爆破安全技术.doc

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爆破安全技术

一、绪论

不容讳言，爆破属于高危行业；无论是普通的工程爆破作业还是控制爆破施工，爆破都是一项具有一定危险性的工作。

在爆破中潜在着许多不安全因素，如果对其认识不足或没有采取必要的安全技术措施，都有可能发生爆破事故，造成人员伤亡或建筑设施的损坏，甚至会导致整个爆破作业的失败。

为了保证爆破作业能安全、顺利地进行，除了在实施爆破作业时要遵守爆破安全规程中各项有关规定外，还必须懂得和掌握有关的爆破安全技术。

爆破安全技术包括两个方面的内容：

一是爆破施工的安全技术措施和安全管理措施；如爆破器材装卸和运输、储存与保障、装药与堵塞、联网与起爆、早爆预防与处理拒爆（或瞎炮）等。

二是爆破产生的有害效应对周围环境的影响，如爆破地震波、爆破冲击波、个别飞石或飞散物、爆破噪音和有毒气体等。

因此，爆破安全技术的创新与发展必须从上述两个方面开展研究。

爆破安全技术的发展，对爆破技术应用范围的扩大有着十分重要的意义，只有解决好与工程爆破有关的安全技术问题，工程爆破技术才能发挥更大的作用；只有弄懂并掌握不安全因素产生的原因以及可能带来的后果并采取切实可行的预防措施，才能防患于未然。

工程爆破设计中一项重要的内容就是，必须进行爆破安全检算和校核，制定相应的安全技术措施。

在此应强调指出，《爆破安全规程》是除军事爆破外一切从事爆破工作的人员、单位及其主管部门都必须遵守的法规，必须在工程爆破设计和施工中严格遵守和执行。

二、爆破地震效应

1、基本原理：

爆破地震效应是炸药在岩土等介质中爆炸时，其中部分能量以弹性波的形式在地壳中传播而引起爆区附近地层震动的现象。

根据爆破作用机理，当药包在岩石中爆破时，临近药包周围的岩石会被破坏形成压碎圈和破裂圈。

当应力波通过破裂圈后，由于能量被吸收其强度会迅速衰减，已不足以引起岩石的破裂而只能引起岩石质点产生弹性振动，这种振动以弹性波的形式向外传播，造成地面的震动，这种弹性波又叫地震波。

而这种现象又叫地震效应，由爆破引起的振动现象就叫爆破地震效应。

当爆破振动达到一定的强度时，常常会造成爆源附近的地面以及地面上所有物体的颠簸和摇晃，造成爆区周围建筑物或构筑物的破坏。

如房屋开裂或倒塌，露天矿边坡滑落以及井下巷道片帮和冒顶。

因此，为了研究爆破地震效应的破坏规律，找出减小爆破地震效应强度的措施和确定出爆破地震的安全距离，对爆破地震效应进行系统地观测和研究是非常必要的。

地震波由若干种波组成，其中主要的是纵波和横波，《爆破安全规程》就是以纵波的波速度大小来作为震动破坏的判定依据的。

但在实际应用中，除应以位移、速度、加速度作为破坏判据外，还应考虑爆破震动的持续时间累积破坏作用、震动频率与建（构）筑物固有频率的关系等一系列其它因素，关于这些目前各国都没有统一的标准，因此建立科学的爆破地震破坏判据系统是今后测试技术发展的方向。

（1）、爆破地震与天然地震的区别：

爆破地震与天然地震有相似之处，即二者都是急剧释放能量，并以波动的形式向外传播，从而引起质点的振动，产生地震效应。

因此，它们对建（构）筑物和人员等造成的危害的机理基本上是相同的。

但爆破时装药处在浅层或地表以上，炸药释放的能量有限，而且只有部分能量形成地震波，如岩石中爆破地震波的能量只占炸药总能量的2%～6%，水中约占20%；而天然地震却与此正好相反。

二者的区别在于：

①爆破地震的振动频率较高，一般为10～100Hz，岩石的振动频率高于土壤；小药量引起的振动频率高于大药量，而且大大超过普通建筑物的自振频率。

天然地震则属于低频振动，一般为2～5Hz，与建筑物的自振频率比较接近。

因此，认为爆破地震能与建筑物的自震互相叠加而产生共振，几乎是不可能的。

②爆破地震的持续时间较短，一般约为0.1～2S；而天然地震的持续时间则较长，通常为10～40S，有时甚至长达几分钟。

③天然地震的振幅大，衰减慢，影响范围大，破坏能量也大；爆破地震与此则相反。

④爆破地震的震源大小、影响范围及其程度，可通过一定的技术措施加以控制，而天然地震目前尚不能加以控制。

虽然在同一地点的两种地震波参数相同，但爆破地震对该处建筑物的影响和破坏程度要比天然地震轻的多。

因此，可以参考建筑物抗天然地震的烈度设计规定，一般允许将其烈度降低1～2度来考虑爆破地震引起的破坏规模。

（2）、爆破地震效应的特点：

①相对位置：

低于爆源处标高的建筑物的抗震能力要比高于爆源处标高的建筑物的抗震能力要大的多。

②建筑物的类型：

低矮狭小建筑物的抗震性能比高大细长建筑物要好的多；大跨度的空旷建筑物及承载结构物易被震坏。

③地形地质条件：

深沟、坑、河、渠、断层和破碎带有明显的隔震和减震作用，预裂爆破所形成的缝隙也有很好的降震作用。

岩石越坚硬，抗震性能越好；砂石、回填土和碎石作基础的建筑物抗震性能较差。

④爆破类型：

爆破地震的强度随着爆破作用指数n的增加而增大。

实测得知，n=0.81的松动爆破比n=1.5的抛掷爆破相比，平均振速下降4%～22%；在抛掷爆破与露天深孔爆破中，最小抵抗线方向上的地震强度最小，侧向居中，反向最大。

2、爆破震动速度的计算：

由爆破引起的震动是一个非常复杂的随机过程和变量，它的振幅、周期和频率常常是随时间变化的，是时间的函数。

在工程应用上，通常是求振动的最大幅值作为简谐运动的组成部分加以处理，故可简化计算方法。

由于爆区附近垂直向振动比较明显，一般多用质点的垂直振动速度（即纵波速度）作为判定标准。

根据大量实测资料表明，爆破震动速度与装药量大小、爆源与测点的距离、地震波传播介质和爆破区地形地质条件以及爆破方法等因素有关。

目前国内外均采用根据工程爆破实测数据所推导的经验公式—即萨道夫斯基公式来计算，这也是《爆破安全规程》给定的计算公式：

即

V=K（Qm/R）α

式中：

V—质点振动速度，cm/s；

K·α—与地震波的传播介质和地形地质条件有关的系数；

Q—装药量（齐发爆破为总装药量，延期爆破为最大一段装药量），kg；

R—测点到爆源中心的距离，m；

m—装药量指数，一般国内多采用1/3；

K·α的取值变化范围较大，很难准确选取，可通过试验确定，可参照类似条件下爆破的实测数据来选取。

可参照下表进行选取：

表1：

爆区不同岩石性质的K·α值

岩石性质

K

α

坚硬岩石

50～150

1.3～1.5

中硬岩石

150～250

1.5～1.8

软岩石

250～350

1.8～2.0

土壤

150～220

1.5～2.0

在爆破设计时，为了避免爆破震动对周围建筑物或构筑物产生破坏性的影响，必须计算爆破震动的危险半径，也就是爆破震动允许的安全距离；如果被保护建筑物或构筑物处在这个距离内又不能迁移，则需要控制爆破规模，减少一次爆破的装药量，同样需要计算一次爆破允许的安全装药量，于是上述公式又可演变成：

安全距离：

Ran=（K/Van）1/α*Qm

安全装药量：

Qan=R1/m（Van/K）1/α*m

式中：

Ran—爆破震动安全距离，m；

Van——安全上允许的振动速度，cm/s；

Qan—一次爆破允许的安全装药量，kg。

3、爆破震动允许振速及其破坏判据：

根据《爆破安全规程》的规定，各类建筑物或构筑物所允许的安全振动速度如下：

①土窑洞、土坯房、毛石房屋：

1.0cm/s；

②一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物：

2～3cm/s；

③钢筋混凝土框架房屋：

5cm/s；

④水工隧洞：

10cm/s；

⑤交通隧洞：

15cm/s；

⑥矿山巷道：

围岩不稳定但有良好支护：

10cm/s；

围岩中等稳定有良好支护：

20cm/s；

围岩稳定无支护：

30cm/s。

还有一些建筑物的抗震标准，在《爆破安全规程》中没有明确指出，下面的一些安全判据可供爆破设计时参考：

①年久失修的窑洞、房屋：

0.5cm/s；

②特殊保护的建筑物、重点文物：

1～2cm/s；

③修建良好的木房：

5cm/s。

由于爆破震动引起建筑物或构筑物破坏所牵涉到的因素很多，诸如：

建筑物地基的性质、建筑物所采用的材料、建筑物的结构、建筑物的新旧程度和施工质量等。

所以迄今为止，尚无统一的认识与标准，更难做到准确合理。

有的专家学者提出“振速—频率”来表示振动强度指标，具体如下表：

表2：

按“振速—频率”判定安全允许振动速度

序号

保护对象类别

安全允许振动速度（cm/s）

≤10Hz

10Hz～50Hz

50Hz～100Hz

1

土窑洞、土坯房、毛石房屋

0.5～1.0

0.7～1.2

1.1～1.5

2

一般砖房、非抗震大砌块建筑物

2.0～2.5

2.3～2.8

2.7～3.0

3

钢筋混凝土框架房屋

3.0～4.0

3.5～4.5

4.1～5.0

4

一般古建筑与古迹

0.1～0.3

0.2～0.4

0.3～0.5

5

水工隧道

7.0～15

6

交通隧道

10～20

7

矿山巷道

15～30

8

水电站、发电厂中心控制室仪器设备

0.5

表3：

关于爆破振动的频率按如下数值参考:

序号

爆破类型

爆破振动频率

1

硐室爆破

≤20Hz

2

深孔爆破

10Hz～60Hz

3

浅孔爆破

40Hz～100Hz

4、降低爆破地震效应的措施：

理论研究和工程爆破实践表明，采用以下技术措施可以控制和降低爆破地震效应。

①研究与实践表明，爆破振动强度与炸药的密度和爆速的乘积即ρD有直接关系，因此采用低爆速、低密度或减小药卷直径，可获得显著的减振效果。

②限制一次爆破最大一段的装药量，可降低爆破振动速度。

从前面的计算公式可以看出，当保护对象允许振速确定后，很容易算出最大段装药量。

③增加布药的分散性，分散布药可以降低爆破振动波的峰值，因而有的专家提出采用控制爆破拆除时对振动速度公式进行修正，理由是：

控制爆破拆除时，由于药包数量多且分散，每个药包的装药量少，临空面多，药包一般多布置在地面以上，采用前面的计算公式误差较大，所以应该进行修正。

修正系数取0.25～1.0即可。

④采用不同的装药结构也可降低爆破振动的强度。

实践证明，在其它条件相同或相似的情况下，炮孔或药室中采用不偶合缓冲装药结构，可控制初始爆压和作用于介质上的冲击压力，并可能降低爆破振动强度20%～40%或以上。

⑤实践证明，在最小抵抗线方向上，爆破振动强度最小，反向最大，侧向居中。

然而，最小抵抗线方向又是抛掷的主导方向，从减振、控制飞石和冲击波危害等方面综合考虑，一般应使被保护物处在最小抵抗线方向的两侧位置上。

⑥开挖减震沟槽，即在爆源和被保护物之间开挖一定深度和宽度的沟槽，其深度超过药包的高度，最好超过建筑物的基础深度，其宽度视施工方便、安全而定。

这种减震沟槽一般可降低地震强度50%左右。

同理，预裂爆破缝隙也可起到减震作用。

⑦露天深孔爆破时，避免过大的超深和采用对角式或波浪式等起爆顺序，即能减少爆破时的夹制作用，也能起到减震作用。

⑧采用延期间隔起爆是减震的重要措施之一。

测试表明，起爆时差一般在20ms以上时，爆破所形成的地震波是独立的而不会叠加。

在总装药量相同的条件下，微差起爆比齐发爆破的震速可降低30%～60%，降低程度视间隔时间、延时段数、爆破类型和爆破条件的不同而有所差异。

5、建筑物倒塌触地震动：

高、大建筑物在爆破倒塌触地时，同样会引起强烈的冲击震动。

这种建（构）筑物在倒塌触地时所产生的振动速度往往会达到很高的数值，有时甚至会超过爆破所引起的振动速度。

例如：

一座高100m的钢筋混凝土烟囱爆破拆除时，（烟囱筒体材料密度2.6t/m3,体积为500m3）距离50m处的倒塌振动速度可达3.44cm/s,而爆破形成的振动速度最大仅为1.26cm/s。

因此，在进行高大建筑物爆破拆除设计时，绝不可忽视对倒塌触地震动的强度校核。

倒塌触地震动速度的大小，与被爆建筑物的结构和形状以及地面软硬程度有直接关系。

建筑物的结构强度越高、内部空间越小、质量和密度越大、地面越坚硬，其倒塌触地震动就会越强，反之就会越小。

下面介绍两个倒塌触地震动速度的计算公式，仅供参考：

公式1：

Vd=Kd〔（MgH/б）1/3/R〕β

公式2：

Vd=0.08*（I1/3/R）1.67

而式中的：

I=M（2gH）1/2

式中：

Vd—倒塌触地震动速度，cm/s；

Kd﹒β—衰减参数，一般取Kd=3.37;β=1.67；

M—倒塌构件的质量，t；

g—重力加速度，m/s2；

H—构件重心落差，m；

б—地面介质的破坏强度（MP），一般取10MP；

R—落地点至被保护建（构）筑物之间的距离，m。

三、爆破冲击波与噪音

爆破冲击波是指爆破时引起的压缩型强扰动空气传播。

如果在传播过程中随距离增大和被扰动的空气增多，但又无新的能量补充，则冲击波逐渐衰减为声波，即爆破噪声（音）。

1、爆破冲击波作用的基本原理：

由于爆破冲击波具有较高的压力和较高的速度，因此能够造成人员伤亡和一定范围内建筑物或构筑物的破坏。

例如：

美国在日本投下的原子弹爆炸后，在死伤者中有70%是由冲击波所致。

最明显的一个例子就是：

1980年12月28日在江西鹰潭火车站的一次深孔开挖爆破中，发生了爆破冲击波对周围的建筑物造成了极为严重的破坏事故。

这次爆破的基本条件是：

岩石为红色的厚层砂岩；深孔直径150mm；炮孔总数1436个；孔深从0.6m到5.6m不等；孔距*排距=2.3m～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）；爆破时天阴，气温为5℃。

爆破后的破坏情况如下：

①距离爆区650～700m的鹰潭石油库区（标高还低10～20m）近百扇玻璃窗全部破碎；两层办公楼和住宅平房门窗均产生位移和破坏；一座仓库的屋架跨塌。

②距离爆区1300米某部后勤基地的修理车间，墙体（砌石承重墙）裂缝达1～3mm；四幢住宅楼内抹灰大量脱落；走廊砖柱位移，俱乐部吊灯掉落。

③距离爆区2～3公里的市内房屋不少玻璃窗被损坏，居民感到强烈震动。

空气冲击波在空气中传播时，将会形成类似双层球形的两个区域，外层为压缩区，内层为稀疏区。

压缩区因空气受到压缩，其压力大大超过正常的大气压力，称为动压。

动压所引起的冲击作用更为强烈，一般人们所说的12级飓风，其风速一般为40～50m/s，此时会引起房倒屋塌和人畜伤亡。

而爆破引起的空气流速达100m/s，有时甚至高达300m/s，可想而知，人和建筑物都是无法承受的。

同样，爆破噪音（声）也会引起人体某些器官的损伤或某些系统机能的紊乱。

由此可见，爆破冲击波所造成的危害是十分严重的，因此必须确定其值的大小及安全距离，并采取相应的安全措施。

2、冲击波超压的计算：

①在地面空气中爆炸时：

ΔP=104g〔14（Q/R3）+4.3（Q2/3/R2）+1.1（Q1/3/R）〕

式中：

ΔP—冲击波超压值，N/m2；

Q—一次爆破的炸药用量，kg；

R—测点至爆炸中心的距离，m；

g—重力加速度，m/s2；

②中深孔爆破时：

ΔP=K（Q1/3/R）α

这里K、α是与爆破条件有关的系数，可按下表选取：

表4：

不同爆破条件下的K、α取值

爆破条件

系数K值

系数α值

钻孔法ms爆破

1.48

1.55

钻孔法瞬发爆破

0.67

1.31

③水下爆炸时:

ΔP=518*105（Q1/3/R）1.13

式中符号意义同前。

从上面的计算公式可以看出，冲击波在空气中传播时，衰减速度快，传播的距离也小；而在水中冲击波超压值大，衰减的慢，传播的距离也远，因此，在做水下爆破设计时一定要作冲击波超压计算，并对安全距离进行校核。

冲击波超压对建筑物的破坏情况和对人体伤害情况见下面的表：

表5：

冲击波超压对建筑物的破坏情况：

安全

等级

超压值

（105N/m2）

冲量值

（10–3N/s﹒m2）

建筑物的破坏程度

1

0.001～0.05

0.01～0.015

门窗玻璃安全无损

2

0.08～0.10

0.016～0.02

门窗玻璃有局部损坏

3

0.15～0.20

0.05～0.10

门窗玻璃全部损坏

4

0.75～0.40

0.10～0.30

门窗框破坏，干砌砖石墙摧毁

5

0.45～0.70

0.30～0.60

轻型结构严重破坏，输电铁塔倒塌，大树连根拔起

6

0.75～1.0

0.50～1.0

砖瓦结构房屋全部破坏，钢结构建筑物严重破坏，车毁船沉

表6：

冲击波超压对人体的伤害情况：

超压值（105N/m2）

伤害程度

伤害情况

小于0.2

安全

安全无损

0.2～0.3

轻伤

轻微挫伤

0.3～0.5

中等

听觉、气管损伤;中等挫伤,骨折

0.5～1.0

严重

内脏严重挫伤,可能造成死亡

大于1.0

极严重

大部分人员死亡

3、冲击波安全距离的确定：

这里仅对裸露爆破、钻孔爆破和水下爆破的冲击波安全距离计算作简要介绍:

①钻孔爆破：

R=K1*Q1/2（m）

式中：

K1为系数，按爆破作用指数与建筑物允许破坏程度选取，当n=1.0～1.5且不允许建筑物有任何破坏时,K=1～2；当n=0.75～1.0时,K=0.5～1.0,一般松动爆破可不考虑冲击波的影响。

②裸露爆破：

R=K2*Q1/3（m）

式中：

K2为系数，对爆破作业人员K=25，对周围居民和其它人员K=60，对建筑物K=55。

③水下爆破：

R=K3*Q1/3（m）

式中：

K3为系数，取值见下表：

表7：

K3系数取值表：

装药条件

对人员

对船舶

游泳

潜水

木船

铁船

水下爆破

250

320

50

25

水下钻孔或药室爆破

130

160

25

15

4、降低冲击波强度的措施：

可以从两方面采取有效措施：

一是防止产生强烈的爆破冲击波；二是利用各种条件来削弱已经产生的爆破冲击波。

例如：

①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；

②选择合理的微差延期起爆方案和微差间隔时间，保证岩石能充分松动，消除夹制作用；

③保证堵塞质量和采用反向起爆，防止高压气体从炮控口冲出；

④推广电雷管和非电导爆雷管起爆系统，尽量不用导爆索起爆；

⑤在破碎大块时尽量不采用裸露爆破；

⑥合理安排放炮时间，最好不在早晨、傍晚和雾天放炮；

⑦采用被动防护措施，如防波堤、阻波墙、防冲屏或水中气幕等。

四、爆破飞石或飞散物

爆破飞石或飞散物，系指爆破时被爆物体中的个别碎块，脱离主爆堆而飞散较远的部分碎块。

这些碎块虽属个别，但由于飞行方向无法预测，飞行距离难以准确计算，则往往会给爆区附近的人员、建筑物及设备等造成严重威胁，特别是露天小抵抗爆破或二次破大块，造成的飞石事故更多。

因此，应引起足够的重视，严加控制和防范。

1、爆破飞石产生的原因：

爆破飞石产生的原因主要有以下几个方面的因素：

①爆破时所装的炸药除将指定的介质破碎外，还有多余的爆生气体能量，它若作用于某些碎块上，将使其获得较大的动能而飞向远方。

②从整体上看，所用炸药在破碎一定量介质时其总能量并非有多余，但由于被爆介质结构不均匀，如有软弱面和地质构造面时，会沿着这些软弱部位产生飞石；同样如钢筋混凝土中钢筋布置不均、混凝土浇铸结合面、砖石砌体的沙浆结合面或灰缝等，这些软弱部位也易产生飞石。

③设计时由于某些爆破参数选择不当，如爆破作用指数或炸药单耗取值过大；最小抵抗线由于设计或施工的误差，导致其实际值变小或方向改变等，也会产生个别飞石。

④堵塞长度小于最小抵抗线时，使爆破破碎的碎块的抛掷方向指向炮孔口或硐口，当其具有一定能量时，必然从孔口或硐口高速喷出。

有时虽然堵塞长度足够，但其质量不好，也会产生飞石，这种飞石主要是堵塞物被抛出。

因此堵塞物中绝对不能掺杂岩石碎块或渣块。

⑤由于炸药爆速较高，猛度较大，且介质性脆，则易产生速度较快的飞石。

这种条件下产生的飞石，大多属于自由面在应力波作用下发生剥落作用而产生的，这类飞石的特点是数量不多，但速度较快。

例如：

钢筋混凝土立柱或墙面的抹灰层和贴面材料渣块（如：

瓷砖、大理石或花冈岩），会飞地很远。

2、个别飞石的飞散距离：

由于产生飞石的原因较多，且又是一个十分复杂的过程，特别是当最小抵抗线较小时，高压爆生气体将沿介质中的裂隙高速喷出，使夹杂在其中的碎块加速抛射，因而给理论计算带来许多困难。

因此，《爆破安全规程》也没有明确给定爆破飞石安全距离计算公式，下面推荐两个经验公式供参考使用：

①一般爆破：

R=V02sin2α*1/g（m）

近似计算：

Rmax=V02/g

式中：

V0—爆破飞石的初始速度，m/s；可用V0=20（Q1/3/W）2来计算，Q为装药量，kg；W为最小抵抗线，m；

α—为飞石的抛射角，度；

g—重力加速度，m/s2；

如果考虑防护，则可修正为：

Rmax=f1f2V02sin2α*1/g（m）

式中：

f1—为介质系数，钢筋混凝土为9.23；岩石为9.60；

f2—为防护系数，如单层草袋为2，双层为1，三层为0.5，以此类推。

②抛掷爆破：

R=20Kn2W

式中：

K—与爆破区地形和风向等因素有关的系数，一般取1.0～1.5；

n—爆破作用指数，n≥1.0时为抛掷爆破；

W—最小抵抗线，m。

3、减少和控制爆破飞石的措施：

①摸清情况：

爆破工程设计和施工前，要摸清被爆介质的情况，详尽地掌握有关资料，然后进行精心设计和施工。

②优选爆破参数：

在能够达到工程目的的前提下，尽量采用炸药单耗较低的爆破方式，并设法降低实际炸药消耗量。

最小抵抗线的大小及方向要认真选取，一般情况下爆破作用指数不宜过大。

爆破前要对各种爆破参数进行校对，如误差过大要采取补救措施。

③慎重选择炮孔位置：

尽量避免将炮孔位置选在软弱夹层、断层、裂隙、孔洞、破碎带、混凝土浇接缝和砖缝等弱面处或附近。

④提高堵塞质量：

应选用摩擦系数大、密度大的材料作炮泥；堵塞要密实、连续，堵塞物中应避免夹杂碎石块；应保证有足够的堵塞长度，以延长炮泥的阻滞时间；在硐室爆破中，装药应避开断层和破碎带，不得已时应将所有的孔洞裂缝堵实填满。

⑤采用适宜的炸药和装药结构：

控制爆破的类型很多，要根据其特点选用适宜的炸药和装药结