露天矿爆破安全评价影响因素与预防研究

曾 晟，何 旺，刘其兵

（1.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001；2.湖南省云峰水泥有限公司，湖南 邵阳 422411）

爆破作为露天矿山开采主要方式，它以准确、高效和快捷的生产优势为矿山企业获得了优越的经济效益，但是随着开采规模的扩大和强度的提高，爆破冲击和飞石的问题层出不穷，带来的爆破安全隐患随之增加，作业的危险系数也在不断提升。众所周知，严重的爆破安全事故不仅会导致爆区内的人员伤亡、设备损坏和环境破坏，还会影响爆区外一定范围内的建筑结构和居民正常生活。建筑结构的垮塌和振动造成的不舒适感促使居民投诉和索赔[1]，进而导致矿山生产工期的延误和矿山经济的损失，不利于矿山开采工作的和谐发展。

伴随数字化、信息化和互联网+时代的到来，爆破数字化系统和爆破信息化智能管控系统在工程爆破中得到广泛应用[2]、数码电子雷管的精准起爆技术得到企业的认可[3]、液态二氧化碳爆破技术的初步使用[4]和爆破作业标准化要求[5]等，均为爆破安全性提供了保障。虽然爆破技术被不断的更新，机械设备也越来越先进，但影响露天矿山爆破安全的因素很多，安全问题依旧存在。因此本文从地质条件、爆破规模、爆破施工、周边环境和安全管理五个方面分别阐述了影响爆破安全的因素，总结露天矿山爆破安全问题的预防措施，并且指出现阶段预防措施的不足之处和提出爆破技术发展方向。为我国露天矿山安全、高效和绿色开采提供借鉴和指导意义。

1 露天矿山爆破安全的影响因素

为了解决露天矿山爆破安全问题，必须了解清楚导致爆破安全的主要因素。最重要的影响因素是地质条件、爆破施工和安全管理，其次是爆破规模和周边环境。根据不同露天矿山的实际情况，找到与之对应的影响因素，并采取有效的预防措施，规避爆破安全事故。

1.1 地质条件

大部分爆破工程设计和施工对工程地质和水文地质的勘察不尽详细，设计与施工一般采用工程类比法或经验法，这样容易因地质条件不明确导致爆破事故的产生。因此在设计与施工之前必须对工程及其周边环境进行详细的地质勘查，必须对被爆岩石的种类与性质、特殊地质条件和岩体结构面等地质信息全面的了解，同时在爆破施工时随时注意地质条件的动态变化，才能保障爆破工程的安全。

炸药的选择与被爆岩石的种类与性质息息相关，仅依据波阻抗匹配理论选择炸药并不完全合理。因为选择炸药与岩石的波阻抗相近就非常困难，需要考虑到炸药、岩石和孔网参数等综合影响因素条件下爆破全过程的能量传递关系以及炸药与岩石全过程匹配的情况。此外，不能只考虑岩石波阻抗选择炸药，还需要根据岩石的坚硬性程度。一般而言，高阻抗的坚硬岩石采用爆速高的炸药，中阻抗的中硬岩石采用中爆速的炸药，低阻抗的松软岩石采用爆力较高和爆容大的炸药。总得来说，选取炸药品种时，应同时考虑岩石波阻抗和普氏系数，防止因炸药品种的误选，导致安全事故的产生。在钻孔填装炸药阶段，可能遇到岩溶和地下水等特殊地质条件。当药包置于溶洞上方进行抛掷爆破时，因为药包到溶洞距离小于最小抵抗线，所以爆破释放的能量向溶洞方向聚集；当溶洞或溶蚀缝位于药包前的最小抵抗线方向或附近时，会引起爆破能量泄漏，改变最小抵抗线的距离，引发“冲天炮”的现象。若爆区存在地下水层，且地下水位较低，位于药包下方，此时地下水通道容易出现水通道破裂的情况。而地下水位较高时，孔壁因钻孔破裂导致孔内积水，装入药卷，经常因为水浮力，药卷会脱节不连续，而不发生殉爆，造成安全隐患。在爆炸的过程中，爆破应力波在岩体中传播遇到结构面将产生复杂的应力状态，不同类型的结构面对爆破安全产生不同的影响。张家明等[6]发现爆破层裂效应会改变软弱夹层（原生结构面）与围岩的接触状态，减小它们之间的凝聚力和摩擦力，从而导致边坡稳定性降低；药包位置与断层或层理面（构造结构面）的相对位置和产状不同会改变破裂线作用方向，容易造成爆破的欠爆留埂，使定向爆破失效；而前排先爆炸药对后排未爆炸药的岩体产生爆破裂隙（次生结构面），后排炮孔爆破产生的高压气体会冲击岩体的爆破裂隙并可能产生飞石伤人损物的现象。种种迹象表明，岩体结构面对爆破安全有着重要的影响。

1.2 爆破规模

露天矿山大规模爆破具有爆破持续时间长、起爆炮孔数目多和爆破用药量大等特点的岩土爆破。即便爆破振动峰值速度小于安全振动速度，建筑砌体由于爆破持续时间长产生累计振动破坏；一次爆破起爆炮孔数目过多，采用孔外延期起爆网路时，由于孔间延迟时间太长，在传爆过程中，导爆管会因为先爆炮孔发生巨大位移被拉断或被高速的爆破飞石切断，造成盲炮的现象[7]。当大规模爆破采用齐发爆破方法时，因总装药量过大，安全振动速度不变，根据萨道夫经验公式计算出的距离就会增加，爆破振动的危害范围也随之扩大。另外随着矿区开采量的增加，爆破员和安全员的劳动强度也随之增加。思想上会“开小差”、麻痹大意和忽视安全，行动上简化操作流程，给施工作业安全带来隐患。

1.3 爆破施工

露天矿山爆破作业是一项严谨且专业技术要求很高的施工工作，爆破技术人员、爆破员和安全员等必须具备良好的心理素质和专业的技术手段。但是当前相关人员的施工质量和操作水平却不容乐观。爆破施工最重要也最危险的物品是炸药和雷管，它们在爆破作业过程中存在极大的不稳定性和安全隐患，操作不当容易造成安全事故。而没有严格按照设计药量进行装药的情况则更加危险，容易导致炸药的使用量过大，引发大规模的爆炸事故。有的露天矿为了降低开采的成本，使用引线较短的雷管，导致起爆雷管距离施工人员安全距离太小，造成严重的人员伤亡。更有甚者，部分小型矿山为了节约炸药成本，使用自制的土玩意来减少炸药和雷管的数量。在这种形势下，使得露天矿山爆破作业的安全事故发生频率成倍增加。

1.4 周边环境

爆区附近存在高压线时，在一定的范围内会产生感应电流，对在此范围内工作的施工人员的人身安全造成严重威胁，当感应电流超过电雷管的最大安全电流时，容易引起早爆现象。当附近存在多层建筑物时，不仅需满足底层振动速度小于安全振速的要求，还需满足主振频率大于构筑物自振频率，否则顶层可能因为低频爆破振动存在高程放大效应导致损坏[8]。当爆区附近存在大坝时，虽然常规爆破不会对大坝产生直接影响，但爆破振动不只是影响大坝的稳定，还会影响大坝内相关高精度电子仪器。电子仪器抗振性能弱，一旦损坏，大坝的安全性大幅下降，就可能出现无法想象的损失。

1.5 安全管理

随着全国各地试行和落实安全操作规程和安全管理制度等相关规章制度，大部分露天矿山企业已基本实施并存档。仍有小部分露天矿山由于主要负责人的疏忽大意，并没有将规章制度上墙公示或只上墙公示不太重要的部分，导致下面的安全管理人员也很少进行定期的安全培训教育、安全隐患的排查和治理、特种设备检测和维修等相关安全生产管理工作。与此同时安全管理工作责任也不清晰，职责界线也模糊，管理人员职责交叉又混乱，设置的管理机构根本无法满足相关法规的要求。甚至部分企业将矿山生产直接外包给其他单位，导致安全管理工作缺失，隐患整改不力，出现爆破安全事故不断频发，却无人负责的现象。

2 露天矿山爆破安全预防措施

2.1 详细勘察地质条件

在影响爆破安全的重要因素中，爆破施工和安全管理等均主观可控，唯有地质条件是客观动态的。又因为地质勘察数据是设计人员设计爆破方案的先决条件，因此有必要对工程地质条件进行详细勘察。传统的爆破设计是把岩石看作均质的前提下进行的，根据岩石的波阻抗和普氏系数确定炸药单耗，再根据台阶高度及炮孔直径确定其他爆破参数。但这种前提条件不能真实反映岩体的性质。葛克水[9]认为岩体的力学性质是受岩体中的结构面及结构特征控制，不受岩石类型的限制。所以设计方案一旦碰到复杂的工程地质条件，容易出现爆破安全问题。但传统的钻探、槽探和地探勘测方法对较大范围地质进行详勘，不仅耗费大量人力物力以及时间成本，而且精度也不高。为了提高地质勘察效率，采用多瞬面波技术进行勘测，借助脉冲荷载的作用，利用传感器得到波形图，分析波形图中曲线的变化规律，便可清晰、准确地对岩土特性与工程地质条件进行判断；或者使用大地电场探测技术勘测，通过电磁场在不同的介质中反射频率不同来判断介质的构造。此外当勘察出岩体中有溶洞等复杂地质条件时，可以采取有针对性地避开溶洞或改变爆炸方向，调整炸药用量等方法，确保爆破工程的安全性。

2.2 提高爆破施工质量

提高爆破施工质量，从根本上讲，就是提高专业水平与安全意识。在露天矿山爆破施工过程中，严禁无证人员进行爆破作业。施工人员上岗前需要进行安全知识与自救技能的培训，使其思想上明确爆破施工的危险性和安全作业的重要性，并定期对管理和施工人员进行安全教育和业务技能的培训，提高专业技术的同时在他们心中建立起较强的安全意识。安全意识的增强应该不局限于施工人员，对不同的职位的人应该有不同的侧重点。Zhang Jiang shi等[10]认为公司应该具有三种安全意识：高层领导者的“安全责任意识”，中层管理人员的“安全管理和监督意识”以及一线员工的“自我安全意识”。在培训过程中，鼓励员工就施工中发现的安全问题对培训专家进行提问，通过专家的解答消除自身的困惑。在施工单位内部，积极开展优秀员工表彰大会，给予优秀施工人员金钱和荣誉奖励，由优秀工作者将自己工作心得传授给其他人员。不同于专家培训，他们对爆破现场实际情况更加了解，具有针对性，能够快速提高施工人员技术水平。除了安全知识和业务技能培训外，合理购买一些必要的设施设备，根据需求引进先进的爆破设备与技术，提升施工人员的现代化设备使用能力，进而提高爆破施工的质量，实现本质安全。

2.3 加强爆破安全管理工作

加强爆破安全管理工作，有利于提高预见爆破事故的概率，并大幅度降低爆破安全事故的发生频率。首先成立爆破安全监督小组，确定每个小组各个岗位的职责，要求监督小组所有成员全程参加数据收集、爆破设计方案的制订、爆前和爆后检查等监督工作。然后完善仓库管理制度，安排管理人员做好定期对存储在仓库的爆破器材进行全面细致的检查工作。最后安全员和爆破员要对运送到现场的炸药及其相关器材要做好复查，减少安全隐患。在爆破作业开展之前，就做好前期调查工作，包括但不仅限于气象和水文地质资料。若遇到特殊恶劣天气，立刻停止爆破作业，并迅速撤离到安全地带；在爆破作业准备的过程中，施工人员应认真娴熟地对炮眼进行清理验收，科学检查起爆网络，避免因为线路联接混乱而导致发生事故。起爆前按照安全施工要求设置警戒线，并对安全警戒范围以内的人进行疏散，要鸣笛警示，发出引人注意的信号。在引燃起爆装置之前，要确保现场所有人员都已经撤离警戒线以外。爆炸后需等毒雾散尽，才允许爆破员和安全员进入检查，以免有害气体进入人体造成中毒事件。为了避免爆破飞石造成危害，除了设置安全警戒线外。还可以在爆区覆盖草袋或编织袋装泥土后压在孔口部位，防止飞石的飞散。

综上所述，针对主要影响爆破安全的地质条件、爆破施工和安全管理三个方面采用的预防措施进行总结，虽然现有的方法和技术能够预防大多数的爆破安全问题，但是仍然需要钻研新的技术、理论和方法，进一步降低爆破安全发生的概率，确保露天矿的开采安全。

3 结论

工程爆破是矿山开采必不可少的一道工序，其安全问题一直是我国矿山安全生产的一大难题。矿山爆破环境复杂，危险性高，影响安全因素多，容易发生安全事故，威胁人身安全和正常生产，给矿山带来人员伤亡和经济损失，阻碍着我国矿山行业的发展，因此解决露天矿山爆破安全问题具有重要的意义。为了消除爆破危险的存在，保障矿山安全，最有效的方法就是提前做好预防措施。将安全隐患扼杀在摇篮之中，从源头上断绝安全事故的产生。本文汇总了露天矿爆破安全采取的预防措施，发现它们能够独立预防大多数的爆破安全事故，但是依旧存在各部门无法高效协同的实现数据资源共享以及对矿山安全状况的判断和预警不足等问题。为了解决此类问题，未来爆破技术在露天矿的发展趋势：

（1）推广无人机勘测技术在露天矿山爆破工程中的应用，将无人机航测和3D 立体图重建技术结合起来，重建矿区地质的3D立体图。

（2）开发新的露天矿山爆破设计软件与数值模拟模型，辅助设计爆破参数并预测爆破后的效果，提前预防爆破可能产生的危险。

（3）建立基于5G 技术的露天矿山智能化开采系统，实现高效协同的数据资源共享，利用智能机器人完成安全评估和自动报警系统保障矿山安全。