ”热点破坏作用较 弱，因此可以减少管道效应的影响。 4 建议 在目前国家大力推广中深孔爆破技术，而铵梯 炸药彻底淘汰的形势下，粉状硝铵炸药管道效应问 题严重影响了炸药爆轰效果和爆破作业安全，也限 制了中深孔和深孔爆破技术的应用和发展。 在中深孔爆破中，建议改进炸药包装药、增大装 药直径、加阻塞圈、雷管多点起爆、加导爆索助爆等 方法，减少管道效应的影响。但这些措施对于中深 孔爆破来说不易操作，根本的办法还是要保证工业 炸药本身的稳定爆轰性能。 建议有关部门组织专家，加强对炸药管道效应 相关课题的研究，将炸药管道效应相关性能纳入炸 药技术标准。另外组织研究制定炸药管道效应相关 的试验方法和检测标准。 参考文献 [ 1 ]宗琦，刘积铭．硝铵混合炸药内管道效应的初步探讨 [ J ] ．工程爆破，2 0 0 1 ，7 1 7 9 - 8 2 ． [ 2 ] 陈士海．炸药在真空下管道效应初探[ J ] ．山东矿业学 院学报，1 9 9 0 ，9 3 2 1 4 - 2 1 8 ． r 3 7吕春绪．膨化硝铵炸药自敏化理论[ M ] ．北京兵器 工业出版社。2 0 0 8 3 0 1 - 3 1 7 ． [ 4 ]谢圣艳，吴红波．影响膨化硝铵炸药质量的因素及控 制措施探讨[ J ] ．煤矿爆破，2 0 1 0 ，8 8 1 2 0 - 2 2 ． [ 5 ]周新利，刘祖亮，陆明，等．粉状硝铵炸药用木粉的比 表面积和孔径分布测定[ J ] ．爆破器材，2 0 0 2 ，3 1 3 1 ．3 ． [ 6 ]周新利，刘祖亮，吕春绪．改性木粉的制备及其对岩石 膨化硝铵炸药爆炸性能的影响[ J ] ．中国矿业，2 0 0 5 ， 4 1 4 5 9 - 6 1 ． 下转第1 9 页 万方数据 2 0 1 0 年1 0 月改性铵油炸药的工艺技术探讨雷新选 1 9 提高粉状炸药的爆炸性能u - 2 J 。 3 ．2 碾混工艺对炸药各组分混合度的影响 我公司的改性铵油炸药工艺技术是采用碾混机 混药方式。物料进入碾混机前，首先是粉碎改性后 的硝铵和油以喷射的形式进行混拌，在螺旋输送过 程中加入木粉 煤矿炸药再加入食盐 ，物料经顶层 进入碾混系统，落在随主轴一起转动的散料盘侧边 上，受离心力作用由圆周均匀散落在碾盘上，经刮料 板和碾混的共同作用，沿类似渐开线轨迹逐步向碾 盘中心落料口收敛，物料由落料口进到底层碾混系 统，经过再次碾压混合后出料。整体混合时间为3 5r a i n ，单层碾混为1 ．5 2 ．5m i n ，碾压过程碾盘 温度控制在1 0 0 ℃以下。物料从l 号碾混机至2 号 碾混机，正常出药细度在6 0 目筛通过8 0 ％。通过 以上的双层碾混机的作业方式可以看出，混药时药 物停留时间短，采用双层混药方式，混药效果好，集 “烘干、混合、碾压”于一体，使药粉出现“干、细、匀、 均”的良好状态，有利于提高炸药的各项性能。表2 为不同的药粉细度对炸药性能的影响。 4 结论 1 改性铵油炸药的工艺技术主要是高效粉碎 工序，它不同于一般的硝铵破碎。高效粉碎机集粉 碎、研磨功能于一体，有利于炸药表面“热点”的形 成。高效干燥升温工序利用干燥升温机的热面积对 表2 炸药爆炸性能测试 掺和改性剂的硝铵进行加热均匀改性，改性后的硝 铵在加入复合油相后进入1 。碾混机进行碾压混合， 加入木粉后进入2 ’碾混机，在降温晾药的同时充分 混合药粉，混合后的药粉表面呈现均匀“毛刺”状 态。有利于提高炸药性能。 2 高效粉碎碾混工艺的改性铵油炸药，硝铵 改性效果好，药粉微粉含量适中，复合油对硝铵的混 合彻底，两者结合状态呈“渗透”形，药粉密度控制 在0 ．9 5 ．1 ．0 5g ／c m 3 之间，有利于爆轰的形成，有 利于药粉爆炸性能的提高。 本文在写作过程中得到了深圳金奥博公司明刚 总经理的大力支持、南京理工大学朱啸宇教授的精 心指导，在此表示衷心的感谢 参考文献 [ 1 ]张贵良．蜡纸筒对有毒气体含量影响的探讨[ J ] ．爆破 器材。2 0 0 9 ，3 8 4 1 5 一1 7 ． [ 2 ] 黄寅生．炸药理论[ R ] ．南京2 0 0 1 1 3 7 1 4 0 ，1 9 3 1 9 4 ． D i s c u s s i o no nt h eM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g yo fM o d i f i e dA N F OE x p l o s i v e L E IX i n x u a n N a n y a n gS h e n w e iC i v i lE x p l o s i v e sC o ．，L t d ． H e n a nN a n y a n g ，4 7 4 3 6 4 [ A B S T R A C T ] I nt h ea c t u a lp r o d u c t i o np 撇，t h et e c h n o l o g yo fm o d i f i e dA N F Oe x p l o s i v ei st h ek e yf a c t o rt oa f f e c tt h e p e d o r m a n c eo fe x p l o s i v e ，w h i c ha r et h ec r u s h i n g ，m o d i f y i n ga n dm i l l i n g - m i x i n gm o d eo fa n m 3 0 n i an i t r a t e ．T h et e c h n o l o g y i na c t u a lp r o d u c t i o nt oi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fm o d i f i e dA N F Pe x p l o s i v ei sm 丑i n l ys t u d i e di nt h i sp a p e r ． 【K E YW O R D S ] m o d i f i e dA N F Oe x p l o s i v e ，m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，h i g hp e r f o r m a n c ed r y i n gh e a t e r ，m i l l i n g 一峨 m a c h i n e ，电的e o e o e ．0 e o 寺o ．争洲争o ．* 旧口o o 寺翻争啊争o ．如咱．o e o 寺制争州* 唁吣々a 争o ．争c 旧时尊。寺。一争啊争o ．争o ．争。．争o ．争o ．争o ．争州争争o ．* 呜岭寺o ．争o ．争州却旧- “缸 上接第1 7 页 D i s c u s s i o no nP h y s i c a lS e n s i t i z a t i o no fW o o dP o w d e ri nE x p a n d e dA m m o n i u mN i t r a t eE x p l o s i v e X I ES h e n g y a n ，G A OX i n ，Z H A N GH o n g w e n S i c h u a nY a h u aI n d u s t r i a lG r o u pC o ．，L l d ． S i c h u a nY a ’a n ，6 2 5 0 0 0 [ A B S T R A C T ] B a s e do nt h ea n a l y s i sa n dp r o d u c t i o np r a c t i c ei n t h i sp a p e r ，i tp u t sf o r w a r dt h a t 船ac o n t e n to fe x p a n d e d n m m o n i t u nn i t r a t ee x p l o s i v e 。t h ew o o dp o w d e rn o to n l yh a sp h y s i c a ls e n s i t i z a t i o nf u n c t i o n ，b u ta l s oc a ni m p r o v et b ep i p e l i n e a f f e c tde x p a n d e da m m o n i t u nn i t r a t ee x p l o s i v e ．A n di nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c ho fe x p l o s i v ep i p e l i n ea f f e c ti se m p h a s i z e d ， a n dt h ee s t a b l i s h m e n tdt h et e s ts t a n d a r d sf o rp i p e l i n ee f f e c ti sa l s os u g g e s t e d ． [ K E YW O R D S ] e x p a n d e da m m o n i u mn i t r a t ee x p l o s i v e ，w o o dp o w d e r ，p h y s i c a ls e n s i t i z a t i o n ，p i p e l i n ee f f e c t 万方数据