爆竹机械装药工房装药爆炸破坏危害研究

任才清，周明安

(国防科技大学指挥军官基础教育学院， 湖南 长沙 410072)

0 引 言

烟花爆竹机械化生产，作为解决烟花爆竹生产过程本质安全的重要途径，在加强安全生产管理、提高安全生产水平、塑造安全文化等方面具有不可替代的作用。目前，我国烟花爆竹机械化生产初步形成了生产设备配套、工艺技术规范、管理科学有序的良好市场氛围，对提高生产效率、确保本质安全、缓解用工矛盾、节约土地资源、打击非法生产等具有现实意义。依据《烟花爆竹安全管理条例》以及烟花爆竹产业“工厂化、集约化、标准化、机械化、科技化”的发展思路，在烟花爆竹生产企业，越来越广泛的应用各种机械是趋势所在。然而，企业在推广爆竹生产机械化时，对爆竹自动装药机工房的设计缺少依据，特别是对工房结构设计与工房内存留药量的关系还没有系统的研究，一定程度上制约了机械化的快速、深入推广。

1 爆竹机械装药工房爆炸危害源

爆竹机械装药工房爆炸源主要为装药间存留的鞭炮药。该药配方以黑火药为主要成分，在爆炸后产生的危害主要有爆炸冲击波、爆炸地震波、有毒害物质等。

1.1 爆炸后产生的爆炸冲击波

爆炸冲击波是爆竹机械装药工房内爆炸源爆炸后产生的最主要危害。爆炸冲击波的危害表现为：一是对作业机械产生直接破坏，二是对工房结构、设施产生破坏，三是对邻近范围内的作业人员造成伤害。爆炸冲击波的危害，与冲击波的超压作用过程密切相关，冲击波阵面上超压的大小、冲击波的作用时间及随时间变化的作用性质、目标所处位置、目标形状和大小等都会影响到冲击波危害的程度。在生产实际中，主要考虑超压。

1.2 爆炸产生的地震波

爆炸产生的地震波可以对周边邻近建筑、工房等造成破坏。地震波的大小主要与爆炸药量、爆炸位置、爆炸地震波的传播介质等有关。

1.3 爆后有毒害物质

在烟花爆竹行业过程中，长期以来，人们对药物爆炸后产生的有毒害物质较少考虑。实际上，鞭炮药的特性，决定了爆炸后将产生浓度、总量均较大的有毒害物质。此类物质首先会对环境造成污染，当浓度较大时，也会对人员造成直接伤害。

2 爆炸冲击波危害定量分析

爆炸空气冲击波是指药物爆炸时引起的压缩型强扰动空气传播，不但能够造成人员伤亡、建筑物破坏，而且其超压也会引起人体某些器官损伤或某些机能紊乱。药物在刚性地面爆炸时，冲击波对建筑物的破坏作用，不仅取决于冲击波峰值超压和比冲量，而且与建筑物的几何形状、结构、强度、地形地貌和爆炸距离等因素密切相关，这是爆竹机械装药工房重点关注的问题。一般而言，由于冲击波正压区作用时间与爆心距离、爆炸药量等因素成正比关系，故大药量远距离爆炸时，常以冲击波峰值超压作为危害的关注点。事实也证明，从研究爆炸事故对周围邻近建筑物安全的角度来讲，主要是考虑较大药量爆炸对较远距离作用。因而，主要以冲击波峰值超压来衡量爆炸对建筑物的破坏作用。

在爆竹机械装药工房内，可以将药物等效为黑火药，其发生爆炸后，所处的位置通常为刚性地面的悬空位置，等效于空气中爆炸，因此，其爆炸冲击波可以按照公式(1)进行理论计算：

(1)

式中：ΔP—空气冲击波超压值，105Pa；

Q—TNT炸药当量，kg，黑火药的梯恩梯当量换算系数为0.4；

R—目标到爆炸中心的距离 ，m。

2.1 工房内药量一定时爆炸冲击波危害曲线图

当工房内药量固定时，设定为5 kg黑火药，其TNT当量为2 kg，爆炸后冲击波危害与保护对象距离爆心位置破坏曲线如图1所示。

图1 爆心距离与爆炸超压曲线

从图中可以看出，当爆心药量为5 kg黑火药时，11 m范围内的建筑物均会造成不同程度的损坏；在3.1 m范围内，人员将会受到一定程度的破坏。

2.2 距工房距离一定时爆炸冲击波危害曲线图

当距离工房内装药爆心距离一定时，假设该距离为10 m，爆炸后冲击波破坏曲线与药量(TNT当量)之间曲线图如图2所示。

图2 药量与爆炸超压曲线

从图中可以，当距离爆心距离为10 m时，若TNT当量超过1.5 kg时，即可能会对建筑物造成一定程度的损坏，此时黑火药等效药量为3.75 kg。当TNT当量超过64 kg时，可以直接对人员造成伤害，此时黑火药等效药量为160 kg。

3 爆炸震动危害定量分析

由爆破地震波引起的振动，常会造成附近地面以及地面上物体产生颠簸和摇晃，称为爆破地震效应。炸药爆炸产生的地震效应与天然地震一样，都是由于能量释放，并以地震波形式向外传播，引起地表振动而产生破坏效应的。它们造成的破坏程度又都受地形、地质等因素影响。但天然地震发生在地层深处，其造成破坏的程度主要决定于地震能量(震级)与距震源的远近。炸药的爆炸是在浅埋地表或地面位置处爆炸，其爆破振动也会造成一定的危害，该危害主要是对建筑物的危害。

目前我国也和大多数国家一样，评价不同类型建(构)筑物和其他保护对象的振动影响时，采用了不同的安全判据和允许标准。《爆破安全规程》规定：地面建筑物的爆破振动判据，采用保护对象所在地质点峰值振动速度和主振频率，爆破振动安全允许标准可参考类似工程或保护对象所在地的设计抗震裂度值来确定爆破振动速度极限值。地面建筑物的爆破振动判据主要采用质点峰值振动速度和主振频率两个指标，这是因为：从理论上讲震动是由不同频率、不同幅值在一个有限时间范围内组合的随机过程。震动的最大振幅、 频率和持续时间是表征地震的“三要素”，而最大振幅又与速度、加速度密切相关；从工程实际上看，结构在爆破作用下的反应与频率特性的关系也十分密切；从国外发展趋势看，采用速度一频率作为震动强度指标也是势在必行。

需要说明的是，当炸药在地表或空气介质中爆炸时，由于爆炸能量的迅速衰减，所造成的震波危害，要远远小于冲击波造成的危害，通常情况下可以不予考虑。

为了比较爆竹机械装药工房爆炸破坏特性，假设装药工房内炸药爆炸是在浅层地表爆破，从理论上研究其爆破震波破坏效应，可以作为研究参考。

3.1 距工房距离一定时爆炸振动与药量变化关系

假设距离工房带保护建筑物为15 m，爆炸产生的地震波计算公式按照公式(2)计算：

(2)

式中:V—保护对象所在地面质点振动速度，cm/s；

K、α—与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，K取180，α取1.7。

根据上述公式，可以得出如下变化曲线图，如图3所示。

图3 爆炸振动与药量变化曲线

从图中可以看出，当保护建筑物距离爆心为15 m时，当TNT等效药量超过1.2 kg，将会对一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物造成损坏；当TNT等效药量超过2.5 kg，将会对钢筋混凝土结构房屋造成损坏。

3.2 药量一定时爆炸振动与距离变化关系

假设工房内黑火药总量为5 kg，等效TNT药量为2 kg，可以得出爆炸振动与距离变化关系曲线图，如图4所示。从图中可以看出，当爆心等效TNT药量为2 kg，当距离小于17.4 m时，一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物造成损坏；当距离小于14 m时，钢筋混凝土结构房屋将会受到损坏。

4 结 语

爆炸机械装药工房建造过程中，要充分考虑到药物存留量与工房结构、材质、位置等之间的关系，确保生产过程中的本质安全。

图4 爆炸振动与爆心距离变化曲线

参考文献：

[1]周明安.谨防烟花爆竹生产"连环爆炸"[J].湖南安全与防灾,2011(4):34-36.

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