爆竹機械裝藥工房裝藥爆炸破壞危害研究

任才清，周明安

(國防科技大學指揮軍官基礎教育學院， 湖南 長沙 410072)

0 引 言

煙花爆竹機械化生產，作為解決煙花爆竹生產過程本質安全的重要途徑，在加強安全生產管理、提高安全生產水平、塑造安全文化等方面具有不可替代的作用。目前，我國煙花爆竹機械化生產初步形成了生產設備配套、工藝技術規范、管理科學有序的良好市場氛圍，對提高生產效率、確保本質安全、緩解用工矛盾、節約土地資源、打擊非法生產等具有現實意義。依據《煙花爆竹安全管理條例》以及煙花爆竹產業“工廠化、集約化、標準化、機械化、科技化”的發展思路，在煙花爆竹生產企業，越來越廣泛的應用各種機械是趨勢所在。然而，企業在推廣爆竹生產機械化時，對爆竹自動裝藥機工房的設計缺少依據，特別是對工房結構設計與工房內存留藥量的關系還沒有系統的研究，一定程度上制約了機械化的快速、深入推廣。

1 爆竹機械裝藥工房爆炸危害源

爆竹機械裝藥工房爆炸源主要為裝藥間存留的鞭炮藥。該藥配方以黑火藥為主要成分，在爆炸后產生的危害主要有爆炸沖擊波、爆炸地震波、有毒害物質等。

1.1 爆炸后產生的爆炸沖擊波

爆炸沖擊波是爆竹機械裝藥工房內爆炸源爆炸后產生的最主要危害。爆炸沖擊波的危害表現為：一是對作業機械產生直接破壞，二是對工房結構、設施產生破壞，三是對鄰近范圍內的作業人員造成傷害。爆炸沖擊波的危害，與沖擊波的超壓作用過程密切相關，沖擊波陣面上超壓的大小、沖擊波的作用時間及隨時間變化的作用性質、目標所處位置、目標形狀和大小等都會影響到沖擊波危害的程度。在生產實際中，主要考慮超壓。

1.2 爆炸產生的地震波

爆炸產生的地震波可以對周邊鄰近建筑、工房等造成破壞。地震波的大小主要與爆炸藥量、爆炸位置、爆炸地震波的傳播介質等有關。

1.3 爆后有毒害物質

在煙花爆竹行業過程中，長期以來，人們對藥物爆炸后產生的有毒害物質較少考慮。實際上，鞭炮藥的特性，決定了爆炸后將產生濃度、總量均較大的有毒害物質。此類物質首先會對環境造成污染，當濃度較大時，也會對人員造成直接傷害。

2 爆炸沖擊波危害定量分析

爆炸空氣沖擊波是指藥物爆炸時引起的壓縮型強擾動空氣傳播，不但能夠造成人員傷亡、建筑物破壞，而且其超壓也會引起人體某些器官損傷或某些機能紊亂。藥物在剛性地面爆炸時，沖擊波對建筑物的破壞作用，不僅取決于沖擊波峰值超壓和比沖量，而且與建筑物的幾何形狀、結構、強度、地形地貌和爆炸距離等因素密切相關，這是爆竹機械裝藥工房重點關注的問題。一般而言，由于沖擊波正壓區作用時間與爆心距離、爆炸藥量等因素成正比關系，故大藥量遠距離爆炸時，常以沖擊波峰值超壓作為危害的關注點。事實也證明，從研究爆炸事故對周圍鄰近建筑物安全的角度來講，主要是考慮較大藥量爆炸對較遠距離作用。因而，主要以沖擊波峰值超壓來衡量爆炸對建筑物的破壞作用。

在爆竹機械裝藥工房內，可以將藥物等效為黑火藥，其發生爆炸后，所處的位置通常為剛性地面的懸空位置，等效于空氣中爆炸，因此，其爆炸沖擊波可以按照公式(1)進行理論計算：

(1)

式中：ΔP—空氣沖擊波超壓值，105Pa；

Q—TNT炸藥當量，kg，黑火藥的梯恩梯當量換算系數為0.4；

R—目標到爆炸中心的距離 ，m。

2.1 工房內藥量一定時爆炸沖擊波危害曲線圖

當工房內藥量固定時，設定為5 kg黑火藥，其TNT當量為2 kg，爆炸后沖擊波危害與保護對象距離爆心位置破壞曲線如圖1所示。

圖1 爆心距離與爆炸超壓曲線

從圖中可以看出，當爆心藥量為5 kg黑火藥時，11 m范圍內的建筑物均會造成不同程度的損壞；在3.1 m范圍內，人員將會受到一定程度的破壞。

2.2 距工房距離一定時爆炸沖擊波危害曲線圖

當距離工房內裝藥爆心距離一定時，假設該距離為10 m，爆炸后沖擊波破壞曲線與藥量(TNT當量)之間曲線圖如圖2所示。

圖2 藥量與爆炸超壓曲線

從圖中可以，當距離爆心距離為10 m時，若TNT當量超過1.5 kg時，即可能會對建筑物造成一定程度的損壞，此時黑火藥等效藥量為3.75 kg。當TNT當量超過64 kg時，可以直接對人員造成傷害，此時黑火藥等效藥量為160 kg。

3 爆炸震動危害定量分析

由爆破地震波引起的振動，常會造成附近地面以及地面上物體產生顛簸和搖晃，稱為爆破地震效應。炸藥爆炸產生的地震效應與天然地震一樣，都是由于能量釋放，并以地震波形式向外傳播，引起地表振動而產生破壞效應的。它們造成的破壞程度又都受地形、地質等因素影響。但天然地震發生在地層深處，其造成破壞的程度主要決定于地震能量(震級)與距震源的遠近。炸藥的爆炸是在淺埋地表或地面位置處爆炸，其爆破振動也會造成一定的危害，該危害主要是對建筑物的危害。

目前我國也和大多數國家一樣，評價不同類型建(構)筑物和其他保護對象的振動影響時，采用了不同的安全判據和允許標準。《爆破安全規程》規定：地面建筑物的爆破振動判據，采用保護對象所在地質點峰值振動速度和主振頻率，爆破振動安全允許標準可參考類似工程或保護對象所在地的設計抗震裂度值來確定爆破振動速度極限值。地面建筑物的爆破振動判據主要采用質點峰值振動速度和主振頻率兩個指標，這是因為：從理論上講震動是由不同頻率、不同幅值在一個有限時間范圍內組合的隨機過程。震動的最大振幅、 頻率和持續時間是表征地震的“三要素”，而最大振幅又與速度、加速度密切相關；從工程實際上看，結構在爆破作用下的反應與頻率特性的關系也十分密切；從國外發展趨勢看，采用速度一頻率作為震動強度指標也是勢在必行。

需要說明的是，當炸藥在地表或空氣介質中爆炸時，由于爆炸能量的迅速衰減，所造成的震波危害，要遠遠小于沖擊波造成的危害，通常情況下可以不予考慮。

為了比較爆竹機械裝藥工房爆炸破壞特性，假設裝藥工房內炸藥爆炸是在淺層地表爆破，從理論上研究其爆破震波破壞效應，可以作為研究參考。

3.1 距工房距離一定時爆炸振動與藥量變化關系

假設距離工房帶保護建筑物為15 m，爆炸產生的地震波計算公式按照公式(2)計算：

(2)

式中:V—保護對象所在地面質點振動速度，cm/s；

K、α—與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減指數，K取180，α取1.7。

根據上述公式，可以得出如下變化曲線圖，如圖3所示。

圖3 爆炸振動與藥量變化曲線

從圖中可以看出，當保護建筑物距離爆心為15 m時，當TNT等效藥量超過1.2 kg，將會對一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物造成損壞；當TNT等效藥量超過2.5 kg，將會對鋼筋混凝土結構房屋造成損壞。

3.2 藥量一定時爆炸振動與距離變化關系

假設工房內黑火藥總量為5 kg，等效TNT藥量為2 kg，可以得出爆炸振動與距離變化關系曲線圖，如圖4所示。從圖中可以看出，當爆心等效TNT藥量為2 kg，當距離小于17.4 m時，一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物造成損壞；當距離小于14 m時，鋼筋混凝土結構房屋將會受到損壞。

4 結 語

爆炸機械裝藥工房建造過程中，要充分考慮到藥物存留量與工房結構、材質、位置等之間的關系，確保生產過程中的本質安全。

圖4 爆炸振動與爆心距離變化曲線

參考文獻：

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