烟花爆竹火灾爆炸危害范围研究

彭　玲1　刘　松2

（1.湖南消防总队长沙支队，湖南　长沙；2.天津消防总队北辰支队，天津）

摘要：烟花爆竹作为民用爆炸物品，生产过程从原料到产品都是易燃易爆物质，稍有不慎，便会引起燃烧和爆炸，甚至造成重大伤亡事故，引起了人们的普遍关注。本文首先简要介绍了烟花爆竹燃烧反应机理，并对近几年烟火爆竹火灾爆炸事故进行了大量的统计，总结分析出了烟花爆竹火灾爆炸事故特点。在此基础上，将TNT当量模型应用于烟花爆竹火灾爆炸事故，结合实际计算出了爆炸伤害、破坏范围，对减少烟花爆竹火灾爆炸事故、保护人民生命财产安全等都具有十分重要的实际意义。

关键词：消防；烟花爆竹；火灾爆炸；伤害破坏范围

1　引言

烟花爆竹是中华民族古老发明的艺术结晶，燃放烟花爆竹也是我国传统民俗。逢年过节，遇有喜事，老百姓燃放烟花爆竹能够增添喜庆气氛。但烟花爆竹是危险物品，其固有的危险性给人们的生活带来极大的危险，一旦发生火灾爆炸事故将会给国家和人民生命财产造成重大损失，也将严重危及到参与灭火救援战斗的消防官兵的生命。充分认识烟花爆竹引发的火灾危险性，积极采取预防措施，防患于未然，严格落实灭火作战行动安全，科学施救烟花爆竹火灾，避免伤亡事故再次发生显得尤为重要。近年来，伴随着烟花爆炸火灾的频繁发生，火灾爆炸所造成的危害伤亡不断扩大，火灾危险性的研究开始引起人们关注，火灾现场的灭火技战术也以一个全新的课题走入科学研究的领域。

2　烟花爆竹火灾爆炸危险性

2.1　烟花爆竹燃烧反应机理

烟花爆竹是指以烟火药为原料制成的工艺美术品，通过着火源作用燃烧（爆炸）并伴有声、光、色、烟、雾等效果的娱乐产品。烟花爆竹内部装填的药物统称为烟火剂。烟火剂主要成分是黑火药，含有硫黄、木炭粉、硝酸钾，有的还含有氯酸钾。其化学成分大体分为四类，第一类是氧化剂，常用的主要有：硝酸钾（KNO­3）、硝酸钠（NaNO3）、硝酸钡[Ba（NO3）2]、硝酸锶[Sr（NO3）2]等硝酸盐类，氯酸钾（KClO3）等氯酸盐类，以及高氯酸钾（KClO4）等高氯酸盐三种。第二类是可燃物，常见的包括：铝粉（Al）、镁粉（Mg）、煤粉、硫黄（S）、赤磷（P）、硫化锑（Sb2S3）、雄黄（AsS）、雌黄（As2S3）、苯、松节油、煤油、纤维素（锯木屑）等几种，这些物质燃烧过程中释放高热量。第三类是铜、氯酸钡、硝酸钡、硝酸锶、碳酸锶、锂、铝镁合金等有色发光剂，能够让烟花绽放不同的色彩。第四类包括起辅助作用的黏合剂、啸声剂、烟雾剂等。烟火剂的反应机理比较复杂，其反应过程与成分、配比、物理状态、反应条件、装药密度等因素有关。以下简要介绍烟火剂的反应机理。

（1）黑火药。黑火药主要有硝酸钾（75%）、硫黄（10.3%）、木炭（14.7%）组成。硝酸钾是强氧化剂，与硫黄和木炭剧烈反应，释放大量能量。

（2）氯酸盐。典型的氯酸盐氧化剂主要有氯酸钾、氯酸钡、和高氯酸钾等，他们在反应过程中与其他化合物形成氯化物。如：氯酸钾（KClO3）敏感，它与有机物、硫黄、硫化物、酸类或其他易氧化的物质混合后，受热或受到撞击和摩擦，均能产生强烈的燃烧和爆炸。氯酸钾受日光照射容易分解，生成极不稳定的亚氯酸钾和吸湿性很强的氧化钾，亚氯酸钾极不稳定，如果与酸类、硫化物和有机物等混合，极易自燃或自爆。

（3）有机烟火剂。在烟火剂中的有机物实际上是碳水化合物。在反应过程中一般形成水和一氧化碳或二氧化碳。在爆炸反应中起还原剂作用，并为反应提供能量。

2.2　烟花爆竹火灾统计及其火灾爆炸事故特点

2.2.1　烟花爆竹火灾及伤亡统计

据统计，1985～2007年全国累计发生烟花爆竹各类事故8800余起、死亡9800余人，平均每年发生事故400余起、死亡近450人。2007年1～11月份，全国共发生烟花爆竹事故114起、死258人。近年来，随着烟花爆竹行业的不断发展，人们使用烟花爆竹的频率不断升高，各种火灾爆炸事故发生的越来越频繁，事故所造成的损失越来越大。例如，2010年1月26日，湖南省岳阳临湘市桃林镇长春鞭炮厂成炮车间突发火灾并引发连环爆炸，在灭火救援战斗中，3名消防官兵在扑灭火灾的战斗中英勇牺牲，1名消防战士身受重伤。2010年2月12日，湖南省怀化市溆浦县城关镇三角坪流金广场烟花爆竹销售摊位发生爆炸，引燃毗邻的劳保公司大楼和商都宾馆，在灭火救援战斗中，2名公安消防战士和1名合同制消防员牺牲。2007年7月28日，石家庄辛集市发生特大爆炸事故，死35人，伤103人，造成直接经济损失465.49万元。2006年1月29日，河南林州梨林花炮有限公司发生特大爆炸事故，死36人，8人重伤，轻伤40人。

2003～2007年每年发生烟花爆竹各类事故总数及死亡人数情况见表1。

2.2.2　烟花爆竹火灾爆炸特点

从上文统计的数据可以看出，烟花爆竹具有很大的火灾、爆炸危险性，极易造成重大的人员伤亡和经济损失。研究烟花爆竹火灾爆炸事故的基本特点，在扑救这类火灾过程中有效地控制爆炸范围扩大，防止连锁爆炸发生，对减少人民生命财产损失及提高灭火指战员的灭火安全性具有重要意义。

（1）易燃易爆性。烟花爆竹是一种火工产品，从原料到产品都是易燃易爆物质。从烟火剂的组成和物理化学性质上看，它属于火、炸药类。再加上，现代工业的迅猛发展，烟花爆竹的生产原料大都是用化工原料混合制成，更容易引起化学反应，引起燃烧和爆炸，且爆炸力很强。在烟花爆竹生产、储存和销售过程中，遇见任何明火、强光或者稍加碰撞就有可能引起烟火剂燃烧爆炸。

（2）连锁殉爆性。烟花爆竹事故主要以燃烧爆炸形式表现出来，爆炸冲击波和爆炸碎片以非常快的速度突破本建筑物的局限，致使相邻建筑物发生殉燃、殉爆，甚至引起整个区域的连锁爆炸，导致群死群伤的后果。以1996年四川简阳禾丰鞭炮厂“6·29”爆炸事故为例，爆炸点为切引工序，爆炸后产生巨大的能量依次引起兑药间、药饼中转房殉爆，全厂28间厂房被夷为平地，90多名工人非死即伤，无一幸免。

（3）燃烧爆炸交替性。烟花爆竹成品仓库一旦被点燃，事故现场会出现先爆炸后燃烧、燃烧爆炸交替进行的特点。一般是先发生爆炸，再由爆炸引起燃烧，除爆炸点可燃物燃烧外，由于花炮有升高、飞跃、跳动、旋转等特点，会引起一定距离之外的可燃物燃烧，形成大面积火灾。

（4）容易造成重大人员伤亡。烟花爆竹工厂各生产工序发生燃烧、爆炸，在场人员往往来不及逃出而被烧伤、炸伤，甚至烧死。如2007年2月15日，山东济南市仲宫烟花爆竹市场发生鞭炮爆炸，一个燃烧的花炮在极短的时间内引燃了市场上140多出摊位爆炸，整个现场陷入一片火海，34辆机动车被炸毁。又如2006年1月29日，河南梨子林花炮有限公司发生爆炸事故，事故造成36人死亡，重伤8人，其中大部分伤亡人员是爆炸地点附近老君庙烧香和围观的游客。

3　烟花爆竹爆炸冲击力及其伤害、破坏范围

烟花爆竹内含烟火药属于易燃易爆危险品，由于烟火药的固有属性其对应的烟花爆竹呈现相应的燃爆性能。烟火药发生燃烧爆炸后，能产生多种破坏效能，如热辐射、一次碎片作用等致命效应等，但最危险、破坏力最强、破坏区域最大的是冲击波的破坏效应，包括冲击波传播到很远距离后引起的二次破片的破坏效应。冲击波伤害、破坏作用准则有：超压准则、冲量准则、超压-冲量准则等。为了方便研究，这里采取超压准则。

3.1　TNT当量法介绍

爆炸冲击波与产生冲击波的能量有关，同时也与距离爆炸中心的远近有关。实验数据表明，不同数量的同类炸药发生爆炸时，如果距离爆炸中心的距离R之比与炸药量q三次方根之比相等，则所产生的冲击波超压相等。若

　　 （1） 　　

则ΔP=ΔP0，式中，R表示目标与爆炸中心距离，m；R0表示目标与基准爆炸中心的相当距离，m；q0表示基准爆炸能量，kg，TNT；q表示爆炸时产生冲击波所消耗的能量，kg，TNT；ΔP表示冲击波超压，MPa；ΔP0表示目标处超压，MPa；a表示炸药爆炸实验模拟比。

上式也可写成为：

ΔP(R)=ΔP0(R/a)　（2）

利用式（2）就可以根据表2中1000kgTNT爆炸时冲击波超压来确定任意药量爆炸时在各种相应距离下的超压。再从表3中找出对人员的伤害、破坏作用。

人员伤害超压准则如表3。

3.2　烟花爆竹火灾爆炸伤害作用范围TNT当量计算程序

（1）首先计算或实验得出烟花爆竹爆破能量E。烟花爆竹药剂TNT当量的能量换算法的关键是获取药剂的爆热（或燃烧热）。烟花爆竹药剂主要是燃烧热，获取燃烧热的方法有计算法和实验法。烟花爆竹药剂种类繁多、成分复杂、缺乏足够的相关数据，因此计算法不适于烟火药燃烧热的计算，主要是通过实验获得燃烧热。

（2）将爆破能量E换算成TNT当量q。大多数炸药的TNT当量是根据能量相似原理按爆热换算的，即

q=E/qTNT 　（3）

式中，qTNT一般取4500kJ/kg。

（3）按式（1）求出爆炸的模拟比a，即

　　 （4） 　　

（4）求出1000kgTNT爆炸试验中的相当距离R0，即R0=R/a。

（5）根据R0值在表2中找出R0处的超压ΔP0（中间值用插入法），此即所求距离R处的超压。

（6）再根据超压值ΔP，从表3中找出对人员的伤害、破坏作用。

3.3　具体应用

本文引用长沙奔特仪器有限公司制造的WZR-lA型微电脑自动热量计爆热测试所得的结果。该实验选用“大雷鸣”炸药作为实验对象，其内由50%高氯酸钾、30%硫黄、20%铝粉组成，经过三组平行实验测得的爆热E=3621kJ/kg。分别取1kg、1000kg、1000T“大雷鸣”炸药，计算其爆炸伤害范围。

（1）1kg“大雷鸣”炸药。1kg“大雷鸣”炸药爆破能E=3.621×103kJ

通过式（3）换算得该药剂的TNT当量为q=E/qTNT= 0.804kg

则其爆炸模拟比为

据R0=R/a得，R0=R/0.09301

取R为0.465m、0.651m、0.837m、1.116m、1.86m、2.79m、3.72m、4.185m、5.115m、6.045m、6.975m计算出R0，再根据表2中找出R0处的超压ΔP0，即求得距离R处的超压，见表4。

（2）1000kg“大雷鸣”炸药。1000kg“大雷鸣”炸药爆破能量E=3.621×106kJ

通过式（3）换算得该药剂的TNT当量为q=E/qTNT= 804kg

则其爆炸模拟比为

根据R0=R/a得，R0=R/0.93。取R为4.65m、6.51m、8.37m、11.16m、18.6m、27.9m、37.2m、41.85m、51.15m、60.45m、69.75m计算出R0，再根据表2中找出R0处的超压ΔP0，即求得距离R处的超压，见表4。

（3）1000T“大雷鸣”炸药。1000T“大雷鸣”炸药爆破能量E=3.621×109kJ

通过式（3）换算得该药剂的TNT当量为q=E/qTNT= 804000kg

则其爆炸模拟比为

根据R0=R/a得，R0=R/9.3。取R为46.5m、65.1m、83.7m、111.6m、186m、279m、372m、418.5m、511.5m、604.5m、697.5m计算出R0，再根据表2中找出R0处的超压ΔP0，即求得距离R处的超压，见表4。

3.4　结论

（1）烟花爆竹火灾爆炸事故爆炸冲击危害大，如若消防人员处置不当引起爆炸，极易造成大量人员伤亡。上面的计算结果大致体现了爆炸现场超压值的分布，以及大概的伤害半径、范围。从表4可以看出，烟花爆竹爆炸冲击波从爆炸中心向四周衰减，且不同数量烟花爆竹爆炸所产生的冲击波威力不同。

（2）根据表3和表4，可以将现场进行爆炸伤害分区。以1000kg烟花爆竹为例，距离爆炸点40m范围为死亡区，这个区域内人员因冲击波伤害极易死亡。距离爆炸点40～70m范围内为重伤区。距离爆炸点70～100m范围内为轻伤区。100m以外为安全区。

（3）设置警戒线，划分危险区域。可根据搜集所得的情况，将现场划分为不同的警戒区，设置三层警戒线，以满足不同层次扑救工作的要求。一般而言，内围警戒线要圈定事故的核心区域即死亡区，属于爆炸伤害范围内，也是破坏力最大的区域，区域内不得随意进入人员，必须进入时，必须进入时，确保不会发生爆炸。第二层警戒线内为重伤区，这个区域只允许消防人员、专业技术人员进入，负责火灾扑救与人员搜索救助，是扑救工作开展的重要空间。进入人员必须做好自身的安全防护，着封闭式防化服或内置式重型防化服，佩戴正压式空气呼吸器。外围警戒线以内为轻伤区，允许医疗人员、警察及其他专业人员进入，负责疏散与医疗救护。外围警戒线以外，设安全区，无关人员包括媒体、围观人员一般不得进入此区域。

4　结论

本文将TNT当量模型应用于烟花爆竹火灾爆炸事故，分析与研究了其爆炸伤害范围计算的方法与程序，并举例计算出了烟花爆竹火灾爆炸大致的伤害半径。但由于时间仓促和条件限制，只计算了“大雷鸣”炸药的爆炸伤害范围，没有完整的考虑到其他常见烟花爆竹产品，且数据来源于长沙奔特仪器有限公司制造的WZR-lA型微电脑自动热量计爆热测试所得的结果，非自己实验所得结果。另外，此模型没有考虑不同地形、不同环境对爆炸冲击波分布的影响。

参考文献

[1] 刘铁民，张兴凯，刘功智. 安全评价方法应用指南[M]. 北京：化学工业出版社，2005.

[2] 邱昭树. 烟花爆竹储运燃爆性能测试及其运输危险性定级方法的改进研究[D]. 南京：南京理工大学，2009.

[3] 郑端文. 烟花爆竹消防安全技术[M]. 北京：中国劳动社会保障出版社，2007.