地震勘探爆破安全技术条件论证

地震勘探爆破安全技术条件论证一、论证依据

1、《中华人民共和国安全生产法》〔中华人民共和国主席令【2002】第70号〕

2、中华人民共和国安全生产行业标准〔AQ2004-2005〕《地质勘探安全规程》〔国家安全生产监督管理局〕

3、爆破安全规程〔2003年9月12日国家质量监督检验检疫总局公布

自2004年5月1日起实施〕

4、中华人民共和国煤炭行业标准MT/T897-2000《煤炭煤层气地震勘探规范》

5、爆破基础理论

6、《化工矿物与加工》科技刊物〔2021第8期〕《炮孔爆破堵塞研究现状及存在的问题》论文成果

二、地震勘探爆破机理

地震勘探是地球物理勘探中的重要方法之一。它是以岩石的弹塑性为基础,利用炸药的爆炸能量对介质作功,使浅层激发层位产生地震波，在沿测线的不同位置用地震勘探仪器检测大地的振动,并把数据记录在磁带上,以探明矿产目的层位在地下的赋存形态，为矿山企业安全生产提供可靠的地质技术资料。

地震勘探爆破的机理是：炸药爆轰时,对四周岩土的作用称作爆破作用。在药包爆破作用下,由于药包四周介质岩性的不均质性和各向异性及药包爆炸反应的高温、高压、高速度等复杂因素的影响,人们目前只能通过爆破产生的宏观现象,对爆破作用分为爆破内部作用和外部作用。

〔一〕爆破内部作用

当埋置在距地表很深处的药包爆炸时,药包的爆破作用只局限在地面以下,在地面没有显现出爆破作用,这种条件下的爆破作用叫做内部作用。通常按岩石被破坏的特征,可将爆破作用范围内的岩石划分为三个圈。

1、压缩圈

在压缩粉碎圈内,由于岩石直接受到药包爆炸的庞大压力和高温作用,如果岩石是可塑性的,就会遭受到压缩而形成空腔,如果岩石是弹脆性,就会遭受到粉碎。如下列图所示。

在此圈内内,由于岩石遭受到压缩或粉碎性破坏,能量消耗很大,爆破作用力急剧减小，所以压缩粉碎圈得范围很小，其半径不超过药包半径的2-3倍。

2、破碎圈

围绕在压缩粉碎圈以外的一圈岩石，虽然受到的爆炸作用力较压缩圈中的岩石小得多，但受到岩石结构性破坏，生成纵横交错的裂隙，岩体被割裂成块，此范围叫破裂圈。破裂圈的范围大约为药包半径的8—10倍。

3、震动圈

在破裂圈以外的范围内,爆破力的作用以衰减到不能使岩石结构产生破坏,而只能引起岩石颗粒产生弹性振动。这一圈叫做震动圈。震动圈的范围很大，直到爆破作用力完全被岩土所汲取为止。

〔二〕爆破外部作用

当药包埋置深度不大，接近地表时，药包除了使岩石破裂和震动外，被破裂的岩块由于碎胀而在地表隆起,或被抛离地表并形成一个爆破坑——爆破漏斗。爆破作用已显现在地表,这种状况叫做爆破的外部作用。也就是炸药爆破后的能量分解为爆破内部作用和爆破外部作用。

三、影响地震勘探安全爆破的技术参数

地震勘探爆破是以岩石的弹塑性为基础,利用炸药的爆炸能量对介质作功,使浅层激发层位产生地震波，也就是说将药包的爆破作用只局限在地面以下,在地面上不产生飞石、冲击波、面波等危害因素，与工程爆破有着本质的区别。工程爆破是利用炸药的爆炸能量粉碎四周介质，使其按照一定方向搬运或抛掷。

为了便于研究地震勘探爆破的安全技术条件，提升地震勘探爆破内部作用，下面把影响爆破外部作用的因素表达如下:

〔一〕自由面

自由面又叫临空面,通常是指被爆岩石与空气的交界面,也是对爆破作用能发生影响并能使爆后岩石发生移动的那个岩面。一般状况下，自由面越多,爆破破岩越容易,爆破效果越好。当岩石性质、炸药品种相同时,随着自由面的增多,炸药的单耗将显然降低。对地震勘探而言，尤其是进入山区地震勘探，炮孔面临的自由面主要有两个：

1、炮孔与地面垂直的临界面

炮孔方向与自由面垂直,爆破效果最差，爆破破环量最小。合计到地震勘探爆破的安全性和地震资料的采集问题，地震勘探炮孔方向在规程规范制定上，都采用竖井成孔。这样既利于安全爆破，又利于地震资料的采集。

2、自由面位于炮孔的一侧

依据多年的生产施行证实，当自由面位于炮孔一侧，并且距离小于5米时，炸药起爆后能使陡坎或悬崖炸塌，产生飞石，爆破破环量较大。

〔二〕最小抵抗线

最小抵抗线是指爆破时岩石产生抵抗力(阻力)最小的方向。在爆破中,通常将药包中心或重心到最近自由面的最短距离,称为最小抵抗线,一般常用W表示。

最小抵抗线是工程爆破中的一个重要参数，对它选取的是否合理，将影响到爆破的各项重要指标。由于它代表了爆破时岩石阻力最小的方向，所以在此方向上岩石运动速度最高，爆破作用最集中。因此，最小抵抗线是爆破作用的主导方向，也是抛掷作用的主导方向。

〔三〕起爆药卷的位置

起爆药卷的位置决定起爆方向和炸药爆炸时气体压缩运动方向。起爆药卷应放在孔口第一药卷中，炸药能量往下传播，属于正向起爆。这个起爆方法有利于地震勘探能量往下传播，能提升矿产目的层地震反射波的能量。放在装药的中部属于中部正向起爆，炸药能量被分解为向上和向下传播。放在孔底药卷中，属于反向起爆，炸药能量往上传播，具体见下列图所示。

从图中可以看出，中向和反向起爆只适用于工程爆破，提升爆破的破岩量，不利于地震勘探资料的采集和安全施工，应当是禁止的作业行为。

〔四〕爆破漏斗

爆破漏斗是炸药被埋置在一个合适深度的水平自由面下，岩石爆破的变形产物。它是由爆破漏斗半径、最小抵抗线、漏斗破裂半径、漏斗可见深度、漏斗张开角组成。其分类由爆破作用指数决定。

在岩石性质和爆破条件一定,当装药量不变而改变药包的埋置深度或药包埋置深度固定不变而改变装药量时，都可发现爆破漏斗尺寸发生变化。这种变化可用爆破漏斗底圆半径r与最小抵抗线的比值来表征，此比值称为爆破作用指数，用n来表示。即n=r/W。当n发生变化时，爆破的作用性质、爆破漏斗的大小、岩块的抛掷量和抛掷距离都将发生变化。所以依据n的不同，可将爆破作用性质和爆破漏斗进行如下分类：

1、标准抛掷爆破漏斗

当爆破作用指数n=1时，药包爆破后即可形成标准抛掷爆破漏斗，此时爆破漏斗不仅全部破碎，而且有相当数量的岩块被抛掷到漏斗以外，出现了显然的漏斗坑，且漏斗半径r等于最小抵抗线W，漏斗张开角等于90°，形成这种标准抛掷爆破漏斗的爆破作用，称为标准爆破。

2、强化抛掷爆破漏斗

当1＜n＜3时，药包爆破后，漏斗中的大部分岩块将被抛掷到漏斗以外，所形成的漏斗半径r大于最小抵抗线W，漏斗张开角也大于90°，这种漏斗称为强化抛掷爆破漏斗。

3、减弱抛掷爆破漏斗

当0.75＜n＜1时,药包形成的爆破漏斗的底圆半径r小于最小抵抗线W,漏斗张开角也小于90°,漏斗范围内的岩石遭到破坏,而且有少部分岩块被抛掷到漏斗以外,出现深度不大的漏斗坑。这种漏斗坑称为减弱漏斗坑，或叫强化松动爆破漏斗。

4、松动爆破漏斗

当爆破作用指数n在0.4-0.75的范围内时,药包爆破后只使漏斗范围内的岩石被破碎，基本上没有抛掷作用，地表上只看到鼓包现象，而看不到爆破漏斗，这样的漏斗称为松动爆破漏斗，起爆破作用叫松动爆破。松动爆破由于装药量较小，爆堆比较集中，几乎不产生飞石，炸药爆破的能量向底下传播的多。

由上述可见，爆破作用指数n表征着爆破作用的性质，因此在爆破工程中，可通过选择适宜的n值来控制爆破作用的性质，从而达到预期爆破的目的。在一定范围内n值愈大，抛掷方量愈大，抛掷距离愈大，炸药爆破能量向地表或临空界面分解的愈多。在地震勘探中，如果要控制飞石、冲击水柱和空气冲击波的危害，在药量一定的状况下，必须最大限度地提升最小抵抗线值即井深，使n值趋于无穷小。

四、地震勘探爆破事故风险分析

随着地震勘探技术的不断发展和矿山企业对地震勘探技术成果高度的重视，地震勘探技术已经进入全面发展的时代。由过去的只能在平原地区进行勘探，现已进入山区；由过去的单纯二维地震勘探转变为高发度的三维地震勘探。由于地形条件复杂和施工难度进一步加大，地震勘探安全爆破面临着以下几种事故风险。

〔一〕爆破飞石伤人

起因有三个方面。

山区坡积物或河沟地段，由于碎石、河卵石松散，钻机在钻进过程中因松散层塌孔原因，不易成孔，炮井深度普遍小于三米，有的甚至在河床地段靠挖坑放坑炮来完成施工任务，致使地震勘探爆破形成强掷爆破漏斗现象，漏斗中的大部分岩块将以抛物线运动方式被抛掷到漏斗以外，另外加上山区地形复杂高差大，炮孔中冲起的飞石在水平方向上将产生200-500米运动距离，有的甚至更长，从而导致以炮井中心，在距离炮井200-500米范围内的人员和设备将会受到致命的伤害。如某物探队1998年因放坑炮，爆破飞石将一位正在锄地的农民砸死。2001年因施工下山炮，爆破冲起物将山下的一位居民砸死。除此之外，因上述原因在施工现场还出现了爆破飞石将职工眼皮划伤、背壶砸扁、安全帽砸裂等多起侥幸事故。

2、炮孔处于悬崖或悬崖边界

炮孔处于悬崖或悬崖边界导致药包中心〔重心〕到悬崖壁的垂向距离成为炸药起爆时的岩石产生抵抗力(阻力)最小的方向，是爆破作用和抛掷作用的主导方向，从而将悬崖壁炸塌，将产生的飞石以抛物线运动轨迹抛掷在悬崖底下，对在悬崖底部200-500米范围内的人员和设备产生致命的危害。

3、起爆卷的位置处在炸药底端

起爆药卷的位置决定起爆方向和炸药爆炸时气体压缩运动方向。过去在山区地震勘探中，施工单位为了节约成本，采纳45㎜钻头成孔，炸药采纳纸皮小节硝胺炸药，药节长0.25米，每节炸药仅有0.2公斤，每个孔需下5节炸药，才能满足地震勘探的需要，也就是说3米深的炮井内药柱高度为1米。关于雷管位置究竟放在炸药底端还是顶端，起初人们凭借经验或笨想，认为雷管应放在炸药底端，可以完全引爆炸药，造成地震勘探爆破成为反向起爆，使炸药能量冲向井口爆炸，产生飞石，对炮区内的人和设备造成危害。从插图中，我们可以直接看出反向起爆的危害。如果碰到坡积物松散层不易采集资料，技术人员往往通过加大药量，来获取地震采集资料，这样造成的井口爆炸能量更大，产生的危害更严重。

〔二〕爆破触电事故

起因是在高压线四周、黄土地区潜水位以下施工放炮，因爆生气体把孔内积水和爆炸线冲出孔外，在风力的作用下把水柱和爆炸线搭在高压线上，使高压线短路产生触电事故，造成烧毁仪器、人员触电

和用电户因停电带来生产损失。

由于没有拍到地震勘探爆破触电事故现场照片，下面是一副地震勘探爆破危险分析假想照片。但是在黄土区成孔，地震勘探一般用水钻成孔，由于黄土层含有一层较厚的红色胶泥层，一般不渗水，成孔下药后积水仍然保留在孔内。起爆后，孔内积水在爆生气体的冲力下，将孔内积水冲出孔外形成水柱，水柱高度一般为10-20米。另外水柱在上冲瞬间，其四周1米范围内将会形成真空带，使空气流动产生紊乱，形成风力，使水柱产生移动，同时如果遇有刮风天气，水柱将会产生倾斜，倒向下风方向，对四周50米范围内的高压线产生危害，形成触电事故，造成高压线短路、地震仪器、设备烧毁、人员伤亡。

〔三〕对炮点四周的居民区建筑物、地下水气管道等造成危害

地震勘探爆破同工程爆破一样，炸药起爆后会产生冲击波、地震波，其中地震波的横波对居民建筑物、地下水气管道、水库等破坏力较为激烈，造成居民住家玻璃震裂、地下水管道震断等事故。其原因是主要有三个方面：一是炮点离居民区、地下水管太近，实际距离不够30米；二是药量太大，没有执行减药措施；三是井口没有采用埋压措施，造成爆生气体冲出井口形成空气冲击波。

五、地震勘探爆破安全生产技术条件效果评估与论证

鉴于对地震勘探爆破机理、爆破技术参数、爆破事故风险分析等多方面的研究和论证，笔者在地震勘探生产施行中，分三个阶段推行了“震源药柱+炮孔偏移+深孔+小药量+填塞+沙袋〞等六项安全技术措施为一体的地震勘探爆破安全安全生产技术条件，做到了对地震勘探爆破安全技术措施最差效果的研究与改善，为实现地震勘探爆破安全提供了技术支撑。

〔一〕单纯的扣压沙袋阶段

扣押沙袋安全技术措施不是本人的发明，主要借鉴于兄弟单位的做法。2003年我们在某矿区进行三维地震勘探时，发现相邻测区兄弟单位在每个井口上，都压有三袋土砂，沙袋口用炮线封口，执行纵横交错扣压沙袋。炮点炸药起爆后，仅见沙袋中部有裂缝，沙袋原地不动。为了控制井口飞石，压制空气冲击波，笔者借鉴了兄弟单位这一做法，并对这一做法进行了改善。我们采用的措施是，将沙袋口朝下，倒立在炮点井口上，一方面减少了压砂袋数量，减少了沙袋封口工作环节，另一方面利用沙袋直立加大沙袋对井口的压强，基本保证了井口飞石被压制的安全效果。

〔二〕“震源药柱+炮井偏移+深孔+小药量+扣押沙袋〞综合措施阶段

实施单纯的扣押沙袋安全措施，基本控制了井口飞石。对不好采集资料的地段如坡积物松散层、河床地带，技术人员往往通过施工组合炮或加大药量来激发资料，当时为了保证爆破安全，虽然在井口上压制5-6袋沙袋，但是经现场试验，有的炮井扣押的沙袋起不到控制飞石的效果，有时沙袋会被冲起5-10米高。

为了彻底解决这一问题，笔者综合分析了现场施工存在的井浅、药量大、井口介质疏松、雷管位置设置错误等因素，采用了“雷管设置在炸药顶端+炮井偏移+深孔+小药量+扣押沙袋〞等五个方面的安全技术措施。

1、雷管位置设置

针对采用纸皮硝铵炸药作为起爆炸药，雷管位置必须设置在炸药顶端，使地震勘探爆破形成正向起爆，并且将这一措施列入地震勘探安全生产管理制度中，继续执行。如雷管位置设置示意图，给现场职工明确示意雷管设置的具体位置，从根本上解决了地震勘探采纳正向起爆的安全技术问题，有效地减少井口爆炸能量。

2009年之后，为了减少包药工作环节，提升地震勘探现场采集质量，保证地震勘探爆破安全，采纳了震源药柱和瞬发电雷管作为起爆器材，一方面可以提升炸药搬运的安全性，一方面解决了人为安装雷管的操作失误行为。震源药柱的雷管位置就设在炸药的顶端，包药员在安装雷管时，必定将雷管安装在炸药的顶端，克服了过去纸皮炸药安装雷管时，人为的操作失误。

2、炮井偏移+深孔

炮孔偏移主要针对坡积物松散层和处在悬崖或悬崖边界的制定炮点，其目的是在地震勘探规范同意的范围内，将不符合安全要求的制定炮点在测点中心10米的范围内进行挪动，解决松散层不易成孔和改变炮点最小抵抗线方向的问题，有效压制爆破飞溅物起飞高度。如炮点位置偏移图，明确告诉现场职工碰到陡坎或悬崖边界的炮孔，要么采用就低不就高，改变炮井的位置，要么将炮井位置向悬崖里挪动10米，排除炸药起爆时井壁坍塌的事故隐患。对松散层不易成孔的地段，采纳偏移炮井制定位置，把炮井选在基岩上成孔，保证成孔井深达到3米以上。

3、小药量+扣押沙袋

上述三项安全技术措施是提升地震勘探爆破内部作用，合格采用地震勘探资料的基础参数。为了实现炸药在井中起爆时不起飞溅物，保证作业安全，实施一井一下公斤炸药，一井扣押一袋沙土措施，起到了保证安全和提升地震勘探采集质量的双重效果。从井口埋压沙袋效果示意图中，可以看出，井口扣押沙袋不仅控制了炸药起爆时飞溅的产生，而且保存了炸药能量，使爆生冲击波二次向下冲击，加强了矿层目的波的反射能量。

〔三〕实施炮孔爆破堵塞，完善地震勘探爆破安全技术条件

关于黄土测区如何压制孔内积水冲击水柱带来的触电事故危害，一直是困扰地震勘探爆破安全的问题之一。起初，通过单纯的扣押沙袋，改变了孔内积水冲击水柱的运动方向，使冲击水柱由垂直向上，改变为向沙袋四周喷贱，缓解了水柱冲击高度和冲击速度。但是由于水是弹性介质，尤其是在黄土潜水位以下放炮，由于地震勘探爆破矿层目的波的二次反射与首次激发弹性波叠加，使爆破冲击水柱能量加大，单靠压沙袋已远远不能解决爆破冲击水柱带来的危害。2021年，笔者查阅了大量的炮孔爆破堵塞研究资料，在潞安三维地震勘探测区施工中引用了《化工矿物与加工》科技刊物〔2021第8期〕《炮孔爆破堵塞研究现状及存在的问题》论文成果，就黄土层积水孔堵塞作用及技术参数进行了专题研究，认为炮孔在爆破前进行堵塞具有三个方面的作用。一是堵塞可以降低爆生气体运动速度，延长爆生气体在孔内作用时间；二是堵塞物可加强对冲击波的衰减作用；三是堵塞物填实后，可加强堵塞物与孔壁的摩擦力，在冲击波的作用下堵塞物的颗粒发生互相错移，产生新的粘结力，产生侧向膨胀，与孔壁成为一体，不但有利于爆炸能量的聚集，而且延长了它对岩石的作用时间，同时能改变药包最小抵抗线方向，人为地将爆炸能量最大限度地引至目标方向，而把非目标方向的能量损失减少到最低程度。

基于科技成果的指导，对潞安黄土测区三维地震勘探孔内积水冲击水柱的问题，采用了三个方面的技术措施：

1、抽水

为了最大限度地减少孔内积水冲击力，钻机成孔后，用钻机压井式水泵抽取孔内积水，使水位降低3-5米。

2、埋孔

在抽水、降低水位的基础上，用细粒干黄土填塞孔，具体要求是，每当向孔内填塞3-5铁锹黄土后，用锹把捣实一次被填黄土，如此反复直至填满填实，以加强填塞物与孔壁间的摩擦力和粘结指数。如果孔内积水没有显然下降，埋孔时用干土吸水、排水，用锹把先把孔内积水变成泥浆，再填土使孔内堵塞物成为湿土，直至用锹把把孔内填土捣实。

3、压沙袋

在填埋孔的基础上，对高压线四周炮孔还采用了压沙袋措施，具体压制方式和数量如井口压沙袋示意图，具体方法是将井口爆炸线捆在沙袋上，采用沙袋与爆炸线捆绑制，防止爆炸线飞起，搭在高压线上。第二是在第一袋沙袋的基础上，再压一袋沙土，加强井口压力，抑制爆破冲击力。

通过采用以上三个方面的措施，测区10000多个炮井中仅有10个炮井有冲起物，冲起物高度不够3米，冲起物的运动速度和能量大为减少，对测区高压线、人和设备器材没有构成危害，实现了安全生产。

六、论证成果

通过对地震勘探爆破安全生技术产条件的研究与论证，笔者在保证地震勘探爆破安全方面取得了三个方面的成果。

〔一〕地震勘探爆破属于危险性作业，强化安全生产技术条件论证是实现地震勘探爆破安全作业必不可少的工作

长期以来人们在地震勘探工作中只注重现场采集资料质量，对地震勘探放炮产生的危害现象缺乏足够的熟