扁担山矿露天爆破开采对铁路工业设施安全影响分析

2022-08-17娄广文

现代矿业 2022年7期

娄广文范庆夏勇

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心；4.怀宁上峰水泥有限公司）

怀宁上峰水泥有限公司有2条5 000 t/d水泥熟料生产线，扁担山石灰岩矿是水泥厂区石灰石原料供应自备矿山。该矿山位于安徽省怀宁县城170°方向、20 km处，为山坡露天开采，采用自上而下水平分台阶开采，开拓运输系统为公路—汽车运输方案；台阶高15 m，设计最低开采标高为+30 m，目前最低开采标高为+45 m。爆破作业采用深孔多排孔微差爆破。由于合九铁路安庆支线从矿区东北区经过，根据2014年1月1日实施的《铁路安全管理条例》（第639号令）第三十四条规定，铁路线路向内外各1 000 m范围内，确需从事露天采矿、采石或者爆破作业的，应当与铁路运输企业协商一致，依照有关法律法规报县级以上地方人民政府有关部门批准，采取安全防护措施后方可进行。为研究技改扩建以后矿山开采爆破对东北侧合九铁路的影响，依据国家相关法律、法规和规范标准，结合矿山开采、爆破现状，开展露天开采爆破对合九铁路的安全影响论证［1-2］。

1 矿山东北区开采现状调查分析

1.1 东北区地形地貌

矿山东北区开采边界标高在+60 m 左右，该区域合九铁路段标高在+20 m 左右，地形高差约40 m，属丘陵区，矿区东北区至合九铁路之间植被较发育，受植被遮挡等因素，合九铁路安庆支线基本不在矿区东北区可视范围。

1.2 地质情况

矿区内出露地层自石炭系上统船山组至三叠系下统南陵湖组及第四系，由南西至北东地层层位逐渐由老变新，其中南陵湖组为水泥用灰岩的主要含矿层位。

东北区有主要3条断裂构造，各断层主要特征如下：

F1断层位于扁担山西侧，为正断层，长860 m，宽2～2.5 m，产状255°∠72°。地貌上呈一陡坎，沿断层形成一条连续的张性角砾岩带，碳酸盐充填交代石灰岩角砾，1～2 线下盘南陵湖组与上盘和龙山组相抵，地层产状不一致，视断距5～78 m。

F2断层位于扁担山西侧，为正断层，长700 m，宽1～4 m，产状78°∠70°。地貌上呈一陡坎，沿断层形成一条连续的张性角砾岩带，主要由白云质、硅质充填胶结石灰岩角砾，地层不连续，局部和龙山组与南陵湖组相抵，最大视断距68 m。

F7断层位于扁担山西北侧，长195 m，宽0.5～1.2 m，产状250°∠80°。沿断层形成一条连续的角砾岩带，角砾常呈透镜体状断续分布在断裂带中，局部角砾具定向排列，胶结物为白云质、钙质等。

矿区现有的采场也未见有溶洞等出现。矿区岩溶发育程度自地表向深部逐渐减弱，主要分布在矿床中部的F1、F2断层附近，岩溶发育程度不均匀。

1.3 前期开采情况

目前矿山按照原初步设计开采方式、采场参数、开采境界范围进行开采。其中西扁担山采区目前已形成+45，+60，+75 m 3个台阶，主要生产水平为+60 m台阶，+45 m 台阶为采准平台，台阶高度15 m，工作台阶坡面角70°～75°。采用公路—汽车开拓运输方案，采场运输道路总出入口布置在东北侧+58 m 标高。采场内部运输道路连接采场中、西各开采台阶，运输道为泥结碎石路面，道路宽8～10 m，最大纵坡9%。

1.4 爆破施工情况

采用自上而下水平分台阶开采，台阶高度15 m。穿孔作业采用液压潜孔钻机，钻孔直径115 mm 和90 mm。正常爆破作业采用φ115 mm 钻机，控制爆破采用φ90mm钻机。

矿山东北区爆破自由面与合九铁路方向相反，爆破产生的飞石向矿区西侧及南侧，而东北区外围地形标高高于爆破作业平台高度，外围地形成为天然屏障，大大降低了爆破作业对合九铁路的影响。

2 爆破测试及参数确定

2.1 总体目标及方案

本次安全影响论证的目的主要是对扁担山矿露天爆破可能对合九铁路安全运行形成的危险有害因素进行识别、分析，找出安全评估对象的危险、有害因素的严重程度及潜在的事故隐患，分析有关爆破参数对合九铁路运行的安全可靠性，确保矿山东北区合九铁路安庆支线的安全运行。通过分析，该铁路的主要影响因素为爆破飞石、爆破振动、冲击波等，通过计算爆破振动安全允许距离、爆破振动速度、爆破地震烈度，综合分析爆破作业对铁路线的安全影响。

而爆破振动有关的参数K、α值对爆破作业安全影响分析至关重要，通常情况下根据地质条件进行经验取值，其往往与实测结果产生较大差异。因此本次安全影响分析采用爆破振动测试仪，现场布置爆破振动测试线，对测量的数据进行统计分析，运用最小二乘法对爆破振动参数进行计算，根据实测数据求出当地的K、α值，建立适合于当地地质条件的振动速度计算公式。并运用萨道夫斯基计算公式，分别对爆破安全距离及爆破振动速度进行计算分析，并根据爆破地震效应计算地震烈度有关参数，分析爆破地震波构成的影响，从而综合分析矿山爆破开采对合九铁路的影响。

2.2 爆破测试

采用Blast-UM 型爆破测振仪对矿山爆破振动有关参数进行测试。Blast-UM 型爆破测振仪是由泰测科技自主研发的爆破测振系列产品，是集超高精度、全自动模式于一体的爆破测振仪。该产品主要用于爆破拆除、矿山开采、隧道施工、道路桥梁基础建设等爆破的安全评估和数据分析。

从采场至合九铁路方向及居民建构筑物集中区域分别布置3 条测试线，每条测试线布置3 个测点，共布置9 个爆破振动测试点，开展爆破振动测试，并记录爆破振动点孔网参数、爆破器材使用量、炮孔布置、验孔情况、测距、三维方向爆破振动速度等相关信息，作为爆破衰减系数K、α值回归计算依据。

对于矿区正常生产施工区域，采用深孔爆破开挖。正常爆破作业可以采用φ115 mm 或φ90 mm 钻机，控制爆破采用φ90 mm 钻机进行穿孔作业。采用连续装药结构，梅花型或矩形布孔。根据矿山的特点，深孔爆破全部采用导爆管起爆系统，并采用孔外延期微差爆破网路，逐孔起爆。用高能起爆器作为击发元件，用塑料导爆管作为传爆元件，用高精度毫秒延期导爆管雷管作为孔外延期连接及起爆元件。考虑周围居民房屋、厂房生产设施情况和安全生产任务需要，采用分区控制爆破规模。

2.3 爆破参数计算

2.3.1 爆破衰减系数K、α值回归计算

目前爆破振动计算比较公认的是前苏联学者萨道夫斯基的经验公式，爆破振动安全允许距离计算公式如下：

式中，R为爆破振动安全允许距离，m；Q为炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大一段药量，kg；V为保护对象所在地质点振动安全允许速度，cm/s；K、α为与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，可通过现场试验确定。

K、α值的选取因地质条件的不同变化范围较大，因此有必要对所进行的爆破现场进行测试，并根据实测数据求出当地的K、α值，建立适合于当地地质条件的振动速度计算公式。

根据式（1）并结合表2 中实测爆破振动数据，运用最小二乘法原理，对K、α值进行回归分析，采用数理统计知识，对公式进行变量变换，将多元非线性问题转化为线性回归问题，回归出未知的爆破衰减系数K、α值。经计算，K=213，α=1.41。

2.3.1 回归系数的显著性检验

采用相关系数法进行显著性检验，样本的相关系数：

当|R|越接近1 时，y与x的线性关系越显著，特别的，当|R|=1 时，此时y与x的变化完全由y与x的线性关系引起。

根据《铁路工程爆破振动安全技术规程》（TB 10313—2019），对回归计算结果应进行相关性检验，相关性系数R应不小于0.8。

经计算得相关性系数为0.88，线性关系显著，表明用线性回归方法得到的K、α值符合实际要求。由此根据上述场地系数K=213，震动衰减系数α=1.41，得到矿山爆破振动速度计算公式［3-5］：

2.4 爆破工程级别的确定

鉴于矿区周边有合九铁路等重要建（构）筑物，本次参照一般岩土爆破工程对其进行分级。根据《爆破安全规程》（GB 6722—2014），B、C、D 级一般岩土爆破工程距爆区500 m 范围内有国家三级文物、风景名胜区、重要的建（构）筑物、设施时，应相应提高一个工程级别。本次论证范围为爆破开采对合九铁路工业设施的影响，重要的建（构）筑物设施合九铁路距离爆区304 m，小于500 m，故工程级别应提高一个级别，属于B级爆破工程。

3 爆破开采安全影响分析

3.1 爆破振动安全允许距离分析

根据《铁路工程爆破振动安全技术规程》（TB 10313—2019），铁路路基爆破振动安全允许值应选择迎爆侧路肩的质点振动速度最大峰值为基准。由合九铁路安庆支线途经矿区北侧地段的实际情况可知，该段铁路为有砟轨道路基，岩石边坡高度小于8 m，桥墩为混凝土及预应力混凝土桥，根据现场实测波形可知频率范围为10～50 Hz，因此由《铁路工程爆破振动安全技术规程》（TB 10313—2019）取安全允许速度值为5cm/s。

《爆破安全规程》（GB 6722—2014）规定：地面建筑物、电站（厂）中心控制室设备、隧道与巷道、岩石高边坡和新浇大体积混凝土的爆破震动判据，采用保护对象所在地基础质点峰值振动速度和主振频率。合九铁路的安全允许振动速度值参照工业和商业建筑物安全允许振动速度选取，取安全允许速度值为3.5 cm/s。

综合《铁路工程爆破振动安全技术规程》（TB 10313—2019）及《爆破安全规程》（GB 6722—2014）关于爆破安全允许振速标准，同时考虑到合九铁路的重要性及地质条件，以及爆破振动影响累积效应，为了安全起见，针对不同保护设施综合取最小值，合九铁路的地面允许爆破振动速度取3.5 cm/s。经计算，爆破振动安全距离为88.29 m，即爆破振动不会损坏距离开采境界304 m 以外的合九铁路安庆支线。故合九铁路在爆破振动安全允许距离之外，满足安全要求［6-8］。

3.2 爆破振动速度分析

根据式（1）～式（3），扁担山段药量、爆破作用距离、爆破振动速度关系如表3所示。

根据计算结果，最大单段装药量为110 kg，距离爆区90 m 范围以内振动速度超过工业和商业建筑物允许的抗震极限，故在生产过程中，90 m 左右范围内应防止人员进入，设计爆破警戒距离为300 m，满足要求。扁担山水泥用石灰岩矿露天爆破在合九铁路位置（304 m处）引起的地面振动速度（V=0.61 cm/s）远小于合九铁路路基处允许的爆破振动速度（V=3.5 cm/s），故矿山爆破对合九铁路的安全不产生破坏作用。

3.3 爆破地震烈度影响分析

根据前苏联专家C.B.麦德维捷夫提出的三参数同比尺距r（折算距离）之间关系公式，结合现场实际情况，矿山设计预留界限爆破地点距合九铁路最近距离为304 m，爆破设计最大段炸药量为110 kg，经计算，折算距离r=63.45 m/kgl/3，谱烈度s=0.62 cm/s，地面最大速度平均值Vˉmax=0.38 cm/s。再根据爆破地震烈度表，评价其危险程度。

根据上述折算距离、谱烈度、地面最大速度平均值的计算结果可以看出，矿山爆破作业在最大段爆破药量≤110 kg 时，一些人或知道有爆破的人能感觉到振动，产生的爆破地震烈度不超过3 度，小于合九铁路的抗震设防烈度6 度。根据爆破地震高程效应的实验研究，高差对爆破地震效应影响较大，在爆破能量一定时，有负高差地形“缩小”、正高差地形“放大”的规律。根据地形图，矿山爆破区目前高程为+30～+75 m，合九铁路为+20 m，相对于304 m 水平距离，高差很小，高程效应可以忽略。通过以上计算可以确定，在约束条件下（最大段爆破药量≤110 kg），扁担山水泥用石灰岩矿露天爆破震动在合九铁路地震设防范围内，不会对合九铁路造成安全威胁［9-11］。