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(fèi)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(xiǎn)性大,潛在的不安全因素多,在工程爆破過(guò)程中,會(huì)伴隨有爆破振動(dòng)、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(shí)的提高,有害效應(yīng)受到更多關(guān)注和重視。中國(guó)工程爆破協(xié)會(huì)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(guò)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(shí),大部分能量用于將介質(zhì)進(jìn)行破碎、移動(dòng)或拋擲,剩余的小部分能量對(duì)周?chē)慕橘|(zhì)產(chǎn)生擾動(dòng),并以波的形式向外傳播。 一般認(rèn)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(shí)間很短,一次振動(dòng)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(huì)引起巖石的強(qiáng)烈彈性振動(dòng),使爆區(qū)周?chē)?構(gòu))筑物出現(xiàn)破裂甚至倒塌現(xiàn)象,使礦山周?chē)吰禄?地下巷道圍巖裂開(kāi)、垮落甚至坍塌,帶來(lái)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(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷。 大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和觀察數(shù)據(jù)表明,質(zhì)點(diǎn)振速大小與爆破振動(dòng)有害效應(yīng)破壞程度的相關(guān)性最好,所以國(guó)內(nèi)外普遍采用質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度來(lái)作為衡量爆破振動(dòng)強(qiáng)度的依據(jù)。

振動(dòng)速度的大小主要取決于齊發(fā)爆破藥量、質(zhì)點(diǎn)到爆炸中心的距離及爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)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(chǎng)相互干擾,從而達(dá)到一定的降振效果。 理論上,當(dāng)相鄰起爆炮孔的延期時(shí)間間隔取爆破地震波主振周期一半的奇數(shù)倍時(shí),會(huì)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(shí)間間隔等于爆破地震波主振周期的整數(shù)倍時(shí),會(huì)造成相鄰炮孔爆破地震波正向疊加,反而增加了爆破振動(dòng)強(qiáng)度[4]。 所以,選擇合理的延期時(shí)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(jì)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(dòng)效應(yīng)就越大,但不能為了控制爆破振動(dòng)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(guò)于集中,有利于能量擴(kuò)散,減小地震波的強(qiáng)度。

③選擇合理的最小抵抗線方向。 在露天臺(tái)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(dòng)強(qiáng)度最小,背向最大,側(cè)向居中。 因此,在靠近建(構(gòu))筑物實(shí)施爆破作業(yè)時(shí),最小抵抗線方向應(yīng)避免背向建(構(gòu))筑物方向。

3)防護(hù)措施

在爆破區(qū)域與被保護(hù)的建筑物或設(shè)備之間,采用開(kāi)挖減震溝槽或進(jìn)行預(yù)裂爆破都可以削弱地震波的強(qiáng)度,從而降低爆破振動(dòng)對(duì)保護(hù)物的影響[5]。鉆鑿不裝藥的單排或雙排防振孔,降振率可達(dá)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(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)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(shí)可開(kāi)挖減振溝,深度以超過(guò)藥包20 ～50 cm 為宜。 施工時(shí)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(shí),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?chē)諝?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(qiáng)度的主要因素,同時(shí)氣候條件如風(fēng)向、風(fēng)速等也會(huì)影響空氣沖擊波的強(qiáng)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(huì)對(duì)爆區(qū)周邊建(構(gòu))筑物、設(shè)備造成破壞,甚至對(duì)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(shí)間、沖擊波沖量、沖擊波作用到的保護(hù)物的自振周期、形狀和強(qiáng)度等因素有關(guān)[6]。

如果沖擊波超壓值低于被保護(hù)物的強(qiáng)度極限值,即使有較大沖擊波也不會(huì)對(duì)被保護(hù)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(shí)間小于被保護(hù)物的彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃嗡璧臅r(shí)間,即使有較大超壓也不會(huì)導(dǎo)致被保護(hù)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(huì)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(duì)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(jì)參數(shù),減少一次爆破的起爆藥量,保證合理的堵塞長(zhǎng)度和堵塞質(zhì)量,控制空氣沖擊波的強(qiáng)度。

2)因爆破環(huán)境的復(fù)雜性,有時(shí)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(hù)對(duì)象附近設(shè)置阻擋。 例如在井巷掘進(jìn)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(kuò)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(hù)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(shí)一些離開(kāi)爆堆、飛得較遠(yuǎn)的石塊(混凝土塊、磚塊等)。 這些石塊沒(méi)有固定的飛行方向和距離,并且拋擲距離較遠(yuǎn)。 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(guò)多,炸藥單耗偏大,填塞質(zhì)量不合格,填塞長(zhǎng)度過(guò)小,起爆設(shè)置不合理,防護(hù)不當(dāng),最小抵抗線過(guò)小等。

3.2 爆破飛石的預(yù)防與防護(hù)

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(diǎn),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(zhǎng)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(shí)個(gè)別碎塊就會(huì)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(shí)不能給后起爆的炮孔創(chuàng)造自由面條件,后起爆的炮孔會(huì)因夾制作用太大,形成沖炮而引起飛石[7]。

2)防護(hù)措施。 對(duì)爆破區(qū)域進(jìn)行覆蓋防護(hù)是最主要的防護(hù)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(qiáng)度,能防止細(xì)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(duì)于爆區(qū)附近重要的被保護(hù)對(duì)象通常采用鐵絲網(wǎng)、防護(hù)排架等防護(hù)屏障作為被動(dòng)防護(hù)。

4 爆破有害效應(yīng)監(jiān)測(cè)

GB6722—2014《爆破安全規(guī)程》規(guī)定:D 級(jí)以上爆破工程以及可能引起糾紛的爆破工程,均應(yīng)進(jìn)行爆破有害效應(yīng)監(jiān)測(cè)[8]。 爆破有害效應(yīng)監(jiān)測(cè)一般有兩類(lèi)。 一類(lèi)是對(duì)爆破可能引起損傷的重點(diǎn)防護(hù)對(duì)象在爆破施工作業(yè)中進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè),用以評(píng)估防護(hù)對(duì)象安全狀況和指導(dǎo)爆破施工。 另一類(lèi)是針對(duì)重大爆破工程在現(xiàn)場(chǎng)條件下進(jìn)行的小型試爆試驗(yàn),所安排的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和取得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用以指導(dǎo)爆破設(shè)計(jì)方案和參數(shù)選擇,也是對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行的安全評(píng)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(cè)試儀器在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。 完成后應(yīng)通過(guò)爆后檢查和有害效應(yīng)檢查,認(rèn)真分析爆破區(qū)域周?chē)h(huán)境與建(構(gòu))筑物、設(shè)施的安全情況,進(jìn)行登記、分析和評(píng)估。 監(jiān)測(cè)儀一般具有GPS 定位功能,可將監(jiān)測(cè)信息實(shí)施上傳至爆破監(jiān)測(cè)公共信息系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理和用戶服務(wù)的數(shù)字化,對(duì)促進(jìn)爆破數(shù)字測(cè)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(yǔ)

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(gè)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(qiáng)度及對(duì)被保護(hù)對(duì)象采取防護(hù)措施等保障爆破施工的安全。 隨著國(guó)家對(duì)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(hù),提高爆破的本質(zhì)安全水平才能切實(shí)有效地控制爆破有害效應(yīng),實(shí)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(cè)試和控制技術(shù)的發(fā)展方向[10]。