爆竹機(jī)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(xué)指揮軍官基礎(chǔ)教育學(xué)院， 湖南 長沙 410072)

0 引 言

煙花爆竹機(jī)械化生產(chǎn)，作為解決煙花爆竹生產(chǎn)過程本質(zhì)安全的重要途徑，在加強(qiáng)安全生產(chǎn)管理、提高安全生產(chǎn)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(jī)械化生產(chǎn)初步形成了生產(chǎn)設(shè)備配套、工藝技術(shù)規(guī)范、管理科學(xué)有序的良好市場氛圍，對提高生產(chǎn)效率、確保本質(zhì)安全、緩解用工矛盾、節(jié)約土地資源、打擊非法生產(chǎn)等具有現(xiàn)實(shí)意義。依據(jù)《煙花爆竹安全管理?xiàng)l例》以及煙花爆竹產(chǎn)業(yè)“工廠化、集約化、標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化、科技化”的發(fā)展思路，在煙花爆竹生產(chǎn)企業(yè)，越來越廣泛的應(yīng)用各種機(jī)械是趨勢所在。然而，企業(yè)在推廣爆竹生產(chǎn)機(jī)械化時(shí)，對爆竹自動裝藥機(jī)工房的設(shè)計(jì)缺少依據(jù)，特別是對工房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工房內(nèi)存留藥量的關(guān)系還沒有系統(tǒng)的研究，一定程度上制約了機(jī)械化的快速、深入推廣。

1 爆竹機(jī)械裝藥工房爆炸危害源

爆竹機(jī)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(chǎn)生的危害主要有爆炸沖擊波、爆炸地震波、有毒害物質(zhì)等。

1.1 爆炸后產(chǎn)生的爆炸沖擊波

爆炸沖擊波是爆竹機(jī)械裝藥工房內(nèi)爆炸源爆炸后產(chǎn)生的最主要危害。爆炸沖擊波的危害表現(xiàn)為：一是對作業(yè)機(jī)械產(chǎn)生直接破壞，二是對工房結(jié)構(gòu)、設(shè)施產(chǎn)生破壞，三是對鄰近范圍內(nèi)的作業(yè)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(guān)，沖擊波陣面上超壓的大小、沖擊波的作用時(shí)間及隨時(shí)間變化的作用性質(zhì)、目標(biāo)所處位置、目標(biāo)形狀和大小等都會影響到?jīng)_擊波危害的程度。在生產(chǎn)實(shí)際中，主要考慮超壓。

1.2 爆炸產(chǎn)生的地震波

爆炸產(chǎn)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(zhì)等有關(guān)。

1.3 爆后有毒害物質(zhì)

在煙花爆竹行業(yè)過程中，長期以來，人們對藥物爆炸后產(chǎn)生的有毒害物質(zhì)較少考慮。實(shí)際上，鞭炮藥的特性，決定了爆炸后將產(chǎn)生濃度、總量均較大的有毒害物質(zhì)。此類物質(zhì)首先會對環(huán)境造成污染，當(dāng)濃度較大時(shí)，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(shí)引起的壓縮型強(qiáng)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(jī)能紊亂。藥物在剛性地面爆炸時(shí)，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(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、地形地貌和爆炸距離等因素密切相關(guān)，這是爆竹機(jī)械裝藥工房重點(diǎn)關(guān)注的問題。一般而言，由于沖擊波正壓區(qū)作用時(shí)間與爆心距離、爆炸藥量等因素成正比關(guān)系，故大藥量遠(yuǎn)距離爆炸時(shí)，常以沖擊波峰值超壓作為危害的關(guān)注點(diǎn)。事實(shí)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(yuǎn)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(jī)械裝藥工房內(nèi)，可以將藥物等效為黑火藥，其發(fā)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(jìn)行理論計(jì)算：

(1)

式中：ΔP—空氣沖擊波超壓值，105Pa；

Q—TNT炸藥當(dāng)量，kg，黑火藥的梯恩梯當(dāng)量換算系數(shù)為0.4；

R—目標(biāo)到爆炸中心的距離 ，m。

2.1 工房內(nèi)藥量一定時(shí)爆炸沖擊波危害曲線圖

當(dāng)工房內(nèi)藥量固定時(shí)，設(shè)定為5 kg黑火藥，其TNT當(dāng)量為2 kg，爆炸后沖擊波危害與保護(hù)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(dāng)爆心藥量為5 kg黑火藥時(shí)，11 m范圍內(nèi)的建筑物均會造成不同程度的損壞；在3.1 m范圍內(nèi)，人員將會受到一定程度的破壞。

2.2 距工房距離一定時(shí)爆炸沖擊波危害曲線圖

當(dāng)距離工房內(nèi)裝藥爆心距離一定時(shí)，假設(shè)該距離為10 m，爆炸后沖擊波破壞曲線與藥量(TNT當(dāng)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(dāng)距離爆心距離為10 m時(shí)，若TNT當(dāng)量超過1.5 kg時(shí)，即可能會對建筑物造成一定程度的損壞，此時(shí)黑火藥等效藥量為3.75 kg。當(dāng)TNT當(dāng)量超過64 kg時(shí)，可以直接對人員造成傷害，此時(shí)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(chǎn)生顛簸和搖晃，稱為爆破地震效應(yīng)。炸藥爆炸產(chǎn)生的地震效應(yīng)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(chǎn)生破壞效應(yīng)的。它們造成的破壞程度又都受地形、地質(zhì)等因素影響。但天然地震發(fā)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(yuǎn)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(shù)國家一樣，評價(jià)不同類型建(構(gòu))筑物和其他保護(hù)對象的振動影響時(shí)，采用了不同的安全判據(jù)和允許標(biāo)準(zhǔn)。《爆破安全規(guī)程》規(guī)定：地面建筑物的爆破振動判據(jù)，采用保護(hù)對象所在地質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度和主振頻率，爆破振動安全允許標(biāo)準(zhǔn)可參考類似工程或保護(hù)對象所在地的設(shè)計(jì)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(jù)主要采用質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度和主振頻率兩個(gè)指標(biāo)，這是因?yàn)椋簭睦碚撋现v震動是由不同頻率、不同幅值在一個(gè)有限時(shí)間范圍內(nèi)組合的隨機(jī)過程。震動的最大振幅、 頻率和持續(xù)時(shí)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(guān)；從工程實(shí)際上看，結(jié)構(gòu)在爆破作用下的反應(yīng)與頻率特性的關(guān)系也十分密切；從國外發(fā)展趨勢看，采用速度一頻率作為震動強(qiáng)度指標(biāo)也是勢在必行。

需要說明的是，當(dāng)炸藥在地表或空氣介質(zhì)中爆炸時(shí)，由于爆炸能量的迅速衰減，所造成的震波危害，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)械裝藥工房爆炸破壞特性，假設(shè)裝藥工房內(nèi)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(yīng)，可以作為研究參考。

3.1 距工房距離一定時(shí)爆炸振動與藥量變化關(guān)系

假設(shè)距離工房帶保護(hù)建筑物為15 m，爆炸產(chǎn)生的地震波計(jì)算公式按照公式(2)計(jì)算：

(2)

式中:V—保護(hù)對象所在地面質(zhì)點(diǎn)振動速度，cm/s；

K、α—與爆破點(diǎn)至計(jì)算保護(hù)對象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，K取180，α取1.7。

根據(jù)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(dāng)保護(hù)建筑物距離爆心為15 m時(shí)，當(dāng)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(dāng)TNT等效藥量超過2.5 kg，將會對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋造成損壞。

3.2 藥量一定時(shí)爆炸振動與距離變化關(guān)系

假設(shè)工房內(nèi)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(guān)系曲線圖，如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)爆心等效TNT藥量為2 kg，當(dāng)距離小于17.4 m時(shí)，一般磚房、非抗震的大型砌塊建筑物造成損壞；當(dāng)距離小于14 m時(shí)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋將會受到損壞。

4 結(jié) 語

爆炸機(jī)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(jié)構(gòu)、材質(zhì)、位置等之間的關(guān)系，確保生產(chǎn)過程中的本質(zhì)安全。

圖4 爆炸振動與爆心距離變化曲線

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