露天礦爆破安全評價影響因素與預防研究

曾 晟，何 旺，劉其兵

（1.南華大學資源環境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001；2.湖南省云峰水泥有限公司，湖南 邵陽 422411）

爆破作為露天礦山開采主要方式，它以準確、高效和快捷的生產優勢為礦山企業獲得了優越的經濟效益，但是隨著開采規模的擴大和強度的提高，爆破沖擊和飛石的問題層出不窮，帶來的爆破安全隱患隨之增加，作業的危險系數也在不斷提升。眾所周知，嚴重的爆破安全事故不僅會導致爆區內的人員傷亡、設備損壞和環境破壞，還會影響爆區外一定范圍內的建筑結構和居民正常生活。建筑結構的垮塌和振動造成的不舒適感促使居民投訴和索賠[1]，進而導致礦山生產工期的延誤和礦山經濟的損失，不利于礦山開采工作的和諧發展。

伴隨數字化、信息化和互聯網+時代的到來，爆破數字化系統和爆破信息化智能管控系統在工程爆破中得到廣泛應用[2]、數碼電子雷管的精準起爆技術得到企業的認可[3]、液態二氧化碳爆破技術的初步使用[4]和爆破作業標準化要求[5]等，均為爆破安全性提供了保障。雖然爆破技術被不斷的更新，機械設備也越來越先進，但影響露天礦山爆破安全的因素很多，安全問題依舊存在。因此本文從地質條件、爆破規模、爆破施工、周邊環境和安全管理五個方面分別闡述了影響爆破安全的因素，總結露天礦山爆破安全問題的預防措施，并且指出現階段預防措施的不足之處和提出爆破技術發展方向。為我國露天礦山安全、高效和綠色開采提供借鑒和指導意義。

1 露天礦山爆破安全的影響因素

為了解決露天礦山爆破安全問題，必須了解清楚導致爆破安全的主要因素。最重要的影響因素是地質條件、爆破施工和安全管理，其次是爆破規模和周邊環境。根據不同露天礦山的實際情況，找到與之對應的影響因素，并采取有效的預防措施，規避爆破安全事故。

1.1 地質條件

大部分爆破工程設計和施工對工程地質和水文地質的勘察不盡詳細，設計與施工一般采用工程類比法或經驗法，這樣容易因地質條件不明確導致爆破事故的產生。因此在設計與施工之前必須對工程及其周邊環境進行詳細的地質勘查，必須對被爆巖石的種類與性質、特殊地質條件和巖體結構面等地質信息全面的了解，同時在爆破施工時隨時注意地質條件的動態變化，才能保障爆破工程的安全。

炸藥的選擇與被爆巖石的種類與性質息息相關，僅依據波阻抗匹配理論選擇炸藥并不完全合理。因為選擇炸藥與巖石的波阻抗相近就非常困難，需要考慮到炸藥、巖石和孔網參數等綜合影響因素條件下爆破全過程的能量傳遞關系以及炸藥與巖石全過程匹配的情況。此外，不能只考慮巖石波阻抗選擇炸藥，還需要根據巖石的堅硬性程度。一般而言，高阻抗的堅硬巖石采用爆速高的炸藥，中阻抗的中硬巖石采用中爆速的炸藥，低阻抗的松軟巖石采用爆力較高和爆容大的炸藥。總得來說，選取炸藥品種時，應同時考慮巖石波阻抗和普氏系數，防止因炸藥品種的誤選，導致安全事故的產生。在鉆孔填裝炸藥階段，可能遇到巖溶和地下水等特殊地質條件。當藥包置于溶洞上方進行拋擲爆破時，因為藥包到溶洞距離小于最小抵抗線，所以爆破釋放的能量向溶洞方向聚集；當溶洞或溶蝕縫位于藥包前的最小抵抗線方向或附近時，會引起爆破能量泄漏，改變最小抵抗線的距離，引發“沖天炮”的現象。若爆區存在地下水層，且地下水位較低，位于藥包下方，此時地下水通道容易出現水通道破裂的情況。而地下水位較高時，孔壁因鉆孔破裂導致孔內積水，裝入藥卷，經常因為水浮力，藥卷會脫節不連續，而不發生殉爆，造成安全隱患。在爆炸的過程中，爆破應力波在巖體中傳播遇到結構面將產生復雜的應力狀態，不同類型的結構面對爆破安全產生不同的影響。張家明等[6]發現爆破層裂效應會改變軟弱夾層（原生結構面）與圍巖的接觸狀態，減小它們之間的凝聚力和摩擦力，從而導致邊坡穩定性降低；藥包位置與斷層或層理面（構造結構面）的相對位置和產狀不同會改變破裂線作用方向，容易造成爆破的欠爆留埂，使定向爆破失效；而前排先爆炸藥對后排未爆炸藥的巖體產生爆破裂隙（次生結構面），后排炮孔爆破產生的高壓氣體會沖擊巖體的爆破裂隙并可能產生飛石傷人損物的現象。種種跡象表明，巖體結構面對爆破安全有著重要的影響。

1.2 爆破規模

露天礦山大規模爆破具有爆破持續時間長、起爆炮孔數目多和爆破用藥量大等特點的巖土爆破。即便爆破振動峰值速度小于安全振動速度，建筑砌體由于爆破持續時間長產生累計振動破壞；一次爆破起爆炮孔數目過多，采用孔外延期起爆網路時，由于孔間延遲時間太長，在傳爆過程中，導爆管會因為先爆炮孔發生巨大位移被拉斷或被高速的爆破飛石切斷，造成盲炮的現象[7]。當大規模爆破采用齊發爆破方法時，因總裝藥量過大，安全振動速度不變，根據薩道夫經驗公式計算出的距離就會增加，爆破振動的危害范圍也隨之擴大。另外隨著礦區開采量的增加，爆破員和安全員的勞動強度也隨之增加。思想上會“開小差”、麻痹大意和忽視安全，行動上簡化操作流程，給施工作業安全帶來隱患。

1.3 爆破施工

露天礦山爆破作業是一項嚴謹且專業技術要求很高的施工工作，爆破技術人員、爆破員和安全員等必須具備良好的心理素質和專業的技術手段。但是當前相關人員的施工質量和操作水平卻不容樂觀。爆破施工最重要也最危險的物品是炸藥和雷管，它們在爆破作業過程中存在極大的不穩定性和安全隱患，操作不當容易造成安全事故。而沒有嚴格按照設計藥量進行裝藥的情況則更加危險，容易導致炸藥的使用量過大，引發大規模的爆炸事故。有的露天礦為了降低開采的成本，使用引線較短的雷管，導致起爆雷管距離施工人員安全距離太小，造成嚴重的人員傷亡。更有甚者，部分小型礦山為了節約炸藥成本，使用自制的土玩意來減少炸藥和雷管的數量。在這種形勢下，使得露天礦山爆破作業的安全事故發生頻率成倍增加。

1.4 周邊環境

爆區附近存在高壓線時，在一定的范圍內會產生感應電流，對在此范圍內工作的施工人員的人身安全造成嚴重威脅，當感應電流超過電雷管的最大安全電流時，容易引起早爆現象。當附近存在多層建筑物時，不僅需滿足底層振動速度小于安全振速的要求，還需滿足主振頻率大于構筑物自振頻率，否則頂層可能因為低頻爆破振動存在高程放大效應導致損壞[8]。當爆區附近存在大壩時，雖然常規爆破不會對大壩產生直接影響，但爆破振動不只是影響大壩的穩定，還會影響大壩內相關高精度電子儀器。電子儀器抗振性能弱，一旦損壞，大壩的安全性大幅下降，就可能出現無法想象的損失。

1.5 安全管理

隨著全國各地試行和落實安全操作規程和安全管理制度等相關規章制度，大部分露天礦山企業已基本實施并存檔。仍有小部分露天礦山由于主要負責人的疏忽大意，并沒有將規章制度上墻公示或只上墻公示不太重要的部分，導致下面的安全管理人員也很少進行定期的安全培訓教育、安全隱患的排查和治理、特種設備檢測和維修等相關安全生產管理工作。與此同時安全管理工作責任也不清晰，職責界線也模糊，管理人員職責交叉又混亂，設置的管理機構根本無法滿足相關法規的要求。甚至部分企業將礦山生產直接外包給其他單位，導致安全管理工作缺失，隱患整改不力，出現爆破安全事故不斷頻發，卻無人負責的現象。

2 露天礦山爆破安全預防措施

2.1 詳細勘察地質條件

在影響爆破安全的重要因素中，爆破施工和安全管理等均主觀可控，唯有地質條件是客觀動態的。又因為地質勘察數據是設計人員設計爆破方案的先決條件，因此有必要對工程地質條件進行詳細勘察。傳統的爆破設計是把巖石看作均質的前提下進行的，根據巖石的波阻抗和普氏系數確定炸藥單耗，再根據臺階高度及炮孔直徑確定其他爆破參數。但這種前提條件不能真實反映巖體的性質。葛克水[9]認為巖體的力學性質是受巖體中的結構面及結構特征控制，不受巖石類型的限制。所以設計方案一旦碰到復雜的工程地質條件，容易出現爆破安全問題。但傳統的鉆探、槽探和地探勘測方法對較大范圍地質進行詳勘，不僅耗費大量人力物力以及時間成本，而且精度也不高。為了提高地質勘察效率，采用多瞬面波技術進行勘測，借助脈沖荷載的作用，利用傳感器得到波形圖，分析波形圖中曲線的變化規律，便可清晰、準確地對巖土特性與工程地質條件進行判斷；或者使用大地電場探測技術勘測，通過電磁場在不同的介質中反射頻率不同來判斷介質的構造。此外當勘察出巖體中有溶洞等復雜地質條件時，可以采取有針對性地避開溶洞或改變爆炸方向，調整炸藥用量等方法，確保爆破工程的安全性。

2.2 提高爆破施工質量

提高爆破施工質量，從根本上講，就是提高專業水平與安全意識。在露天礦山爆破施工過程中，嚴禁無證人員進行爆破作業。施工人員上崗前需要進行安全知識與自救技能的培訓，使其思想上明確爆破施工的危險性和安全作業的重要性，并定期對管理和施工人員進行安全教育和業務技能的培訓，提高專業技術的同時在他們心中建立起較強的安全意識。安全意識的增強應該不局限于施工人員，對不同的職位的人應該有不同的側重點。Zhang Jiang shi等[10]認為公司應該具有三種安全意識：高層領導者的“安全責任意識”，中層管理人員的“安全管理和監督意識”以及一線員工的“自我安全意識”。在培訓過程中，鼓勵員工就施工中發現的安全問題對培訓專家進行提問，通過專家的解答消除自身的困惑。在施工單位內部，積極開展優秀員工表彰大會，給予優秀施工人員金錢和榮譽獎勵，由優秀工作者將自己工作心得傳授給其他人員。不同于專家培訓，他們對爆破現場實際情況更加了解，具有針對性，能夠快速提高施工人員技術水平。除了安全知識和業務技能培訓外，合理購買一些必要的設施設備，根據需求引進先進的爆破設備與技術，提升施工人員的現代化設備使用能力，進而提高爆破施工的質量，實現本質安全。

2.3 加強爆破安全管理工作

加強爆破安全管理工作，有利于提高預見爆破事故的概率，并大幅度降低爆破安全事故的發生頻率。首先成立爆破安全監督小組，確定每個小組各個崗位的職責，要求監督小組所有成員全程參加數據收集、爆破設計方案的制訂、爆前和爆后檢查等監督工作。然后完善倉庫管理制度，安排管理人員做好定期對存儲在倉庫的爆破器材進行全面細致的檢查工作。最后安全員和爆破員要對運送到現場的炸藥及其相關器材要做好復查，減少安全隱患。在爆破作業開展之前，就做好前期調查工作，包括但不僅限于氣象和水文地質資料。若遇到特殊惡劣天氣，立刻停止爆破作業，并迅速撤離到安全地帶；在爆破作業準備的過程中，施工人員應認真嫻熟地對炮眼進行清理驗收，科學檢查起爆網絡，避免因為線路聯接混亂而導致發生事故。起爆前按照安全施工要求設置警戒線，并對安全警戒范圍以內的人進行疏散，要鳴笛警示，發出引人注意的信號。在引燃起爆裝置之前，要確保現場所有人員都已經撤離警戒線以外。爆炸后需等毒霧散盡，才允許爆破員和安全員進入檢查，以免有害氣體進入人體造成中毒事件。為了避免爆破飛石造成危害，除了設置安全警戒線外。還可以在爆區覆蓋草袋或編織袋裝泥土后壓在孔口部位，防止飛石的飛散。

綜上所述，針對主要影響爆破安全的地質條件、爆破施工和安全管理三個方面采用的預防措施進行總結，雖然現有的方法和技術能夠預防大多數的爆破安全問題，但是仍然需要鉆研新的技術、理論和方法，進一步降低爆破安全發生的概率，確保露天礦的開采安全。

3 結論

工程爆破是礦山開采必不可少的一道工序，其安全問題一直是我國礦山安全生產的一大難題。礦山爆破環境復雜，危險性高，影響安全因素多，容易發生安全事故，威脅人身安全和正常生產，給礦山帶來人員傷亡和經濟損失，阻礙著我國礦山行業的發展，因此解決露天礦山爆破安全問題具有重要的意義。為了消除爆破危險的存在，保障礦山安全，最有效的方法就是提前做好預防措施。將安全隱患扼殺在搖籃之中，從源頭上斷絕安全事故的產生。本文匯總了露天礦爆破安全采取的預防措施，發現它們能夠獨立預防大多數的爆破安全事故，但是依舊存在各部門無法高效協同的實現數據資源共享以及對礦山安全狀況的判斷和預警不足等問題。為了解決此類問題，未來爆破技術在露天礦的發展趨勢：

（1）推廣無人機勘測技術在露天礦山爆破工程中的應用，將無人機航測和3D 立體圖重建技術結合起來，重建礦區地質的3D立體圖。

（2）開發新的露天礦山爆破設計軟件與數值模擬模型，輔助設計爆破參數并預測爆破后的效果，提前預防爆破可能產生的危險。

（3）建立基于5G 技術的露天礦山智能化開采系統，實現高效協同的數據資源共享，利用智能機器人完成安全評估和自動報警系統保障礦山安全。