某露天矿山爆破开采对风力发电机安全影响分析

顾红建 仪海豹 李二宝3

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院有限公司；2.马鞍山矿山研究院爆破工程有限责任公司；3.金属矿山安全与健康国家重点实验室）

爆破技术是露天矿山开采的主要方式，矿山一次爆破炸药量几吨到几十吨不等。在高效、经济破碎岩石的同时，带来了爆破振动、飞石等负面效应，给周边的建（构）筑物带来一定的安全隐患［1-4］，尤其是对于具有潜在危险性的危险源。目前，针对爆破开采对周边环境的影响分析，前人已经做了诸多研究工作：姜兆新等［5］结合实际工程案例分析爆破振动对边坡影响，选取不同角度，研究了其对露天矿山边坡防护的影响；魏晓刚等［6］等对比分析了煤矿采动建筑的爆破地震动力响应在岩层注浆前后的变化，表明岩层的移动破断能够降低爆破开采地震波传到地表的灾害能量，但增大了煤矿采空区及其上方地面建筑失稳破坏的概率。余永强等［7］等根据现场测定数据，拟合出地震速度、药量大小与爆源距离之间关系式，得出通过研究分析爆破振动规律对于建（构）筑物的影响，能充分发挥爆破技术的经济效益，最大限度地降低爆破振动的危害。

相关文献显示，爆破开采对矿山边坡、采空区、地面及周围建筑物的影响较多［8-9］，未见其对风力发电机的相关影响分析。因此，为确保矿山开采期间风机的运转安全，需开展爆破作业对风机安全影响分析。考虑到作业现场环境特点，经过实地探勘及分析对比，确定爆破振动和爆破飞石为矿山生产爆破对风机的主要危害因素，为此，本研究从这2 个方面进行探究。

1 工程概况

某露天矿山采用台阶深孔爆破方式开采，台阶高度为15 m；采用履带式露天潜孔钻车穿孔，炮孔直径为115 mm，孔距为4.5 m，排距为3.5 m，钻孔倾角为75°，炮孔内装填乳化炸药，非电导爆管雷管起爆网路起爆。

在矿山西北侧有1 台装机容量48 MW 风电场的风力发电机；风机基础为现浇钢筋混凝土圆形扩展基础，埋深为3 m，混凝土强度等级为C35；风机与矿权范围最近距离为155 m。风力发电机由风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成，其工作方式是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电。

2 矿山爆破期间风力发电机安全分析

2.1 爆破振动对风机的影响

为保证风机运转安全，并考虑到爆破振动传播规律特性，采用中科测控IDTS3850 型爆破振动记录仪（图1）沿着爆区—风机方向布置了监测点，开展矿山爆破作业在风机位置方向的爆破振动传播规律分析，各监测点信息记录见表1。

根据表1，采用萨道夫斯基公式进行回归分析［10-11］，得到以为横坐标，lnv为纵坐标的回归直线，见图2。

据此得到风机方向的爆破振动传播公式［12-15］：

式中，V为保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，kg；R为爆源与测点的距离，m。

根据风机业主提供的资料，风电场区地震基本烈度为Ⅵ度，主要建筑物抗震设防为丙类，抗震设防烈度为Ⅵ度；没有针对风机的允许爆破振动速度的专门规定。根据中国地震烈度表（GB/T 17742—2008）可知，地震烈度Ⅵ度对应的地面峰值速度为5～9 cm/s。

依据《爆破安全规程》《中国地震烈度表》，本着安全第一的原则，为保证风机的安全运行，考虑矿山实际开采过程中频繁爆破振动等因素影响，选取风机的安全允许振动速度为2.0 cm/s。

据此计算出爆区与风机不同距离所对应的安全允许最大段炸药量，见表2。

根据表2 可知，在风机与矿权范围最近距离155 m 处的安全允许最大段药量为168.8 kg，在距离200 m 处时为362.4 kg。考虑到风机的安全及其重要性，确定将距离风机155～200 m 划分为禁爆区，将距离风机200～500 m划分为控制爆破区。

在禁爆区严禁采用爆破方式开采；在控制爆破区采用微差逐孔起爆技术，单孔最大段药量控制在100 kg 以内，一次起爆总药量控制在1.5 t 以内，则可较好地将在风机处的爆破振动速度控制在安全允许振动速度内。

2.2 爆破飞石对风机的影响

爆破飞石距离的估算常用经验公式：

式中，Rf为爆破飞石的安全距离，m；Kf为安全系数，取1.5；n为爆破作用指数，松动爆破时取0.75；W为最小抵抗线，取3.5 m。

经计算：Rf＝59 m。

根据作业现场实地测量，风机与爆区实际距离大于200 m，远远大于计算飞石抛掷距离59 m。另外，根据事故直接隐患与间接隐患并治原则，可以采取调整自由面方向、严控炮孔填塞质量等安全措施，确保爆破飞石不对风机产生破坏。

3 风力发电机安全控制措施

结合上述分析，可知爆破振动虽然对风机产生破坏的损失量小，但概率较大；而爆破飞石虽然产生的概率较小，然而一旦发生，损失将较大。为严控爆破振动、飞石对风机的影响，特制定以下安全控制措施。

（1）根据圈定的禁爆区范围，在现场设置界桩和醒目标志，加强现场管理，严禁在禁爆区采用爆破方式开采。

（2）加强控制爆破区的最大段药量和一次起爆药量的现场管理，采用微差逐孔起爆技术，将单孔最大段药量控制在100 kg 内、一次起爆总药量控制在1.5 t以内，以大幅度削弱爆破振动对风机的影响。

（3）台阶靠帮时采用预裂爆破技术，沿着最终边界线开凿一排孔径为90 mm、倾角为60°的倾斜密集预裂炮孔，采用不耦合装药方式，药卷直径为32 mm，提高边坡安全的同时，减弱采场爆破振动在风机方向的传播。

（4）装药前应认真校核炮孔的最小抵抗线，如有变化须由工程技术人员进行装药量调整；根据现场条件，每次单体爆破设计应调整自由面方向，尽量使爆破自由面侧向或背向风机，而不是直接朝向风机。

（5）严格控制炮孔填塞质量，使用规程中规定的填塞材料，采用正确的填塞方式，严禁违章操作，杜绝安全事故，降低安全隐患发生的可能性，确保风机运转安全。

4 结论

（1）矿山爆破振动和爆破飞石是风机的主要危害因素，降低爆破振动强度与控制爆破飞石距离是确保风机安全的主要控制措施。

（2）根据现场爆破振动监测数据分析，将距离风机155～200 m 划分为禁爆区，将距离风机200～500 m划分为控制爆破区，是保证风机安全的有效方法。

（3）在控制爆破区采用微差逐孔起爆技术，单孔最大段药量和一次起爆总药量分别控制在100 kg 和1.5 t以内；同时，台阶靠帮时采用预裂爆破技术，可以将爆破振动控制在风机的安全允许振动速度范围内。

（4）通过加强现场管理，控制好自由面方向，保证炮孔堵塞长度和堵塞质量，可以避免爆破飞石引起的风机损害。