浅谈爆破有害效应的控制技术

宋 伟

(保利澳瑞凯(山东)矿业服务有限公司，山东费县273400)

随着科学技术的快速发展,爆破技术日趋成熟。 但爆破作业危险性大,潜在的不安全因素多,在工程爆破过程中,会伴随有爆破振动、爆破飞石、爆破冲击波等有害效应的发生。 随着人们环保意识的提高,有害效应受到更多关注和重视。中国工程爆破协会在关于工程爆破技术创新的发展战略中,明确提出:研究炸药能量转化过程的精密控制技术,提高炸药能量利用率,降低爆破有害效应是工程爆破新世纪的发展战略[1]。 有效控制有害效应是确保爆破作业安全的重要保障[2]。

1 爆破地震效应的控制

1.1 爆破地震波的产生及危害

炸药在介质中爆炸时,大部分能量用于将介质进行破碎、移动或抛掷,剩余的小部分能量对周围的介质产生扰动,并以波的形式向外传播。 一般认为10 ～15 倍药包半径范围内传递的为冲击波,15 ～400 倍药包半径范围内传递的为应力波,400 倍以上药包半径范围传递的为地震波[3]。

爆破地震不同于天然地震,它的震源在地表浅层发生,能量衰减较快,持续时间很短,一次振动只有几十毫秒至几百毫秒。 地震波虽然不能使岩石破坏,但它会引起岩石的强烈弹性振动,使爆区周围建(构)筑物出现破裂甚至倒塌现象,使矿山周围边坡滑坡,地下巷道围岩裂开、垮落甚至坍塌,带来严重的损失。 爆破地震效应已成为爆破有害效应之首。

为有效控制爆破地震效应,首先需要对爆破振动进行预测和判断。 大量的现场试验和观察数据表明,质点振速大小与爆破振动有害效应破坏程度的相关性最好,所以国内外普遍采用质点的振动速度来作为衡量爆破振动强度的依据。

振动速度的大小主要取决于齐发爆破药量、质点到爆炸中心的距离及爆破点至保护对象间的地形、地质条件等因素。

1.2 爆破地震效应的防治

1)采用毫秒微差爆破

采用毫秒微差爆破,能使前后起爆产生的能量场相互干扰,从而达到一定的降振效果。 理论上,当相邻起爆炮孔的延期时间间隔取爆破地震波主振周期一半的奇数倍时,会使相邻炮孔爆破地震波的波峰和波谷反向叠加,降振效果明显;但当相邻起爆炮孔的延期时间间隔等于爆破地震波主振周期的整数倍时,会造成相邻炮孔爆破地震波正向叠加,反而增加了爆破振动强度[4]。 所以,选择合理的延期时间间隔是成功降振的关键。

2)选取合理的爆破参数

①根据爆破环境的安全要求,必须设计合理的孔网参数及装药量,严格控制一次爆破规模及齐爆药量。 通常,药量越大造成的爆破振动效应就越大,但不能为了控制爆破振动而盲目降低装药量而影响爆破效果,需综合考虑爆破参数。

②选用适当的装药结构, 如不耦合装药、空气间隔装药等,避免过于集中,有利于能量扩散,减小地震波的强度。

③选择合理的最小抵抗线方向。 在露天台阶爆破中,朝向最小抵抗线方向的地震波衰减速度最快且振动强度最小,背向最大,侧向居中。 因此,在靠近建(构)筑物实施爆破作业时,最小抵抗线方向应避免背向建(构)筑物方向。

3)防护措施

在爆破区域与被保护的建筑物或设备之间,采用开挖减震沟槽或进行预裂爆破都可以削弱地震波的强度,从而降低爆破振动对保护物的影响[5]。钻凿不装药的单排或双排防振孔,降振率可达到30% ～50%。 防振孔的孔径一般选取35 ～65 mm,孔间距不大于25 cm。 预裂爆破既可减少钻孔量,又可取得较好的降振效果,但应注意预裂爆破时产生的振动效应。 预裂孔、减振孔都应有一定的超深,一般为20 ～50 cm。 土质较好,施工方便时可开挖减振沟,深度以超过药包20 ～50 cm 为宜。 施工时应注意,预裂用的孔、缝和沟须防止充水。

2 爆破空气冲击波的控制

2.1 爆破空气冲击波产生的原因

炸药爆炸时,大量的高温高压气体产物被瞬间释放,从破裂的岩体或炮孔中溢出,并向四周膨胀,压缩周围空气,形成以超音速向外传播的空气冲击波。

装药量、炸药性质、岩体性质及构造、炸药与介质匹配关系、孔网参数、填塞状态、爆破方式、起爆方法等是影响空气冲击波强度的主要因素,同时气候条件如风向、风速等也会影响空气冲击波的强度。

2.2 爆破空气冲击波的危害

空气冲击波具有比自由空气更高的流速和压力(超压),在靠近爆源处,由于冲击波的作用,可引起爆炸材料的爆轰或燃烧;在爆源周边一定范围内,就会对爆区周边建(构)筑物、设备造成破坏,甚至对暴露人员造成器官损伤。

空气冲击波的破坏作用主要与冲击波波阵面峰值压力即冲击波超压、冲击波正压区作用时间、冲击波冲量、冲击波作用到的保护物的自振周期、形状和强度等因素有关[6]。

如果冲击波超压值低于被保护物的强度极限值,即使有较大冲击波也不会对被保护物产生严重的破坏作用;同理,如果冲击波正压区作用时间小于被保护物的弹性变形转变为塑性变形所需的时间,即使有较大超压也不会导致被保护物的严重破坏。 空气冲击波的危害受地形因素影响,如在山坡前侧爆破,山坡后侧影响较小,利用有利地形可减少30% ～70%的危害。 但是,如果峡谷内爆破,沿峡谷的纵深或沟的出口方向,冲击波的危害范围会增大50% ～100%。 因此,充分利用爆区周边的有利条件,可适当减小冲击波的危害范围。

2.3 爆破空气冲击波的控制

1)优化爆破方案。 对建筑物拆除爆破、浅孔爆破,不允许采用裸露爆破,也不允许采用孔外导爆索网路。 在露天爆破中,需合理确定爆破设计参数,减少一次爆破的起爆药量,保证合理的堵塞长度和堵塞质量,控制空气冲击波的强度。

2)因爆破环境的复杂性,有时作业条件不能满足安全距离的要求,需要在爆破中心或者被保护对象附近设置阻挡。 例如在井巷掘进爆破中,可以设置砖墙、沙袋墙、夹水墙、水帘等“挡”的障碍,还可以采取增加通道、扩大巷道断面等“导”的措施。在水下爆破中,采用气泡帷幕削弱冲击波的压力峰值,起到防护作用。

3 爆破飞石的控制

3.1 爆破飞石的产生与危害

爆破飞石是指爆破时一些离开爆堆、飞得较远的石块(混凝土块、砖块等)。 这些石块没有固定的飞行方向和距离,并且抛掷距离较远。 在工程爆破中,产生爆破飞石的部位主要有堵塞段、孔口和最小抵抗线处。

爆破飞石是造成人员伤亡、建(构)筑物损毁、设备设施损坏等的主要因素。 产生的原因有:特殊的地质构造(断层、裂缝、软夹层等),装药过多,炸药单耗偏大,填塞质量不合格,填塞长度过小,起爆设置不合理,防护不当,最小抵抗线过小等。

3.2 爆破飞石的预防与防护

产生爆破飞石的原因很多,如何做好飞石的预防,将飞石控制在允许范围内,是爆破安全的重点,主要措施如下:

1)优化爆破方案。 首先,充分了解爆体介质的内部构造和物理力学性能,选择合理的爆破参数如最小抵抗线、炸药单耗、堵塞长度,减少飞石的产生。 其次,合理布置炮眼位置、选择起爆顺序。 炮眼位置不当,爆破时个别碎块就会先从薄弱部位或抵抗线较小处冲出而形成飞石。 起爆顺序选择不合理,若先起爆的炮孔爆破时不能给后起爆的炮孔创造自由面条件,后起爆的炮孔会因夹制作用太大,形成冲炮而引起飞石[7]。

2)防护措施。 对爆破区域进行覆盖防护是最主要的防护手段。 表面覆盖的材料应易选取,便于固定,不易抛散和折断,具有一定的柔性及强度,能防止细小碎块穿透。 常用的覆盖材料有草袋、毡垫、帆布废旧轮胎编制的炮被等。 对于爆区附近重要的被保护对象通常采用铁丝网、防护排架等防护屏障作为被动防护。

4 爆破有害效应监测

GB6722—2014《爆破安全规程》规定:D 级以上爆破工程以及可能引起纠纷的爆破工程,均应进行爆破有害效应监测[8]。 爆破有害效应监测一般有两类。 一类是对爆破可能引起损伤的重点防护对象在爆破施工作业中进行全过程监测,用以评估防护对象安全状况和指导爆破施工。 另一类是针对重大爆破工程在现场条件下进行的小型试爆试验,所安排的监测项目和取得的监测数据用以指导爆破设计方案和参数选择,也是对设计进行的安全评估的重要依据。 工程中一般采用智能化、多功能、便携式的测试仪器在现场测试。 完成后应通过爆后检查和有害效应检查,认真分析爆破区域周围环境与建(构)筑物、设施的安全情况,进行登记、分析和评估。 监测仪一般具有GPS 定位功能,可将监测信息实施上传至爆破监测公共信息系统中,实现了数据处理和用户服务的数字化,对促进爆破数字测振技术发展,减少爆破事故隐患具有重要意义[9]。

5 结语

虽然各种有害效应所占炸药爆炸能量的比重不同,但是有害效应都存在一个共同规律,即随爆源距离的增加呈现有规律地衰减。 首先,选取合理的爆破参数和优化爆破方案,减弱爆源的有害影响。 其次,在地震波传播途径中设置减振带削弱地震波的强度及对被保护对象采取防护措施等保障爆破施工的安全。 随着国家对安全生产重视程度的不断提高,有害效应的控制理论和技术也需要不断提高。 只有做好爆破有害效应的控制和安全防护,提高爆破的本质安全水平才能切实有效地控制爆破有害效应,实现爆破施工的高效益、高质量和低危害。 信息化技术和人工智能技术的应用,也将是爆破有害效应测试和控制技术的发展方向[10]。