采用不耦合装药防止现场混装炸药自燃自爆的应用研究

时间：2024-07-28

李泽华，李顺波，樊保龙，白和强，王洪强

（北方爆破科技有限公司，北京 100089）

炸药现场混装技术将具有爆炸危险性的炸药生产、运输、储存和使用变革为不具爆炸危险性原料生产、运输、储存和使用，是工业炸药技术发展至今最具“本质安全性”的一项炸药制备与爆破装药一体化新技术，安全、高效的现场混装炸药新技术，已成为当今工业炸药技术的一个主要发展方向，在国内外露天矿山爆破中得到了广泛应用，该技术具有生产效率高、爆破效果好、使用安全可靠、成本低等优点，是中企实现海外矿山等工程项目爆破一体化技术服务的基础，具有重要的工程实践意义。在露天矿开采过程中会经常遇到高硫化矿体，在国内外硫化矿山的爆破作业中，炸药自燃自爆事故时有发生，严重威胁着爆破人员的人身安全和矿山的正常生产，给企业造成了严重的人员伤亡和巨大的经济损失。仅1960—1990年，我国硫化矿山就发生了12起炸药自燃自爆事故，其中江西德兴铜矿从1990—1996年，使用混装车混装乳化炸药（美国Ireco化学工业公司配方）进行爆破作业时，曾发生8次炸药自燃自爆事故，造成严重经济损失。1962年和1963年，原苏联捷加尔斯克地下矿山发生了几起炸药起火事故，日本和加拿大等国也多次发生炸药自燃自爆事故。硫化矿山爆破安全技术一直受到国内外学者和矿山企业的普遍关注。国内外学者针对硫化矿床开采的安全性开展了大量的研究工作。袁昌明[1]通过对硫化矿与硝铵炸药接触自爆机理和硫化矿石的理化性质分析以及硫化矿矿石与硝铵炸药接触的实验研究，提出了预防硫化矿与硝铵炸药接触自爆危险的措施，为确保高硫矿山爆破作业的安全生产提供了参考；杜华善等[2-3]对硫化矿防自燃现场混装乳化炸药进行了改进，提高了混装乳化炸药在硫化矿爆破应用中的安全性；叶晓晖[4]对硫化矿床开采中炸药自爆危险性开展了试验研究；陈寿如等[5]通过对建立硫化矿炸药自爆新判据，提出了一定的治理措施。为此通过对硝铵类炸药与硫化矿石的反应机理进行的阐述，通过数值模拟的方法分析不耦合系数对热传导抑制作用，并提出相应的治理措施和施工方法。

1 矿山概况

缅甸莱比塘铜矿位于缅甸联邦西北部实皆省（Sagaing）南部，矿区面积约32.73 km2。矿山年采剥计划量7 000万t，台阶高度为15 m，坡面角70°，钻孔直径为250 mm。矿区内建有炸药制备地面站，炸药类型为现场混装重铵油炸药和现场混装铵油炸药，含水区域选用现场混装重铵油炸药，采用的工艺配比为乳胶基质/多孔粒状硝酸铵=（90～93）/（7～10），控制温度范围为52～70 ℃，敏化剂亚硝酸钠流量为35～45 L/h，加入量占乳胶基质质量的0.27 %，装药密度1.10～1.15 g/cm3。矿区内部分区域含有黄铁矿（FeS2），主要集中在矿岩交界处。在L45-2088炮区施工时，炮孔堵塞完毕约2 h后，陆续出现炮孔冒烟现象，炸药自燃，炮区装填重铵油炸药的炮孔共计41个，发生炸药自燃的共计20个。

2 硝铵类炸药与硫化矿石的反应机理

关于硝铵类炸药与硫化矿石这类反应的过程，国内外学者[6-7]通过各自的独立研究得出了大体一致的结论，认为当有硫酸水（或蒸汽）参与作用时，其反应过程可描述为如下的系列形式：

在上面的反应系列中，硫酸溶液被视为导致危险反应的必要成分。H2SO4不仅参与整个反应，而且由于它是以液态或气态起作用，所以较之固态活性物质，能促进硝酸铵的熔解，有助于反应的交流传递，使反应按更为活跃和内渗的方式展开。对于硫酸浓度不超过0.5～1 mol/L的硫化矿条件，硝酸铵作为一种强吸湿性的盐同时起着吸收水分和浓缩酸的作用，因而在常温下能加速分解，产生NO2，从而爆燃。

由硝酸铵类炸药与硫化矿床的反应机理分析可知，有效阻止现场混装炸药产生爆燃现象的一个有效途径是采用不耦合装药形式，避免混装炸药与炮孔壁直接接触，从而有效阻止两者之间的反应产生。

3 不耦合系数对热传导抑制作用的数值模拟

利用COMSOL有限元软件对硫化矿床的热传导作用进行模拟，研究不同的不耦合系数对热传导抑制作用的影响。截取装药部位的小段炮孔作为研究对象，乳化炸药不耦合装药物理模型如图1。

图1 不耦合装药物理模型示意图

3.1 不耦合装药数值模型

图1中空气间隔和硫化矿接触部分建立数值模型，模型的长0.3 m、宽0.3 m，空气间隔根据不同的耦合系数分别选取为55、45、35、25、15 mm。

缅甸莱比塘铜矿炮孔直径为250 mm，选取不同的装药直径，分别为140、160、180、200、120 mm，对应的不耦合系数和模拟方案见表1。

表1 不耦合装药抑制作用模拟方案

将炸药温度分为上、中、下3个部分进行热量加载，加载温度分别为38、42、46 ℃，模型初始温度为30 ℃，上下边界为对称边界。

3.2 数值模拟结果分析

根据表1中的模拟方案，得到不同的耦合系数下温度梯度分布（图略）。由温度梯度分布可以知，不耦合装药情况下，空气间隔对乳化炸药产生热量的传导起到了很大的抑制作用，随着空气间隔宽度的减小，传导至硫化矿的温度增加。

3.3 不同耦合系数接触界面温度变化规律

随着不耦合系数的减小，空气间隔逐渐较小，硫化矿和空气间隔接触界面发生移动，以该接触界面为研究对象，探究不同耦合系数下，界面处的温度变化情况。不同的不耦合系数接触界面温度变化曲线如图2。

图2 不同的不耦合系数接触界面温度变化曲线

由图2可知，随着温度荷载加载面温度的降低，接触界面的温度逐渐在降低。模拟方案中，装药直径按照20 mm的差异逐渐增加，从图2中看出来，随着不耦合系数的减小，接触界面的温度增加幅度却逐渐增大，增长规律是非线性的，和不耦合系数的变化规律不是一一对应的。

4 现场治理措施

不耦合装药装置装药装置的三视图如图3。

图3 不耦合装药装置装药装置的三视图

根据数值模拟结果，为了方便现场混装炸药的入孔，采用图3中与炮孔相匹配的不耦合装药装置，该装置主要由装药管、炮孔挡板及重力锤网袋组成，其中：装药管主要是由连通凸起支撑点（与装药管连通）和装药管主管组成。连通凸起支撑点（与装药管连通）直接装置在装药管上，在装药管上每隔一段距离就设置1组装药管，每组装药管有4个连通凸起支撑点（与装药管连通），这4个连通凸起支撑点（与装药管连通）位于同一个水平面上；且连通凸起支撑点（与装药管连通）的另一端部位置紧贴在炮孔壁表面上。装药管的连通凸起支撑点（与装药管连通）有很多组，每组由4个成半球形排列的轴向支撑组成，该不耦合装置采用的柔性材料，装置下方放置有重力锤网装袋，当放入炮孔中，会因为自重而舒展开装置，使装置伸展到炮孔底部。当向里面装炸药时，炸药也会因为自重直接到装置的底部。

将装药装置放置在打好的炮孔中，需要注意的是不耦合装药装置与炮孔直径是一一相匹配的。装药装置的药管为圆柱形，药管每隔一段距离需布置1组连通凸起支撑点（与装药管连通）装置，且它与药管是相通的，当向药管里装炸药时，炸药会流入到连通凸起支撑点（与装药管连通）装置中，装药装置的位置在炮孔的中心位置。该不耦合装药装置的连通凸起支撑点（与装药管连通），每间隔一段距离就需要布置1组，且每组连通凸起支撑点（与装药管连通）装置在同一水平方向需布置4个，2组相对，且相邻2个与装药管装置中心成90°夹角。

该不耦合装药装置的包装包装材料应具有良好的耐热性、密封性、耐磨性以及高强度。同时还要考虑材料的来源广、成本低、加工简单、使用方便。大量实验表明，选用的内包装、外包装及涂覆外包装的耐热胶3种材料能满足上述要求，并能起到防自爆、防止硫化矿自燃作用。此外该装置上部分的炮孔挡板主要是用于轴向不耦合装药。