公路工程爆破對(duì)尾礦庫(kù)安全性影響研究

徐嘉辰 汪 斌 壽震宇(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

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公路工程爆破對(duì)尾礦庫(kù)安全性影響研究

徐嘉辰1,2，3汪 斌1,2，3壽震宇1,2，3(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司；3.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

為研究周邊工程爆破施工對(duì)運(yùn)行中尾礦庫(kù)安全的影響，以實(shí)際工程為背景，通過(guò)定性、定量分析，明確了馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋接線工程K26+260～K27+195段爆破不會(huì)對(duì)凹山總尾礦庫(kù)壩體產(chǎn)生影響，該研究方法對(duì)類(lèi)似工程具有一定的參考價(jià)值。

公路工程 爆破施工 尾礦庫(kù) 安全運(yùn)行

爆破在現(xiàn)代工程施工中有著廣泛的應(yīng)用。爆破的地震效應(yīng)及爆破沖擊波易誘發(fā)滑坡、滾石、土層液化、爆堆滑移等災(zāi)害，對(duì)鄰近建(構(gòu))筑物造成極大的安全隱患。

尾礦庫(kù)作為人工高勢(shì)能泥石流危險(xiǎn)源，其安全性研究一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。為研究臨近尾礦庫(kù)的工程爆破對(duì)尾礦庫(kù)安全性的影響，以實(shí)際工程項(xiàng)目為背景，根據(jù)馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋接線工程K26+260～K27+195段相關(guān)資料、凹山總尾礦庫(kù)相關(guān)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，分析和預(yù)測(cè)了馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋該段接線工程爆破可能對(duì)凹山總尾礦庫(kù)壩體安全運(yùn)行產(chǎn)生的不良影響及危害程度。

1 工程概況

1.1 馬鞍山長(zhǎng)江大橋及接線工程概況

馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋及其接線工程位于安徽省東南部馬鞍山和巢湖市境內(nèi)，是長(zhǎng)江三角洲地區(qū)交通規(guī)劃中的上?！帯R鞍山～合肥高速公路的組成部分，也是中部地區(qū)公路規(guī)劃中馬鞍山～和縣～武漢高速公路的重要路段。該項(xiàng)目路線起點(diǎn)位于巢湖和縣姥橋鎮(zhèn)省道206上，向西順接規(guī)劃中滁州至馬鞍山(姥橋)高速公路，起點(diǎn)樁號(hào)為-(K0+085)，終點(diǎn)位于馬鞍山“當(dāng)涂縣牛路口(皖蘇界)”，與馬鞍山至溧水公路(江蘇段)相接，樁號(hào)為K36+189，路線全長(zhǎng)36.274 km。項(xiàng)目的中間控制點(diǎn)主要有：長(zhǎng)江大橋橋位、馬鞍山城市規(guī)劃區(qū)、馬蕪高速公路交叉點(diǎn)、凹山總尾礦庫(kù)、鐵礦區(qū)等。

根據(jù)《馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋接線工程施工圖設(shè)計(jì)》(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)，馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋接線工程起訖樁號(hào)K26+260～K27+195段距離凹山總尾礦庫(kù)南側(cè)195.3～441.5 m,該段所在地形原為丘陵山地，施工需在穿越埡口段進(jìn)行挖方爆破作業(yè)，其中K26+260～K26+400挖石方約1.6萬(wàn)m3，K27+000～K27+195挖石方約12.1萬(wàn)m3。

1.2 尾礦庫(kù)概況及相對(duì)位置

凹山總尾礦庫(kù)位于馬鞍山市向山鎮(zhèn)凹山選廠以南約4 km處，庫(kù)區(qū)原始地形為2個(gè)低山丘陵區(qū)的凹地，凹山庫(kù)區(qū)最低標(biāo)高+15.5 m；南山坳庫(kù)區(qū)最低標(biāo)高+25.0 m。庫(kù)內(nèi)植被良好，最大匯水面積1.61 km2，現(xiàn)匯水面積1.27 km2,有環(huán)庫(kù)公路與礦區(qū)及四周鄰村相通，交通方便。

凹山總庫(kù)是由南山礦業(yè)公司使用多年的凹山老尾礦庫(kù)和南山坳尾礦庫(kù)合并形成新的尾礦庫(kù)。兩尾礦庫(kù)合并后簡(jiǎn)稱(chēng)凹山總尾礦庫(kù)，稱(chēng)原有的兩座尾礦庫(kù)為凹山老庫(kù)和南山坳庫(kù)。凹山老庫(kù)由鞍山礦山設(shè)計(jì)院1963年設(shè)計(jì)，1965年建成投產(chǎn),周邊由凹山主壩、董耳山副壩、七聯(lián)山副壩、凹山1#副壩、楊山口副壩、凹山2#副壩圍成;南山坳庫(kù)由南山坳主壩、南山坳1#副壩、東南山口副壩及凹山2#副壩圍成。

大橋接線工程K26+260～K27+195段位于凹山總尾礦庫(kù)南側(cè)，該區(qū)段線路長(zhǎng)度約932.4 m，與該段接線工程臨近的凹山總尾礦庫(kù)壩體為東南山口副壩及南山坳1#副壩西側(cè)壩段，相對(duì)位置見(jiàn)圖1。依據(jù)實(shí)測(cè)地形圖及相關(guān)資料，東南山口副壩壩體結(jié)構(gòu)為堆石透水初期壩+后期子壩壩型。初期壩壩頂標(biāo)高+70.0 m、壩底標(biāo)高+64.0 m、壩高6 m、壩體外坡坡比約1∶2.0、壩體內(nèi)坡坡比約1∶1.5；后期堆積壩壩頂標(biāo)高約+93.0 m、壩底標(biāo)高+70.0 m、壩高23 m、壩體外坡坡比約1∶5.0。南山坳1#副壩西側(cè)壩段壩體結(jié)構(gòu)為后期堆積壩，壩頂標(biāo)高約+93.0 m、壩底標(biāo)高+64.0 m、壩高29 m、壩體外坡坡比約1∶5.0。

圖1 凹山總尾礦庫(kù)衛(wèi)星照片

2 尾礦庫(kù)主要危險(xiǎn)、有害因素分析

馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋接線工程施工步驟主要包括：施工前技術(shù)準(zhǔn)備、征地拆遷、臨時(shí)工程、土方工程、防護(hù)(排水)工程、橋涵工程、交叉工程、路面工程、沿線設(shè)施工程、環(huán)保綠化工程等。凹山總尾礦庫(kù)南側(cè)路段原始地形為丘陵山地，大橋接線工程在該部位需適當(dāng)降低山體埡口段的縱面指標(biāo)，加大縱坡，需要進(jìn)行爆破作業(yè)。根據(jù)相關(guān)規(guī)程[2]關(guān)于爆破對(duì)環(huán)境有害影響控制的相關(guān)要求，爆破可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)有害因素一般有：爆破地震效應(yīng)及爆破沖擊波誘發(fā)的滑坡、滾石、雪崩、涌浪、土層液化、爆堆滑移等災(zāi)害，爆破造成的飛散物，爆破形成的有害氣體、粉塵及噪聲等有害物質(zhì)，早爆、盲炮及殉爆事故。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，最大單段爆破藥量一般不大，且二者間距在190 m以上，其間平坦開(kāi)闊或有丘陵間隔，爆破形成的有害氣體、粉塵及噪聲，早爆、盲炮及殉爆事故不會(huì)直接影響尾礦庫(kù)安全,而爆破地震效應(yīng)、爆炸空氣沖擊波及爆破飛石，可能對(duì)凹山總尾礦庫(kù)安全產(chǎn)生影響，具體分析如下：

(1)爆破地震效應(yīng)。大橋接線工程施工過(guò)程中的爆破作業(yè)可能對(duì)凹山總尾礦庫(kù)構(gòu)成的安全隱患主要包括：①地震波引發(fā)尾礦庫(kù)周邊山體巖石質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，誘發(fā)山體滑動(dòng)、崩塌等事故，進(jìn)而導(dǎo)致尾礦庫(kù)庫(kù)內(nèi)壅浪、漫壩、潰壩等安全事故；②尾礦庫(kù)內(nèi)尾砂可能液化為無(wú)黏性及少黏性土層，爆破地震效應(yīng)可能使庫(kù)內(nèi)尾砂及后期堆積壩發(fā)生液化作用，造成后期堆積壩軟化，進(jìn)而造成潰壩事故；③引發(fā)尾礦庫(kù)相關(guān)設(shè)施破壞，造成尾礦輸送管、回水管斷裂，泵房、值班房損壞，尾礦庫(kù)監(jiān)測(cè)設(shè)施破壞等事故。

(2)爆炸空氣沖擊波。炸藥爆炸時(shí)，無(wú)論介質(zhì)是空氣還是巖石，都將有空氣沖擊波從爆炸中心傳播出來(lái)。炸藥若是在空氣中爆炸，高溫、高壓的爆炸產(chǎn)物在巖石破裂的瞬間沖入大氣，強(qiáng)烈地壓縮鄰近的空氣，使其壓力、密度、溫度突然升高，形成空氣沖擊波。由于沖擊波具有較高的壓力和較大的流速，可以引起爆破點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)構(gòu)筑物、設(shè)備設(shè)施和巖體的破壞。

(3)爆破飛石。爆破施工中，總有個(gè)別碎石飛得較遠(yuǎn)，由于其飛行方向難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，往往會(huì)給爆區(qū)附近人員、建筑物和設(shè)備等的安全造成一定威脅。

3 爆破計(jì)算及分析[3]

3.1 最大單段爆破藥量

根據(jù)相關(guān)規(guī)程[2]相關(guān)的規(guī)定，爆破振動(dòng)安全允許距離為：

(1)

式中，R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；Q為最大單段爆破藥量，kg；ν為保護(hù)對(duì)象振動(dòng)安全允許速度，cm/s；k，α分別為與保護(hù)對(duì)象的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)。

由式(1)得最大單段爆破藥量：

(2)

(1)最大允許振速ν值的確定。根據(jù)相關(guān)規(guī)程[2]，同時(shí)考慮到凹山總尾礦庫(kù)的重要性及庫(kù)區(qū)的地質(zhì)條件，參照水電站安全允許震動(dòng)速度,選取凹山總尾礦庫(kù)壩體允許爆破振動(dòng)速度為0.5 cm/s。

(2)k、α值的確定。根據(jù)安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院提交的詳細(xì)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，爆破所在地的基巖為風(fēng)化閃長(zhǎng)巖，其硬度系數(shù)為8～12，屬于中堅(jiān)硬巖石。根據(jù)爆破安全規(guī)程及本地區(qū)基巖性質(zhì)，選取k=150，α=1.5.

(3)根據(jù)《馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋接線工程施工圖設(shè)計(jì)》(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)，馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋接線工程起訖樁號(hào)K26+260～K27+195段距離。凹山總尾礦庫(kù)南側(cè)195.3～441.5 m范圍內(nèi)，最大爆破振動(dòng)安全允許距離取R=195 m.

計(jì)算得，Q=82.3 kg，即：馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋接線工程K26+260～K27+195段爆破作業(yè)時(shí)，最大單段爆破藥量不能超過(guò)82.3 kg。

3.2 空氣沖擊波的危害半徑

爆炸空氣沖擊波的危害半徑：

(3)

式中，RB為空氣沖擊波的危害半徑，m；kB為與裝藥條件和爆破程度有關(guān)的系數(shù)，取10。

經(jīng)計(jì)算，RB=90.7 m.考慮到凹山總尾礦庫(kù)距離大橋接線工程最近點(diǎn)為195.3 m，故在最大單段爆破藥量Q≤82.3 kg時(shí)，爆炸空氣沖擊波對(duì)凹山總尾礦庫(kù)影響較小。

3.3 爆破飛石安全距離

本工程爆破施工路段位于山坡上，極易產(chǎn)生爆破飛石，飛石距離計(jì)算為：

Rp=40KanW,

(4)

式中，Rp為飛石安全距離，m；Ka為安全系數(shù)，一般選用1.0～1.5，取1.5；W為最小抵抗線，按設(shè)計(jì)參數(shù)取W=3.5 m；n為爆破作用指數(shù)，一般為0.75～3，取0.75。

經(jīng)計(jì)算得：Rp=59.06 m，考慮到凹山總尾礦庫(kù)距離大橋接線工程最近點(diǎn)距離為195.3 m，故爆破飛石對(duì)凹山總尾礦庫(kù)相關(guān)構(gòu)筑物不構(gòu)成威脅。

4 爆破地震安全分析[4]

11-5logr≤I≤12-5logr；

(5)

S=315r-1.5 ；

(6)

(7)

(8)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算出r、s、V值，再確定烈度I，評(píng)價(jià)危險(xiǎn)程度。

大橋接線工程爆破地點(diǎn)距凹山總尾礦庫(kù)最近距離為195.3 m，最大炸藥量為82.3 kg。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，大橋接線工程爆破作業(yè)在最大單段爆破藥量Q≤82.3 kg時(shí)，產(chǎn)生的爆破地震烈度不超過(guò)3度，小于凹山總尾礦庫(kù)的抗震設(shè)防烈度6度。可以確定，在約束條件下(Q≤82.3 kg)，馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋接線工程K26+260～K27+195段爆破震動(dòng)安全滿足凹山總尾礦庫(kù)設(shè)防要求。

5 結(jié)論與建議

按最大單段爆破藥量50 kg，并采取其他措施降低爆破地震效應(yīng)后，馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋接線工程K26+260～K27+195段爆破對(duì)凹山總尾礦庫(kù)壩體安全影響較小，不構(gòu)成安全隱患，大橋接線工程K26+260～K27+195段路線選址可行。

依據(jù)以上危險(xiǎn)、有害因素辨識(shí)結(jié)果與定性、定量分析結(jié)果，遵循針對(duì)性、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性的原則，提出消除或減弱危險(xiǎn)、危害的技術(shù)和管理對(duì)策措施及建議：①馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋接線工程K26+260～K27+195段施工過(guò)程中，如遇到工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件有明顯變化，應(yīng)及時(shí)通知設(shè)計(jì)方研究處理；②采用最優(yōu)爆破參數(shù)和爆破器材，減少一次爆破起爆藥量的微差爆破、分散裝藥等措施；③選擇低威力、低爆速的炸藥進(jìn)行爆破；④選擇不耦合裝藥，有效降低爆破振動(dòng)；⑤合理安排作業(yè)時(shí)間，在每次爆破后將爆破自由面上的土、石料基本清理完畢后，再進(jìn)行下一次爆破作業(yè)；⑥爆破員應(yīng)填寫(xiě)爆破記錄，包括爆破設(shè)計(jì)方案、參數(shù)、評(píng)述以及施工概況、爆破效果及安全分析；⑦爆破記錄和總結(jié)應(yīng)整理歸檔。

[1] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局.尾礦庫(kù)安全監(jiān)督管理規(guī)定(第38號(hào)令)[S].北京：國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，2011.

[2] 中國(guó)工程爆破協(xié)會(huì)GB 6722—2011 爆破安全規(guī)程)[S].北京：國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2011.

[3] 李夕兵.鑿巖爆破工程[M]．長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2011.

[4] 顧毅成，史雅語(yǔ)，金驥良，等.工程爆破安全[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

2014-07-24)

徐嘉辰(1989—)，男，碩士研究生，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。