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矿山爆破开采风险评价及防范措施 杨益民 （河南三门峡市环境保护科学研究院，03982805646，三门峡市开发区分陕路1号，邮编472000） [摘要] 本文以渑池小阳河铝土矿开采为例，对开采过程的爆破振动、飞石和空气冲击波等风险问题的评价进行探讨，提出了针对性的防范措施，为建设单位的安全管理提供科学依据，具有很强的可操作性。同时，本文也为类似工程的爆破风险评价提供了有益借鉴。 [关键词] 爆破 振动 飞石 空气冲击波 炸药 防范措施 渑池小阳河铝土矿位于河南省渑池县西北，矿区分小阳河北矿带和小阳河南矿带，矿区范围面积为7.57km2，划定矿区范围内查明铝土矿保有资源储量523.32万t。建设单位投资2979.01万元（全部自筹），采用潜孔钻机凿岩、中深孔爆破、挖掘机（反铲）铲装工艺进行露天开采。设计开采规模为20万t/a，矿山服务年限为22a，全矿定员130人。 由于爆破开采存在较大的风险隐患，因此详细评价爆破风险问题，为建设单位进行安全管理提供科学依据，使环境风险降低至最低限度是十分必要的。本文通过爆破风险评价，提出了针对性的防范措施，具有很强的可操作性。 1 爆破振动影响与控制措施 1.1爆破振动的危害及控制标准 爆破振动的破坏作用是爆破公害中最重要的问题之一。在爆区一定范围内，当爆破引起的振动达到一定强度时就会造成各种破坏现象，如建筑物的震裂、边坡的滑塌等，给爆区及其周围地区带来生命与财产的重大损失，因此必须对爆破地震进行严格的控制和防护。 目前，国内外一致认同的控制爆破振动的物理量是爆破地面质点振动速度。爆破地震烈度与最大振速的关系见表1。 表1 爆破振动烈度表 烈度 爆破地震最大振速（cm/s） 振动标志 Ⅰ ＜0.2 只有仪器才能记录到 Ⅱ 0.20.4 个别人静止情况下才能感觉到 Ⅲ 0.40.8 某些人或知道爆破的人才能感觉到 Ⅳ 0.81.5 多数人感到振动，玻璃作响 Ⅴ 1.53.0 陈旧的建筑物损坏、抹灰撒落 Ⅵ 3.06.0 抹灰中有细裂缝，建筑物出现变形 我国在爆破安全规程（GB6722－2003）中规定了各类建筑物、构筑物的安全振速。详见表2。 表2 建（构）筑物地面质点的安全振动速度表 建（构）筑物类型 安全振动速度（cm/s） 土窑洞、土坯房、毛石房屋 1.0 一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物 23 钢筋混凝土框架房屋 5 根据以上资料，评价对露采矿段临近的建（构）筑物的安全振速按以下原则进行计算 钢筋混凝土框架房屋 V≤5cm/s 一般砖房、民房 V≤2.5cm/s 1.2爆破振动安全设计 1.2.1爆破振动预测公式 采用苏联学者M.A.萨道夫斯基根据牛顿动力学的相关定律，提出的爆破振动预测公式 V K（Qmax1/3/R）a 式中 V保护物爆破质点振动速度，cm/s； Qmax爆破单响最大药量，kg； R保护物与爆源的距离，m； K与介质性质、爆破方式等因素相关的系数； a与传播途径和地质地形等因素有关的衰减指数，近距离1.5～2.3，远距离1.2～1.5。 由爆破振动预测公式可知，保护物爆破振动安全振动速度主要受爆破单响最大药量Qmax、距离R以及常数K、a的影响。 1.2.2 常数K、a值的确定 根据本工程露采矿山实际情况，结合同类矿山类比调研资料，评价取沿自然山坡传播的K、a为设计依据，其值为K＝250 ，a＝1.5。 为了确保工程爆破振动安全，本工程在爆破实施初期，应进行实地爆破振动测试，以取得矿山更加科学、可靠的K、a值，并以实测结果决定的安全距离来严格控制中深孔爆破的最大装药量。 此外，本工程在爆破实施过程中，还应对周边需要保护的建构筑物进行振动监测，从而以科学的实测数据来确定爆破对它们的影响，保证矿山生产的正常进行。 1.2.3 最大单响药量 对爆破振动预测公式进行变换，可得出爆破允许的最大单响药量计算公式为 Qmax R3（V/K）3/a 上式中的K、a值分别暂取为K＝250，a＝1.5。 由此可得出各保护物相对应的爆破开采区域最大单响药量，计算结果列于表3。 表3 不同距离处的允许最大单响药量计算值表 Rm Qmaxkg [V]cm/s 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 2.5 0.01 0.1 0.3 0.8 2.7 6.4 12.5 21.6 34.3 51 72.5 5 0.05 0.4 1.3 3.2 10.8 25.6 50 86 137 204 291 Rm Qmaxkg [V]cm/s 100 120 140 160 180 200 220 240 300 2.5 100 172 274 409 583 800 1064 1382 2700 5 400 691 1097 1638 2332 3200 4259 5529 10800 由于露采矿段附近的村庄和拟建办公生活区均在开采境界300m外，按照建设单位拟采取的爆破条件，根据以上计算结果，预测房屋不会受到破坏。 由于不同的地质条件、岩石特性和高程差，爆破振动速度计算公式中K、a值变化很大，为确保爆破施工安全，评价要求在爆破施工初期以及邻近保护物的爆破，按照小于表3最大单响药量的1/3控制爆破规模，待振动监测取得实际的K、a值后，依据爆破振动安全距离公式调整出安全距离和最大单响药量控制值，优化爆破参数。 1.3 爆破振动控制措施 露采矿段在实施爆破时，应首先调查明确爆源区和被保护目标物的相对位置，并采取以下有效手段达到减振目的。 1.3.1 采用微差爆破技术 采用多段微差爆破技术，控制最大段装药量，并合理选择毫秒间隔时间。在靠近开采边界爆破时，分段越多，每段装药量越少，则爆破振动越小。 1.3.2 采用预裂爆破技术 预裂爆破先于主爆区起爆，在主爆区与建筑物之间形成预裂缝，使主爆破应力波的一部分能量反射回爆区，改善破碎，降低地震效应。预裂缝又能吸收应力波的另一部分能量，起到降震作用。据试验，降震率为40％左右。 1.3.3 确定合理的起爆方向和起爆顺序 根据保护物与爆源的相对位置，确定合理的起爆方向和起爆顺序，满足爆破最小抵抗线方向侧向的保护物。 1.3.4 合理选取爆破参数和单位炸药消耗量。 1.3.5 不准采用压碴爆破方式进行多排孔爆破。 1.3.6 在深孔爆破中，应尽量减少超钻，过量超钻会增加爆破振动的强度。 1.3.7 利用高爆源和有利地形条件沟、槽等来减震。 2 爆破飞石效应分析 2.1 爆破飞石的产生 爆破飞石往往产生在自由面方向和孔口部位，以及地质薄弱地带，其原因可能有 ◆ 爆破参数选择不当。例如设计时，孔排距不合理、单位炸药量消耗过高，将会大大增加飞石的危害程度。 ◆ 炮孔位于薄弱破碎带，未采取合理技术措施。炮孔布置在特殊地质构造处时容易产生飞石，当炮孔穿过能装下过多药量的空隙、裂缝及软弱夹层时会造成局部药量过多，使爆炸气体过早从这些薄弱地带冲出，夹带个别碎块造成飞石。 ◆ 钻孔精度差，致使炮孔偏离了设计位置改变了最小抵抗线方向，而爆破前技术人员和施工人员又未仔细审核和调整实际参数的偏差，造成实际药量高于设计值而产生飞石。 ◆ 堵塞不合格。堵塞时未将孔口附近的石块清除干净或堵塞质量不合格，如堵塞长度不够、堵塞不严或堵塞材料质量差而造成飞石。 ◆ 炮孔起爆延时精度差或雷管跳段时，也将可能形成飞石。 2.2 爆破飞石的安全距离 根据瑞典爆炸研究基金会提供的经验公式，对于单位炸药消耗量达到0.5kg/m3的露天台阶爆破，爆破飞石的飞行距离计算公式如下 Rf （40/2.54）d 式中 Rf飞石的最大飞行距离，m； d深孔直径，cm。 根据爆破安全规程（GB6722－2003）和冶金矿山规程（露天采矿部分）的相关规定，经计算，综合分析确定本工程爆破飞石允许的安全距离见表4。 由表4可知，本工程的爆破飞石安全距离为300m，矿区安全警戒线应按300m圈定。 由于露采矿段附近的村庄和拟建办公生活区均在开采境界300m外（安全警戒线外），预测村庄和办公生活区人员不会受到飞石危害。 表4 爆破飞石安全距离表 爆破种类 人员安全距离（m） 一般施工机械安全距离m 台阶深孔控制爆破 200 100 浅眼控制爆破 250 150 光面或预裂爆破 200 100 沟槽爆破 200 100 大块岩石二次破碎爆破 300 150 备 注 河南省经贸委豫经贸安全（2001）1213号文“河南省乡镇非煤矿山安全生产基本标准”（试行）规定“浅孔爆破、浅孔药壶爆破，深孔爆破、蛇穴爆破和硐室爆破，最小距离不得小于300m，对矿区爆破安全距离进行圈定。” 2.3 爆破飞石、采掘中滚石的工程防护措施 根据爆破开采区域地形图，部分爆破区域比临近道路高，且部分路段一侧有少量建构筑物，因此临近道路的山体爆破时产生的飞石、形成的滚石和铲装作业中产生的崩石均可能会对建构筑物和附近人员产生危害。 根据现场勘察并结合本工程爆破区周围环境条件，经综合分析，评价要求建设单位在上述情况下，应采取以下二种工程措施防护排架和爆破表面覆盖防护，对爆破飞石、采掘中滚石进行有效防护。 2.3.1 防护排架设计 防护排架采用双排钢管脚手架，排架底部用砂袋砌成22m2的挡墙，排架上部待爆山体一侧挂一层竹笆，一层铁丝网，排架外侧挂一层铁丝网。防护排架根据各处待挖山体的高程分为6、12m高两种类型。 2.3.2 爆破表面覆盖防护设计 1距离保护物50m以内采用特种覆盖防护，即每个孔口封压1个砂包，爆区顶面覆盖二层竹笆，其上再压砂包，每平方米加压砂包4个。 2距离保护物50100m采用加强覆盖防护，即每个孔口封压1个砂包，炮孔周围22m2覆盖一层竹笆，其上再压砂包，每平方米加压砂包2个。 3距离保护物100200m采用一般防护，每个孔口封压1个砂包。 种植槽、排水沟、踏步、跌水沟沟槽爆破、大块岩石二次破碎爆破也采用一般防护方法。 2.4 其他飞石控制措施 评价建议本工程除了采取防护排架和爆破表面覆盖防护外，还可采取如下措施对飞石进行控制。 ◆ 对于距离爆区50m以内的保护物采用的特种覆盖防护还应加强，即爆区表面密集覆盖砂包，其上先后覆盖一层铁丝网和一层竹笆均须联接成片后再压砂包。 ◆ 选择合理的单位炸药消耗量和堵塞长度，以控制爆破能量。避免堵塞长度小于爆破最小抵抗线，堵塞长度太小将会产生台阶顶部的爆破漏斗作用。 ◆ 采用良好的堵塞材料，堵塞料中不得混有石块。 ◆ 注意对不良地质条件的处理。找出软弱夹层和空隙，小心装药。 ◆ 爆破最小抵抗线方向应避开建筑物。 ◆ 细致地进行头排孔装药，找出上次爆破引起的抵抗线变小的后破裂位置，减少装药量或采用间隔装药结构。 ◆ 提高钻孔精度，使炮孔具有正确的炮孔倾斜度和深度。 ◆ 清理台阶面上的松动石块，它们在爆炸气体由孔口冲出时较易飞射出去。 ◆ 将起爆顺序设计成每个炮孔都具备侧向自由面和相互之间存在合理的延迟间隔时间。 预测本工程在采取上述各项措施后，可以对爆破飞石进行有效的控制，将大大降低爆破飞石对施工现场周边区域工作人员和建构筑物的危害。 3 空气冲击波和爆破噪声的控制 3.1 空气冲击波的危害 3.1.1 空气冲击波对建筑物的破坏 在爆破过程中，装填在炮眼、深孔中的药包爆炸产生的高压气体，通过岩石中的裂缝或孔口泄露到大气中，急剧冲击和压缩周围的气体，在被压缩的空气中陡然上升，形成了超声速传播的空气冲击波。随着传播距离的增加，空气冲击波的波强逐渐下降而变成噪声和哑声。噪声的高频万分能量比哑声的低频万分能量更快的衰减，这种现象常常造成在远离爆炸中心的地方出现较多的低频能量，这是造成远离爆炸中心的建（构）筑物发生破坏的原因，它还能引起人体器官的损伤和心理反应。 在露天台阶爆破中，空气冲击波容易衰减，波强较弱。它对人体的伤害主要表现在听觉上。 查阅相关文献资料，将空气冲击波对建（构）筑物的破坏程度及其等级列于表5。 表5 空气冲击波对建筑物的破坏程度及其等级表 破坏等级 建筑物被破坏的程度 超压105Pa 1 砖木结构完全破坏 2.0 2 砖墙部分倒塌，土房倒塌 1.0～2.0 3 木结构梁柱倾斜，部分折断，砖结构房顶撕掉，墙部分移动或裂缝，土墙开裂或局部倒塌 0.5～1.0 4 木板隔墙破坏，木房架折断，顶棚部分破坏 0.3～0.5 5 门窗破坏，屋面瓦大部分掀掉，顶棚部分破坏 0.15～0.3 6 门窗部分破坏，玻璃破碎，屋面瓦部分破坏，顶棚抹灰脱落 0.07～0.15 7 砖墙部分破坏，屋面瓦部分翻动，顶棚抹灰部分脱落 0.02～0.07 3.1.2 空气冲击波对人员的伤害 空气冲击波对人员的伤害列于表6。 表6 空气冲击波对人员损伤等级表 损伤等级 损伤程度 超压105Pa 轻微 轻微的挫伤 0.2～0.3 中等 听觉器管损伤，中等损伤，骨折等 0.3～0.5 严重 内脏严重挫伤，可引起死亡 0.5～1.0 极严重 可大部分死亡 1.0 3.2 空气冲击波影响半径 爆破的空气冲击波超压可按下式计算 △P H （Q1/3/R）β105 P0 式中△P空气冲击波超压，Pa； H与爆破场地有关的系数，评价取1.43； β空气冲击波衰减系数； R爆破中心至测点的距离，m； Q炸药量，kg齐发爆破取总药量，延发爆破取最大一段药量； P0 空气的初始压力，取1.008kPa。 对上式进行变换，则空气冲击波影响半径为 R [（H105）/（△P P0）]1/βQ1/3 将有关数据代入上式，经计算可得出 ◆ 在开采界限156m 外的建（构）筑物受空气冲击波的影响很小，构不成危害。 ◆ 在15670m范围内，门窗玻璃可能会被震坏。 ◆ 在7045m范围内，轻质结构部分受损。 ◆ 在45m以内空气冲击波建（构）筑物破坏明显。 由于露采矿段附近的村庄和拟建办公生活区均在开采境界300m外（安全警戒线外），预测村庄和办公生活区建（构）筑物受空气冲击波的影响很小，构不成危害。 3.3 爆破噪声的危害 不同声压级的爆破噪声对建筑物造成的损坏状况列于表7。 表7 爆破噪声对建筑物的损坏表 声压级dB（A） 声压MPa 建筑物损坏状况 169 0.06 窗玻璃开始破裂 171～174 0.08～0.1 大多数窗玻璃破坏 177～180 0.15～0.2 窗框和外廊木窗破坏 3.4空气冲击波和爆破噪声控制措施 根据本工程情况及爆破工程经验，评价建议采取如下措施控制空气冲击波和爆破噪声。 ◆ 确定合理的爆破参数，避免一次爆破药量过大。 ◆ 选择合理的微差起爆时间，保证岩石适度松动而无夹制作用。 ◆ 加强炮孔的堵塞，避免冲天炮。 ◆ 减少导爆索的使用，尤其是裸露在孔外的导爆索。 ◆ 搞好爆区表面覆盖防护，严禁使用裸露药包爆破。 预测本工程采取以上措施后，将大大减轻爆破冲击波及爆破噪声对周围环境的影响。 4 露采爆破安全措施 为确保本工程露采矿段做到安全生产，评价要求建设单位应注意作好以下几方面的工作。 4.1 爆破物品的管理、运输 应严格执行有关爆破材料管理、运输规定，工地不得存放炸药，不得设置任何形式或标准的火工品存放场所，炸药随用随领。施工过程中应有专人监督火工品的使用，确保火工品的领取和实际消耗的数量相同。 4.2 爆破安全警戒 按照表4爆破飞石安全距离中所列的安全距离确定爆破警戒范围。 每次爆破前30min进行安全警戒，警戒范围内的一切人员必须全部撤离，在通往爆区所有通道的警戒范围线上设警戒点。 严格爆破时间管理，严格按照规定的爆破时间进行爆破，其余时间一率禁止爆破（本工程一天爆破两次）。 4.3 安全监督保障控制体系对策 中深孔爆破的设计与施工是分不开的。爆破安全不仅取决于爆破设计的合理，更离不开爆破施工的精心组织。工程的安全监督保障体系建议分二部分 4.3.1 安全保障体系 本工程应将爆破安全工作放在各项工作之首，成立以矿长为主任，由爆破工程师、安全保卫负责人、施工队长等人参加的爆破安全委员会，制订各项安全制度，检查安全措施的落实情况，处理安全事故和对爆破人员进行定期的安全教育。重点放在爆破器材的保管和使用、爆破施工中各项安全措施的执行、爆破警戒和防护等方面，确保爆破施工的安全实施。 4.3.2 监督体系 爆破安全监理的工作内容为 ◆ 监督施工企业按设计施工；审验从事爆破作业人员的资质，制止无证人员从事爆破作业； ◆ 监督施工单位不得使用过期、变质或未经批准的爆破器材，监督检查爆破器材的使用安全和领取、清退制度； ◆ 监督、检查施工单位执行爆破安全规程的情况，发现违章作业，有权停止其爆破作业，并向业主和当地公安部门报告备案； ◆ 检查施工单位申报爆破作业的程序，对不符合批准程序的爆破工程，有权停止其爆破作业，并向业主和当地公安部门报告。 矿山应建立健全事故应急组织，制定完善的事故应急计划。一旦发生事故，应及时向有关部门报告，并立即组织人员按计划进行紧急救护，做到有条不紊、忙而不乱，将事故损失降低到最小程度。 5 安全管理机构 本工程建设单位必须设立安全管理机构，该机构的主要职能见表8。 表8 安全管理机构主要职能一览表 序号 内 容 职 能 1 设置安全机构， 配备专职人员 设置安全机构，配备专职安全人员，负责对矿山生产进行全员监督、检查，对违反安全操作规程的工作人员有权做出返工或停工决定。搞好对炸药危险品的危害性和防范措施的宣传工作。在矿山建设的同时，开展地质灾害的防治及地质灾害的监测工作 2 加强员工安全 教育培训 安全专职人员负责组织员工安全教育、培训工作，提高安全技术水平和安全意识。爆破作业等专职岗位必须由受过专业训练的、持有爆破作业操作证书的专职人员上岗作业 3 做好露采矿段 监督检查 对边坡、安全平台、清扫平台等的清理及维护进行经常性细致检查和监督，及时发现和处理滚石滑坡隐患，做好事故急救工作。在矿区设立危险区警示标志，确保进入矿区人员、机械设备的安全； 4 防火与防爆 管理 爆破材料等危险品的运输、押运、入库、抽查、标签、发放等制度均应按国家规定的有关规程规范运作，不得从略从简。工业场地建筑应按建筑设计防火规范设计，室外设消防系统，室内设置消防灭火器材与器具消防车道应按厂矿道路设计规范设计，并按有关规定要求加强管理，保证消防通道畅通 5 废石场安全 废石场在底部设置挡渣墙，并派专职人员对废石场进行日常维护和管理，以确保废石场的安全 6 防止机械伤害 为确保设备的安全运行和操作安全，对具有高速运转或往复运动的机械设备或另部件上的外部边沿均应设置防护拦、防护罩等防护设施，重要设备应设安全标志，防止机械事故的发生 7 防雷击、防触电 ① 矿区供电、电力系统的安装、验收、运行等均按国家有关规定执行。所有电气设备金属外壳及电缆的外皮均须作可靠接地，变压器等高压电器的裸露部分须设计安全防护，并须标有“高压危险”的警示牌；禁止带电检修或搬动任何带电设备 ②变配电所站的露天引户构架及建筑物等，均必须装置保护装置；避雷针的高度、个数及建筑物的距离等，均须符合规范要求；架空进出线处，均须装设避雷器；井架或其他空旷地区的较高大建筑物、构筑物及设备，炸药库区及油库的建、构筑物均须设有避雷针、避雷网等 6 结语 本文对矿山开采有关爆破风险问题的评价进行了探讨，并对爆破振动、飞石、采掘中滚石、空气冲击波、爆破安全及其他有关安全问题，均提出了详细而明确的防范措施及建议。评价要求建设单位应设立安全管理机构，负责矿区日常安全管理工作，严格按照国家公安部和国家安全生产监督管理局特种行业规范申请办理特种行业证件，管理人员和爆破人员应全部经过技术培训并持证上岗。建设单位只要认真落实风险防范措施，可以有效避免事故的发生。 [参考文献] 1 爆破安全规程（GB67222003） 2 中华人民共和国安全生产法，2002年11月1日施行 3 河南省经贸委，河南省乡镇非煤矿山安全生产基本标准（试行），豫经贸安全（2001）1213号 4 金属非金属露天矿山安全规程（GB164231996） 5 中华人民共和国矿山安全法实施条例，1996年10月30日颁布 6 生产过程危险和有害因素分类与代码（GB138611992） 7 中国力学学会工程爆破专业委员会，爆破工程，冶金工业出版社，1992年1月版 8 陆雍森，环境评价，同济大学，2002年1月版