地震勘探爆破安全技術條件論證一、論證依據

1、《中華人民共和國安全生產法》〔中華人民共和國主席令【2002】第70號〕

2、中華人民共和國安全生產行業標準〔AQ2004-2005〕《地質勘探安全規程》〔國家安全生產監督管理局〕

3、爆破安全規程〔2003年9月12日國家質量監督檢驗檢疫總局公布

自2004年5月1日起實施〕

4、中華人民共和國煤炭行業標準MT/T897-2000《煤炭煤層氣地震勘探規范》

5、爆破基礎理論

6、《化工礦物與加工》科技刊物〔2021第8期〕《炮孔爆破堵塞研究現狀及存在的問題》論文成果

二、地震勘探爆破機理

地震勘探是地球物理勘探中的重要方法之一。它是以巖石的彈塑性為基礎,利用炸藥的爆炸能量對介質作功,使淺層激發層位產生地震波，在沿測線的不同位置用地震勘探儀器檢測大地的振動,并把數據記錄在磁帶上,以探明礦產目的層位在地下的賦存形態，為礦山企業安全生產提供可靠的地質技術資料。

地震勘探爆破的機理是：炸藥爆轟時,對四周巖土的作用稱作爆破作用。在藥包爆破作用下,由于藥包四周介質巖性的不均質性和各向異性及藥包爆炸反應的高溫、高壓、高速度等復雜因素的影響,人們目前只能通過爆破產生的宏觀現象,對爆破作用分為爆破內部作用和外部作用。

〔一〕爆破內部作用

當埋置在距地表很深處的藥包爆炸時,藥包的爆破作用只局限在地面以下,在地面沒有顯現出爆破作用,這種條件下的爆破作用叫做內部作用。通常按巖石被破壞的特征,可將爆破作用范圍內的巖石劃分為三個圈。

1、壓縮圈

在壓縮粉碎圈內,由于巖石直接受到藥包爆炸的龐大壓力和高溫作用,如果巖石是可塑性的,就會遭受到壓縮而形成空腔,如果巖石是彈脆性,就會遭受到粉碎。如下列圖所示。

在此圈內內,由于巖石遭受到壓縮或粉碎性破壞,能量消耗很大,爆破作用力急劇減小，所以壓縮粉碎圈得范圍很小，其半徑不超過藥包半徑的2-3倍。

2、破碎圈

圍繞在壓縮粉碎圈以外的一圈巖石，雖然受到的爆炸作用力較壓縮圈中的巖石小得多，但受到巖石結構性破壞，生成縱橫交錯的裂隙，巖體被割裂成塊，此范圍叫破裂圈。破裂圈的范圍大約為藥包半徑的8—10倍。

3、震動圈

在破裂圈以外的范圍內,爆破力的作用以衰減到不能使巖石結構產生破壞,而只能引起巖石顆粒產生彈性振動。這一圈叫做震動圈。震動圈的范圍很大，直到爆破作用力完全被巖土所汲取為止。

〔二〕爆破外部作用

當藥包埋置深度不大，接近地表時，藥包除了使巖石破裂和震動外，被破裂的巖塊由于碎脹而在地表隆起,或被拋離地表并形成一個爆破坑——爆破漏斗。爆破作用已顯現在地表,這種狀況叫做爆破的外部作用。也就是炸藥爆破后的能量分解為爆破內部作用和爆破外部作用。

三、影響地震勘探安全爆破的技術參數

地震勘探爆破是以巖石的彈塑性為基礎,利用炸藥的爆炸能量對介質作功,使淺層激發層位產生地震波，也就是說將藥包的爆破作用只局限在地面以下,在地面上不產生飛石、沖擊波、面波等危害因素，與工程爆破有著本質的區別。工程爆破是利用炸藥的爆炸能量粉碎四周介質，使其按照一定方向搬運或拋擲。

為了便于研究地震勘探爆破的安全技術條件，提升地震勘探爆破內部作用，下面把影響爆破外部作用的因素表達如下:

〔一〕自由面

自由面又叫臨空面,通常是指被爆巖石與空氣的交界面,也是對爆破作用能發生影響并能使爆后巖石發生移動的那個巖面。一般狀況下，自由面越多,爆破破巖越容易,爆破效果越好。當巖石性質、炸藥品種相同時,隨著自由面的增多,炸藥的單耗將顯然降低。對地震勘探而言，尤其是進入山區地震勘探，炮孔面臨的自由面主要有兩個：

1、炮孔與地面垂直的臨界面

炮孔方向與自由面垂直,爆破效果最差，爆破破環量最小。合計到地震勘探爆破的安全性和地震資料的采集問題，地震勘探炮孔方向在規程規范制定上，都采用豎井成孔。這樣既利于安全爆破，又利于地震資料的采集。

2、自由面位于炮孔的一側

依據多年的生產施行證實，當自由面位于炮孔一側，并且距離小于5米時，炸藥起爆后能使陡坎或懸崖炸塌，產生飛石，爆破破環量較大。

〔二〕最小抵抗線

最小抵抗線是指爆破時巖石產生抵抗力(阻力)最小的方向。在爆破中,通常將藥包中心或重心到最近自由面的最短距離,稱為最小抵抗線,一般常用W表示。

最小抵抗線是工程爆破中的一個重要參數，對它選取的是否合理，將影響到爆破的各項重要指標。由于它代表了爆破時巖石阻力最小的方向，所以在此方向上巖石運動速度最高，爆破作用最集中。因此，最小抵抗線是爆破作用的主導方向，也是拋擲作用的主導方向。

〔三〕起爆藥卷的位置

起爆藥卷的位置決定起爆方向和炸藥爆炸時氣體壓縮運動方向。起爆藥卷應放在孔口第一藥卷中，炸藥能量往下傳播，屬于正向起爆。這個起爆方法有利于地震勘探能量往下傳播，能提升礦產目的層地震反射波的能量。放在裝藥的中部屬于中部正向起爆，炸藥能量被分解為向上和向下傳播。放在孔底藥卷中，屬于反向起爆，炸藥能量往上傳播，具體見下列圖所示。

從圖中可以看出，中向和反向起爆只適用于工程爆破，提升爆破的破巖量，不利于地震勘探資料的采集和安全施工，應當是禁止的作業行為。

〔四〕爆破漏斗

爆破漏斗是炸藥被埋置在一個合適深度的水平自由面下，巖石爆破的變形產物。它是由爆破漏斗半徑、最小抵抗線、漏斗破裂半徑、漏斗可見深度、漏斗張開角組成。其分類由爆破作用指數決定。

在巖石性質和爆破條件一定,當裝藥量不變而改變藥包的埋置深度或藥包埋置深度固定不變而改變裝藥量時，都可發現爆破漏斗尺寸發生變化。這種變化可用爆破漏斗底圓半徑r與最小抵抗線的比值來表征，此比值稱為爆破作用指數，用n來表示。即n=r/W。當n發生變化時，爆破的作用性質、爆破漏斗的大小、巖塊的拋擲量和拋擲距離都將發生變化。所以依據n的不同，可將爆破作用性質和爆破漏斗進行如下分類：

1、標準拋擲爆破漏斗

當爆破作用指數n=1時，藥包爆破后即可形成標準拋擲爆破漏斗，此時爆破漏斗不僅全部破碎，而且有相當數量的巖塊被拋擲到漏斗以外，出現了顯然的漏斗坑，且漏斗半徑r等于最小抵抗線W，漏斗張開角等于90°，形成這種標準拋擲爆破漏斗的爆破作用，稱為標準爆破。

2、強化拋擲爆破漏斗

當1＜n＜3時，藥包爆破后，漏斗中的大部分巖塊將被拋擲到漏斗以外，所形成的漏斗半徑r大于最小抵抗線W，漏斗張開角也大于90°，這種漏斗稱為強化拋擲爆破漏斗。

3、減弱拋擲爆破漏斗

當0.75＜n＜1時,藥包形成的爆破漏斗的底圓半徑r小于最小抵抗線W,漏斗張開角也小于90°,漏斗范圍內的巖石遭到破壞,而且有少部分巖塊被拋擲到漏斗以外,出現深度不大的漏斗坑。這種漏斗坑稱為減弱漏斗坑，或叫強化松動爆破漏斗。

4、松動爆破漏斗

當爆破作用指數n在0.4-0.75的范圍內時,藥包爆破后只使漏斗范圍內的巖石被破碎，基本上沒有拋擲作用，地表上只看到鼓包現象，而看不到爆破漏斗，這樣的漏斗稱為松動爆破漏斗，起爆破作用叫松動爆破。松動爆破由于裝藥量較小，爆堆比較集中，幾乎不產生飛石，炸藥爆破的能量向底下傳播的多。

由上述可見，爆破作用指數n表征著爆破作用的性質，因此在爆破工程中，可通過選擇適宜的n值來控制爆破作用的性質，從而達到預期爆破的目的。在一定范圍內n值愈大，拋擲方量愈大，拋擲距離愈大，炸藥爆破能量向地表或臨空界面分解的愈多。在地震勘探中，如果要控制飛石、沖擊水柱和空氣沖擊波的危害，在藥量一定的狀況下，必須最大限度地提升最小抵抗線值即井深，使n值趨于無窮小。

四、地震勘探爆破事故風險分析

隨著地震勘探技術的不斷發展和礦山企業對地震勘探技術成果高度的重視，地震勘探技術已經進入全面發展的時代。由過去的只能在平原地區進行勘探，現已進入山區；由過去的單純二維地震勘探轉變為高發度的三維地震勘探。由于地形條件復雜和施工難度進一步加大，地震勘探安全爆破面臨著以下幾種事故風險。

〔一〕爆破飛石傷人

起因有三個方面。

山區坡積物或河溝地段，由于碎石、河卵石松散，鉆機在鉆進過程中因松散層塌孔原因，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來完成施工任務，致使地震勘探爆破形成強擲爆破漏斗現象，漏斗中的大部分巖塊將以拋物線運動方式被拋擲到漏斗以外，另外加上山區地形復雜高差大，炮孔中沖起的飛石在水平方向上將產生200-500米運動距離，有的甚至更長，從而導致以炮井中心，在距離炮井200-500米范圍內的人員和設備將會受到致命的傷害。如某物探隊1998年因放坑炮，爆破飛石將一位正在鋤地的農民砸死。2001年因施工下山炮，爆破沖起物將山下的一位居民砸死。除此之外，因上述原因在施工現場還出現了爆破飛石將職工眼皮劃傷、背壺砸扁、安全帽砸裂等多起僥幸事故。

2、炮孔處于懸崖或懸崖邊界

炮孔處于懸崖或懸崖邊界導致藥包中心〔重心〕到懸崖壁的垂向距離成為炸藥起爆時的巖石產生抵抗力(阻力)最小的方向，是爆破作用和拋擲作用的主導方向，從而將懸崖壁炸塌，將產生的飛石以拋物線運動軌跡拋擲在懸崖底下，對在懸崖底部200-500米范圍內的人員和設備產生致命的危害。

3、起爆卷的位置處在炸藥底端

起爆藥卷的位置決定起爆方向和炸藥爆炸時氣體壓縮運動方向。過去在山區地震勘探中，施工單位為了節約成本，采納45㎜鉆頭成孔，炸藥采納紙皮小節硝胺炸藥，藥節長0.25米，每節炸藥僅有0.2公斤，每個孔需下5節炸藥，才能滿足地震勘探的需要，也就是說3米深的炮井內藥柱高度為1米。關于雷管位置究竟放在炸藥底端還是頂端，起初人們憑借經驗或笨想，認為雷管應放在炸藥底端，可以完全引爆炸藥，造成地震勘探爆破成為反向起爆，使炸藥能量沖向井口爆炸，產生飛石，對炮區內的人和設備造成危害。從插圖中，我們可以直接看出反向起爆的危害。如果碰到坡積物松散層不易采集資料，技術人員往往通過加大藥量，來獲取地震采集資料，這樣造成的井口爆炸能量更大，產生的危害更嚴重。

〔二〕爆破觸電事故

起因是在高壓線四周、黃土地區潛水位以下施工放炮，因爆生氣體把孔內積水和爆炸線沖出孔外，在風力的作用下把水柱和爆炸線搭在高壓線上，使高壓線短路產生觸電事故，造成燒毀儀器、人員觸電

和用電戶因停電帶來生產損失。

由于沒有拍到地震勘探爆破觸電事故現場照片，下面是一副地震勘探爆破危險分析假想照片。但是在黃土區成孔，地震勘探一般用水鉆成孔，由于黃土層含有一層較厚的紅色膠泥層，一般不滲水，成孔下藥后積水仍然保留在孔內。起爆后，孔內積水在爆生氣體的沖力下，將孔內積水沖出孔外形成水柱，水柱高度一般為10-20米。另外水柱在上沖瞬間，其四周1米范圍內將會形成真空帶，使空氣流動產生紊亂，形成風力，使水柱產生移動，同時如果遇有刮風天氣，水柱將會產生傾斜，倒向下風方向，對四周50米范圍內的高壓線產生危害，形成觸電事故，造成高壓線短路、地震儀器、設備燒毀、人員傷亡。

〔三〕對炮點四周的居民區建筑物、地下水氣管道等造成危害

地震勘探爆破同工程爆破一樣，炸藥起爆后會產生沖擊波、地震波，其中地震波的橫波對居民建筑物、地下水氣管道、水庫等破壞力較為激烈，造成居民住家玻璃震裂、地下水管道震斷等事故。其原因是主要有三個方面：一是炮點離居民區、地下水管太近，實際距離不夠30米；二是藥量太大，沒有執行減藥措施；三是井口沒有采用埋壓措施，造成爆生氣體沖出井口形成空氣沖擊波。

五、地震勘探爆破安全生產技術條件效果評估與論證

鑒于對地震勘探爆破機理、爆破技術參數、爆破事故風險分析等多方面的研究和論證，筆者在地震勘探生產施行中，分三個階段推行了“震源藥柱+炮孔偏移+深孔+小藥量+填塞+沙袋〞等六項安全技術措施為一體的地震勘探爆破安全安全生產技術條件，做到了對地震勘探爆破安全技術措施最差效果的研究與改善，為實現地震勘探爆破安全提供了技術支撐。

〔一〕單純的扣壓沙袋階段

扣押沙袋安全技術措施不是本人的發明，主要借鑒于兄弟單位的做法。2003年我們在某礦區進行三維地震勘探時，發現相鄰測區兄弟單位在每個井口上，都壓有三袋土砂，沙袋口用炮線封口，執行縱橫交錯扣壓沙袋。炮點炸藥起爆后，僅見沙袋中部有裂縫，沙袋原地不動。為了控制井口飛石，壓制空氣沖擊波，筆者借鑒了兄弟單位這一做法，并對這一做法進行了改善。我們采用的措施是，將沙袋口朝下，倒立在炮點井口上，一方面減少了壓砂袋數量，減少了沙袋封口工作環節，另一方面利用沙袋直立加大沙袋對井口的壓強，基本保證了井口飛石被壓制的安全效果。

〔二〕“震源藥柱+炮井偏移+深孔+小藥量+扣押沙袋〞綜合措施階段

實施單純的扣押沙袋安全措施，基本控制了井口飛石。對不好采集資料的地段如坡積物松散層、河床地帶，技術人員往往通過施工組合炮或加大藥量來激發資料，當時為了保證爆破安全，雖然在井口上壓制5-6袋沙袋，但是經現場試驗，有的炮井扣押的沙袋起不到控制飛石的效果，有時沙袋會被沖起5-10米高。

為了徹底解決這一問題，筆者綜合分析了現場施工存在的井淺、藥量大、井口介質疏松、雷管位置設置錯誤等因素，采用了“雷管設置在炸藥頂端+炮井偏移+深孔+小藥量+扣押沙袋〞等五個方面的安全技術措施。

1、雷管位置設置

針對采用紙皮硝銨炸藥作為起爆炸藥，雷管位置必須設置在炸藥頂端，使地震勘探爆破形成正向起爆，并且將這一措施列入地震勘探安全生產管理制度中，繼續執行。如雷管位置設置示意圖，給現場職工明確示意雷管設置的具體位置，從根本上解決了地震勘探采納正向起爆的安全技術問題，有效地減少井口爆炸能量。

2009年之后，為了減少包藥工作環節，提升地震勘探現場采集質量，保證地震勘探爆破安全，采納了震源藥柱和瞬發電雷管作為起爆器材，一方面可以提升炸藥搬運的安全性，一方面解決了人為安裝雷管的操作失誤行為。震源藥柱的雷管位置就設在炸藥的頂端，包藥員在安裝雷管時，必定將雷管安裝在炸藥的頂端，克服了過去紙皮炸藥安裝雷管時，人為的操作失誤。

2、炮井偏移+深孔

炮孔偏移主要針對坡積物松散層和處在懸崖或懸崖邊界的制定炮點，其目的是在地震勘探規范同意的范圍內，將不符合安全要求的制定炮點在測點中心10米的范圍內進行挪動，解決松散層不易成孔和改變炮點最小抵抗線方向的問題，有效壓制爆破飛濺物起飛高度。如炮點位置偏移圖，明確告訴現場職工碰到陡坎或懸崖邊界的炮孔，要么采用就低不就高，改變炮井的位置，要么將炮井位置向懸崖里挪動10米，排除炸藥起爆時井壁坍塌的事故隱患。對松散層不易成孔的地段，采納偏移炮井制定位置，把炮井選在基巖上成孔，保證成孔井深達到3米以上。

3、小藥量+扣押沙袋

上述三項安全技術措施是提升地震勘探爆破內部作用，合格采用地震勘探資料的基礎參數。為了實現炸藥在井中起爆時不起飛濺物，保證作業安全，實施一井一下公斤炸藥，一井扣押一袋沙土措施，起到了保證安全和提升地震勘探采集質量的雙重效果。從井口埋壓沙袋效果示意圖中，可以看出，井口扣押沙袋不僅控制了炸藥起爆時飛濺的產生，而且保存了炸藥能量，使爆生沖擊波二次向下沖擊，加強了礦層目的波的反射能量。

〔三〕實施炮孔爆破堵塞，完善地震勘探爆破安全技術條件

關于黃土測區如何壓制孔內積水沖擊水柱帶來的觸電事故危害，一直是困擾地震勘探爆破安全的問題之一。起初，通過單純的扣押沙袋，改變了孔內積水沖擊水柱的運動方向，使沖擊水柱由垂直向上，改變為向沙袋四周噴賤，緩解了水柱沖擊高度和沖擊速度。但是由于水是彈性介質，尤其是在黃土潛水位以下放炮，由于地震勘探爆破礦層目的波的二次反射與首次激發彈性波疊加，使爆破沖擊水柱能量加大，單靠壓沙袋已遠遠不能解決爆破沖擊水柱帶來的危害。2021年，筆者查閱了大量的炮孔爆破堵塞研究資料，在潞安三維地震勘探測區施工中引用了《化工礦物與加工》科技刊物〔2021第8期〕《炮孔爆破堵塞研究現狀及存在的問題》論文成果，就黃土層積水孔堵塞作用及技術參數進行了專題研究，認為炮孔在爆破前進行堵塞具有三個方面的作用。一是堵塞可以降低爆生氣體運動速度，延長爆生氣體在孔內作用時間；二是堵塞物可加強對沖擊波的衰減作用；三是堵塞物填實后，可加強堵塞物與孔壁的摩擦力，在沖擊波的作用下堵塞物的顆粒發生互相錯移，產生新的粘結力，產生側向膨脹，與孔壁成為一體，不但有利于爆炸能量的聚集，而且延長了它對巖石的作用時間，同時能改變藥包最小抵抗線方向，人為地將爆炸能量最大限度地引至目標方向，而把非目標方向的能量損失減少到最低程度。

基于科技成果的指導，對潞安黃土測區三維地震勘探孔內積水沖擊水柱的問題，采用了三個方面的技術措施：

1、抽水

為了最大限度地減少孔內積水沖擊力，鉆機成孔后，用鉆機壓井式水泵抽取孔內積水，使水位降低3-5米。

2、埋孔

在抽水、降低水位的基礎上，用細粒干黃土填塞孔，具體要求是，每當向孔內填塞3-5鐵鍬黃土后，用鍬把搗實一次被填黃土，如此反復直至填滿填實，以加強填塞物與孔壁間的摩擦力和粘結指數。如果孔內積水沒有顯然下降，埋孔時用干土吸水、排水，用鍬把先把孔內積水變成泥漿，再填土使孔內堵塞物成為濕土，直至用鍬把把孔內填土搗實。

3、壓沙袋

在填埋孔的基礎上，對高壓線四周炮孔還采用了壓沙袋措施，具體壓制方式和數量如井口壓沙袋示意圖，具體方法是將井口爆炸線捆在沙袋上，采用沙袋與爆炸線捆綁制，防止爆炸線飛起，搭在高壓線上。第二是在第一袋沙袋的基礎上，再壓一袋沙土，加強井口壓力，抑制爆破沖擊力。

通過采用以上三個方面的措施，測區10000多個炮井中僅有10個炮井有沖起物，沖起物高度不夠3米，沖起物的運動速度和能量大為減少，對測區高壓線、人和設備器材沒有構成危害，實現了安全生產。

六、論證成果

通過對地震勘探爆破安全生技術產條件的研究與論證，筆者在保證地震勘探爆破安全方面取得了三個方面的成果。

〔一〕地震勘探爆破屬于危險性作業，強化安全生產技術條件論證是實現地震勘探爆破安全作業必不可少的工作

長期以來人們在地震勘探工作中只注重現場采集資料質量，對地震勘探放炮產生的危害現象缺乏足夠的熟