硫化矿内现场混装乳化炸药自燃自爆影响因素分析.pdf

工程爆破 E N G I N E E R I N GB L A S T I N G 2 0 2 3年8月第2 9卷第4期E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):1 3 8-1 4 2文章编号:1 0 0 6-7 0 5 1(2 0 2 3)0 4-0 1 3 8-0 5收稿日期:2 0 2 3-0 5-0 4作者简介:邸云信(1 9 8 6),男,硕士,工程师,从事工程爆破和工业炸药方面的研究。E-m a i l:d i y u n x i n 1 6 3.c o m硫化矿内现场混装乳化炸药自燃自爆影响因素分析邸云信1,冯 超2(1.中国爆破行业协会,北京1 0 0 0 7 0;2.首钢集团有限公司矿业公司,河北 唐山0 6 4 4 0 4)摘 要:针对硫化矿内存在现场混装乳化炸药自燃自爆的问题,通过化学反应机理分析、组分接触性试验以及装药实践,研究了影响现场混装乳化炸药在含硫矿内装药自燃自爆的因素及原因,主要针对炮孔环境特性、硝铵组分与矿岩接触、敏化组分与矿岩接触等进行深入研究。结果表明:酸性潮湿环境对孔内装药自燃自爆影响较大,游离的硝酸铵组分以及敏化组分在该环境下极易发生放热反应造成热积累。在试验研究的基础上提出了通过优化乳化基质配方、精确调节快速敏化组分的浓度及添加量、改善乳化基质W/O结构等解决问题措施,研究结果可为硫化矿爆破工程提供理论依据。关键词:硫化矿;现场混装炸药;自燃自爆;乳化炸药;矿岩反应;接触试验中图分类号:T D 2 3 5 文献标志码:A d o i:1 0.1 9 9 3 1/j.E B.2 0 2 3 0 1 4 7A n a l y s i so f i n f l u e n c i n gf a c t o r so f s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o na n ds p o n t a n e o u s e x p l o s i o no f o n-s i t em i x e de m u l s i o ne x p l o s i v e i n s u l f i d e o r eD IY u n-x i n1,F E N GC h a o2(1.C h i n a S o c i e t yo fE x p l o s i v e sa n d B l a s t i n g,B e i j i n g1 0 0 0 7 0,C h i n a;2.S h o u g a n g M i n i n g C o r p o r a t i o n,T a n g s h a n0 6 4 4 0 4,H e b e i,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ep r o b l e mo f s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o na n ds e l f-e x p l o s i o no f o n-s i t em i x e de m u l s i o ne x p l o s i v e i ns u l f i d eo r e,t h r o u g ht h ea n a l y s i so fc h e m i c a l r e a c t i o nm e c h a n i s m,c o m p o n e n tc o n t a c tt e s ta n dc h a r g i n gp r a c t i c e,t h ef a c t o r sa n dc a u s e sa f f e c t i n gt h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o na n ds e l f-e x p l o s i o no fo n-s i t em i x e de m u l s i o ne x p l o s i v e i ns u l f u r-c o n t a i n i n go r ea r es t u d i e d.T h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h eb o r e h o l ee n v i r o n m e n t,t h e c o n t a c t b e t w e e n t h e a mm o n i u mn i t r a t e c o m p o n e n t a n dt h eo r er o c k,t h ec o n t a c tb e t w e e nt h es e n s i t i z e dc o m p o n e n ta n dt h eo r er o c ka r es t u d i e di nd e p t h.T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea c i d i ca n dh u m i de n v i r o n m e n th a sag r e a t i n f l u e n c eo nt h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o na n de x p l o s i o no f t h ec h a r g e i nt h eh o l e.T h ef r e ea mm o n i u mn i t r a t e c o m p o n e n t a n d t h e s e n s i t i z e dc o m p o n e n t a r ep r o n e t oe x o t h e r m i c r e a c t i o na n dh e a t a c c u m u l a t i o ni nt h i se n v i r o n m e n t.O nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h,s o m em e a s u r e s t os o l v e t h ep r o b l e mw e r ep u t f o r w a r d,s u c ha so p t i m i z i n gt h e f o r m u l ao f e m u l s i f i e dm a t r i x,a c c u r a t e l ya d j u s t i n gt h ec o n c e n t r a t i o na n da d d i t i o na m o u n to f r a p i ds e n s i t i z i n gc o m p o n e n t s,a n d i m p r o v i n gt h eW/Os t r u c t u r eo f e m u l s i f i e dm a t r i x.T h er e s e a r c hr e s u l t sc a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i s f o rs u l f i d eo r eb l a s t i n ge n g i n e e r i n g.K e yw o r d s:s u l f i d eo r e;o n-s i t em i x e de x p l o s i v e s;s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ne x p l o s i o n;e m u l s i o ne x p l o s i v e;o r e-r o c kr e a c t i o n;c o n t a c t t e s th t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4 炸药自燃自爆是高温高硫矿山开采中的一类重大灾害。自燃自爆事故严重影响矿山安全和生产,因此对含硫矿山工业用炸药产品的研究具有重要意义1。混装乳化炸药在含硫金属矿山深孔爆破作业中,有时会发生自燃,特别是在一些高温高硫 的 矿 山 爆 破 中 更 是 会 发 生 自 燃,甚 至 自爆2-5。目前,国内外主要通过在炸药产品中添加抑制剂的方式进行爆破安全防护,能够在一定程度上降低自燃自爆事故的发生,但在一些炮孔温度高、含硫量大、地质条件复杂的矿山中应用时,存在冒黄烟、装药膨胀等不良现象,且使用的抑制剂多为负氧有机物,过多的添加会导致炸药氧平衡偏负,降低炸药爆破效果6。为高效抑制含硫矿山自燃自爆,同时又不明显降低炸药的爆破效果,从实际出发,结合理论分析与试验研究,详细分析了硫化矿内现场混装乳化炸药自燃自爆的影响因素,可为同类爆破工程提供理论借鉴与参考。1 理论机理分析硫化矿爆破施工中炮孔内炸药发生自燃自爆的机理国内外比较一致的看法是:现场炸药组分中的硝酸铵与硫化矿石及其氧化产物接触发生一系列的放热化学反应造成热积累。硫化矿石本身自热自燃的本质是氧化反应7-1 0,在矿井的温度、湿度达到一定条件下,硫化矿石与水和空气接触发生如下放热反应:F e S2+7 O2+2 H2O2 F e S O4+2 H2S O4+H(1)1 2 F e S O4+6 H2O+3 O24 F e(OH)3+H(2)F e2(S O4)3+F e S2+2 H2O+3 O23 F e S O4+2 H2S O4+H(3)伴随这一循环反应过程的是在环境中积聚了大量的硫酸、硫酸亚铁及大量的热,当采用普通现场混装硝铵类炸药进行井下爆破作业时,这些硫化矿石反应生成物便与硝铵类炸药中的主要成分硝酸铵发生剧烈的连锁反应,这些化学反应相互促进并不断加速,造成孔内热量积累、温度升高,进而导致炸药由分解、燃烧转向爆燃,最终发生爆炸。现场混装乳化炸药装药模式有别于成品卷装炸药,在水相和油相制备乳化基质的基础上,通过乳化炸药混装自动控制系统控制器(P L C),将成品乳化炸药生产线敏化过程转移至炮孔装药环节,主要表现为乳化基质和敏化剂在混装车输药管末端通过掺混进行敏化反应,乳化基质制备及敏化装药流程如图1所示,该装药模式因敏化发泡过程是在炮孔内进行的,从而出现了新的接触反应环境,即游离的亚硝酸钠溶液与孔内环境中的其他物质发生放热化学反应。图1 乳化基质制备及敏化装药流程F i g.1 P r e p a r a t i o no f e m u l s i o nm a t r i xa n ds e n s i t i z e dc h a r g ep r o c e s s2 自燃自爆影响因素的试验研究通过对现场混装乳化炸药自燃自爆机理分析,初步判断孔内酸性潮湿环境,硝酸铵与矿岩接触,敏化液与矿岩接触3个方面因素对硫化矿孔内化学放热反应起着关键作用。针对分析存在的因素,通过试验对各影响因素的作用展开进一步深入研究。2.1 炮孔内酸性潮湿环境的影响2.1.1 试验材料在常规露天现场混装乳化基质配方的水相中分别添加质量分数为0%、1%、2%、3%、4%的抑制剂,观察乳化基质与矿岩干粉混合接触后的物化反应现象。试验中的矿岩干粉含硫量分别为:低硫矿粉(2 0%)、高硫矿粉(4 0%)。2.1.2 试验方法1)分别称取混装乳化基质和含硫矿粉各1 0g,混合均匀后放入玻璃试管中。931第4期邸云信,等:硫化矿内现场混装乳化炸药自燃自爆影响因素分析E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):1 3 8-1 4 22)将测温探头插入试管中的混合样品中,并将试管放入9 0的恒温水浴中,采用Z H型恒温水浴振荡器。3)启 动 动 态 温 度 测 试 系 统,开 始 实 时 监 测温度。4)观 察 试 验 现 象,结 合 温 度 变 化 情 况 进 行分析。2.1.3 试验及结果讨论1)当基质-矿岩体系为完全干燥时,无论是低硫矿粉,还是高硫矿粉,抑制剂添加质量分数为0%、1%、2%、3%、4%,恒温水浴体系中4h后试样温度及状态均无变化。通过对混合体系温度监测,混合样温度迅速升高到9 0 左右,之后一直保持不变,没有出现温度的突变情况。说明在此期间并没有发生放热反应,在观察期4h内炸药与含硫矿粉接触比较稳定,得到了具体体系的温度变化(见图2)。注:1-低硫矿粉,1%抑制剂;2-低硫矿粉,2%抑制剂;3-低硫矿粉,3%抑制剂;4-低硫矿粉,4%抑制剂;5-高硫矿粉,1%抑制剂;6-高硫矿粉,2%抑制剂;7-高硫矿粉,3%抑制剂;8-高硫矿粉,4%抑制剂。图2 乳化基质与矿岩干粉体系温度变化F i g.2 T e m p e r a t u r ec h a n g eo f e m u l s i o nm a t r i xa n dr o c kd r yp o w d e rs y s t e m 2)当体系处于潮湿状态时,通过p H值的测定,硫化矿浆呈强酸性,将含质量分数为0%和4%抑制剂的乳化基质与该矿浆混拌均匀,反应现象如表1所示。表1 乳化基质与酸性潮湿矿岩掺混反应现象T a b l e1 M i x i n gr e a c t i o np h e n o m e n o no f e m u l s i o nm a t r i xa n da c i dw e t r o c k编号抑制剂矿粉类型1h2h3h4h1无抑制剂新矿粉体积膨胀1倍,表面蓝色结晶出现较多的蓝色结晶无明显变化/2无抑制剂旧矿粉体积膨胀1倍,表面黄色结晶出现较多的黄色结晶无明显变化/3含4%抑制剂新矿粉体积变化不大较之前无明显变化/4含4%抑制剂旧矿粉体积膨胀少许,表面少量黄锈色较之前无明显变化/由表1可得:在酸性潮湿矿浆环境,即使乳化基质中含质量分数为4%的抑制剂,也出现了体积变化现象,说明体系发生了化学反应。为进一步明确体积变化现象的内在机理,进行了以下4项试验。1)将硫化矿粉置于试管中,放在8 0水浴中加热,模拟炮孔没有硫酸的状态。滴入15的亚硝酸钠溶液,观察试管中试验样品,无反应。滴入饱和 的 硝 酸 铵 溶 液,观 察 试 管 中 试 验 样 品,无反应。2)向试管中的硫化矿粉滴入硫酸,放在8 0 水浴中加热,模拟炮孔中含有硫酸的状态。滴入15的亚硝酸钠溶液,试管中的样品发生反应,并明显冒黄烟。滴入饱和硝酸铵溶液,试管中的样品发生反应,并明显冒黄烟。3)观察15亚硝酸钠溶液与含硫矿粉接触是否冒烟:向含硫矿粉中加入浓度15的亚硝酸钠溶液,反生缓慢反应、有气味,但未发生冒黄烟的现象。4)观察15亚硝酸钠溶液与含硫酸的矿粉接触是否冒烟:矿粉中滴入硫酸,模拟炮孔中含有硫酸的情况,此时向其中加入15的亚硝酸钠溶液,冒黄烟。从上述4个试验可以判断:酸性潮湿环境是造成炮孔内装药体系发生反应的必要条件。然而硫化矿岩的氧化反应过程是不易控制的,炮孔内硫化矿呈强酸性是其性质之一。2.2 敏化液与矿岩反应现场混装乳化炸药与成品乳化炸药最大的不同是乳化基质的敏化过程在炮孔内快速进行,即041工程爆破 E NG I N E E R I NGB L A S T I N G 第2 9卷h t t p:/g c b p.c b p t.c n k i.n e tA u g u s t 2 0 2 3|E n g i n e e r i n gB l a s t i n g|V o l.2 9,N o.4在装 药 过 程 中 存 在 游 离 的 敏 化 液 与 矿 岩 接触1 1-1 3。通过敏化液与矿岩接触的试验现象发现,随着敏化液浓度及添加量的加大,与矿岩发生的化学反应不断加强,同时伴有黄烟产生。在现场混装炸药的炮孔装药过程中,因装药设备、基质组成、油相成分等不同,掺混的效果有较大差别。在某含硫矿山装药过程中,出现了炮孔冒黄烟的情况,最后分析原因是采用传统的高分子乳化剂,致使敏化液组分难以掺混进入乳胶基质内部,从而造成敏化组分游离于乳化基质外,与矿岩发生接触反应。为进一步探究反应程度,针对亚硝酸钠浓度与含硫矿粉接触进行了接触性试验,结果如表2所示。表2 亚硝酸钠与含硫矿粉接触反应现象T a b l e2 C o n t a c t r e a c t i o np h e n o m e n o no f s o d i u mn i t r i t ea n ds u l f u r-c o n t a i n i n go r ep o w d e r亚硝酸钠浓度矿粉类型现磨含硫矿粉氧化后含硫酸矿粉15反应缓慢,未冒烟冒黄烟12 0基本不反应轻微反应,淡黄色气体 通过接触反应现象可以看出,混装炸药中游离的亚硝酸钠浓度越高,在含硫炮孔内与含硫矿粉反应的越剧烈。2.3 硝酸铵与矿岩反应根据硫化矿自燃自爆反应机理,伴随硫化矿岩自身的反应过程,环境中积聚大量的硫酸、硫酸亚铁及大量的热,当采用普通硝铵类炸药进行爆破作业时,硫化矿自身反应生成物便与混装炸药中的主要成分硝酸铵发生剧烈的连锁反应,这些反应相互促进并不断加速,进而造成热量积累、温度升高,最终导致炸药由分解、燃烧转向爆燃或爆炸。H2S O4+2 NH4NO3(NH4)2S O4+2 HNO3(4)6 4 HNO3+4 F e S22 F e(S O 4)3+2 H2S O4+O2+6 4 NO2+3 0 H2O(5)式(4)、式(5)反应生成的硫酸铁能促进含硫铁矿的氧化反应,而含硫铁矿氧化反应的产物硫酸也进一步的加速相关反应,这些连锁反应的相互促进,导致炸药爆燃或爆炸。通过接触性试验发现,硝酸铵颗粒与干燥的硫化矿矿粉短期接触,并不发生反应,而当体系内呈酸性且潮湿时,硝酸铵将会与体系发生连锁化学反应,并发出热量,导致温度升高。3 结论1)通过对硫化矿自燃自爆反应机理和关键影响因素分析,对炮孔-装药体系组分进行接触性试验,可以发现酸性潮湿炮孔环境是发生自燃自爆的必要条件,在此环境下,游离的硝酸铵和亚硝酸钠溶液易与体系发生反应,放出大量的热。2)亚硝酸钠溶液的浓度对炮孔内反应影响较大,随着溶液浓度及添加量的增大,反应越剧烈,并产生冒黄烟的典型特征。3)根据接触性试验,发现游离的硝酸铵与硫化矿矿岩及其氧化物反应需要重点关注,在装药实际操作中,尽量避免潮湿的含硫炮孔装药,以确保爆破安全。参考文献(R e f e r e n c e s):1余圣华.乳化炸药现场混装技术在铜山口铜矿露采爆破中的应用J.采矿技术,2 0 2 3,2 3(2):8 9-9 1.YUSH.A p p l i c a t i o no f e m u l s i o ne x p l o s i v e f i e l dm i x-i n gt e c h n o l o g yi no p e n-p i tb l a s t i n go fT o n g s h a n k o uC o p p e rM i n eJ.M i n i n gT e c h n o l o g y,2 0 2 3,2 3(2):8 9-9 1.2汪 旭 光.乳 化 炸 药 M.北 京:冶 金 工 业 出 版社,2 0 0 8.WANG X G.E m u l s i o ne x p l o s i v e sM.B e i j i n g:141第4期邸云信,等:硫化矿内现场混装乳化炸药自燃自爆影响因素分析E n g i n e e r i n gB l a s t i n g工程爆破,2 0 2 3,2 9(4):1 3 8-1 4 2M e t a l l u r g i c a l I n d u s t r yP r e s s,2 0 0 8.3刘锋,匡照,吴攀宇,等.内相粒径对现场混装乳化炸药热 感 度 的 影 响 J.火 炸 药 学 报,2 0 2 2,4 5(5):6 9 7-7 0 2.L I U F,KUAN G Z,WU P Y,e ta l.E f f e c to fi n t e r n a lp h a s ep a r t i c l es i z eo nt h e r m a ls e n s i 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