露天煤礦爆破震動(dòng)有害效應(yīng)的控制措施

孟艷雄

（國家能源集團(tuán)哈爾烏素露天煤礦穿爆隊(duì)，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

露天煤礦的開采過程中，常常需要進(jìn)行必要的爆破施工作業(yè)，其能改善各種施工困難，解決有關(guān)的開挖問題。同時(shí)爆破施工中，其不良的爆破震動(dòng)效應(yīng)也會(huì)對(duì)于周圍的環(huán)境造成一定的影響，在進(jìn)行施工的過程中，應(yīng)該做好精確的爆破控制，實(shí)現(xiàn)在進(jìn)行爆破過程中，將其產(chǎn)生的有害效應(yīng)控制在最低的范圍內(nèi)，在爆破過程中的基本安全目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

一、地震波的產(chǎn)生機(jī)理

炸藥在介質(zhì)中爆炸，爆轟產(chǎn)物和爆轟波白藥包中心向各個(gè)方向傳播，瞬間釋放出能量，然后能量進(jìn)行傳遞和做功。巖石在受到?jīng)_擊波和應(yīng)力波的強(qiáng)烈作用后，形成以炸藥為中心的由近及遠(yuǎn)的不同破壞區(qū)域，首先形成粉碎區(qū)，其次，隨著爆腔內(nèi)爆生氣體壓力的下降，原先積蓄的這部分能量就會(huì)釋放出來，轉(zhuǎn)變?yōu)樾遁d波，卸載波與壓應(yīng)力波方向相反，相互作用形成拉應(yīng)力波，如果此拉伸應(yīng)力波產(chǎn)生的拉應(yīng)力值大于巖石的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致巖石破裂，形成破裂區(qū)。破裂區(qū)之外的區(qū)域雖然不會(huì)造成巖層的破損，但是會(huì)傳遞震動(dòng)效應(yīng)，這種效應(yīng)可以稱為彈力波，其以爆破的中心為傳播的原點(diǎn)，在向周圍傳播的過程中，形成了爆破地震波。這種爆破地震波與常規(guī)的地震波相比具有明顯的不同之處，就是其震源一般很淺，但是同樣會(huì)造成地表物體的震動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致地表的建筑物、構(gòu)筑物等受到一定的安全影響，尤其是對(duì)于爆破位置距離較近的建筑物、構(gòu)筑物來說，存在較大的安全隱患爆破測振就是通過振動(dòng)測量，分析一定爆破條件及地層情況下的振動(dòng)傳播特征與衰減特性，利用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法分析振動(dòng)波形，得出衰減方程。根據(jù)爆破測振結(jié)果，采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧_(dá)到有效保護(hù)建筑物的目的。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析和實(shí)地測量，采用解析法、有限元法等多種方法，對(duì)爆破振動(dòng)的衰減規(guī)律及爆破對(duì)地表建構(gòu)筑物的振動(dòng)破壞機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，并取得了一系列成果。目前，對(duì)爆破影響判據(jù)研究較多，但對(duì)爆破影響的控制研究較少，對(duì)改進(jìn)方案的實(shí)際驗(yàn)證不充分。為研究爆破震動(dòng)監(jiān)測及其控制技術(shù)，本次進(jìn)行了爆破震動(dòng)影響實(shí)測，得出了爆破最大震速、安全距離與最大段藥量的關(guān)系，并在考慮震動(dòng)頻率的影響條件下，提出了針對(duì)露采中深孔爆破減小振動(dòng)危害的技術(shù)方案，并對(duì)方案進(jìn)行了進(jìn)一步實(shí)際測量，驗(yàn)證了方案的有效性和可操作性，為解決礦山與周邊村民的矛盾提供了新的思路。

二、地震波的基本分類

1.爆破產(chǎn)生的擾動(dòng)以面波和體波的形式在介質(zhì)的內(nèi)部傳播，體波又可以分為橫波和縱波兩種。體波是指爆破地震波在地層的內(nèi)部傳播，而面波是在介質(zhì)體表面或是在地層的表面?zhèn)鞑ァｓw波和面波的傳播速度不僅受到介質(zhì)體本身的物理特性影響，而且受到介質(zhì)體本身的結(jié)構(gòu)特征的影響。波在傳播的過程中，由一種介質(zhì)進(jìn)入到另一種介質(zhì)，例如：遇到節(jié)理和斷層等不均勻或不連續(xù)帶時(shí)，或是介質(zhì)體有著不同的物理力學(xué)性質(zhì)，就會(huì)導(dǎo)致波發(fā)生反射和折射。一般情況下，在介質(zhì)體分界面處或是在地表地層會(huì)產(chǎn)生面波，它的強(qiáng)度會(huì)隨著深度的增加而下降。

2.地震波傳播參數(shù)。爆破地震波的特性是具有隨機(jī)波的不重復(fù)性，因?yàn)樗艿降刭|(zhì)構(gòu)造、傳播介質(zhì)體物理力學(xué)性質(zhì)的多樣性和爆源的復(fù)雜性影響。任意兩個(gè)爆破地震波都會(huì)表現(xiàn)為不同波形，它會(huì)隨時(shí)間出現(xiàn)不同的變化，不僅在波的持續(xù)時(shí)間和頻譜構(gòu)成上會(huì)隨著地層地質(zhì)條件、爆心距、爆破規(guī)模和環(huán)境條件的影響，而且在振幅的數(shù)值上也會(huì)隨時(shí)間做出復(fù)雜的變化。由于傳播介質(zhì)復(fù)雜的特性，以及爆破機(jī)理的難估量性和不確定性，從而導(dǎo)致爆破震動(dòng)不易用微分方程和數(shù)學(xué)解析方法來表示出其確定性的規(guī)律。

3.爆破地震影響因素。影響爆破震動(dòng)的三個(gè)主要因素有：震動(dòng)持續(xù)時(shí)間、質(zhì)點(diǎn)的震動(dòng)速度和主振頻率。爆破地震參數(shù)的大小主要依賴于地形地質(zhì)特征和爆破參數(shù)（如總裝藥量、單響裝藥量、分段數(shù)、距爆破點(diǎn)的距離、高程差、孔距、排距、孔徑、孔深、不耦合系數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、填塞長度和起爆方法等）。

三、露天煤礦爆破震動(dòng)有害效應(yīng)的控制措施

1.毫秒延時(shí)爆破技術(shù)。毫秒延時(shí)爆破是以毫秒級(jí)的時(shí)間間隔分批起爆裝藥，這符合爆破機(jī)理的微分原理，對(duì)減弱爆破地震效應(yīng)有很大作用。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，在總藥量和其他條件不變的情況下，延時(shí)起爆震動(dòng)強(qiáng)度比齊發(fā)爆破降低30%～ 40%，是以各起爆段地震波不干擾不疊加的降震原理，來實(shí)現(xiàn)爆破降震。在深孔爆破中，采用不耦合裝藥比耦合裝藥有明顯的降低爆破震動(dòng)效應(yīng)的作用，在保證填塞長度和質(zhì)量要求下，采用分散裝藥比集中裝藥可降低爆破地震效應(yīng)。隨著不耦合系數(shù)的增大，藥孔周壁上的切向最大應(yīng)力急劇下降，作用時(shí)間延長，使得爆炸能量以應(yīng)力波形式傳播能量的部分較少，而已準(zhǔn)靜態(tài)壓力傳播能量的部分增加，應(yīng)力集中以及拉伸裂隙。由于藥包產(chǎn)生的爆炸作用經(jīng)過空氣間隔的緩沖，在相同裝藥量下，不耦合裝藥爆炸產(chǎn)生的地震強(qiáng)度比耦合裝藥的低。因此在下盤滑體部位采用間隔裝藥方式以達(dá)到分散裝藥的效果。

2.爆破網(wǎng)路。（1）爆破網(wǎng)路分孔內(nèi)網(wǎng)路和孔外網(wǎng)路?？變?nèi)分段采用從上到下延時(shí)起爆，這樣起爆的好處在于能最大限度降低爆破振動(dòng)?？變?nèi)分段延時(shí)以不大于75 ms 為宜，若延時(shí)過大，容易造成爆破飛石的產(chǎn)生。孔外網(wǎng)路由于需要嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)，采用單孔起爆方式，延時(shí)時(shí)間以100ms 左右為宜，延時(shí)時(shí)間過大，容易產(chǎn)生爆破飛石，會(huì)引起炮孔抵抗線發(fā)生大的變化而惡化爆破效果，同時(shí)會(huì)促使一些炮孔不能按照預(yù)先設(shè)計(jì)的次序和時(shí)間起爆；若延時(shí)時(shí)間過小，會(huì)破壞地表和孔內(nèi)起爆網(wǎng)路，導(dǎo)致拒爆炮孔產(chǎn)生，增加爆破振動(dòng)和產(chǎn)生爆破振動(dòng)疊加，也會(huì)使爆破巖石移位減小，影響裝運(yùn)?，F(xiàn)場中一般采用2-3 段延時(shí)對(duì)預(yù)裂炮孔進(jìn)行爆破，以確保爆破效果。（2）現(xiàn)場的具體做法是：在孔內(nèi)不分段時(shí)，孔內(nèi)一般裝5 段毫秒非電導(dǎo)爆管雷管，孔外延時(shí)采用2 段毫秒非電導(dǎo)爆管雷管。在孔內(nèi)分段時(shí)，孔內(nèi)采用從上往下依次為5，6，7 段毫秒非電導(dǎo)爆管雷管，孔外采用2 段毫秒非電雷管。一般情況下都利用2 段雷管單孔一次起爆120 個(gè)左右炮孔，總延時(shí)在6 s 左右?？變?nèi)分段時(shí)在現(xiàn)場最多一次實(shí)現(xiàn)過單孔一次起爆89 個(gè)炮孔，總延時(shí)達(dá)7s，而未出現(xiàn)一個(gè)拒爆炮孔。一般孔內(nèi)分段，爆破的炮孔數(shù)量都在65 個(gè)左右。起爆網(wǎng)路在單孔起爆時(shí)，敷設(shè)的主要步驟是：第一，選擇好爆破開口位置，再設(shè)計(jì)每個(gè)炮孔起爆次序；第二，模擬每個(gè)炮孔起爆過程中是否出現(xiàn)帶炮、夾制和改變后爆炮孔爆破抵抗線等情況，若有此類情況發(fā)生，要重新確定爆破順序；第三，在確認(rèn)爆破次序沒有問題后，從最后一個(gè)炮孔依次向第一個(gè)起爆孔敷設(shè)起爆網(wǎng)路，工作中，要一人敷設(shè)，一人連接，一人監(jiān)督，防止出現(xiàn)問題；第四，網(wǎng)路連接完成后，再從第一個(gè)起爆炮孔開始向最后一個(gè)起爆炮孔依次重新擺放起爆網(wǎng)路，以防止在起爆過程中，先起爆雷管炸斷后起爆雷管的導(dǎo)爆管，造成炮孔拒爆；第五，在網(wǎng)路全部擺放好后，要用鉆孔時(shí)產(chǎn)生的石粉對(duì)雷管進(jìn)行覆蓋，其作用是防止雷管爆破后碎片炸斷導(dǎo)爆管和雷管在起爆過程中抖動(dòng)引起導(dǎo)爆管斷裂。

邊坡問題。邊坡處理中與普通的預(yù)裂爆破不同，工程中主要采用了以下措施：第一，減少了邊坡孔的超深，防止對(duì)安全平臺(tái)的損害和減少振動(dòng)；第二，采用分段預(yù)裂爆破，確保爆破振動(dòng)不超標(biāo)；第三，降低每米裝藥量，保證邊坡面的平整度和光滑度，并最大程度降低爆破對(duì)邊坡面的損害；第四，邊坡爆破中不采用斜孔，以降低飛石產(chǎn)生程度；第五，提高鉆孔質(zhì)量和爆破質(zhì)量，防止邊坡爆破中一次成不了型的現(xiàn)象出現(xiàn)。如果爆區(qū)規(guī)模過小，勢必增加爆破次數(shù)，設(shè)備移動(dòng)頻繁，影響設(shè)備效率，不利于礦山生產(chǎn)；如果按正常80～ 100 個(gè)孔設(shè)計(jì)爆區(qū)規(guī)模，有利于發(fā)揮設(shè)備效率，但無法控制同段起爆藥量，滑體安全沒有保證，為此該處爆區(qū)規(guī)模定為40～ 45 個(gè)孔。超深的作用是用來克服底盤抵抗線，使臺(tái)階爆后不留根底。超深過大，將造成鉆孔和炸藥的浪費(fèi)，增加對(duì)下一水平的破壞，并且會(huì)增大爆破地震波的強(qiáng)度；超深不足將產(chǎn)生根底或抬高下一水平的標(biāo)高，影響下一水平的正常生產(chǎn)。該處超深設(shè)計(jì)為頭排孔2.5 m；后排2.0 m。同時(shí)考慮到單孔裝藥量，該處爆區(qū)設(shè)計(jì)孔深為14.0～14.5 m。由于這部分高差較大，又是最小工作平盤寬度較小，沒有水孔，這對(duì)裝低密度炸藥（多孔粒狀）提高裝要高度減少裝藥量，減少單孔起爆能有利。

應(yīng)用爆破新技術(shù)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，很多爆破問題得到了有效的技術(shù)層面的控制和解決，比如對(duì)于爆破施工來說，要能有效地實(shí)現(xiàn)在進(jìn)行爆破過程中，將技術(shù)優(yōu)勢發(fā)揮出來。當(dāng)前在進(jìn)行露天煤礦的爆破施工過程中，可以采取的施工技術(shù)包括緩沖爆破、預(yù)裂爆破、微差爆破等這些爆破技術(shù)往往能減少爆破的負(fù)面震動(dòng)影響，有效的控制爆破震動(dòng)的施工過程中，能發(fā)揮出良好的安全控制效果，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)既定爆破目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在現(xiàn)代化的爆破技術(shù)中，通過改善爆破孔的結(jié)構(gòu)位置，能實(shí)現(xiàn)在對(duì)于爆破施工的科學(xué)控制，比如將爆破孔改為傾斜孔，傾斜孔有利于爆炸后的能量在斜孔位置集中爆發(fā)，減少了能力向周圍傳播的趨勢，能有效的實(shí)現(xiàn)在進(jìn)行爆破作業(yè)的過程，控制好爆破不良效應(yīng)的產(chǎn)生。

對(duì)保護(hù)對(duì)象采取的控制措施。在對(duì)露天煤礦爆破產(chǎn)生的震動(dòng)有害效應(yīng)進(jìn)行檢測時(shí)，利用爆破震動(dòng)頻率對(duì)爆破效果進(jìn)行控制，是目前降低震動(dòng)產(chǎn)生的有害效應(yīng)效果比較好的方法之一。這是因?yàn)楫?dāng)露天煤礦附近建筑物具有的頻率與爆破產(chǎn)生的頻率接近或者相同時(shí)，會(huì)使建筑物發(fā)生幅度較大的震動(dòng)和嚴(yán)重的坍塌。由于在炸藥藥量、爆炸點(diǎn)深度、爆炸距離等各種因素的影響下，地震波振幅會(huì)產(chǎn)生較大的變化，當(dāng)微差爆破震動(dòng)頻率比較高時(shí)，說明地震波的振幅比較小，地震波的衰減速度極快，當(dāng)齊發(fā)爆破震動(dòng)的頻率比較小時(shí)。所以，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整微差時(shí)間間隔，將爆破地震波頻率有效提高，拉大與周圍建筑頻率的距離，能夠有效降低震動(dòng)有害效應(yīng)的影響。當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诿旱V巖石中進(jìn)行傳播時(shí)，如果中途遇到巖石斷層面、自由面、層里面、節(jié)理面，以及傳播介質(zhì)產(chǎn)生變化時(shí)，地震波的一部分波能就會(huì)在與交界面相遇的一瞬間反射回原路，剩余的一部分波能就會(huì)穿過交界面?zhèn)鬟f到下一個(gè)介質(zhì)中。與此同時(shí)，當(dāng)?shù)卣鸩◤牟ㄗ璧挚沽^大的介質(zhì)中傳遞到波阻比較小的介質(zhì)中時(shí)，具有的折射波由于受到較大的阻礙，產(chǎn)生的能量會(huì)大打折扣。所以，在露天煤礦爆破現(xiàn)場開挖一條減震溝，并且保證減震溝的寬度能夠滿足實(shí)際減震需求，深度大于建筑物的基礎(chǔ)，能夠有效降低震動(dòng)產(chǎn)生的有害效應(yīng)。

結(jié)束語

綜上所述，根據(jù)以上針對(duì)露天煤礦爆破震動(dòng)有害效應(yīng)的控制措施，展開的深入探索，我們能夠清楚的了解，在對(duì)露天煤礦進(jìn)行爆破的過程中，必須對(duì)震動(dòng)操作產(chǎn)生的有害效應(yīng)給予必要的重視。深入研究震動(dòng)有害效應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，采取出有效的措施，將存在的問題有效解決，從而，將露天煤礦爆破震動(dòng)有害效應(yīng)發(fā)生概率進(jìn)一步降低，最終，為煤礦開采行業(yè)具有較高安全性和有效性發(fā)展奠定基礎(chǔ)。