高温对现场混装乳化炸药安全性的影响

严定国，王卫国

(1 安徽和瑞安全技术咨询有限公司，安徽 合肥 230031；2 安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

现场混装乳化炸药是指一种利用乳化技术制作的油包水结构工业炸药，与普通乳化炸药相比，具有低粘度，可以进行泵送装药。世界各地露天或地下煤层火灾面积大，高温、持续时间长，会造成严重的安全问题和经济损失。在中国、南非、印度、美国、澳大利亚等许多国家，煤火灾一直是煤矿采掘爆破过程中的主要问题之一[1]。到目前为止，在煤火分布与发展、煤火探测与监测、地下煤火建模、环境与人类健康影响评价、消防工程等方面开展了大量研究[2]。然而，煤矿在煤火或高温领域的爆破仍然是有限的。

1 现场混装乳化炸药研究现状

乳化炸药是以氧化剂水溶液为水相，乳化剂和矿物油为油相，形成一种油包水结构。乳化炸药的安全性是指室温下储存一段时间后仍然保持乳化炸药的物理状态和对周围环境没有威胁的能力。研究人员开发了水冷却和耐热的方法来控制钻孔的温度，为了安全的要求，钻孔的温度必须保持在100 ℃以下，在一个典型的工艺过程中，先将一根尺寸合适的消防水带放入井中充水，然后将现场混装乳化炸药泵送到炮孔中，使炮孔温度保持在水的沸点以下(～100 ℃)[3]。但是，长时间的热水浴蒸煮会对乳化炸药的爆炸和安全性能产生重要影响。林谋金等[4]采用热电偶测温技术对煤矿许用乳化炸药内部不同位置点的温度变化进行详细测量，获得了高温炮孔中煤矿许用乳化炸药内部温度升高规律。傅建秋等[5]研究高温情况电雷管和乳化炸药在不同时间的性能变化。结果表明当温度高达130 ℃时电雷管发生自爆；乳化炸药在长时间高温储存下会破乳失效。束学来等[6]对耐热乳化炸药的耐热机理进行分析，得出而加入适量减缓炸药分解的物质,加入少量高能炸药等方法改性的普通工业炸药,其耐热性能大幅度提高。

在我国现场混装乳化炸药生产配方中可以看出，地面站生产的乳胶基质一般含有15%以上的水[7]。水是惰性物质，水的存在会大大的降低了现场混装乳化炸药的摩擦感度、热感度和静电感度，和其它种类炸药相比，普遍认为现场混装乳化炸药在使用中相对安全。但是，高温情况下会使乳胶基质中水分蒸发，温度升高，导致危险性增加。因此研究现场混装乳化炸药在高温情况下的安全性是非常必要和有意义的。

2 实 验

2.1 试剂和器材

硝酸铵 (NH4NO3，98%)，硝酸钠 (NaNO3，AR)，购于安徽淮化集团有限公司；柴油，40#机油，均购于中国石油化工集团有限公司；司班80 (Span80，AR)购于上海麦克林生化科技有限公司，去离子水(实验室自制)。

TGA/DSC2+热重分析仪，Mettler Toledo公司；SG50光学显微镜，苏州神鹰光学有限公司；AM300S-H剪切机，上海昂尼仪器仪表有限公司；JT2003D电子天平，玻璃棒，烧杯，铁架台，温度计，胶头滴管，电热板，均购于上海麦克林生化科技有限公司。

2.2 实验方法

现场混装乳胶基质的制备：实验以每批次200 g 进行高速剪切乳化，称取140 g 硝酸铵，30 g水，16 g硝酸铵加热到105 ℃，使硝酸铵溶解形成高浓缩水相，4 g柴油，4 g机油，3 g司班80搅拌均匀加热到95 ℃形成油相，在1300 r/min高速剪切下，把水相缓慢加入到油相中，剪切3 min后制备出现场混装乳胶基质，配方见表1。

表1 现场混装乳胶基质组成成分

3 结果与讨论

3.1 高温储存实验

图1 乳化炸药在不同温度下储存实验结果Fig.1 Storage test results of emulsion explosives at different temperatures

取20 g现场混装乳化炸药用聚乙烯塑料薄膜包裹成球形，放入不同温度下进行实验，每3 h观察一次，现场混装乳化炸药在45 ℃和90 ℃存储结果如图1所示。在45 ℃储存下6 h内外观变化不大，可以得出现场混装乳化炸药可以承受一定温度，在此温度下结构保持不变，没有出现析晶现象。在90 ℃储存下，现场混装乳化炸药颜色在短时间内就发生显著变化，高温使得乳化炸药油相和水相状态发生改变，结构破坏，存在一定的危险性。

3.2 现场混装乳化炸药在高温下微观结构

图2 乳化炸药光学显微图Fig.2 OM images of emulsion explosive

用光学显微镜对现场混装乳化炸药高温前后微观结构进行观察，结果如图3所示。现场混装乳化炸药在高温前油包水结构分布均匀，没有出现析晶，具有较好的稳定性。高温后现场混装乳化炸药出现析晶现象，说明高温情况下会使乳胶基质油相和水相部分物质蒸发，从而使油包水结构破坏，高浓缩乳液溢出，硝酸铵在表面结晶，稳定性变差。高温下可能会发生自爆现象，对爆破施工带来一定潜在危险。

3.3 热稳定性实验

图3 乳化炸药TG曲线Fig.3 TG curve of emulsion explosive

用热分析仪对现场混装乳化炸药的热稳定进行研究，装药量为10 mg，升温速率为5 K/min，得出TG曲线如图3所示。乳化炸药重量损失分为2个阶段，第一阶段为130 ℃以下，为乳胶基质中水和少量沸点低的矿物油油蒸发，大约占总质量的15%。第二阶段为130～300 ℃，重量损失最大，约占总质量的65%，为乳化炸药中硝酸铵受热分解和蒸发所致。后期几乎没有重量损失。从热分析结果得出，在高温情况下水和低沸点的矿物油最先蒸发，水为惰性介质，水的流失，会降低乳化炸药的安全性，容易发生炸药早爆事故，给施工和人员造成危害。

4 结 论

通过自制现场混装乳化炸药进行高温存储实验，得出高温条件下会使乳化炸药状态发生改变，不利于乳化炸药的储存。现场混装乳化炸药在高温下微观结构得出，乳化炸药在高温下油包水结构发生破坏，硝酸钠析晶严重，给乳化炸药使用带来潜在危险，TG实验得出，乳化炸药在100 ℃以下会首先发生水分蒸发，水为惰性介质，水的蒸发会使乳化炸药的安全性显著降低，不利于乳化炸药的储存和使用。