拆除爆破的安全设计研究.docx
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拆除爆破的安全设计研究
安全,是爆破工程永恒的主题。
一个成功的拆除爆破工程,保障安全是必要条件。
因此,在拆除爆破工程的可行性研究、技术设计和施工图设计重,都必须要论证安全上的可靠性并进行安全设计。
本章除介绍早爆及其预防外,重点介绍拆除爆破产生的地震动、个别飞散物、空气冲击波、噪声、粉尘等效应对周围环境的安全影响,讨论和分析与此相关的技术问题和青年全措施。
1早爆及其预防
爆破作业中的早爆,往往造成重大恶性事故。
引起早爆的原因很多,例如雷电、电磁波、高压电、射频电、静电、杂散电流作用于雷管或炸药,都有可能发生早爆事故。
特别是由于外界电干扰而流入电雷管或电爆网路中的外来电流强度达到某一值时,就可能引起电雷管的早爆。
拆除爆破工程往往位于城镇、厂矿复杂环境中,对外界电干扰带来的不安全因素不可掉以轻心。
必须按照爆破安全规程的要求,进行必要的检测以及采取相应的安全预防措施。
1.1雷电引起的早爆及其预防
雷电气象环境对爆破器材的安全威胁是显而易见的。
雷电的特点是放电时间非常短促,能量集中,放电时的电流是一个幅值大(平均为几十KA),陡度大的脉冲波,直接雷击所产生的热效应(雷电通道的温度可高达6000~10000℃,甚至更高),电效应有巨大的破坏作用。
我们知道,单发电雷管的最低准爆电流为0.7A,最高安全电流为0.3A(康铜桥丝),可见电雷管的耐雷水平是相当脆弱的。
对爆破器材和现场爆破作业施工,除了要重视遭受直接雷击的危害外,还要重视雷电引起的电磁感应和静电感应的危害。
有测试数据表明,当雷电流峰值为100KA时,距雷击点200m处,可感应到1KV左右的电压。
电雷管导线的绝缘能力,易被高压击穿。
在被击穿的瞬间,网络与大地之间有电流通过,从而将雷管引爆。
由于雷雨云在爆区附近的上空运动,以及云间放电或云地间放电,都有可能使爆区内的电场强度急速变化,从而引起电爆网络中的电荷位移而形成电流,致使早爆事故的发生。
在雷电频繁的雷雨天,偶然也会发现直径约几十厘米,存在时间几秒到几十秒,沿地表移动的“火球”,人们习惯将这些“火球”称为球形雷,这种球形雷对爆破器材与作业的危害是不言而喻的。
由于雷电造成爆破作业的早爆事故时有发生,例如深圳地区,1992~2000年间,几乎每年都有雷击早爆案例发生,且造成人员伤亡,最严重的一次是1992年8月深圳盐田港发生雷击意外引爆峒室药包,致使15人死亡。
国外也曾发生过雷电造成导爆索起爆系统早爆的案例。
通过对多次雷击引爆事故的分析表明雷电引爆往往发生在整个爆区,而不是发生在个别炮孔。
在探讨雷电引爆的物理过程时,必须注意到这一点。
同时还应注意到,雷电往往不是直接击中电爆网路,而多是简介引爆。
雷电引起的早爆事故均有雷击出现。
在雷击之前,都会有雷雨将要来临的征兆。
统计和掌握工程所在地区雷电活动的规律,避开有雷电活动的日子或时段进行爆破作业是至关重要的。
应及时了解和掌握当地的天气预报。
为了纺织雷电引起的早爆还可以采取以下一些措施:
在雷雨季节,宜采取非电起爆系统;
在露天爆区不得不再用电力起爆系统时,应在区内设立避雷针系统;
为预防雷电引起电磁感应和静电感应的影响,在雷雨天气,应暂时切断一切通往爆区的导电体(电线或金属管道),电爆网络主线宜埋入地下25cm,并在地面布设与主线走向一致的裸线,其两端插入地下50cm。
有资料介绍,采用这一措施,可使信号线的感应电压下降80%以上。
在雷雨季节,应尽量缩短爆破网路联接的时间,并在网路联接完成候尽快起爆,这是由于感应电压与导线长短有关。
雷管的导线未连接成网络时,其安全度相对要大些;
遇雷雨来临时,应立即拆开电爆网络的主线与支线,裸露芯线用胶布捆扎,对地绝缘;爆破区内一切人员迅速撤离危险区,并在危险区边缘设警戒。
1.2电磁波、高压电及射频电引起的早爆及其预防
爆破作业在日益现代化的环境中,还应注意由于电磁波、高压电及射频电等工业设施可能引起的早爆事故。
没有屏蔽的电雷管和电爆网路,如果它处在无线电广播电台、雷达和电视台发射的强大射频场中会感生和吸收电能,许多实验证明,在其一定范围内,在电爆网路中可能产生电流,其能量足以使电雷管发火,这种事故在国内、外均发生过。
无线电波的功率随离发射天线的距离而衰减。
广播电台的AM发射(调幅波),其频率为0.535~1.605MHz,因为发射台功率一般比较大、频率低,其感应电流在爆破网路中衰减少,应特别予以注意。
广播、电视台的FM发射(调频波),危险程度要低一些,因为虽然发射台功率也比较大,但频率高,因而其感应电流在爆破网路中迅速衰减。
还应当注意的是,如果在发射机和爆破作业现场附近有高层建筑或高山、深谷等地形影响,由于它们对射频电波具有反射、散射和叠加等作用,因此,在局部范围内射频电的危险性加大。
在确定采用拆除爆破施工方案时,都应对爆区附近具有潜在危险的射频电源进行调查,当爆区与射频源的安全距离不符合爆破安全规程时,应采取相应的安全措施。
我们知道,在高压动力线、变压器、高压电开关和接地的回馈铁轨附近,存在着交变电磁场,可以在附近一个闭合线圈中产生感应电流。
如果这一闭合线圈是由若干个电雷管所组成的电爆网路所构成,而且在网路内产生的感生电流值超出了电雷管的最大安全电流,就可能引起早爆。
在网路中的感生电流,随着动力线电压的增长,它还和切割磁力线的多少成正比,因此,为了减少干生电流,应当把电爆网路所构成的环形回路所包围的面积减少到最小,同时还应注意线圈与磁场间的相关位置。
因此,在高压动力线附近,进行爆破作业,也必须重视因感生电流而可能引起的早爆。
为了防止感应电流对起爆网路中的药包产生早爆,其主要措施有:
爆区与射频源的安全距离,应符合安全规程。
否则,应进行电雷管引火头的模拟试验,或采取非电起爆;
电爆网路应顺直,贴地铺平,尽量缩小导线圈定的闭合面积,电爆网路两根主线间距不得大于15cm。
最好采用双股导线,网路导线与电雷管脚线不准与任何天线接触,且不准一端接地;
禁止流动射频源进入作业现场。
已进入且不能撤离的射频源,装药开始前应暂停工作。
现场使用的无线电话机,宜选用超高频段的发射频率;
禁止在20kV以上动力线100m范围内进行电爆破作业。
表10-1、10-2、10-3、10-4分别列出了电雷管距高压线、中长波电台(AM)、移动式调频(FM)发射机、甚高频(VHF)、超高频(UHF)电视发射机的安全允许距离。
表10-1电雷管距高压线的安全允许距离
电压(kV)
3~6
10
20~50
50
110
220
400
安全允许
距离
(m)
普通
电雷管
20
50
100
100
抗杂
电雷管
10
10
16
表10-2爆区与中长波电台(AM)的安全允许距离
发射功率(W)
5~25
25~50
50~100
100~250
250~500
500~1000
安全允许距离(m)
30
45
67
100
136
198
发射功率(W)
1000~2500
2500~5000
5000~10000
10000~25000
25000~50000
50000~100000
安全允许距离(m)
305
455
670
1060
1520
2130
表10-3爆区与移动式调频(FM)发射机的安全允许距离
发射功率(W)
1~10
10~30
30~60
60~250
250~600
安全允许距离(m)
1.5
3.0
4.5
9.0
13.0
1.3静电引起的早爆及其预防
炸药一般都是电介质,在炸药的生产、加工和输送过程中,当炸药颗粒间、炸药与空气或其它电介质摩擦时便会产生静电,若不及时导除,便会通过积聚使静电压升至几千伏甚至上万伏,遇适当条件就会迅速放电产生电火花。
静电火花的能量达到足够大时,即能够将爆炸物品及其它可燃气体或粉尘引燃引爆。
因此,在爆炸物品的生产、储存、运输和使用过程中,防止静电产生和减少电荷积聚,是安全管理工作的重要内容。
在国外火工行业或其它化工行业,在危险物品的储存使用过程中,由静电火花引起的事故时有发生。
一般,造成静电燃烧或爆炸事故要同时具有以下五个条件:
(1)有产生静电荷的条件;
(2)静电得以积累,并达到足以引起火花放电的静电电压;(3)有能引起火花放电的合适间隙;(4)静电火花作用范围有一定量的爆炸性物质存在;(5)静电放电的火花能量达到和超过易燃易爆物质的最小引燃能量。
静电引起的早爆事故,在气候干燥的冬季较多,气候较潮湿的秋夏两季较少。
由于操作工人穿的化纤或其它绝缘的工作服的相互摩擦,以及压气装药系统所产生的静电,对爆破作业安全有着潜在危险,可能引起早爆事故。
对于静电来说,人体相当于导体,电荷能够经人体泄入大地。
但当人体与地面绝缘(如穿胶底鞋)时,人体就成为孤立导体,一般与大地之间保持有数百微微法的电容。
人体静电与衣着及动作等有关。
据测定,外穿丙烯酸系纤维线衫,内穿涤纶衬衫,人体前胳膊泊位的带电量高达60000伏,为了防止人体静电的危害,爆破安全规程规定:
进行爆破器材加工和爆破作业的人员,不应穿产生静电的衣服。
在拆除爆破施工中,一般采用人工向炮孔内装药和填塞,如采用装药器或装药车进行装药作业,对装药过程中产生的静电,是应予注意的。
告诉通过输药管的炸药与管壁摩擦和炸药颗粒之间的撞击可能产生静电,如不能及时泄漏而聚集,其电压可达数万伏,静电集聚到一定程度所产生的强烈火花放电,不仅可能对操作人员产生高压电火花的冲击,而且可能引起电雷管早爆。
为了防止由静电引起的早爆,爆破安全规程规定:
装药车的输药软管应采用专用半导体材料软管;装药器的车厢(罐体)应使用耐腐蚀的金属材料制造,并有良好的接地;装药车系统的接地电阻值不得大于105Ω;采用装药车(器)装药时,输药风压不应超过额定风压的上限值,不应用不良导体垫在装药车下面,拔管速度应均匀,宜控制在0.5m/s以内。
1.4杂散电流及其预防
所谓杂散电流,是存在于电源电路以外的杂乱无章的电流,其大小、方向随时在变化。
例如,牵引网路流经金属物或大地的返回电流、大地自然电流、化学电以及交流杂散电流等。
杂散电流形成的原因主要是因为电源(如电池、发电机或变压器等)输出的电流,经动力线路输入到各种用电设备以后,总得要利用一切可能的通道返回电源。
这些通道包括:
(1)与大地绝缘的专用导体,如电线和电缆;
(2)与大地绝缘的导体,如运输用的铁轨;(3)大地本身。
如果用电设备和电源之间的回路被破坏或切断,那么电流就得利用大地作为回路,从而产生强度很大的大地电流,即杂散电流。
在厂矿改造中进行拆除爆破作业,要警惕由于电气设备和导线绝缘不良引起漏电所产生的杂散电流。
一般来说,在均质的同类岩层中,无论是交流电还是直流电产生的杂散电流,很少具有引爆电雷管的能力,这是因为通常岩层中的电阻很高,彼此靠近的两点间的电位差很小。
但是当电雷管的脚线或电爆网路的导线与钢筋混凝土中的钢筋、个别导电的地层或任何其它导体接触时,就有可能出现危险性很大的杂散电流。
国内外曾发生过多次这种早爆事故。
因此,在进行电气爆破之前,要对爆区附近的杂散电流进行检测。
检测杂散必须使用专用的测量仪表(如湖南湘西矿山电子仪器厂生产的ZS-1型杂散电流测定仪),若测出的杂散电流值超过爆破安全规程所允许的最大安全电流值时,应当查明原因,采取相应措施,使杂散电流值降低到安全允许值以下。
在爆破作业中也要注意防止化学电的产生,当不同的金属浸入电解质(如潮湿的地层或导电的炸药)内时,可以产生化学电。
其产生的杂散电流也可能超出雷管的最大安全电流而导致早爆。
显然,金属炮棍。
金属套管和任何导电的物体都不应当进入装有电雷管的炮孔内。
预防杂散电流引起早爆的措施是:
采用电雷管起爆时,装药前应检测爆区内的杂散电流。
杂散电流超过30mA时,应采取降低杂散电流强度的有效措施,或改用非电起爆系统;
减少杂散电流的来源。
如采取措施,减少电机车和动力线路对大地的电流泄漏;在进行大规模爆破时,采取局部停电或全部停电;防止将硝铵炸药撒在潮湿的地面上等;
采用抗杂散电流的电雷管或采用防杂散电流的电爆网路;
避免金属物体及其它导电体装入有电雷管的炮孔内。
2拆除爆破产生的地震效应及其预报
建筑物拆除爆破时,对周围建(构)筑物的振动影响。
一要考虑被拆建(构)筑物中药包爆炸产生的振动效应,二要考虑建(构)筑物解体塌落对地面撞击造成的振动效应。
由于爆破地震动对环境的安全影响可能造成对周围建(构)筑物的损伤或影响为人们所关注,正成为爆破安全设计和安全评估的重要内容。
本节重点介绍拆除爆破地震效应的预报,安全判据以及振动监测与减震措施。
2.1拆除爆破地震波的主要特征与强度预报
炸药在土岩中爆炸的部分能量(百分之十以内)转化为弹性波,在土岩中传播而引起大地的振动,这就是爆破地震。
爆破地震波有如下主要特征:
——近距离的振动波形比较简单,基本上是一个脉冲,脉冲的时间长度随药量而增加;
——随着距离的增加,振动波形趋于复杂,而且最大震幅由出现在振动初期逐渐向后推移;
——存在着相似关系,即试验数据(例如水平或垂直向的最大振动速度)如果按参数来整理时,在对数坐标中基本上落在一条直线上。
爆破地震效应的实际观测,证实了爆破地震波的这些主要特征。
爆破地震波在产生和传播过程中,主要受到下列因素的影响:
①爆源:
爆破能量—药量大小,炸药种类;
爆破的几何特征—爆破作用指数n值,药包与装药孔的不耦合情况,单药包或群药包,集中药包或延长药包,临空面数目等;
爆破方法—瞬时起爆或分段延时起爆,有无预裂药包等。
②离爆源的距离。
③爆破地震波传播区的地质地形情况。
以上说明,影响爆破地震波的因素是错综复杂的,这也给研究爆破地震效应带来了一定的困难。
爆破地震波给予地的振动强度情况的完整的描述,应该同时测量质点位移(x),或者速度(v)或者加速度(a)的三个正交分量,并记录成时间函数形式。
这个函数的三个要素是:
幅值、频率和持续时间。
由于地震振动的振幅常常是变化的,是时间的函数,从大多数的工程目的来说,通常要找的是振动的最大值。
为了得出实际的运动面貌,应将同一质点的三向振动波形(水平纵向L、和横向T、垂直向Z)上的振幅分别读出,并作矢量相加,即:
。
由于每条波形的最大振幅可能出现在地震波形图上的不同位置,即发生于振动过程的不同时刻,这就需要在一条或几条波形上呈现波峰的地方分别进行矢量相加,以比较确定整个振动过程中出现最大振幅的大小和时刻。
为了简便,许多国家对爆破地震所规定的破坏判据并不要求将矢量和求出,而仅以三向波形中任一条的最大振幅为指标。
我国爆破安全规程规定以地表质点峰值振动速度作为爆破地震安全判据的主要物理量指标。
对于建(构)筑物拆除爆破产生的地震波,通常按式()计算埋在地下的药包爆炸时产生的地面振动速度:
()
式中:
V——地面振动速度,cm/s;
Q——炸药量,kg;齐发爆破为总药量;延迟爆破为最大一段药量;
R——观测(计算)点到爆源的距离,m;
K、α——与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数,可按表10-5选取,或通过现场试验确定。
表10-5K、α值与岩性的关系
岩性
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
对于建(构)筑物拆除爆破产生的地震波,它区别于大量爆破的主要特点是:
它的药包数量一般比较多、也比较分散、药量比较小,而且药包往往布设在建筑物及其基础上,因而爆破时所产生的地震波是通过建筑物基础向大地传播的。
尽管产生爆破地震波的机制二者有所差异,但是,对于爆源附近的建筑物来说,它所受到的地震波作用都主要取决于震源的大小、距离及介质条件,而震源的大小则与一次起爆的炸药量有关。
据以上分析,可采用式(10-6)来计算控制爆破地面的振动速度,即
(10-6)
根据观测,KA值为0.25~1.0,离爆源近,且爆破体临空面较少时取大值,反之取小值。
其他符号意义同式(10-3)。
根据以上分析,为了放映拆除爆破特点,计算拆除爆破产生的地面震动速度的经验公式,在公式
(1)的基础上,引入一个修正系数K’即:
(2)
根据几个整体框架爆破测震资料的分析,上述公式中经验系数的取值范围分别为:
K:
175~230;α:
1.5~1.8;
K’:
0.5~1.0
对于框架爆破,在离爆源近距离时,修正系数K’逐渐减少,至
时,K’约等于0.5。
公式
(2)为拆除爆破的震动效应提供了一个预报计算方法。
表1即为某整体框架爆破时周围地震强度的预报值及实测数据。
表14号框架爆破震动实测数据
测点编号
测点与爆源距离(米)
震动速度(厘米/秒)
振动频率(赫兹)
边缘
中心
实测值
预报值
D10
15
30
4.75
2.5~5.0
8.3
D11
15
30
4.69
8.3
D1
15.5
36
4.76
8.3
D2
15.5
36
2.61
8.3
D9
21.0
35
2.17
8.3
D3
22.2
41
3.3
8.3
D4
46.5
63
1.20
0.8~1.6
8.3
D13
53.5
66
0.83
8.3
D6
62
76.5
0.37
8.3
D7
88
101.5
0.16
0.4~0.8
8.3
3.3爆破振动安全允许标准
爆破地震的破坏判据,对于估计爆破地震作用下建筑物、构筑物的破坏程度,具有实际意义。
由于爆破地震不同于天然地震,它的震源在地表浅层发生,能量衰减较快,地震持续时间短,振动频率较高,在爆破区近区竖向振动较显著等,爆破地震的破坏判据,也与天然地震不同。
目前,国内外在考虑爆破地震的破坏判据时,有采用能量比的,这些物理量,都能反映爆破振动对工程结构的破坏作用。
在我国,目前通常采用地面垂直最大振动速度作为破坏判据。
我国爆破安全规程规定:
地面建筑物的爆破振动判据,采用保护对象所在地质点峰值振动速度和主振频率;水工隧道、交通隧道、矿山巷道、电站(厂)中心控制室设备、新浇大体积混凝土的爆破振动判据,采用保护对象所在地质点峰值振动速度。
安全允许标准如表10-8。
表10-8爆破振动安全允许标准
序号
保护对象类别
安全允许振速cm/s
<10Hz
(10~50)Hz
(50~100)Hz
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、非抗震的大型砖块建筑物
2.0~2.5
2.3~2.8
2.7~3.0
3
钢筋混凝土结构房屋
3.0~4.0
3.5~4.5
4.2~5.0
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
7~15
6
交通隧道
10~20
7
矿山巷道
15~30
8
水电站及发电厂中心控制室设备
0.5
9
新浇大体积混凝土
龄期:
初凝~3天
龄期:
3~7天
龄期:
7~28天
2.0~3.0
3.0~0
0~12
注:
1.表列频率为主振动频率,系指最大振幅所对应波的频率。
2.频率范围可根据类似工程或现场实测波形选取。
选取频率时亦可参照下列数据:
峒室爆破<20Hz;深孔爆破10~60Hz;浅孔爆破40~100Hz。
3.选取建筑物安全允许振速时,应综合考虑建筑物的重要性、建筑质量、新旧程度、自振频率、地基条件等因素。
4.省级以上(含省级)重点保护古建筑与古迹的安全允许振速,应经专家论证选取,并报相应文物管理部门批准。
5.选取隧道、巷道安全允许振速时,应综合考虑构筑物的重要性、围岩状况、断面大小、埋深大小、爆源方向、地震振动频率等因素。
6.非挡水新浇大体积混凝土的安全允许振速,可按本表给出的上限值选取。
表(10-9)、(10-10)、(10-11)列举了其它一些国家爆破振动的安全标准,对建筑物而言,其允许质点振动合速度也是随不同的频率范围而不同的。
表10-9德国标准(BRD-D1N4150)
建筑物类型
质点振动合速度mm/s
<10Hz
(10~50)Hz
(50~100)Hz
工业建筑及商业建筑
20
20~40
40~50
民用建筑
5
5~15
15~20
敏感性建筑
3
3~8
8~12
表10-10瑞士标准
建筑物类型
质点振动合速度mm/s
(10~60)Hz
(60~90)Hz
钢结构、钢筋混凝土结构
30
30~40
砖混结构
18
18~25
砖石墙体、木阁楼
12
12~18
历史性敏感性建筑
8
8~12
表10-11印度标准
建筑物类型
质点振动合速度mm/s
<24Hz
>24Hz
一般民房
5.0
10.0
工业建筑
12.5
25.0
古建筑物
2.0
5.0
表(10-12)为1977年顾毅成提出的爆破地震烈度表,列举了地面垂直最大爆破振动速度及其相对应的振动加速度与破坏现象的关系。
对于爆破工地常见的一般地面建筑物,如砖式房屋,大量观测表明,当地面垂直最大振动速度大于5cm/s,或地面垂直最大振动加速度大于0.5g时,开始产生破坏现象,表(10-13)(10-14)所列数据,也有一定的参考价值。
表10-13砖式建筑物和构筑物的破坏与地面最大振速的关系
砖式建筑物和构筑物的破坏状况
地面最大振速(cm/s)
Ⅰ
Ⅱ
抹灰中有细裂缝,掉白粉;原有裂缝有发展,掉小块抹灰
0.75~1.5
1.5~3
抹灰中有裂缝,抹灰成块掉落,墙和墙中间有裂缝
1.5~6
3~6
抹灰中有裂缝并破坏,墙上有裂缝,墙间联系破坏
6~25
6~12
墙壁中形成大裂缝,抹灰有大量破坏,砌体分离
25~37
12~24
建筑物严重破坏,构件联系破坏,柱和支承墙间有裂缝,屋檐、墙可能倒塌,不太好的新老建筑物破坏
37~60
24~28
注:
Ⅰ-按 А.В.Сафoнoв等人资料
Ⅱ-按С.В.Медвeдeв资料
(根据《露天爆破》冶金工业出版社1979年)
表10-14不同质量及不同等级的建筑物地基质点允许振动速度(cm/s)
建筑物特征
Ⅱ级
Ⅲ级
Ⅳ级
质量较好的抗震建筑物
5
7
10
钢筋混凝土或金属骨架无抗震、无残余变形
2
5
7
质量好的砖房,石头房
1.5
3
5
有小裂缝的砖石房和砖混房
1
2
3
有中裂缝的砖石房和砖混房
0.5
1.0
2.0
有大裂缝,内外墙联系破坏的砖石房
0.3
0.5
1.0
注:
建筑物分级。
按用途和状况将建筑物分Ⅳ级(根据前苏联《爆破工程师手册》的有关资料)
Ⅰ级—有历史和建筑史学纪念意义的建筑,极少在其附近实施爆破作业。
Ⅱ级—特别重要的工业建筑物(大型车间、管道、井塔、水塔等),聚集人较多的民用建筑(住宅、电影院等),
Ⅲ级—不大于三层的工民建,
Ⅳ级—如果发生破坏不致影响人们生活和健康的工民建。
对矿山深孔爆破,不同距离的允许安全药量(以V=5.0cm/s为标准),见表10-15。
对临近一般砖木结构民居的沟槽、基坑爆破允
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