乳化炸药毒气抑制剂在矿山爆破中的应用研究

张西良 李二宝 杨海涛 仪海豹 詹思博 1

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽 马鞍山 243000；2.马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司，安徽 马鞍山 243000；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室，安徽 马鞍山 243000）

爆破工艺被广泛应用于我国矿山、水利水电、交通等行业建设中，爆破作业过程中产生的有毒有害气体（简称毒气）［1-4］，恶化井下作业环境，危害作业人员身体健康，严重威胁着地下矿山开采安全，采取有效措施降低爆破毒气浓度具有重大意义。国内外学者已开展了一些相关研究，王天暘等［5］、郭敬中等［6］研制了新型多组分水炮泥配方，测定了不同水炮泥装填类型以及炮烟中CO、NO浓度变化规律，研究发现，多组份水炮泥对CO的抑制效率提高了51.9%，但对NO的抑制效果提升不显著；丁厚成等［7］运用计算流体力学软件FLUENT建立压入式通风条件下成分运输模型，分析风筒口至掌子面的距离及风筒入口风速对隧道内风流流场及炮烟浓度分布规律的影响，将模拟结果与现场实测的炮烟浓度分布情况进行对比分析，数据基本吻合；张舸等［8］对某地下矿山独头巷道强制通风状态下的炮烟浓度变化规律进行了研究，发现巷道中炮烟的浓度变化可按e指数规律衰减，且炮烟散发过程中各巷道截面位置处的最大浓度与炮烟抛掷区的理论初始浓度有较强的线性关系。

通过现有成果分析发现，现有研究侧重于毒气运动规律分析，缺少相关现场试验［9-11］，针对不同类型的炸药进行毒气控制的研究成果较少。为此，本研究以乳化炸药为试验对象，在理论分析的基础上，研制出爆破毒气抑制剂，通过设置不同添加比例、装填方式，开展爆破毒气抑制剂降毒气试验研究，为有效控制矿山爆破毒气产生提供理论及数据支撑。

1 爆破毒气产生机理

工业炸药爆炸所产生的炮烟是导致中毒事故的根源，由于炸药成分及爆破作业场所环境复杂等因素，导致爆破毒气产生的因素多种多样。根据相关研究［12-15］，炸药的氧平衡是毒气产生的重要途径，工业炸药除了少数是无机物外，一般都是有机物。这些有机物无论是单质还是混合物，大多数只含C、H、O、N 4种元素，一般所使用的工业炸药在发生爆炸时，其中的O分别与C、H发生剧烈的氧化反应，生成爆炸产物。单位质量的炸药中所含的氧元素是否能达到氧平衡，是影响炸药爆炸产生有毒有害气体的重要因素。按照最大放热原理［16-18］，根据含氧量的多少，炸药反应生成氧化产物的过程可进行如下描述：

式中，a，b，c，d为方程式系数。

零氧平衡时可燃元素充分氧化，理论上不会产生毒气。虽然矿山使用的工业炸药大都是零氧或接近零氧平衡，但是由于包装材料参与反应、岩石间的热交换、反应本身不完全等因素，造成炸药爆炸系统本身无法实现零氧平衡，从而产生毒气。

毒气产生的另一个重要原因是工业炸药主要成分硝酸铵的不完全分解，其与炸药组成、成分性质、炸药密度、粒度、装药直径、起爆冲能大小等诸多因素有关。根据相关研究，在不同反应环境下，乳化炸药主要成分NH4NO3可产生的分解方程式见表1。

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由表1可知：理论上乳化炸药（主要为硝酸铵）是不产生毒气的，但炸药爆炸过程受到多种因素影响，很难能按理论上的反应方程式进行，其余反应方程式中均有毒气产生，这也是爆破有毒气体产生的理论基础。

毒气产生的另一原因是受到周围介质的作用，某些矿物介质可与爆炸产物发生化学反应，或者对爆炸产物的二次反应起到催化作用，使有毒气体含量增大。爆炸作用时，含硫的矿石可生成硫的氧化物或硫化氢有毒气体。当周围介质温度较低时，有些炸药在低温情况下也常出现不完全爆炸或爆轰中断现象，使有毒气体含量大大增加。

2 爆破毒气吸收试验研究

2.1 试验材料及方案

试验主要材料为岩石乳化炸药、爆破毒气抑制剂、电子计量天平，辅助材料有塑料吸管、胶带、剪刀等。试验在自制的爆破毒气测试系统中进行，容积为2.16 m3（图1），爆破后采用Drager X-am5000有毒有害气体检测仪采集数据，测量精度0.021 4 mg/m3，炸药的各项性能指标见表2。

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试验乳化炸药卷及雷管分别从正门及顶部悬挂孔置入测试系统，并将雷管插入药卷内，悬吊在容器中心位置。试验前应对系统进行通风30 min处理，使用检测仪进行检测，并记录原始值。试验后立即对系统内侧面测量孔的毒气进行检测，单个测量孔取样时间为2 min，计算各毒气成分含量最大值及平均值。

2.2 不同添加比例试验

称量乳化炸药30 g，将抑制剂与其按照0mass%、3mass%、5mass%、8mass%的比例进行配比（图2），并制作成直径32 mm的药卷。

药卷起爆后，按照毒气测定方案对爆破毒气测试系统内的毒气产生情况进行检验。各成分产生量及各添加比例、毒气降低率测试结果见表3和表4。

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根据表3和表4，提取了不添加抑制剂时各类毒气产生量，绘制了4种主要成分占比情况图，如图3所示。

由图3可知：岩石乳化炸药爆炸后，4种主要毒气成分中，CO所占比例最高，约占毒气总量的37.36%～37.98%，NH3、NO、NO2产生量相近，分别占总量的21.22%～23.29%，20.58%～20.8%，17.99%～19.24%。

进一步分析表3、表4可知：与对照试验（未添加毒气抑制剂）对比，随着抑制剂添加比例逐渐增加，毒气降低率呈现先增大后减小的抛物线走势，抑制剂与乳化炸药存在最佳的添加比例，即抑制剂添加比例为5mass%时，炸药爆炸反应生成的毒气总量最大值和平均值分别为144.66 mg/m3、128.6 mg/m3，降毒率分别为71.73%、72.03%。

根据上述试验结果，为了消除试验误差的影响，验证毒气抑制剂降毒效果，再次开展了5组抑制剂添加5mass%和不添加时的对照试验，结果见图4。

由图4可知：5次试验所有毒气成分产生总量为299.41～708.78 mg/m3，添加5mass%的抑制剂后，毒气产生总量降至107.22～287.82 mg/m3，抑制剂降毒率为53.79%～77.76%，平均降毒率为66.50%，与前述试验结果相符。

2.3 不同装填方式试验

考虑到在施工现场添加毒气抑制剂困难，选取4种装填方式（图5）并设置对照试验，进行效果对比试验分析。

试验后对爆破毒气主要成分进行检测，绘制了不同装填方式下各毒气成分产生量图，如图6所示。

由图6可知：4种装填方式均取得了良好的降毒效果，其中降毒效果优劣依次为均匀混合结构、无吸管径向耦合结构、有吸管径向耦合结构、轴向耦合结构。均匀混合结构降毒率较其它结构分别提高了26.07%、56.79%、59.54%。

3 工程实例

本研究在某地下铁矿斜坡道掘进断面开展现场试验（图7）。断面孔深3.2 m，装填直径32 mm乳化炸药药卷，每卷质量150 g，孔内雷管微差爆破。本次抑制剂添加比例按照5mass%添加，均匀混合结构，并设置无抑制剂的对照试验，各钻孔抑制剂添加量见表5。在距爆源40 m处安装FGD2-C气体检测仪（图8），分别记录爆破后通风时间15 min、20 min时的毒气产生情况（表6）。

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由表6可知：爆区通风15 min后，对比是否添加抑制剂两种方案，毒气产生总量可由119.8 mg/m3降至52.11 mg/m3，降毒率达56.5%；通风20 min后，毒气产生总量可由96.98 mg/m3降至43.33 mg/m3，降毒率达55.32%。

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4 结论

（1）设计了30 g岩石乳化炸药爆炸试验，在自制的毒气测试系统中，按照测定方案对毒气产生量进行检测，结果表明：炸药爆炸后，产生的毒气主要成分有4种。其中，CO所占比例最高，约占毒气总量的37.36%～37.98%，NH3、NO、NO2产生量相近，分别占总量的21.22%～23.29%，20.58%～20.80%，17.99%～19.24%。

（2）设计0mass%、3mass%、5mass%、8mass%4种抑制剂乳化炸药配比方案，开展了爆炸试验：结果表明：随着抑制剂添加比例增大，降毒率呈先增大后减小的抛物线走势，且5mass%为最佳添加比例。在此基础上的5次验证试验显示，平均降毒率为66.5%，与试验结果一致。

（3）设计4种抑制剂装填方式，开展了爆炸试验：结果表明：降毒效果优劣依次为均匀混合结构、无吸管径向耦合结构、有吸管径向耦合结构、轴向耦合结构。其中，均匀混合结构降毒率较其它结构分别提高了26.07%、56.79%、59.54%。