閻巧玲，許 勇，張 凱

（西安慶華民用爆破器材公司，陜西 西安，710025）

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某型煤礦許用電雷管高段瞎火原因的分析及改進

閻巧玲，許 勇，張 凱

（西安慶華民用爆破器材公司，陜西 西安，710025）

摘 要：針對某型煤礦許用雷管生產(chǎn)中出現(xiàn)的點火失效問題進行了分析，結果表明電點火藥頭-延期藥之間能量匹配裕度不足是導致產(chǎn)品瞎火的主要原因。通過設計改進提高了電點火藥頭點火能力及延期藥的熱感度，經(jīng)試驗驗證產(chǎn)品發(fā)火的可靠性得到有效改善，解決了瞎火的問題。

關鍵詞：煤礦許用雷管；瞎火；熱感度；點火能量

通常煤礦許用電雷管在有可燃氣和煤塵爆炸危險的礦井中使用，必須進行可燃氣安全度試驗，即沼氣安全性試驗。但國內(nèi)煤礦許用電雷管的沼氣試驗并不樂觀，名義延期時間一般只能達到100ms，落后于國外(其名義時間達到400ms)。慶華民用爆破器材公司2011年研制出了某型電雷管系列，將煤礦許用雷管的名義時間延伸到了300ms，產(chǎn)品可燃氣安全度試驗可靠，時間精度穩(wěn)定，但在其后生產(chǎn)驗收中，不同程度地出現(xiàn)了兩次產(chǎn)品發(fā)火失效。為此，對故障進行試驗分析，對產(chǎn)品設計進行了優(yōu)化。

1　煤礦許用電雷管結構及作用過程

煤礦許用電雷管由火雷管、延期元件及電點火頭3部分組成，結構見圖1。火雷管管殼采用法蘭鋼殼，內(nèi)裝猛炸藥、起爆藥。延期元件采用五芯結構的鉛延期索。電點火頭為灼熱橋絲式剛性藥頭。

圖1　煤礦許用雷管結構示意圖Fig.1 Schematic of coal mine permissible detonator structure

雷管作用過程為電點火藥頭腳線通入電流，橋絲產(chǎn)生能量傳遞給涂覆在周圍的點火藥，藥劑受熱發(fā)生化學變化，釋放的熱量使其持續(xù)升溫至發(fā)火，燃燒產(chǎn)生的火焰及殘渣噴射到延期元件端面。延期藥受熱，溫度上升達到發(fā)火點即開始燃燒并放出大量的熱及少許氣體，燃燒反應持續(xù)，燃燒波面不斷向前推進直至完全燃燒，輸出火焰沖能點燃底部的起爆藥，進而引起雷管爆炸。

2　瞎火現(xiàn)象及原因分析

雷管的瞎火基本都表現(xiàn)為電點火藥頭輸出的火焰沖能不能引燃延期元件，此次兩批產(chǎn)品瞎火均為電點火頭未點燃延期藥。根據(jù)點火過程的作用原理可知點火失效主要是兩方面因素所致：一方面是點火源即藥頭輸出的能量不足，正常情況下無法將延期藥預熱到發(fā)火點的溫度；另一方面是由于延期藥的熱感度低，藥頭輸出的正常能量無法將其引燃。針對上述兩方面因素，對此產(chǎn)品用藥頭及延期元件分別進行了分析。

煤礦許用雷管用藥頭有K系及Pb系兩種，其中K系藥頭一直在常規(guī)產(chǎn)品中應用，其火焰長、點火能力強、氣體量相對較大；Pb系藥頭是首次在此產(chǎn)品中應用，其氣體產(chǎn)物少，產(chǎn)品作用精度高。對瞎火產(chǎn)品進行解剖，解剖后發(fā)現(xiàn)作用后藥頭的導電箔上有未作用的點火藥殘留，如圖2所示。

圖2　瞎火產(chǎn)品的藥頭照片F(xiàn)ig.2 Photo of matchhead of dud product

分析認為該點火藥含有的鉛起爆藥含量高，藥劑的猛度大、爆速快，而電感度（熱絲感度）低。橋絲加熱點火藥時，熱源小，功率大，除藥劑與橋絲接觸層溫度較高外，大部分點火藥仍處于原來的溫度，需要持續(xù)一定的時間方能達到熱點溫度。當藥劑猛度過大時，部分還未作用的藥劑會因作用藥劑而被崩飛，產(chǎn)生的能量不足以激發(fā)后續(xù)藥劑，導致部分未作用的藥劑繼續(xù)殘留，同時使藥頭的點火能力下降。

煤礦許用電雷管的延期元件采用五芯索結構，主要是利用其裝藥量少、金屬比例大的特點來降低燃燒溫度，達到雷管爆炸時不引起瓦斯爆炸的目的。低段產(chǎn)品采用快燃速毫秒延期藥，熱感度高，發(fā)火傳遞過程可靠。高段產(chǎn)品采用中等燃速的藥劑，其火焰感度及輸出能量較快燃速藥劑都有明顯的減弱。五芯索的索芯直徑小，相對于三芯或單芯索藥劑接收點火頭傳遞能量的能力較弱，藥劑燃燒所需的能量增加，點火會變得困難。

3　設計方案改進

通過上述分析可知，引起產(chǎn)品瞎火的原因是點火藥頭-延期元件之間點火能量不匹配，點火藥頭的點火能力裕度不足，延期藥的熱感度低。為了提高點火可靠性，對藥頭及延期元件的設計分別進行了改進。

3.1在確?？扇細獍踩然A上提高藥頭輸出能量

通過對瞎火產(chǎn)品進行解剖分析，認為點火藥因熱絲感度低、猛度高而作用不完全是導致點火失效的一個重要因素。藥劑熱絲感度主要與藥劑種類、藥劑粒度、涂敷的致密度及粘合劑加入量有關。受生產(chǎn)工藝影響，目前Pb系點火藥中的含鉛起爆藥比重輕，存在大量結塊，生產(chǎn)應用過程中如果攪拌不均勻，就不能將其充分分散，在涂敷時會影響藥劑與橋絲的接觸面積，降低藥劑的電感度。另外，由于藥劑比重輕，藥頭涂敷時粘合劑的量就會增大，其感度也就相應地降低。由于提高含鉛起爆藥假比重的技術不成熟，技術人員將電點火頭用藥由單質(zhì)藥劑改為復合藥劑，將藥頭第1道涂藥由Pb系改為了常用的K系，這樣不但可以提高點火藥的電感度，而且能夠降低其猛度。

對改進前后藥頭的作用效果進行了對比，如圖3～4所示?？梢钥闯?，藥頭第1道涂敷藥改為K系點火藥，電點火頭發(fā)火后，導電箔腳片上沒有了藥劑殘留，發(fā)火更加集中。

圖3　電點火藥頭作用后的照片F(xiàn)ig.3 Photo of electric matchhead after function

依據(jù)某型煤礦許用電雷管技術條件，對改進后電點火頭進行了性能測試，結果見表1。測試結果表明，改進后復式電點火頭的各項性能能夠滿足煤礦許用電雷管的技術要求。

圖4　電點火藥頭發(fā)火狀態(tài)高速攝影結果Fig.4 High-speed photograph of electric matchhead fire

表1　復合電點火頭性能測試結果Tab.1 Performance test results of compound electric matchhead

3.2提高延期藥的熱感度

煤礦許用電雷管高段采用的是中等燃速的延期藥，相對于低段快燃速延期藥，其熱感度低。中等燃速藥劑應用于導爆管雷管或其它電雷管時一般采用三芯索結構，藥芯直徑較五芯索粗。針對產(chǎn)品的特殊性，在索芯直徑不能變動的情況下唯有提高藥劑自身的感度。

3.2.1調(diào)整延期藥配比

中等燃速硅系延期藥的燃速為0.03～0.05mm/ms，藥劑主要組成為硅粉、紅丹和硫化銻，其中硅粉為可燃劑、紅丹作為氧化劑，硫化銻是緩燃劑。硫化銻的化學式為Sb2S3，熔點低、性質(zhì)安定。當藥劑被加熱到500℃左右時，硫化銻開始熔融，吸收大量熱量，從而對硅-紅丹之間的燃燒起抑制作用。對不同配比的延期藥劑進行感度測定，結果見表2。

表2　不同配比延期藥的發(fā)火點Tab.2 Ignition temperature of delay composition with different formulation

從表2測試結果可以看出，延期藥的熱感度隨藥劑組成、配比變化而異。當硅粉與紅丹比例一定時，藥劑的發(fā)火溫度隨著硫化銻含量的增高而提高。因此，為了提高藥劑的熱感度應該對藥劑中硫化銻的含量進行控制。

通過對現(xiàn)有藥劑的不同配比進行試驗，最終將煤礦許用電雷管高段產(chǎn)品用硅/紅丹/硫化銻的配比由16/64/20調(diào)整到16.5/65.5/18。

3.2.2選擇細粒徑硅粉

硅與紅丹之間的氧化反應首先從硅粉表面開始，逐漸進入中心，硅粉顆粒小，則比表面大、反應快、藥劑的發(fā)火點相對較低。選取兩批不同比表面積的硅粉，利用激光粒度儀對其粒徑進行檢測，測試結果見表3。在其它原材料相同的條件下，按照相同配比，分別利用這兩種硅粉混制成延期藥，用DSC儀對將編號Ⅰ、Ⅱ的藥劑進行差示掃描量熱試驗（溫度控制600℃，加熱速度10℃/min，氬氣流量50mL/min），結果見圖5。

表3　硅粉粒徑檢測結果Tab.3 The measurement result of Si powder diameter

圖5　硅系延期藥的DSC示意圖Fig.5 DSC curves of silicone delay composition

從圖5可以看出，藥劑Ⅰ在517℃才出現(xiàn)放熱峰，而藥劑Ⅱ在497℃時就有放熱峰出現(xiàn)，較前者提前了20℃。因此，粒度小的硅粉能夠降低延期藥主反應的起始溫度。通過對不同粒徑硅粉的試驗，最終將煤礦許用電雷管高段產(chǎn)品用中等燃速硅系藥劑的硅粉比表面積由目前的18 000～20 000cm2/g調(diào)整為21 000～23 000 cm2/g。

3.2.3限定藥劑的燃速

針對電雷管結構，對不同索芯的藥劑燃燒特性的進行試驗，結果見表4。

表4　不同索結構的硅系藥延期時間Tab.4 Delay time of silicone system delay composition with different cable structure

從表4可以看出，由于藥劑燃燒直徑不同，不同燃速藥劑采用五芯索結構時的延期時間較三芯索的均長，而且藥劑的燃速越慢，其差異就越大。這也說明，藥劑的燃速越慢，采用五芯索時其感度下降得就越大，出現(xiàn)瞎火的可能性增高。因此，為了保障產(chǎn)品可靠作用，應該對藥劑的燃速作更進一步的規(guī)定。經(jīng)過充分論證及點火裕度試驗，將煤礦許用電雷管高段產(chǎn)品用硅系藥劑的燃速限定為不小于0.045mm/ms。

4　改進后產(chǎn)品點火可靠性驗證

按照改進后的技術條件，分別生產(chǎn)了電點火藥頭和延期藥。為了驗證產(chǎn)品改進方案的有效性，通過裕度試驗，驗證電點火藥頭-延期藥之間點火的可靠性。

4.1減小延期索的直徑

隨著延期索直徑變小，藥芯進一步變細，側向熱損失加大，點火變得困難，因此，通過減小藥芯直徑能夠考察點火能量匹配的裕度。試驗將延期索拉拔時的終模由正常φ 6.2mm變?yōu)棣?5.2mm，切制高度為H=10mm，按照煤礦許用雷管技術條件裝配成產(chǎn)品，抽取230發(fā)進行發(fā)火試驗，結果全部發(fā)火。

4.2增大點火距離

試驗中，裝配產(chǎn)品時將氣室空位由正常的32～35mm提高到37～40mm，抽取230發(fā)進行發(fā)火可靠性試驗，結果全部發(fā)火。

4.3延期元件吸濕

若延期藥水分含量較高，在點火燃燒時首先會有一部分熱量用于水分的氣化，藥劑的發(fā)火點溫度會升高。因此，通過對吸濕后的延期元件進行點火試驗以考察點火能量匹配的裕度。

試驗中，將切制的延期元件（H=13.2mm）先在密閉容器中進行室溫高濕吸潮，再按照煤礦許用雷管技術條件裝配成產(chǎn)品，先后抽取了200發(fā)進行測時，全部正常作用，測試結果見表5。

表5　延期索吸潮后作用時間Tab.5 Delay time of delay fuse after moisture absorption

按照改進后的技術條件，目前公司已生產(chǎn)某型煤礦許用雷管300ms產(chǎn)品6批次3.2萬發(fā)，生產(chǎn)驗收合格，滿足客戶需求。

5　結論

通過對某型煤礦許用電雷管瞎火產(chǎn)品的分析及設計改進，得到以下結論：（1）電點火頭-延期元件之間點火能量不匹配是造成產(chǎn)品瞎火的主要原因；（2）Pb系點火藥電感度低、猛度大，不適合作為電點火藥頭的第1道涂藥；（3）硅系延期藥的熱感度與藥劑配比、硅粉粒度有關，減少硫化銻含量、增大硅粉比表面積能夠提高藥劑的感度，降低發(fā)火點。（4）中等燃速硅系延期藥拉制成五芯索結構時，其感度下降，為了確保產(chǎn)品可靠作用，藥劑的燃速應控制在0.045mm/ms以上。

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Analysis and Improvement of Misfire of Some Permitted Electric Detonator for Coal Mine

YAN Qiao-ling，XU Yong，ZHANG Kai
(Xi’an Qinghua Research Institute of Industrial Explosive Material,Xi’an,710025)

Abstract：Aimed at the ignition failure in the coal mine permissible detonator production,the analysis was presented,which showed that the inadequate margin between the energy of electric matchhead and delay composition is the main reason.Through the design improvement,the ignition capacity of electric matchhead and the thermal sensitivity of delay composition were improved.The product verification test showed that the fire reliability can be effectively improved,and the problems of dud can be solved.

Key words：Coal mine permissible detonator；Misfire；Thermal sensitivity；Ignition energy

作者簡介：閻巧玲（1973-），女，工程師，主要從事煙火延期技術研究。

收稿日期：2015-08-07

文章編號：1003-1480（2016）01-0015-04