粉状乳化炸药在云浮硫铁矿安全开采中的应用

陶铁军^{1, 2}，李战军³，叶图强³，施建俊¹

(1. 北京科技大学 土木与环境工程学院，北京，100083；

2. 北京矿冶研究总院，北京，100070；

3. 广东宏大爆破股份有限公司，广东 广州，510623)

摘要：分别从位于云浮硫铁矿3个不同台阶的5个爆破区域进行矿石分类取样，将收集到的75个矿石样品与粉状乳化炸药混合均匀后放入HHS-4型电热恒温水浴锅中进行接触反应实验，根据接触反应程度判断各种因素对粉状乳化炸药发生自爆的影响。研究结果表明：粉状乳化炸药的自爆与炮孔的温度有关，温度升高，炸药发生自爆的可能性增加，当温度＞50 ℃时，必须采取相应的措施防止粉状乳化炸药自爆；在弱碱性矿石条件下，粉状乳化炸药的自爆还与矿石的pH有关，在同等条件下，矿样的pH高，炸药发生自爆的可能性高；粉状乳化炸药发生自爆的可能性与矿石的品位无关。

关键词：粉状乳化炸药；硫化矿；自爆；接触反应

中图分类号：TG235             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)03-1184-06

Safety application of powdery emulsion explosive in Yunfu pyrite

TAO Tiejun^{1, 2}, LI Zhanjun³, YE Tuqiang³, SHI Jianjun¹

(1. School of Civil and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;

2. Beijing General Research Institute of Ming & Metallurgy, Beijing 100070, China;

3. Guangdong Hongda Blasting Co. Ltd., Guangzhou 510623, China)

Abstract: 75 ore samples were collected in five blasting areas in three different benches in Yunfu pyrite. All of them were well-mixed with powdery emulsion explosive, and put into the HHS-4 type electro-thermostatic water bath to conduct the contact reaction experiments. The relationship between self-ignition and self-initiation of explosives and various actors were obtained based on the extent of contact reaction. The experimental results show that the self-initiation of powdery emulsion explosives relates to the temperature of blast hole, and the possibility of the self-initiation of explosives increases as the temperature increases, but when the temperature surpass 50 ℃, the corresponding measures must to be utilized to prevent the self-initiation of powdery emulsion explosives. The self-initiation of powdery emulsion explosives also relates to the pH of ore sample, and the higher pH of ore samples, the higher possibility of explosives self-initiation. The possibility of explosives self-initiation doesn’t relate to the grade of ore sample.

Key words: powdery emulsion explosives; pyrite; self-initiation; contact reaction

云浮硫铁矿为一巨大型的沉积变质热液富集矿床。矿体产于前泥盆系第四分层，目前正在开采的Ⅲ和Ⅳ矿体均属于高硫矿体，占矿区总储量的92%，Ⅲ和Ⅳ矿体是露天开采范围的主要采掘对象。由于这些矿体含硫较高，容易发生氧化反应，放出热量，造成炮采工作面温度升高，当炮孔温度升高到一定程度时，就存在炸药自爆、早爆的危险。在云硫开采过程中，就发生过矿石自燃和炸药自燃、自爆的现象。如 1995年1月在 9号勘探线334 m台阶已穿好孔的10余个炮孔中有1个炮孔出现自燃，火焰喷出孔口；2006年9月使用装药车装药过程中有2个炮孔冒烟等^[1]。矿石自燃和炸药自燃、自爆已成为云浮硫铁矿安全生产及爆破作业的重大隐患，为了预防炸药自燃、自爆事故的发生，开展硫化矿炸药自燃、自爆机理分析与实验研究以确定合理的预防措施，具有重要的理论意义和实际价值^[2]。许多学者对此进行了大量研究，主要包括以下几个方面：

(1) 硫化矿炸药自爆机理的研究。李荣其^[3]研究发现：硫化矿物引起的硝酸铵炸药自爆过程大致可以分为诱导期、发展期、爆炸期 (燃烧期) 3个阶段。袁昌明等^[4-5]指出硫化矿中FeS₂的氧化放热反应是硝酸铵炸药产生自燃、自爆的主要原因，水分是硝铵炸药产生自爆的一个重要条件；矿石中可溶性铁离子的存在，矿石温度也是引起自燃、自爆的因素。阳富强等^[6]介绍了一种新的测试硫化矿样氧化自热性质的方法，并进行了硫化矿石动态自热率测定及数值模拟。

(2) 高硫高温矿用安全炸药的研究。郭素云等^[7]采用涂覆隔离和抑制减缓的双重技术措施，研制出BMH型硫化矿用散装安全炸药。叶图强等^[8]进行了云浮矿的含硫矿样与装填的乳化炸药的接触实验研究，实现了乳化炸药在硫化矿的安全应用。马平等^[9]利用热重法研究了粉状乳化炸药的热分解过程和非等温反应动力学，研究表明：粉状乳化炸药初始分解温度稍高于乳化炸药基质。王波等^[10]对露天粉状乳化炸药的质量控制进行了研究。

(3) 炸药自爆危险性评价与治理措施的研究。李孜军等^[11]提出了高温高硫矿床开采中炸药自爆危险性的多指标评价方法。陈寿如等^[12-13]以Fe²⁺ 为指标代替了以往的炸药自爆判据, 建立了矿样水溶液中 Fe²⁺与pH关系的回归经验公式，提出了以 pH为指标的炸药自爆新判据以及简单、实用的炸药自爆矿样的检测方法和防自爆措施，并采取了“分区治理”的方法防止炸药自爆。阳富强等^[14]概述硫化矿石氧化自热的机理；详细介绍硫化矿石的自燃倾向性测试、综合因素评价、统计经验法等预测方法，提出了数学模型模拟预测方法。粉状乳化炸药的初始分解温度略高于工业硝酸铵与乳化炸药基质。与其他硝铵炸药相比，其着火点高，热感度低，因此，在高温硫化矿的开采中，具有更好的安全性。

本文作者以粉状乳化炸药在云浮硫铁矿开采中的安全应用为工程背景，进行含硫矿样与粉状乳化炸药的接触实验研究，对实验结果进行分析处理，探讨影响粉状乳化炸药自燃、自爆的重要因素及其内在关系，提出预防措施为粉状乳化炸药的在高硫铁矿的安全应用提供决策依据。

1  粉状乳化炸药与硫化矿石接触反应实验

1.1  实验设备与方法

炸药与硫化矿石的接触反应实验设备主要有：HHS-4 型电热恒温水浴锅1台，试管和pH试纸若干，温度计1个。

实验步骤如下：第1步，取牙轮钻钻孔时不同炮孔排出的矿岩屑，经粉碎机细碎成粒度＜120 μm的矿粉作为实验矿样；第2步，称取实验矿样8 g，加入4 g粉状乳化炸药，混合均匀后滴入4~6滴蒸馏水再次混合均匀，倒入试管内，贴上编号标签；第3步，测定试样的初始温度，将浸润的pH试纸置于试管口进行对比观测，判断试管内有无反应，当试管内有反应时记录反应程度；第4步，将试样放入水温为50~60 ℃的恒温水浴锅里(试管浸入水中深度为7~8 cm)恒温水浴加热1 h，观察试管内反应情况，当试管内有反应时记录反应程度。

反应程度的判定依据为：(1) 冒出深棕色(NO₂)气体较多，刺激性气味较浓，鼓泡快为强烈反应；(2) pH 试纸显色较快，而且显色对比度很大为中强反应；(3) pH 试纸显色较快，但显色对比度不大为中等反应；(4) pH 试纸显色较慢，为弱反应；(5) pH 试纸显色不明显，为很弱反应；(6) pH试纸不显色为无反应。

1.2  实验样品与实验结果

云浮硫铁矿Ⅲ和Ⅳ矿体均属于高硫矿体，分别从云浮硫铁矿采场的 3 个台阶共 5 个爆破区域进行矿体部分的取样，共收集到 60个矿石样品。其中，Ⅲ矿体有380 台阶 2 个爆破区域的30 个矿样。Ⅳ矿体有250 台阶 1 个爆破区域的15 个矿样和334 台阶 1 个爆破区域的15 个矿样。60个矿样的初始温度、品位、pH和恒温加热1 h后的反应程度如表1所示。

表1  不同爆区矿样接触实验结果

Table 1  Contact test results of ore sample of different blasting areas

试样放入恒温水浴锅中加热之前，共有20个矿样发生了弱或微弱反应。

2  实验结果分析

2.1  温度对接触反应程度的影响

粉状乳化炸药与硫化矿石的接触反应实验能够直接反映出炸药自燃自爆的危险程度。当接触反应强烈时，炸药处于自燃危险区；当反应为中等反应程度时，炸药处于自燃的警戒区；当反应为弱和很弱反应程度时，此时炸药相对安全。

从表1可知：当水浴温度为50 ℃时，12个矿样为中等反应程度，占矿样的26.7%；18 个矿样为弱反应程度，占矿样的 40%，15个矿样为很弱反应程度，占矿样的 33.3%。当水浴温度为 60 ℃时，13个矿样为中等反应程度，占实验矿样的 86.7%；2个矿样为弱反应程度，占实验矿样的 13.3%。

未放入恒温水浴锅之前，试样初始温度对接触反应程度的影响如图1所示。由图1可以看出：在16~30 ℃时，初始温度对粉状乳化炸药与矿样接触反应强弱程度的影响不大。

由表1和图1可见：在高硫矿山开采中，当孔温为30 ℃以下时，粉状乳化炸药的使用是很安全的；温度升高后，炸药存在自燃、自爆的危险；当孔温为50 ℃时，炸药处于自燃警戒区的比例明显升高；当孔温达到 60 ℃时，这一比例为86.7%。

图1  初始温度与接触反应程度的影响

Fig.1  Effect of initial temperature on degree of contact reaction

2.2  pH对接触反应程度的影响

pH是反应矿样酸碱程度的重要依据，本次试验所选矿样为弱碱性。从表1可知：在水浴温度为50 ℃时，发生中等反应的矿样pH为7.01~7.72，发生弱反应的矿样pH为6.14~7.39，发生很弱反应的矿样pH为4.6~7.04，pH对反应程度的影响如图2所示。从图2可以看出：粉状乳化炸药与矿样的接触反应程度与矿样的pH呈指数关系，当矿样的pH增大时，接触反应显著加快。

图2  pH对接触反应程度的影响

Fig.2  Effect of pH on degree of contact reaction

2.3  矿样品位对接触反应程度的影响

矿样品位与反应程度的关系如图3所示。从图3可知，云浮硫铁矿矿石品位对乳状乳化炸药与矿样接触反应强弱程度没有直接影响。

图3  矿样品位与反应程度的关系

Fig.3  Relationship between grade of ore sample and degree of contact reaction

3  自爆原因分析及对策措施

3.1  自爆原因分析

对于炸药自燃、自爆的机理研究很多，通常认为硫化矿中FeS₂被氧化，发生放热反应，使炮孔温度升高，进而与炸药中的硝酸发生一系列的化学反应，引起炸药自燃，温度继续升高，起爆炸药被引爆，并引爆未燃炸药。其化学反应如下^[8]：

2FeS₂+7O₂+2H₂O=2FeSO₄          (1)

12FeSO₄+6H₂O+3O₂=4Fe(OH)₃+4Fe₂(SO₄)₃   (2)

Fe₂(SO₄)₃+FeS₂+2H₂O+3O₂=3FeSO₄+2H₂SO₄  (3)

H₂SO₄+2NH₄NO₃=(NH₄)₂SO₄+2HNO₃    (4)

64HNO₃+4FeS₂=2Fe₂(SO₄)₃+2H₂SO₄+O₂+64NO₂+30H₂O        (5)

云浮硫铁矿矿样与粉状乳化炸药的接触实验表明：炸药与矿样的pH和接触反应的反应温度有关，这主要是因为：

(1) 反应温度的升高有利于化学反应的进行。当温度升高到一定程度时会显著加快化学反应。

(2) pH能够近似地表示矿样中Fe²⁺和Fe³⁺含量的变化即表示矿样中FeS₂的氧化程度，同时矿样的pH测定比较方便，因此在实际工作中，常用测定pH来代替分析 Fe²⁺和Fe³⁺含量的变化。

3.2  预防措施

在云浮硫铁矿实际装药过程中，炸药与炮孔壁接触紧密，加大了两者之间的反应面积，且反应生成的气体不易溢出。在此密闭条件下，热量不易释放，炮孔温度逐渐升高，加速乳化炸药与炮孔壁矿岩的化学反应。当炮孔温度达到一定值时，乳化炸药出现自燃甚至爆炸。结合本次实验可知，当孔温≥50 ℃或孔温高于爆区其他炮孔平均温度10 ℃以上时必须采取相应的安全措施：

(1) 对孔温较高的炮孔，采取注水降温办法处理。

(2) 控制炸药与炮孔壁的接触时间，在炮孔装药后，在最短的时间内完成爆破作业。一般要求从装药到起爆不超过2 h，对于孔温＞60 ℃或接触反应特别强的炮孔，将装药到起爆时间控制在1 h以内。用塑料袋或沥青牛皮纸将炸药包装好，使炸药与孔壁不直接接触。

(3) 对于孔温＞60 ℃或接触反应强烈的炮孔，不用雷管引爆，改用不涂蜡的导爆索，且炮孔口部不要堵塞；采用专门的防自燃自爆的高安全乳化炸药配方，例如北京矿冶研究总院针对德兴铜矿高硫矿岩开采而研制的BDS乳化炸药配方。

(4) 在有重点防护炮孔的爆区爆破作业时，还应在爆破作业前选择好安全撤离路线，安排人员观察炮孔冒烟情况，一旦有炮孔冒出棕色或黄色烟雾，立即组织人员撤离。

4  结论

(1) 当反应初始温度为16~30 ℃时，反应温度对散装乳化炸药与矿样接触反应强弱程度的影响不大。当温度＞30 ℃时，反应温度对炸药自爆有显著的影响，反应温度升高，炸药发生自爆的可能性增加。当反应温度＞50 ℃时，炸药发生自爆的可能性显著增加，当反应温度＞60 ℃时，必须采取相应的安全措施。

(2) 在弱碱性矿样条件下，粉状乳化炸药与矿样的反应程度以及矿样的pH有关，当矿样pH增大时，反应程度增强。这是因为pH能够近似地表示矿样中Fe²⁺和Fe³⁺含量的变化，即表示矿样中FeS₂的氧化程度，同时矿样的pH测定比较方便，因此，在实际工作中，常用测定pH来代替分析 Fe²⁺和Fe³⁺含量的变化。

(3) 粉状乳化炸药的自爆与矿样的品位关系不大。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2012-01-20；修回日期：2012-04-16

基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2011AA060405)；国家自然科学基金资助项目(51208036)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP-12-009A)

通信作者：施建俊(1976-)，女，河北沧州人，博士，副教授，从事工程爆破与岩土工程研究；电话：010-62334903；E-mail: keyan@ces.ustb.edu.cn