工程爆破公害及安全措施研究

　　摘要：在爆破工程中，炸药的能量除一部分做有用功外，其余部分能量所产生的效应是无用的，甚至是有害的，爆破技术的关键是能量控制，将尽可能多的能量用于做有用功，减小爆破的有害作用。爆破的某些有害作用目前还不能消除，只能有限地控制，做好安全防范措施，尽量减少公害的影响程度及范围，本文主要从爆破地震和空气冲击波这两个方面来探讨，如何预防和做好工程爆破公害的安全措施。
　　关键词：工程爆破，公害，安全措施
　　
　　爆破是指物质发生急剧变化并放出大量的能量对周围介质做机械功，同时可能伴随有声、光、热效应的现象，其基本特征为：速度高、威力大和破坏作用强等方面。爆破中会出现有用功和无用功两方面，无用功及爆破的副作用，如地震效应、冲击波等有害作用，对相邻物体、构筑物和人身都会产生危害性的影响，因此，从安全的角度出发，以下将对爆破地震和冲击波这两个方面的公害进行安全措施有效防范的探讨。
　　一、爆破地震的形成及预防措施
　　1、形成及原因
　　炸药在岩石中爆炸时，爆炸作用使一定范围内的岩石破碎或破裂，在该范围以外，爆炸作用已不能使岩石发生明显破裂，只能引起岩石质点产生弹性振动，这种弹性振动以弹性波的形式向外传播，引起地面震动，即地震波。
　　地震波分为体积波和表面波。体积波是在岩体内传播的弹性波，体积波可分为纵波和横波两种：纵波质点振动方向和波的传播方向同向或反向，周期较短，波幅小，但传播速度较高；而横波质点振动方向和波的传播方向垂直，周期较长，波幅较大，传播速度比纵波低。体积波中的纵波使岩石产生拉伸或压缩，横波在岩体中产生剪切作用，是爆破时造成岩石破裂的主要原因。表面波在地面传播，可分为瑞利波和拉夫波：瑞利波的特点是岩石质点在垂直面上沿椭圆轨迹作后退式运动，周期较大，频率较低，传播速度比横波稍低，特别是衰减较慢，是造成地震破坏的主要原因；拉夫波的特点是质点仅在水平方向作剪切变形，这点与横波相似。
　　2、爆破地震安全距离
　　目前爆破地震安全距离的确定主要根据各类建筑物、构筑物规定的极限振速来确定，国家《爆破安全规程》规定了某些主要类型建筑物、构筑物的安全允许振动速度：
　　a．土窑洞、土坯房、毛石房屋5cm／s；
　　b．水工隧洞10cm／s；
　　c．交通隧洞15cm／s；
　　d．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。
　　3、减震措施
　　为了有效地控制爆破地震的危害，必须在爆破之前对爆破地震效应予以估计，并采取有效措施来减小危害。降低爆破震动的方法很多，目前国内外应用较成熟的主要方法如下。
　　(1)微差爆破
　　多段微差爆破是控制爆破地震危害的最有效手段，其降震是基于各段爆破独立作用原理，地震效应主要取决于最大一段药量，一般采取增多段数的方法，就可以在总装药量不变的情况下，甚至增加总装药量的情况下，有效地降低最大一段装药量，从而减低爆破的震动。同时，可采取逐孔起爆的方式：通过正确确定段数及最大一段的装药量，选用适宜的炸药及起爆顺序与延迟时间，可以把爆破地震效应控制在安全标准要求的水平以下，从而又不影响总的爆破的规模和效果。
　　(2)预裂爆破和掘防震沟
　　地震波是由爆源通过地面向各个方向传播的，为了减弱传到保护对象的地震波的强度，一般，我们可以采取人为地在爆源和保护对象之间创造阻波条件，预裂爆破就是一种有效的措施：预裂爆破就是在爆区和保护对象之间，钻一排或多排密集的炮孔，使得装药量较小，只要爆破后能形成一条一定宽度的连续裂缝就可以了。在主爆区爆破之前首先起爆预裂孔，形成预裂缝，然后起爆主爆区。当主爆区爆破时，主爆区和保护对象之间就会存在裂缝，透射到保护对象一侧的地震波的强度就会大大减弱，从而使保护对象免受爆破地震的破坏或大幅度的影响。预裂爆破在大型工程爆破中广泛应用。在被保护物朝向爆源的一方，运用地形地物采取掘沟方式隔断地震波，特别是表面波的传播，是有效的防震保护措施。
　　(3)合理选取爆破参数和炸药单耗
　　减小炮孔超深，采用较小的抵抗线和排距，从而减小炮孔爆破的夹持作用，地震效应相应地会降低。爆破每立方岩土所消耗的炸药量(单耗)决定了所有爆破效应的强弱，单耗越小，爆破地震效应越弱，所以在满足爆破效果的前提下，应尽量减小炸药的单耗。
　　(4)间隔装药
　　实践表明，采用间隔装药，不但可以改善爆破效果，降低大块率，同时可以减少单孔装药量，减弱地震效应。
　　(5)爆破方式
　　有研究表明，采用清碴爆破要比压碴爆破所产生的地震效应降低50％以上，因此，在必要时，可以采用清碴爆破的方式，达到减震的目的。除此而外，还可以通过选择爆破的抛掷方向及控制一次爆破的总炸药消耗量来达到降震的目的。
　　二、空气冲击波的形成及预防措施
　　炸药爆炸所产生的空气冲击波是一种在空气中传播的压缩波，这种空气冲击波具有比自由空气更高的压力，常常会造成爆区附近建筑物的破坏、人类器官的损伤和心理的不良反应。这种冲击波是由于裸露药包在空气中爆炸所产生的高压气体冲击压缩药包周围的空气而形成的，或者由于装填在炮眼、深孔和药室中的药包爆炸产生的高压气体通过岩石中的裂缝或缺口泄漏到大气中，冲击压缩周围的空气而形成的。
　　1、爆炸空气冲击波的形成和传播
　　当一个无约束的炸药包在无限的空气介质中爆炸时，在有限的空气中会迅速释放出大量的能量。这就导致爆炸气体生成物的压力和温度局部上升。高压气体生成物在迅速膨胀的同时，急剧冲击和压缩药包周围的空气，在被压缩的空气中压力陡峻上升，形成了以超声速传播的空气冲击波。随着爆炸气体生成物的继续膨胀，波阵面后面的压力急剧下降，由于气体膨胀的惯性效应所引起的过度膨胀，会产生压力低于大气压的稀疏波，稀疏波从波阵面移向爆炸中心。在波中由于压缩的不可逆性，会发生能量的弥散，机械能转变为热能，导致波强下降。同时，在波的传播过程中，被波卷入的空气质量的增加的结果，也加速了空气冲击波的衰减，最终变为声波。
　　2、爆炸空气冲击波的破坏作用和预防
　　当进行大规模爆破时，特别是在井下进行大规模爆破时，强烈的爆炸空气冲击波在一定距离内会摧毁设备、管道、建筑物、构筑物和井巷中的支架等，有时还会造成人员的伤亡和采空区顶板的冒落。例如，1980年12月28日在江西省鹰潭火车站一次深孔开挖爆破中，爆炸空气冲击波对周围的建筑物曾造成一次严重的破坏事故。这次爆破的基本条件是：岩石为红色厚层砂岩；深孔直径150mm；深孔总数1436个；孔深从0．6m到5．6m不等；深孔间距2．3m；排距2．0m；炸药单耗1．2kg／m³；总装药量22．7t；采用导爆索齐发起爆，共消耗导爆索9600m(地表敷设4000m)；放炮时天阴，气温5℃。
　　爆破后的破坏情况如下。
　　①离爆区650一700m的鹰潭石油库区(海拔标高比爆区低10—20m)，近百扇玻璃窗全部破碎；两层的办公楼和平房住宅的木窗框向室内位移0．5—2．0cm；三座仓库的木大门折断损，一座仓库的屋顶拖架坍陷；许多平房天花板抹灰大面积脱落。
　　②离爆区1300m某部后勤基地的修理车间，四周的砌石承重墙有1—3mm宽的裂缝多条；四幢住宅室内抹灰大量脱落，外走廊的砖柱位移1—3mm；俱乐部中的吊灯震落了19盏。
　　③距爆区2—3km的市内房屋的个别玻璃窗被损坏，居民感到强烈振动。
　　根据国内外的统计，在不同超压下空气冲击波和噪声与亚声造成不同建筑物破坏的情况列于表中。
　　空气冲击波的破坏等级：
　　
　　声效应的破坏情况：
　　
　　爆炸空气冲击波的危害范围受地形因素的影响。遇有不同地形条件可适当增减。例如，在狭谷地形爆破，沿沟的纵深或沟的出口方向，应增大50％一100％；在山坡一例进行爆破对山后影响较小，在有利的地形下可减少30％一70％。
　　为了减少爆炸空气冲击波的破坏作用，可以从两方面采取有效措施：一是防止产生强烈的空气冲击波；二是利用各种条件来削弱已经产生了的空气冲击波。空气冲击波的强弱与药包在岩石中爆破时爆炸能量有多少转化为空气冲击波能量有关。如果能尽量提高爆破时爆炸能量的利用率，减少形成空气冲击波的能量，那么就能最大限度地降低空气冲击波的强度，若合理确定爆破参数，避免采用过大的最小抵抗线，防止产生冲天炮；选择合理的微差起爆方案和微差间隔时间，保证岩石能充分松动，消除夹制爆破条件；保证堵塞质量和采用反向起爆，防止高压气体从炮孔口冲出。这些措施都能有效地防止产生强烈的空气冲击波。对露天爆破来说，除了采取上述措施以外，还应大力推广导爆管起爆或电雷管起爆，尽量不采用高能导爆索起爆。在破碎大块时尽量不要采用棵露药包爆破；合理规定放炮的时间，最好不要在早晨、傍晚或雾天放炮。
　　三、结束语
　　在工程爆破过程中，必然会产生公害影响，因此，要尽量将爆破的无用效应减少到最低，以保护人身的安全，减少环境的污染，实行文明、安全、绿色的施工爆破。
　　参考文献：
　　[1]黄正平著，爆炸与冲击电测技术，[M]国防工业出版社，2006
　　[2]齐景狱，隧道现代爆破技术[M].北京：中国铁道出版社，1995.