爆破设计与施工(汪旭光)分析

全国工程爆破技术人员统一培训内容中国工程爆破协会编汪旭光主编冶金工业出版社（2011）爆破设计与施工（14）第十四章爆破安全技术和环境保护14.1爆破振动与塌落振动14.6爆破粉尘14.2塌落振动14.7爆破有害气体14.3爆破空气冲击波及噪声14.8爆破对生态环境的保护14.4爆破水中冲击波14.9爆破事故的预防和处理14.5爆破个别飞散物14.1爆破振动与塌落振动不论是在岩石中爆破，还是建筑物的拆除爆破，当炸药在固体介质中爆炸产生的应力波通过破裂圈后，由于应力波强度迅速衰减，它只能引起介质质点产生弹性振动。这种弹性振动是以弹性波的形式向外传播，称为爆破地震波。爆破地震波是一种复杂的波系，包含体波和面波。面波，特别是其中的瑞利波，由于它的频率低、衰减慢、携带的能量较多，是造成地震破坏的主要因素。引起地表震动，从而危及建筑物的安全。14.1.1爆破地震的特点爆破地震与自然地震一样对建筑物都有危害，然而二者也有一定的区别。①爆破地震振动幅值大，但衰减快，破坏范围小；天然地震振动幅值虽小，但衰减缓慢，破坏范围比前者大得多；②爆破地震的地面加速度震动频率较高(约10Hz～100Hz以上)，远超过普通工程结构的自振频率；天然地震地面加速度震动频率较低(一般为2Hz～5Hz)，与普通工程结构的自振频率相接近；③爆破地震的持续时间很短，在0.4s～2.0s之间；而天然地震主震相持续时间多在10s～40s间。14.1.2爆破地震破坏判据及计算评价爆破地震强度的指标可用质点振动位移、速度、和加速度。我国习惯上以地面介质质点振动速度作为评价爆破强度的指标。《爆破安全规程》规定，一般建筑物和构筑物的爆破地震安全性应满足地震安全速度的要求。主要类型的建筑物和构筑物地面质点的安全振动速度规定如下：土窑洞、土坯房、毛石房屋1.0cm/s；一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物2～3cm/s；钢筋混凝土框架房屋5cm/s；水工隧洞10cm/s；交通隧洞15cm/s；矿山巷道，围岩不稳定有良好支护10cm/s；围岩中等稳定有良好支护20cm/s；围岩稳定无支护30cm/s。对于埋在地下的药包爆炸时引起的地表质点振动速度，采用萨道夫斯基公式计算：式中：Q——总药量或最大一段药量，kg；R——测点或被保护物距爆破点的距离，m；v——测点处或被保护物处地面质点的振动速度，cm/s；K,α——与岩石性质有关，由实测确定或参考以下值：坚硬岩石K=50～150α=1.3～1.5中硬岩石K=150～250α=1.5～1.8软岩K=250～300α=1.8～2.0由安全震动速度亦可计算安全距离：应当指出，以上K、α的取值范围，只是大概的经验值。对于在重要建筑物附近爆破或很大规模的爆破，应当通过实测确定准确的K、α值。RQKv3/13/1vKQR14.1.3塌落振动在高耸建筑物拆除爆破中，爆破体在倾倒或塌落过程冲击地面，同样会引起地表震动，有时会强于爆破地震。这时就要进行这方面的验算。关于建筑物坍落时的振动计算，可参考以下公式：式中：v——地面质点振动速度，cm/s；R——距坍落地点的距离，m；m——冲击地面解体构件的质量，kg；g——重力加速度，cm/s2；h——落高，m；K——系数，一般取6.5～8.7。232RghmKv14.1.4爆破地震测试爆破地震测量一般采用电测法。测量仪器由传感器、测振仪和记录装置组成。如图：测振仪记录装置传感器图爆破震动测试系统传感器又称为拾震器，用于将地面振动信号转换为电信号。按信号转换方式不同，可分为应变型、磁电型、压电晶体型和电容型。按记录的物理量不同，分为位移传感器、速度传感器和加速度传感器。按测量振动强度不同，又分为强震仪、中强震仪和弱震仪。测振仪记录装置传感器14.1.5防护措施1、预防爆破地震危害，减弱爆破地震效应的主要措施是严格控制一次齐爆药量。被保护建筑物的安全振速确定这后，即可算出最大安全起爆药量。一次齐爆药量只有控制在安全起爆药量之内，才能保证建筑物的安全。当设计药量大于该值时，则必须分次爆破，或采用微差爆破，使每一段爆破药量都小于安全起爆药量。此时微差时间间隔应大于50ms，降震效果才明显。2、在爆破体附近开挖减震沟也可在一定程度上降低爆破效应。减震沟宽度以施工方便为准。减震沟深度以超过被爆体或药包20～30cm为好。3、如果爆破体与被保护体之间是连为一体的混凝地基础或岩石，则采用预裂爆破方法，首先在二者之间形成预裂缝，再进行爆破降震效果比较明显。这时应特别注意预裂爆破所产生的震动效应。4、减小塌落冲击地面震动，首先要采用合理的拆除工艺，减小和控制塌落冲击地面的构件的质量。其次是在地面倒塌范围内铺设一定厚度的松软缓冲层（土、沙、炉渣等）。14.2塌落振动如上节所述。14.3爆破空气冲击波及噪声14.3.1空气冲击波的概念炸药在空气中爆炸时，爆炸产物、高速向空中膨胀，使周围空气受压缩，形成压力很高的冲击波，这种冲击波称为爆破空气冲击波。如：日本1945.8长崎和广岛原子弹爆炸后死伤者中20%是冲击波造成；1947.4.18.8美国德克萨斯城港口，一艘装有2300t硝铵炸药的船只，因失火爆炸后560人死亡800人重伤，4000多人轻伤距爆心3000m处仍有碎片飞来。百万吨级原子弹爆炸后冲击波可使1000~2000km2范围内（相当于半径18~25km）的人畜致死或致伤。绝不可轻视。14.3.2爆破空气冲击波的安全判据和安全距离爆破空气冲击波的安全判据主要根据空气冲击波产生的超压值大小对人或建筑物的损害程度综合判定，并确定相应的安全距离。《爆破安全规程》规定，对于掩体内避炮的作业人员、居民或其他人员、建筑物和构筑物的空气冲击波的安全距离，分别按下式来确定：(掩体内作业人员)(其他作业人员)(建筑物、构筑物)式中：Rk——空气冲击波的安全距离，m；Q——裸露药包或用爆炸法在地面销毁的药包的重量，kg。Q不得大于20kg。3125QRk3160QRk3155QRk14.3.3爆破空气冲击波的安全防护为了确保人员和建筑物等的安全，在爆破作业时，必须对空气冲击波加以控制，使之低于允许的超压值。爆破空气冲击波产生的根源主要是裸露药包爆破或炮孔、药室位置不当及堵塞质量不好所致，因此从根本上消除空气冲击波危害，应避免裸露药包爆破。可采用以下技术措施对爆破空气冲击波进行安全防护：（1）尽量避免采用安全导爆索起爆网路，必须采用时应覆盖砂土。（2）控制一次起爆药量。从空间、时间上将总装药量平均分配到各个爆破部位，以防止产生强烈的冲击波。（3）优化爆破参数，选择适宜的装药结构。合理控制最小抵抗线大小和方向，选择空气间隔、不偶合装药结构，确保堵塞长度和质量，以有效控制空气冲击波的产生。（4）在爆破区与保护物附近构筑阻波墙（砖墙、砂袋、砌石墙或水袋等），设置吸波体（用可吸收冲击波材料做成），使空气冲击波在传播过程中被消弱。矿井巷道中，采用薄膜水袋阻波墙既可消弱冲击波又可降尘、并稀释有毒气体。14.4爆破水中冲击波14.4.1水中冲击波安全距离（水深不大于30m）（1）当一次起爆药量少于1000kg时，可参照表7－29－10定出安全距离（m）。（2）当一次起爆药量大于1000kg时，按下式计算安全距离R：（7－29—24）式中Q——一次起爆炸药量，kgKS——经验系数，按表7－29－11选取。（3）当水深大于30m时，应通过试验定出水中冲击波的安全距离，在试验时，可用库尔公式和柯克伍德公式计算水中冲击波超压峰值。库尔公式,MPa（7－29—25）柯克伍德公式,MPa（7－29—26）式中Q、R意义及单位同前。水中冲击波超压F蜂值与船舶、鱼类的伤害关系可参见表7－29－12。3ssRKQ1.131353.3sQPR1352.7sQPR表14－Q1000kg时水中冲击波安全距离/m炸药量/kg5050~200200~1000裸露药包游泳者90014002000潜水者120018002500木船200300500铁船100150250钻孔或药室游泳者5007001100潜水者6009001400木船100150250铁船70100150表14-KS值对象游泳者潜水者木船铁船水中裸露药包2503205025水下钻孔或药室1301602515表14-水中冲击波超压峰值对应的损害程度超压峰值/MPa5020100.70.350.2船舶安全安全限木船安全限鱼类死亡重伤安全14.4.2减弱水中冲击波的办法——气泡帷幕水中爆破冲击波的有效措施是：采用气泡帷幕防护技术，所谓气泡帷幕。就是在爆源与被保护物之间设置一套气泡发射装置，一般采用钢管在其两侧钻凿两排小孔，当往发射装置里输入压缩空气后，便从小孔中连续不断地发射出大量细小的气泡，由于浮力的作用，气泡群自水底向水面运动，从而形成一边“气泡帷幕”。能有效地削弱冲击波地压力峰值，对所保护物起到防护作用。可以通过提高压缩空气的压力和流量，适当增加发射孔的数量和减少发射孔的直径，以及改善气泡发射装置的结构等来提高帷幕中的气泡密度。设计好的气泡帷幕装置，可以削弱冲击波压力90％以上。14.5爆破个别飞散物14.5.1爆破飞散物的产生和危害在工程爆破中，个别飞散物由于获得较大的能量常常会飞得较远，因其方向难于准确预测，往往给爆区附近人员、建筑物和设备等安全造成严重威胁。根据矿山爆破事故的统计，露天爆破飞石伤人事故占整个爆破事故的27％，因此必须对爆破个别飞散物的危害予以高度重视。抛掷爆破、裸露药包爆破、大块解体二次爆破以及高耸建筑物拆除爆破中爆体落地撞击等均易产生飞得较远的个别飞散物；爆破施工中，因过量装药、起爆顺序安排不当、最小抵抗线偏小、炮孔堵塞质量差、炮孔（药室）处于地质软弱带以及地形等也极易产生个别飞散物。14.5.2爆破飞散物的飞散距离和安全距离1、爆破飞散物的飞散距离由于爆破飞散物形成的复杂性，要准确地确定个别飞散物飞散距离是非常困难的。但人们根据大量的实际工程资料，提出了许多经验的近似计算公式。硐室爆破和药壶爆破个别飞散物飞散距离可按下式估算：式中RF——个别飞散物飞散的最远距离，m；n——最大一个装药的爆破作用指数；W——最大一个装药的最小抵抗线，m；KF——安全系数，一般取1.0～1.5，根据地形与不同方向上可能产生飞散物的条件而定。上式对于山坡单侧硐室抛掷爆破和最小抵抗线小于25m的硐室爆破，计算值与实际情况较接近。而对双侧抛掷爆破，计算值偏大，KF可取0.5～0.8。220FFRKnW2、爆破飞散物对人员的安全距离《爆破安全规程》GB6722－2003规定：爆破时，个别飞散物对人员的安全距离不应小于表5-20-8的规定；对设备或建设物的安全允许距离，应由设计确定。抛掷爆破时，个别飞散物对人员、设备和建筑物的安全距离，应由设计确定，并报单位总工程师批准。14.5.3爆破飞散物的防护爆破分散物的安全防护必须从爆破设计、施工以及主动防护三方面入手，具体措施为：（1）选择并确定合理的爆破参数。合理的装药量、最小抵抗线大小与方向、堵塞长度、起爆顺序与时差以及爆炸作用指数是控制爆破个别飞散物的主要参数。过大的装药量、爆炸作用指数，过小的最小抵抗线和堵塞长度均可导致较远的爆破飞散物。多排爆破时要选择合理的延期时间，防止因前排带炮(后冲)，造成后排最小抵抗线大小与方向失控。（2）选择适宜的炸药及其装药结构。在满足工程要求基础上，选用做功能力低、爆速低的炸药，采用不偶合装药结构、反向起爆、挤压爆破等技术有利于控制爆破飞散物。（3）做好爆区地质、地形勘测工作，合理确定炮孔（药室）位置，严防将炮孔（药室）布置在软弱地质破碎带。（4）严格控制堵塞质量。爆破施工中，既要保证一定的堵塞长度，还要保障堵塞密实，严防堵塞物中夹杂碎石。（5）在复杂环境条件下需严格控制爆破个别飞散物时，必须采取主动防护措施：对人员可设置掩体；对爆破体和保护对象进行覆盖或在爆区与被保护对象间设置防护排架等，以设防个别飞散物。覆盖材料应便于固定、