扁擔山礦露天爆破開采對鐵路工業(yè)設施安全影響分析

婁廣文 范 慶 夏 勇

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心；4.懷寧上峰水泥有限公司）

懷寧上峰水泥有限公司有2條5 000 t/d水泥熟料生產(chǎn)線，扁擔山石灰?guī)r礦是水泥廠區(qū)石灰石原料供應自備礦山。該礦山位于安徽省懷寧縣城170°方向、20 km處，為山坡露天開采，采用自上而下水平分臺階開采，開拓運輸系統(tǒng)為公路—汽車運輸方案；臺階高15 m，設計最低開采標高為+30 m，目前最低開采標高為+45 m。爆破作業(yè)采用深孔多排孔微差爆破。由于合九鐵路安慶支線從礦區(qū)東北區(qū)經(jīng)過，根據(jù)2014年1月1日實施的《鐵路安全管理條例》（第639號令）第三十四條規(guī)定，鐵路線路向內外各1 000 m范圍內，確需從事露天采礦、采石或者爆破作業(yè)的，應當與鐵路運輸企業(yè)協(xié)商一致，依照有關法律法規(guī)報縣級以上地方人民政府有關部門批準，采取安全防護措施后方可進行。為研究技改擴建以后礦山開采爆破對東北側合九鐵路的影響，依據(jù)國家相關法律、法規(guī)和規(guī)范標準，結合礦山開采、爆破現(xiàn)狀，開展露天開采爆破對合九鐵路的安全影響論證［1-2］。

1 礦山東北區(qū)開采現(xiàn)狀調查分析

1.1 東北區(qū)地形地貌

礦山東北區(qū)開采邊界標高在+60 m 左右，該區(qū)域合九鐵路段標高在+20 m 左右，地形高差約40 m，屬丘陵區(qū)，礦區(qū)東北區(qū)至合九鐵路之間植被較發(fā)育，受植被遮擋等因素，合九鐵路安慶支線基本不在礦區(qū)東北區(qū)可視范圍。

1.2 地質情況

礦區(qū)內出露地層自石炭系上統(tǒng)船山組至三疊系下統(tǒng)南陵湖組及第四系，由南西至北東地層層位逐漸由老變新，其中南陵湖組為水泥用灰?guī)r的主要含礦層位。

東北區(qū)有主要3條斷裂構造，各斷層主要特征如下：

F1斷層位于扁擔山西側，為正斷層，長860 m，寬2～2.5 m，產(chǎn)狀255°∠72°。地貌上呈一陡坎，沿斷層形成一條連續(xù)的張性角礫巖帶，碳酸鹽充填交代石灰?guī)r角礫，1～2 線下盤南陵湖組與上盤和龍山組相抵，地層產(chǎn)狀不一致，視斷距5～78 m。

F2斷層位于扁擔山西側，為正斷層，長700 m，寬1～4 m，產(chǎn)狀78°∠70°。地貌上呈一陡坎，沿斷層形成一條連續(xù)的張性角礫巖帶，主要由白云質、硅質充填膠結石灰?guī)r角礫，地層不連續(xù)，局部和龍山組與南陵湖組相抵，最大視斷距68 m。

F7斷層位于扁擔山西北側，長195 m，寬0.5～1.2 m，產(chǎn)狀250°∠80°。沿斷層形成一條連續(xù)的角礫巖帶，角礫常呈透鏡體狀斷續(xù)分布在斷裂帶中，局部角礫具定向排列，膠結物為白云質、鈣質等。

礦區(qū)現(xiàn)有的采場也未見有溶洞等出現(xiàn)。礦區(qū)巖溶發(fā)育程度自地表向深部逐漸減弱，主要分布在礦床中部的F1、F2斷層附近，巖溶發(fā)育程度不均勻。

1.3 前期開采情況

目前礦山按照原初步設計開采方式、采場參數(shù)、開采境界范圍進行開采。其中西扁擔山采區(qū)目前已形成+45，+60，+75 m 3個臺階，主要生產(chǎn)水平為+60 m臺階，+45 m 臺階為采準平臺，臺階高度15 m，工作臺階坡面角70°～75°。采用公路—汽車開拓運輸方案，采場運輸?shù)缆房偝鋈肟诓贾迷跂|北側+58 m 標高。采場內部運輸?shù)缆愤B接采場中、西各開采臺階，運輸?shù)罏槟嘟Y碎石路面，道路寬8～10 m，最大縱坡9%。

1.4 爆破施工情況

采用自上而下水平分臺階開采，臺階高度15 m。穿孔作業(yè)采用液壓潛孔鉆機，鉆孔直徑115 mm 和90 mm。正常爆破作業(yè)采用φ115 mm 鉆機，控制爆破采用φ90mm鉆機。

礦山東北區(qū)爆破自由面與合九鐵路方向相反，爆破產(chǎn)生的飛石向礦區(qū)西側及南側，而東北區(qū)外圍地形標高高于爆破作業(yè)平臺高度，外圍地形成為天然屏障，大大降低了爆破作業(yè)對合九鐵路的影響。

2 爆破測試及參數(shù)確定

2.1 總體目標及方案

本次安全影響論證的目的主要是對扁擔山礦露天爆破可能對合九鐵路安全運行形成的危險有害因素進行識別、分析，找出安全評估對象的危險、有害因素的嚴重程度及潛在的事故隱患，分析有關爆破參數(shù)對合九鐵路運行的安全可靠性，確保礦山東北區(qū)合九鐵路安慶支線的安全運行。通過分析，該鐵路的主要影響因素為爆破飛石、爆破振動、沖擊波等，通過計算爆破振動安全允許距離、爆破振動速度、爆破地震烈度，綜合分析爆破作業(yè)對鐵路線的安全影響。

而爆破振動有關的參數(shù)K、α值對爆破作業(yè)安全影響分析至關重要，通常情況下根據(jù)地質條件進行經(jīng)驗取值，其往往與實測結果產(chǎn)生較大差異。因此本次安全影響分析采用爆破振動測試儀，現(xiàn)場布置爆破振動測試線，對測量的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，運用最小二乘法對爆破振動參數(shù)進行計算，根據(jù)實測數(shù)據(jù)求出當?shù)氐腒、α值，建立適合于當?shù)氐刭|條件的振動速度計算公式。并運用薩道夫斯基計算公式，分別對爆破安全距離及爆破振動速度進行計算分析，并根據(jù)爆破地震效應計算地震烈度有關參數(shù)，分析爆破地震波構成的影響，從而綜合分析礦山爆破開采對合九鐵路的影響。

2.2 爆破測試

采用Blast-UM 型爆破測振儀對礦山爆破振動有關參數(shù)進行測試。Blast-UM 型爆破測振儀是由泰測科技自主研發(fā)的爆破測振系列產(chǎn)品，是集超高精度、全自動模式于一體的爆破測振儀。該產(chǎn)品主要用于爆破拆除、礦山開采、隧道施工、道路橋梁基礎建設等爆破的安全評估和數(shù)據(jù)分析。

從采場至合九鐵路方向及居民建構筑物集中區(qū)域分別布置3 條測試線，每條測試線布置3 個測點，共布置9 個爆破振動測試點，開展爆破振動測試，并記錄爆破振動點孔網(wǎng)參數(shù)、爆破器材使用量、炮孔布置、驗孔情況、測距、三維方向爆破振動速度等相關信息，作為爆破衰減系數(shù)K、α值回歸計算依據(jù)。

對于礦區(qū)正常生產(chǎn)施工區(qū)域，采用深孔爆破開挖。正常爆破作業(yè)可以采用φ115 mm 或φ90 mm 鉆機，控制爆破采用φ90 mm 鉆機進行穿孔作業(yè)。采用連續(xù)裝藥結構，梅花型或矩形布孔。根據(jù)礦山的特點，深孔爆破全部采用導爆管起爆系統(tǒng)，并采用孔外延期微差爆破網(wǎng)路，逐孔起爆。用高能起爆器作為擊發(fā)元件，用塑料導爆管作為傳爆元件，用高精度毫秒延期導爆管雷管作為孔外延期連接及起爆元件?？紤]周圍居民房屋、廠房生產(chǎn)設施情況和安全生產(chǎn)任務需要，采用分區(qū)控制爆破規(guī)模。

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2.3 爆破參數(shù)計算

2.3.1 爆破衰減系數(shù)K、α值回歸計算

目前爆破振動計算比較公認的是前蘇聯(lián)學者薩道夫斯基的經(jīng)驗公式，爆破振動安全允許距離計算公式如下：

式中，R為爆破振動安全允許距離，m；Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時爆破為最大一段藥量，kg；V為保護對象所在地質點振動安全允許速度，cm/s；K、α為與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數(shù)和衰減指數(shù)，可通過現(xiàn)場試驗確定。

K、α值的選取因地質條件的不同變化范圍較大，因此有必要對所進行的爆破現(xiàn)場進行測試，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)求出當?shù)氐腒、α值，建立適合于當?shù)氐刭|條件的振動速度計算公式。

根據(jù)式（1）并結合表2 中實測爆破振動數(shù)據(jù)，運用最小二乘法原理，對K、α值進行回歸分析，采用數(shù)理統(tǒng)計知識，對公式進行變量變換，將多元非線性問題轉化為線性回歸問題，回歸出未知的爆破衰減系數(shù)K、α值。經(jīng)計算，K=213，α=1.41。

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2.3.1 回歸系數(shù)的顯著性檢驗

采用相關系數(shù)法進行顯著性檢驗，樣本的相關系數(shù)：

當|R|越接近1 時，y與x的線性關系越顯著，特別的，當|R|=1 時，此時y與x的變化完全由y與x的線性關系引起。

根據(jù)《鐵路工程爆破振動安全技術規(guī)程》（TB 10313—2019），對回歸計算結果應進行相關性檢驗，相關性系數(shù)R應不小于0.8。

經(jīng)計算得相關性系數(shù)為0.88，線性關系顯著，表明用線性回歸方法得到的K、α值符合實際要求。由此根據(jù)上述場地系數(shù)K=213，震動衰減系數(shù)α=1.41，得到礦山爆破振動速度計算公式［3-5］：

2.4 爆破工程級別的確定

鑒于礦區(qū)周邊有合九鐵路等重要建（構）筑物，本次參照一般巖土爆破工程對其進行分級。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014），B、C、D 級一般巖土爆破工程距爆區(qū)500 m 范圍內有國家三級文物、風景名勝區(qū)、重要的建（構）筑物、設施時，應相應提高一個工程級別。本次論證范圍為爆破開采對合九鐵路工業(yè)設施的影響，重要的建（構）筑物設施合九鐵路距離爆區(qū)304 m，小于500 m，故工程級別應提高一個級別，屬于B級爆破工程。

3 爆破開采安全影響分析

3.1 爆破振動安全允許距離分析

根據(jù)《鐵路工程爆破振動安全技術規(guī)程》（TB 10313—2019），鐵路路基爆破振動安全允許值應選擇迎爆側路肩的質點振動速度最大峰值為基準。由合九鐵路安慶支線途經(jīng)礦區(qū)北側地段的實際情況可知，該段鐵路為有砟軌道路基，巖石邊坡高度小于8 m，橋墩為混凝土及預應力混凝土橋，根據(jù)現(xiàn)場實測波形可知頻率范圍為10～50 Hz，因此由《鐵路工程爆破振動安全技術規(guī)程》（TB 10313—2019）取安全允許速度值為5cm/s。

《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）規(guī)定：地面建筑物、電站（廠）中心控制室設備、隧道與巷道、巖石高邊坡和新澆大體積混凝土的爆破震動判據(jù)，采用保護對象所在地基礎質點峰值振動速度和主振頻率。合九鐵路的安全允許振動速度值參照工業(yè)和商業(yè)建筑物安全允許振動速度選取，取安全允許速度值為3.5 cm/s。

綜合《鐵路工程爆破振動安全技術規(guī)程》（TB 10313—2019）及《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）關于爆破安全允許振速標準，同時考慮到合九鐵路的重要性及地質條件，以及爆破振動影響累積效應，為了安全起見，針對不同保護設施綜合取最小值，合九鐵路的地面允許爆破振動速度取3.5 cm/s。經(jīng)計算，爆破振動安全距離為88.29 m，即爆破振動不會損壞距離開采境界304 m 以外的合九鐵路安慶支線。故合九鐵路在爆破振動安全允許距離之外，滿足安全要求［6-8］。

3.2 爆破振動速度分析

根據(jù)式（1）～式（3），扁擔山段藥量、爆破作用距離、爆破振動速度關系如表3所示。

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根據(jù)計算結果，最大單段裝藥量為110 kg，距離爆區(qū)90 m 范圍以內振動速度超過工業(yè)和商業(yè)建筑物允許的抗震極限，故在生產(chǎn)過程中，90 m 左右范圍內應防止人員進入，設計爆破警戒距離為300 m，滿足要求。扁擔山水泥用石灰?guī)r礦露天爆破在合九鐵路位置（304 m處）引起的地面振動速度（V=0.61 cm/s）遠小于合九鐵路路基處允許的爆破振動速度（V=3.5 cm/s），故礦山爆破對合九鐵路的安全不產(chǎn)生破壞作用。

3.3 爆破地震烈度影響分析

根據(jù)前蘇聯(lián)專家C.B.麥德維捷夫提出的三參數(shù)同比尺距r（折算距離）之間關系公式，結合現(xiàn)場實際情況，礦山設計預留界限爆破地點距合九鐵路最近距離為304 m，爆破設計最大段炸藥量為110 kg，經(jīng)計算，折算距離r=63.45 m/kgl/3，譜烈度s=0.62 cm/s，地面最大速度平均值Vˉmax=0.38 cm/s。再根據(jù)爆破地震烈度表，評價其危險程度。

根據(jù)上述折算距離、譜烈度、地面最大速度平均值的計算結果可以看出，礦山爆破作業(yè)在最大段爆破藥量≤110 kg 時，一些人或知道有爆破的人能感覺到振動，產(chǎn)生的爆破地震烈度不超過3 度，小于合九鐵路的抗震設防烈度6 度。根據(jù)爆破地震高程效應的實驗研究，高差對爆破地震效應影響較大，在爆破能量一定時，有負高差地形“縮小”、正高差地形“放大”的規(guī)律。根據(jù)地形圖，礦山爆破區(qū)目前高程為+30～+75 m，合九鐵路為+20 m，相對于304 m 水平距離，高差很小，高程效應可以忽略。通過以上計算可以確定，在約束條件下（最大段爆破藥量≤110 kg），扁擔山水泥用石灰?guī)r礦露天爆破震動在合九鐵路地震設防范圍內，不會對合九鐵路造成安全威脅［9-11］。

4 結 論

（1）根據(jù)爆破測點實測數(shù)據(jù)，經(jīng)計算分析得出K值為213，α值為1.41，本工程屬于B 級爆破工程。確定設計保護范圍304 m 處引起的地面振動速度為0.61 cm/s，遠小于合九鐵路路基處允許的爆破振動速度3.5 cm/s，振動速度滿足要求。

（2）由合九鐵路路基處允許的爆破振動速度計算爆破振動安全距離為88.29 m，遠小于開采境界與合九鐵路安慶支線距離304 m，故合九鐵路在爆破振動安全影響范圍之外，滿足安全要求。

（3）根據(jù)爆破地震烈度計算分析結果，礦山爆破作業(yè)在設計最大段爆破藥量時，一些人或知道有爆破的人感覺到振動，產(chǎn)生的爆破地震烈度不超過3度，小于合九鐵路的抗震設防烈度6度。

（4）通過對爆破設計與施工方案進行可行性論證分析，按照常規(guī)的深孔臺階爆破設計，其單孔裝藥量、起爆網(wǎng)絡均有利于控制爆破飛石、減小爆破振動影響，對東北區(qū)的合九鐵路安慶支線影響在可控制的安全范圍之內。