炸药氧平衡理论在铵油炸药管理中的应用研究

王新建

(中国人民公安大学治安学院，北京 100038）

炸药氧平衡理论在铵油炸药管理中的应用研究

王新建

(中国人民公安大学治安学院，北京 100038）

在介绍铵油炸药基本性能的基础上，针对我国铵油炸药实际使用和管理存在的问题，通过铵油炸药氧平衡理论的研究，提出了鉴别和确认混合炸药合法性的方法和手段；并在此基础上，研究炸药氧平衡理论在铵油炸药使用管理中的具体应用，涉及到判断铵油炸药的真伪、判断涉爆炸药的种类、铵油炸药的安全使用、燃烧和爆炸扑救以及炸药配方依据等诸多方面。

氧平衡；民爆物品；炸药识别

0 引言

伴随着我国经济建设的高速发展，民用爆炸物品的使用量日益增多，实践中炸药的安全性问题以及非法贩制的问题亦越发凸显。尤为突出的是，不法分子常常使用各种手段非法贩制混合炸药从中牟取暴利。在所有非法贩制的炸药品种中，铵油炸药由于其原材料来源广泛、易于制造、经济成本较低，并且构成成分简单，因而在实践中犯罪分子时有贩制。本世纪初以来，我国发生的若干起重特大爆炸案件和爆炸事故，涉爆的炸药十之八九多为铵油类炸药。在日常管理中，公安机关可以通过核查《民用爆炸物品生产许可证》、《民用爆炸物品销售许可证》、《民用爆炸物品购买许可证》、《民用爆炸物品运输许可证》等载明许可品种、数量、单位以及许可的期限予以确认。但现实中，有的不法分子通过合法生产或购买一部分、同时自制一部分的方式掩盖其非法贩制的行为。

因此，如何查实和鉴别非法贩制民用爆炸物品的种类和数量，并确保炸药的安全使用，是公安机关依法打击非法贩制民用爆炸物品活动、保障涉爆作业安全一个关键性和源头性的重要工作；与此同时，公安机关如何指导民用爆炸物品企业及用户安全使用炸药，正确处置燃烧及爆炸事故，也是当前乃至以后在民爆物品管理工作方面不可或缺的一个重要工作和任务。

本文通过混合炸药氧平衡理论的研究，提出了鉴别和确认混合炸药合法性的方法和手段；在此基础上，研究了混合炸药氧平衡理论在公安工作中的具体应用。

1 铵油炸药

铵油炸药是用硝酸铵和油类混合而成的、不含有敏化剂的一种混合炸药，其多系粉状、粒状和多孔粒状爆炸性机械混合物，简称“ANFO”爆破剂。实践中，铵油炸药可由硝酸铵和木粉、炭粉、柴油等可燃物组成，它对火焰、机械作用等比较钝感，因而适用于露天及无沼气和矿尘爆炸危险的爆破工程，亦可大量用于铁道、矿山开采和水利工程等大爆破之中。因为铵油炸药的生产工艺极为简单，具有边加工边装药的特点，而且原材料来源广泛、价格十分低廉，因此被世人称为“简单炸药”或“廉价炸药”。我国作为世界上生产和使用炸药的大国，亦大量生产和使用铵油炸药。

铵油炸药的基本组成是:硝酸铵94.5%，柴油5.5%。其中硝酸铵是氧化剂，柴油是可燃剂，也有敏化作用。为了强化铵油炸药的起爆与爆炸能力，常常在其体系中加入适量的铝粉、木粉等物质。总体上来讲，铵油炸药作为一种常用的工业和民用炸药，属于安全钝感、爆炸能力偏低的爆炸物，通常需要采取传爆药柱等强力手段才能可靠起爆。主要爆炸性能为:装药密度0.80～1.00 g/cm3、爆热3 726～5 233 kJ/kg、爆温2 179～2 676℃、比容965～970 L/kg、猛度5～8 mm、做功能力300～330 mL、爆速2 000～2 800 m/s、临界直径35～80 mm。由于自身性能方面因素的限制，铵油炸药一般多用于大孔径(φ≥80 mm）露天爆破作业。

产品包括:粉状铵油炸药、多孔粒状铵油炸药、重铵油炸药、粒状粘性炸药、增粘粒状铵油炸药等。其中，粉状铵油炸药是指以粉状硝酸铵为主要成份，与柴油和木粉(或不加木粉）混合制成的一种铵油炸药，产品包括1～3号粉状铵油炸药；多孔粒状铵油炸药是指由多孔粒状硝酸铵和柴油混合制成的一种铵油炸药；重铵油炸药是指在铵油炸药中加入了乳胶体的铵油炸药，往往具有大密度，大体积威力和良好的抗水性能等优点，适用于含水炮孔或水下爆破使用，又称乳化铵油炸药。

铵油炸药具有很多优点:一是原材料来源广泛、价格低廉，其原材料成本比铵梯炸药和代拿买特分别降低35%～45%和60%～70%；二是组成简单、制作容易，制造过程是一个物理吸附、组分混合的过程，只需适当温度和搅拌，不需要特殊的技术和昂贵的设备。实践中，因其制作就像炒菜那样只需简单的搅拌、混合，因而俗称为铵油炸药炒制；三是使用方便，铵油炸药具有良好的流动性，既易于人工装药，也易于机械化装药，对爆破作业的条件约束小；四是安全性能好，机械感度和火焰感度较低，适合于现场混制，尤其是其原材料料适于分开运输，所以生产、运输、保管和使用各过程都具有相当的安全性。

正是由于铵油炸药具有上述诸多优点，往往一些人受低成本、高回报的利益驱动，致使在农村地区以及某些矿业发达的地区非法炒制、使用等现象比较常见。

2 混合炸药氧平衡理论

2.1 炸药氧平衡

所谓炸药氧平衡，是指炸药自身所含有的O用来完全氧化炸药本身所含的C和H为CO2和H2O以后多余或不足的氧量。为了计算方便，通常设混合炸药的“分子量”为1 000 g，并以此为基础求出元素组成。假设混合炸药的元素组成可以表示为CncHnhOnoNnnClnclFnfAlnalMgnmg…，式中元素注脚为原子数，用ni表示。

根据元素的活泼性不同，在高温高压状态下，炸药中如有Al和Mg元素存在，则率先生成Al2O3和 MgO，然后生产CO、CO2、H2O；如果氧不足，则以H2、C以及其他金属元素形式存在。氢用于生成HCI、HF，然后生成H2O，剩余以H2存在。因此，根据氧平衡的理论定义，混合炸药其氧平衡(以生成CO2来计算）公式为［1-2］:

式中，M是混合炸药的质量，单位1 000克。

对于混合炸药，其氧平衡值亦可通过各组分的氧平衡值与该组分重量百分数乘积之代数和来求得，即:

式中，Ki为某组分炸药的氧平衡；Xi为相应炸药组分的重量百分数。

根据公式(1）、(2）计算出混合炸药平衡值，混合炸药分为3类:

一是K＞0，此种炸药属于正氧平衡炸药，表明炸药中的氧完全氧化可燃元素后还有剩余，该混合炸药的爆炸产物会出现NO、NO2等气体，而NO、NO2均属于剧毒气体。因此，正氧平衡的混合炸药爆炸后会产生大量的有毒气体；

二是K=0，此种炸药属于零氧平衡炸药，表明炸药中的氧正好可以完全氧化炸药中的可燃元素。这种情况下，炸药爆炸后释放的能量最多，效率最高，产生的有害气体最少；

三是K＜0，此种炸药属于负氧平衡炸药，表明炸药中的氧不能完全氧化可燃元素，该混合炸药的爆炸产物会出现CO、CO2等气体，而CO属于剧毒气体。因此，负氧平衡的混合炸药爆炸后会产生大量的有毒气体。

2.2 铵油炸药氧平衡

我国对炸药产品质量要求很高。对于混合炸药，为了保障其使用安全，其氧平衡一般都在零氧附近，而且一般绝对值都保持在小数点后两位。无论铵油炸药的配方如何改进，组分有何误差，只要其组成配方在国家允许范围内，铵油炸药的氧平衡性能都是符合安全要求的。如铵油炸药(硝酸铵、柴油、木粉:92/4/4）、铵油炸药(硝酸铵、柴油:95/5），还是铵油炸药(硝酸铵、柴油:94/6），其氧平衡值一般的氧平衡值分别是-0.002、+0.026和-0.008。常见铵油炸药的组成见表1［3］。

表1 常见铵油炸药的组成%

3 炸药氧平衡理论在民爆物品管理中的应用

3.1 判断炸药的真伪

实践中，不法分子受条件、设备、技术、工艺等限制，根本无法生产出合乎国家标准的铵油炸药。这就给我们指出了鉴别和确认铵油炸药是否系合法合格产品的一个途径:只要某类铵油炸药配比与国家制式产品不符、氧平衡值不符合国家规范，那么实践中它一定是非法制造的。

20 ××年某公安局治安支队，在执法中发现嫌疑人在库房堆积了5箱铵油炸药，经目测发现与常用铵油炸药外观不一样，为了确认该库存炸药是否系国家正规药厂生产的合法产品，执法人员分别从5箱炸药中各取样一份，送交市局刑科所进行化验分析。

化验发现该炸药系混合炸药，其组成成分为硝酸铵、柴油、木粉，比例分别为91.523%、4.717%、3.76%。经查炸药手册得知硝酸铵、柴油、木粉的氧平衡值分别为+0.200、-3.27、-2.667。

利用公式(2），可以得出该铵油炸药的氧平衡值:

结果分析:从化验分析的铵油炸药成分来看，其组成比例总体符合国家标准，应当说仅从炸药的组成比例方面而言，似乎可以得出该炸药是符合国家标准的结论。但是，事实上还不能完全推断该炸药确系国家合格产品，也就是说该炸药有可能属于正规企业生产的合法产品，还必须从氧平衡方面予以分析判断。根据氧平衡分析，计算结果表明该炸药的氧平衡为-0.1，其数值完全超出了国家规范铵油炸药的氧平衡数值范围。至此，完全可以得出结论，该炸药绝对不可能是国家正规企业所制造。

3.2 判断涉爆炸药的种类

在爆炸事故或爆炸案件的现场中，可以通过爆炸产物作用在物体上的烟痕以及爆炸时气体的颜色，粗略判断炸药的种类。

根据氧平衡理论，正氧平衡的炸药由于其氧元素的原因，爆炸之后爆炸气体颜色多呈现为灰白色，与其接触介质上往往也会留有灰白色的烟痕；负氧平衡的炸药由于其中所含有的C元素不能完全氧化，有大量的单质C析出，因此爆炸后都伴有浓浓的黑色烟雾，与其接触的介质上也往往会留下明显的黑色烟痕；而对于零氧平衡的炸药，由于其所含的可燃元素正好能被O元素氧化，因此炸药爆炸后爆炸气体颜色几乎是无色的。

在一个地区，使用的炸药品种总是有限的，因此我们可以根据爆炸后炸药的爆炸气体颜色，首先初步判断出炸药的氧平衡种类，再结合现场其他特征，从而缩小范围确定出具体的炸药品种。

3.3 指导用户安全使用民用爆炸物品

根据炸药氧平衡理论，我们可以推断出正氧平衡炸药，由于完全氧化可燃性元素后O元素还有剩余，在高温高压状态下，O元素必然要和N元素发生反应，生成大量的NO、NO2气体，这些气体都是剧毒气体；对于负氧平衡的炸药，由于所含的O元素不足以完全氧化可燃性元素，因此爆炸气体产物中会含有大量的CO气体，该气体属于剧毒气体［4-5］。一氧化碳不仅对人体有害，而且在高温下与外界氧反应，能再次燃烧形成二次火焰。二次火焰和爆炸时生成的灼热固体碳粒，容易引起瓦斯、煤尘爆炸。而对于零氧平衡的炸药，由于炸药中所含的O元素完全氧化C、H元素后没有任何富裕，炸药中所含的N元素只能自相缔结为N2，因而爆炸后几乎不存在什么有毒成分［6-7］。

表2 炸药氧平衡和有毒气体的关系

由上表可以看出，炸药氧平衡的绝对值越小，其爆炸后生成的有毒气体越少。因此，公安机关在民用爆炸物品监管工作中，应当根据爆破作业环境指导用户正确使用爆炸物品。在通风不畅、地势低洼、人员密集的地方，应指导用户尽量使用零氧平衡或接近零氧平衡的炸药，以减少有毒气体对人员和环境的危害，防止中毒事故的发生。

3.4 指导民用爆炸物品的燃烧和爆炸扑救工作

根据炸药氧平衡理论，炸药的燃烧和爆炸并不需要从外界吸取氧元素，因此用空气隔绝法或是重物覆盖法无法扑救炸药燃烧和爆炸。而且，根据炸药燃烧理论，当炸药在相对密闭的环境中燃烧时，其燃速会急剧增加，炸药表面气体生成量加速增长，先前生成的气体不断地受到挤压，便形成冲击波。当冲击波强度达到一定数值时，这些气体便发生爆轰，而后冲击凝聚炸药，使其发生爆轰［1］。

因此，炸药发生燃烧时，如果炸药数量比较少，并且处于平铺状态，周围又没有其他易燃易爆危险品时，可以采取“无为而治”，静观其直至全部燃烧完毕。如发现有正在燃烧的少许导火索，只要导火索没有和其他物品相连接，并且附近没有易燃易爆危险品，那么不妨在安全监视下让其充分燃烧直至熄灭。切记:绝对不要用脚去踩踏导火索，以免导火索瞬间燃烧转变为爆炸。

但是，当正在燃烧的炸药量比较多而且又处于堆积状态时，除了人员转移疏散外，那么只能转移周围可以移动的易燃易爆危险品以及贵重设备材料等；如有隔爆阻爆器材，如防爆围栏、防爆围墙等，可以遵循“围三放一”的原则，采取定向泄压的方法尽量减弱爆炸的危害。

3.5 指导企业现场混制混合炸药

近年来，我国对铵油炸药的需求量很大，相当一部分炸药是通过现场混制混装的方式生产的。由于装药车集原料运输、混合、装药于一体，具有安全可靠、工作效率高、无需投资建厂等众多优点，因而现场炸药混装车成为一种先进、安全、典型的生产模式，也是未来铵油炸药生产发展的一个趋势。事实上，装药车并不直接运送成品炸药，其料仓内盛装的只是生产炸药的原材料，这些原材料按一定比例在现场混制后才变成最终的炸药。这种生产方式去除了炸药的运输和贮存环节，占地面积小、投资少、安全级别低，基本消除了传统的炸药生产、运输、储存以及装药过程中的不安全因素，对环境不会造成污染，真正实现了炸药生产、炸药使用的本质安全与低碳、环保的优良组合。

通常认为炸药的性能指标主要有炸药的爆速、爆热、感度、殉爆距离、猛度等，它们从不同的角度反映出炸药在爆破作业中可能产生的实际爆破效果。但在现场的具体混制过程中，硝酸铵、柴油、木粉等各种组分的比例一个最为直观和直接的依据就是炸药配方设计的零氧平衡原则，以此计算铵油炸药的理论配方［8-9］。公安机关作为民爆物品监管的主要机构，就必须掌握炸药氧平衡理论在设计炸药配方中的具体应用。凡是铵油炸药最终氧平衡绝对值大于0.06的，公安机关一定要指导民爆用户及时调整、优化炸药配方，既满足炸药基本的爆炸性能指标要求，又要满足零氧平衡的理论要求，这样混制的炸药才符合安全环保的要求。

4 结论

本文针对我国铵油炸药实际使用和管理存在的问题，通过铵油炸药氧平衡理论的研究，提出了鉴别和确认混合炸药合法性的方法和手段；并在此基础上，研究了炸药氧平衡理论在铵油炸药使用管理中的具体应用，重点研究了铵油炸药真伪和涉爆炸药种类判断的途径和方法，同时对铵油炸药的安全使用、爆炸物品的燃烧和爆炸扑救以及现场混制设计配方等也进行了深入的研究。这些方法快速、简便，无需其他高深的理论与昂贵的设备，对提高公安机关民爆管理水平，规范民爆作业，具有积极的作用。

［1］王新建.危险物品管理［M］.北京:中国人民公安大学出版社，2009:105-108.

［2］周霖.爆炸化学基础［M］.北京:北京理工大学出版社，2005:109-110.

［3］孙光.反爆炸技术［M］.北京:群众出版社，2005:44-45.

［4］高贫，刘大斌.多孔粒状铵油炸药爆炸后有毒气体含量测定［J］.爆破器材，2008(6）:8-10.

［5］梁复兴，张玉宾.井下爆破作业后有毒气体浓度超标的分析及对策［J］.煤矿爆破，2012(4）:20-25.

［6］TURCOTTE R，LIGHTFOOT P D，FOUCHARD R，et al.Thermal hazard assessment of AN and AN-based explosives［J］.Journal of hazardous materials，2003，101 (1）:1-27.

［7］Lu Chunxu.Research on expansion technology of ammonium nitrate［］.Proceeding of the 26th IPS，1999:344 -352.

［8］王慧，刘国林，王明.多孔粒状铵油炸药混装车原料配比控制法［J］.宝钢科技，2010(3）:87-89.

［9］孙伦奎，赵乾，周伟光.BCJ-3型乳化炸药现场混装车露天矿山安全管理探讨［J］.广东化工，2012(18）:167 -168.

(责任编辑 陈小明）

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王新建(1964—），男，陕西人，博士，教授。研究方向为危险物品管理、防爆与反恐。