淺談爆破有害效應(yīng)的控制技術(shù)

宋 偉

(保利澳瑞凱(山東)礦業(yè)服務(wù)有限公司，山東費縣273400)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,爆破技術(shù)日趨成熟。 但爆破作業(yè)危險性大,潛在的不安全因素多,在工程爆破過程中,會伴隨有爆破振動、爆破飛石、爆破沖擊波等有害效應(yīng)的發(fā)生。 隨著人們環(huán)保意識的提高,有害效應(yīng)受到更多關(guān)注和重視。中國工程爆破協(xié)會在關(guān)于工程爆破技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展戰(zhàn)略中,明確提出:研究炸藥能量轉(zhuǎn)化過程的精密控制技術(shù),提高炸藥能量利用率,降低爆破有害效應(yīng)是工程爆破新世紀(jì)的發(fā)展戰(zhàn)略[1]。 有效控制有害效應(yīng)是確保爆破作業(yè)安全的重要保障[2]。

1 爆破地震效應(yīng)的控制

1.1 爆破地震波的產(chǎn)生及危害

炸藥在介質(zhì)中爆炸時,大部分能量用于將介質(zhì)進行破碎、移動或拋擲,剩余的小部分能量對周圍的介質(zhì)產(chǎn)生擾動,并以波的形式向外傳播。 一般認為10 ～15 倍藥包半徑范圍內(nèi)傳遞的為沖擊波,15 ～400 倍藥包半徑范圍內(nèi)傳遞的為應(yīng)力波,400 倍以上藥包半徑范圍傳遞的為地震波[3]。

爆破地震不同于天然地震,它的震源在地表淺層發(fā)生,能量衰減較快,持續(xù)時間很短,一次振動只有幾十毫秒至幾百毫秒。 地震波雖然不能使巖石破壞,但它會引起巖石的強烈彈性振動,使爆區(qū)周圍建(構(gòu))筑物出現(xiàn)破裂甚至倒塌現(xiàn)象,使礦山周圍邊坡滑坡,地下巷道圍巖裂開、垮落甚至坍塌,帶來嚴(yán)重的損失。 爆破地震效應(yīng)已成為爆破有害效應(yīng)之首。

為有效控制爆破地震效應(yīng),首先需要對爆破振動進行預(yù)測和判斷。 大量的現(xiàn)場試驗和觀察數(shù)據(jù)表明,質(zhì)點振速大小與爆破振動有害效應(yīng)破壞程度的相關(guān)性最好,所以國內(nèi)外普遍采用質(zhì)點的振動速度來作為衡量爆破振動強度的依據(jù)。

振動速度的大小主要取決于齊發(fā)爆破藥量、質(zhì)點到爆炸中心的距離及爆破點至保護對象間的地形、地質(zhì)條件等因素。

1.2 爆破地震效應(yīng)的防治

1)采用毫秒微差爆破

采用毫秒微差爆破,能使前后起爆產(chǎn)生的能量場相互干擾,從而達到一定的降振效果。 理論上,當(dāng)相鄰起爆炮孔的延期時間間隔取爆破地震波主振周期一半的奇數(shù)倍時,會使相鄰炮孔爆破地震波的波峰和波谷反向疊加,降振效果明顯;但當(dāng)相鄰起爆炮孔的延期時間間隔等于爆破地震波主振周期的整數(shù)倍時,會造成相鄰炮孔爆破地震波正向疊加,反而增加了爆破振動強度[4]。 所以,選擇合理的延期時間間隔是成功降振的關(guān)鍵。

2)選取合理的爆破參數(shù)

①根據(jù)爆破環(huán)境的安全要求,必須設(shè)計合理的孔網(wǎng)參數(shù)及裝藥量,嚴(yán)格控制一次爆破規(guī)模及齊爆藥量。 通常,藥量越大造成的爆破振動效應(yīng)就越大,但不能為了控制爆破振動而盲目降低裝藥量而影響爆破效果,需綜合考慮爆破參數(shù)。

②選用適當(dāng)?shù)难b藥結(jié)構(gòu), 如不耦合裝藥、空氣間隔裝藥等,避免過于集中,有利于能量擴散,減小地震波的強度。

③選擇合理的最小抵抗線方向。 在露天臺階爆破中,朝向最小抵抗線方向的地震波衰減速度最快且振動強度最小,背向最大,側(cè)向居中。 因此,在靠近建(構(gòu))筑物實施爆破作業(yè)時,最小抵抗線方向應(yīng)避免背向建(構(gòu))筑物方向。

3)防護措施

在爆破區(qū)域與被保護的建筑物或設(shè)備之間,采用開挖減震溝槽或進行預(yù)裂爆破都可以削弱地震波的強度,從而降低爆破振動對保護物的影響[5]。鉆鑿不裝藥的單排或雙排防振孔,降振率可達到30% ～50%。 防振孔的孔徑一般選取35 ～65 mm,孔間距不大于25 cm。 預(yù)裂爆破既可減少鉆孔量,又可取得較好的降振效果,但應(yīng)注意預(yù)裂爆破時產(chǎn)生的振動效應(yīng)。 預(yù)裂孔、減振孔都應(yīng)有一定的超深,一般為20 ～50 cm。 土質(zhì)較好,施工方便時可開挖減振溝,深度以超過藥包20 ～50 cm 為宜。 施工時應(yīng)注意,預(yù)裂用的孔、縫和溝須防止充水。

2 爆破空氣沖擊波的控制

2.1 爆破空氣沖擊波產(chǎn)生的原因

炸藥爆炸時,大量的高溫高壓氣體產(chǎn)物被瞬間釋放,從破裂的巖體或炮孔中溢出,并向四周膨脹,壓縮周圍空氣,形成以超音速向外傳播的空氣沖擊波。

裝藥量、炸藥性質(zhì)、巖體性質(zhì)及構(gòu)造、炸藥與介質(zhì)匹配關(guān)系、孔網(wǎng)參數(shù)、填塞狀態(tài)、爆破方式、起爆方法等是影響空氣沖擊波強度的主要因素,同時氣候條件如風(fēng)向、風(fēng)速等也會影響空氣沖擊波的強度。

2.2 爆破空氣沖擊波的危害

空氣沖擊波具有比自由空氣更高的流速和壓力(超壓),在靠近爆源處,由于沖擊波的作用,可引起爆炸材料的爆轟或燃燒;在爆源周邊一定范圍內(nèi),就會對爆區(qū)周邊建(構(gòu))筑物、設(shè)備造成破壞,甚至對暴露人員造成器官損傷。

空氣沖擊波的破壞作用主要與沖擊波波陣面峰值壓力即沖擊波超壓、沖擊波正壓區(qū)作用時間、沖擊波沖量、沖擊波作用到的保護物的自振周期、形狀和強度等因素有關(guān)[6]。

如果沖擊波超壓值低于被保護物的強度極限值,即使有較大沖擊波也不會對被保護物產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞作用;同理,如果沖擊波正壓區(qū)作用時間小于被保護物的彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃嗡璧臅r間,即使有較大超壓也不會導(dǎo)致被保護物的嚴(yán)重破壞。 空氣沖擊波的危害受地形因素影響,如在山坡前側(cè)爆破,山坡后側(cè)影響較小,利用有利地形可減少30% ～70%的危害。 但是,如果峽谷內(nèi)爆破,沿峽谷的縱深或溝的出口方向,沖擊波的危害范圍會增大50% ～100%。 因此,充分利用爆區(qū)周邊的有利條件,可適當(dāng)減小沖擊波的危害范圍。

2.3 爆破空氣沖擊波的控制

1)優(yōu)化爆破方案。 對建筑物拆除爆破、淺孔爆破,不允許采用裸露爆破,也不允許采用孔外導(dǎo)爆索網(wǎng)路。 在露天爆破中,需合理確定爆破設(shè)計參數(shù),減少一次爆破的起爆藥量,保證合理的堵塞長度和堵塞質(zhì)量,控制空氣沖擊波的強度。

2)因爆破環(huán)境的復(fù)雜性,有時作業(yè)條件不能滿足安全距離的要求,需要在爆破中心或者被保護對象附近設(shè)置阻擋。 例如在井巷掘進爆破中,可以設(shè)置磚墻、沙袋墻、夾水墻、水簾等“擋”的障礙,還可以采取增加通道、擴大巷道斷面等“導(dǎo)”的措施。在水下爆破中,采用氣泡帷幕削弱沖擊波的壓力峰值,起到防護作用。

3 爆破飛石的控制

3.1 爆破飛石的產(chǎn)生與危害

爆破飛石是指爆破時一些離開爆堆、飛得較遠的石塊(混凝土塊、磚塊等)。 這些石塊沒有固定的飛行方向和距離,并且拋擲距離較遠。 在工程爆破中,產(chǎn)生爆破飛石的部位主要有堵塞段、孔口和最小抵抗線處。

爆破飛石是造成人員傷亡、建(構(gòu))筑物損毀、設(shè)備設(shè)施損壞等的主要因素。 產(chǎn)生的原因有:特殊的地質(zhì)構(gòu)造(斷層、裂縫、軟夾層等),裝藥過多,炸藥單耗偏大,填塞質(zhì)量不合格,填塞長度過小,起爆設(shè)置不合理,防護不當(dāng),最小抵抗線過小等。

3.2 爆破飛石的預(yù)防與防護

產(chǎn)生爆破飛石的原因很多,如何做好飛石的預(yù)防,將飛石控制在允許范圍內(nèi),是爆破安全的重點,主要措施如下:

1)優(yōu)化爆破方案。 首先,充分了解爆體介質(zhì)的內(nèi)部構(gòu)造和物理力學(xué)性能,選擇合理的爆破參數(shù)如最小抵抗線、炸藥單耗、堵塞長度,減少飛石的產(chǎn)生。 其次,合理布置炮眼位置、選擇起爆順序。 炮眼位置不當(dāng),爆破時個別碎塊就會先從薄弱部位或抵抗線較小處沖出而形成飛石。 起爆順序選擇不合理,若先起爆的炮孔爆破時不能給后起爆的炮孔創(chuàng)造自由面條件,后起爆的炮孔會因夾制作用太大,形成沖炮而引起飛石[7]。

2)防護措施。 對爆破區(qū)域進行覆蓋防護是最主要的防護手段。 表面覆蓋的材料應(yīng)易選取,便于固定,不易拋散和折斷,具有一定的柔性及強度,能防止細小碎塊穿透。 常用的覆蓋材料有草袋、氈墊、帆布廢舊輪胎編制的炮被等。 對于爆區(qū)附近重要的被保護對象通常采用鐵絲網(wǎng)、防護排架等防護屏障作為被動防護。

4 爆破有害效應(yīng)監(jiān)測

GB6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定:D 級以上爆破工程以及可能引起糾紛的爆破工程,均應(yīng)進行爆破有害效應(yīng)監(jiān)測[8]。 爆破有害效應(yīng)監(jiān)測一般有兩類。 一類是對爆破可能引起損傷的重點防護對象在爆破施工作業(yè)中進行全過程監(jiān)測,用以評估防護對象安全狀況和指導(dǎo)爆破施工。 另一類是針對重大爆破工程在現(xiàn)場條件下進行的小型試爆試驗,所安排的監(jiān)測項目和取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)用以指導(dǎo)爆破設(shè)計方案和參數(shù)選擇,也是對設(shè)計進行的安全評估的重要依據(jù)。 工程中一般采用智能化、多功能、便攜式的測試儀器在現(xiàn)場測試。 完成后應(yīng)通過爆后檢查和有害效應(yīng)檢查,認真分析爆破區(qū)域周圍環(huán)境與建(構(gòu))筑物、設(shè)施的安全情況,進行登記、分析和評估。 監(jiān)測儀一般具有GPS 定位功能,可將監(jiān)測信息實施上傳至爆破監(jiān)測公共信息系統(tǒng)中,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理和用戶服務(wù)的數(shù)字化,對促進爆破數(shù)字測振技術(shù)發(fā)展,減少爆破事故隱患具有重要意義[9]。

5 結(jié)語

雖然各種有害效應(yīng)所占炸藥爆炸能量的比重不同,但是有害效應(yīng)都存在一個共同規(guī)律,即隨爆源距離的增加呈現(xiàn)有規(guī)律地衰減。 首先,選取合理的爆破參數(shù)和優(yōu)化爆破方案,減弱爆源的有害影響。 其次,在地震波傳播途徑中設(shè)置減振帶削弱地震波的強度及對被保護對象采取防護措施等保障爆破施工的安全。 隨著國家對安全生產(chǎn)重視程度的不斷提高,有害效應(yīng)的控制理論和技術(shù)也需要不斷提高。 只有做好爆破有害效應(yīng)的控制和安全防護,提高爆破的本質(zhì)安全水平才能切實有效地控制爆破有害效應(yīng),實現(xiàn)爆破施工的高效益、高質(zhì)量和低危害。 信息化技術(shù)和人工智能技術(shù)的應(yīng)用,也將是爆破有害效應(yīng)測試和控制技術(shù)的發(fā)展方向[10]。