露天煤礦爆破震動有害效應的控制措施

孟艷雄

（國家能源集團哈爾烏素露天煤礦穿爆隊，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

露天煤礦的開采過程中，常常需要進行必要的爆破施工作業，其能改善各種施工困難，解決有關的開挖問題。同時爆破施工中，其不良的爆破震動效應也會對于周圍的環境造成一定的影響，在進行施工的過程中，應該做好精確的爆破控制，實現在進行爆破過程中，將其產生的有害效應控制在最低的范圍內，在爆破過程中的基本安全目標實現。

一、地震波的產生機理

炸藥在介質中爆炸，爆轟產物和爆轟波白藥包中心向各個方向傳播，瞬間釋放出能量，然后能量進行傳遞和做功。巖石在受到沖擊波和應力波的強烈作用后，形成以炸藥為中心的由近及遠的不同破壞區域，首先形成粉碎區，其次，隨著爆腔內爆生氣體壓力的下降，原先積蓄的這部分能量就會釋放出來，轉變為卸載波，卸載波與壓應力波方向相反，相互作用形成拉應力波，如果此拉伸應力波產生的拉應力值大于巖石的抗拉強度，就會導致巖石破裂，形成破裂區。破裂區之外的區域雖然不會造成巖層的破損，但是會傳遞震動效應，這種效應可以稱為彈力波，其以爆破的中心為傳播的原點，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，但是同樣會造成地表物體的震動，這會導致地表的建筑物、構筑物等受到一定的安全影響，尤其是對于爆破位置距離較近的建筑物、構筑物來說，存在較大的安全隱患爆破測振就是通過振動測量，分析一定爆破條件及地層情況下的振動傳播特征與衰減特性，利用適當的數學方法分析振動波形，得出衰減方程。根據爆破測振結果，采取適當的控制措施，達到有效保護建筑物的目的。長期以來，國內外學者通過理論分析和實地測量，采用解析法、有限元法等多種方法，對爆破振動的衰減規律及爆破對地表建構筑物的振動破壞機理進行了大量的研究，并取得了一系列成果。目前，對爆破影響判據研究較多，但對爆破影響的控制研究較少，對改進方案的實際驗證不充分。為研究爆破震動監測及其控制技術，本次進行了爆破震動影響實測，得出了爆破最大震速、安全距離與最大段藥量的關系，并在考慮震動頻率的影響條件下，提出了針對露采中深孔爆破減小振動危害的技術方案，并對方案進行了進一步實際測量，驗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.爆破產生的擾動以面波和體波的形式在介質的內部傳播，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部傳播，而面波是在介質體表面或是在地層的表面傳播。體波和面波的傳播速度不僅受到介質體本身的物理特性影響，而且受到介質體本身的結構特征的影響。波在傳播的過程中，由一種介質進入到另一種介質，例如：遇到節理和斷層等不均勻或不連續帶時，或是介質體有著不同的物理力學性質，就會導致波發生反射和折射。一般情況下，在介質體分界面處或是在地表地層會產生面波，它的強度會隨著深度的增加而下降。

2.地震波傳播參數。爆破地震波的特性是具有隨機波的不重復性，因為他受到地質構造、傳播介質體物理力學性質的多樣性和爆源的復雜性影響。任意兩個爆破地震波都會表現為不同波形，它會隨時間出現不同的變化，不僅在波的持續時間和頻譜構成上會隨著地層地質條件、爆心距、爆破規模和環境條件的影響，而且在振幅的數值上也會隨時間做出復雜的變化。由于傳播介質復雜的特性，以及爆破機理的難估量性和不確定性，從而導致爆破震動不易用微分方程和數學解析方法來表示出其確定性的規律。

3.爆破地震影響因素。影響爆破震動的三個主要因素有：震動持續時間、質點的震動速度和主振頻率。爆破地震參數的大小主要依賴于地形地質特征和爆破參數（如總裝藥量、單響裝藥量、分段數、距爆破點的距離、高程差、孔距、排距、孔徑、孔深、不耦合系數、裝藥結構、填塞長度和起爆方法等）。

三、露天煤礦爆破震動有害效應的控制措施

1.毫秒延時爆破技術。毫秒延時爆破是以毫秒級的時間間隔分批起爆裝藥，這符合爆破機理的微分原理，對減弱爆破地震效應有很大作用。大量的實驗研究表明，在總藥量和其他條件不變的情況下，延時起爆震動強度比齊發爆破降低30%～ 40%，是以各起爆段地震波不干擾不疊加的降震原理，來實現爆破降震。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效應的作用，在保證填塞長度和質量要求下，采用分散裝藥比集中裝藥可降低爆破地震效應。隨著不耦合系數的增大，藥孔周壁上的切向最大應力急劇下降，作用時間延長，使得爆炸能量以應力波形式傳播能量的部分較少，而已準靜態壓力傳播能量的部分增加，應力集中以及拉伸裂隙。由于藥包產生的爆炸作用經過空氣間隔的緩沖，在相同裝藥量下，不耦合裝藥爆炸產生的地震強度比耦合裝藥的低。因此在下盤滑體部位采用間隔裝藥方式以達到分散裝藥的效果。

2.爆破網路。（1）爆破網路分孔內網路和孔外網路。孔內分段采用從上到下延時起爆，這樣起爆的好處在于能最大限度降低爆破振動。孔內分段延時以不大于75 ms 為宜，若延時過大，容易造成爆破飛石的產生。孔外網路由于需要嚴格控制爆破振動，采用單孔起爆方式，延時時間以100ms 左右為宜，延時時間過大，容易產生爆破飛石，會引起炮孔抵抗線發生大的變化而惡化爆破效果，同時會促使一些炮孔不能按照預先設計的次序和時間起爆；若延時時間過小，會破壞地表和孔內起爆網路，導致拒爆炮孔產生，增加爆破振動和產生爆破振動疊加，也會使爆破巖石移位減小，影響裝運。現場中一般采用2-3 段延時對預裂炮孔進行爆破，以確保爆破效果。（2）現場的具體做法是：在孔內不分段時，孔內一般裝5 段毫秒非電導爆管雷管，孔外延時采用2 段毫秒非電導爆管雷管。在孔內分段時，孔內采用從上往下依次為5，6，7 段毫秒非電導爆管雷管，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 個左右炮孔，總延時在6 s 左右。孔內分段時在現場最多一次實現過單孔一次起爆89 個炮孔，總延時達7s，而未出現一個拒爆炮孔。一般孔內分段，爆破的炮孔數量都在65 個左右。起爆網路在單孔起爆時，敷設的主要步驟是：第一，選擇好爆破開口位置，再設計每個炮孔起爆次序；第二，模擬每個炮孔起爆過程中是否出現帶炮、夾制和改變后爆炮孔爆破抵抗線等情況，若有此類情況發生，要重新確定爆破順序；第三，在確認爆破次序沒有問題后，從最后一個炮孔依次向第一個起爆孔敷設起爆網路，工作中，要一人敷設，一人連接，一人監督，防止出現問題；第四，網路連接完成后，再從第一個起爆炮孔開始向最后一個起爆炮孔依次重新擺放起爆網路，以防止在起爆過程中，先起爆雷管炸斷后起爆雷管的導爆管，造成炮孔拒爆；第五，在網路全部擺放好后，要用鉆孔時產生的石粉對雷管進行覆蓋，其作用是防止雷管爆破后碎片炸斷導爆管和雷管在起爆過程中抖動引起導爆管斷裂。

邊坡問題。邊坡處理中與普通的預裂爆破不同，工程中主要采用了以下措施：第一，減少了邊坡孔的超深，防止對安全平臺的損害和減少振動；第二，采用分段預裂爆破，確保爆破振動不超標；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邊坡面的損害；第四，邊坡爆破中不采用斜孔，以降低飛石產生程度；第五，提高鉆孔質量和爆破質量，防止邊坡爆破中一次成不了型的現象出現。如果爆區規模過小，勢必增加爆破次數，設備移動頻繁，影響設備效率，不利于礦山生產；如果按正常80～ 100 個孔設計爆區規模，有利于發揮設備效率，但無法控制同段起爆藥量，滑體安全沒有保證，為此該處爆區規模定為40～ 45 個孔。超深的作用是用來克服底盤抵抗線，使臺階爆后不留根底。超深過大，將造成鉆孔和炸藥的浪費，增加對下一水平的破壞，并且會增大爆破地震波的強度；超深不足將產生根底或抬高下一水平的標高，影響下一水平的正常生產。該處超深設計為頭排孔2.5 m；后排2.0 m。同時考慮到單孔裝藥量，該處爆區設計孔深為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。

應用爆破新技術。隨著技術的進步和發展，很多爆破問題得到了有效的技術層面的控制和解決，比如對于爆破施工來說，要能有效地實現在進行爆破過程中，將技術優勢發揮出來。當前在進行露天煤礦的爆破施工過程中，可以采取的施工技術包括緩沖爆破、預裂爆破、微差爆破等這些爆破技術往往能減少爆破的負面震動影響，有效的控制爆破震動的施工過程中，能發揮出良好的安全控制效果，同時能實現既定爆破目標的實現。同時在現代化的爆破技術中，通過改善爆破孔的結構位置，能實現在對于爆破施工的科學控制，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，減少了能力向周圍傳播的趨勢，能有效的實現在進行爆破作業的過程，控制好爆破不良效應的產生。

對保護對象采取的控制措施。在對露天煤礦爆破產生的震動有害效應進行檢測時，利用爆破震動頻率對爆破效果進行控制，是目前降低震動產生的有害效應效果比較好的方法之一。這是因為當露天煤礦附近建筑物具有的頻率與爆破產生的頻率接近或者相同時，會使建筑物發生幅度較大的震動和嚴重的坍塌。由于在炸藥藥量、爆炸點深度、爆炸距離等各種因素的影響下，地震波振幅會產生較大的變化，當微差爆破震動頻率比較高時，說明地震波的振幅比較小，地震波的衰減速度極快，當齊發爆破震動的頻率比較小時。所以，根據現場實際情況調整微差時間間隔，將爆破地震波頻率有效提高，拉大與周圍建筑頻率的距離，能夠有效降低震動有害效應的影響。當地震波在煤礦巖石中進行傳播時，如果中途遇到巖石斷層面、自由面、層里面、節理面，以及傳播介質產生變化時，地震波的一部分波能就會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穿過交界面傳遞到下一個介質中。與此同時，當地震波從波阻抵抗力較大的介質中傳遞到波阻比較小的介質中時，具有的折射波由于受到較大的阻礙，產生的能量會大打折扣。所以，在露天煤礦爆破現場開挖一條減震溝，并且保證減震溝的寬度能夠滿足實際減震需求，深度大于建筑物的基礎，能夠有效降低震動產生的有害效應。

結束語

綜上所述，根據以上針對露天煤礦爆破震動有害效應的控制措施，展開的深入探索，我們能夠清楚的了解，在對露天煤礦進行爆破的過程中，必須對震動操作產生的有害效應給予必要的重視。深入研究震動有害效應現象產生的原因，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有害效應發生概率進一步降低，最終，為煤礦開采行業具有較高安全性和有效性發展奠定基礎。