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摘要：在爆破有害效应中,人们常常忽视矿山爆破所产生的空气超压的影响。这篇文章根据泰玛士矿山爆破实践和测量数据，讨论形成爆破超压的五种形式，即空气冲击波衰减、空气压缩脉冲、岩体压缩脉冲、气体冲泄脉冲和封填冲泄脉冲，其本质是炸药爆轰能量激发空气扰动在空气中传播并随着传播距离增加而衰减；研究了爆破超压的度量和观测、有害效应和安全标准；按照爆破超压预测公式对测量数据进行回归分析，得出了适合该矿山的现场系数和衰减指数。既使爆破振动水平控制得很低,也会因为爆破超压的叠加放大作用而引起周边人员的反感和报怨，这是在矿山爆破设计和施工中值得注意的问题。
关键词：空气超压；爆破振动；空气冲击波；爆破噪音；频率；回归分析；矿山爆破
中图分类号：TB41文献标识码： A 文章编号
泰玛士矿业（湖州）有限公司主要从事建筑石料用灰岩的开采加工，矿山上部+15M至+160M水平为山坡露天开采，+15M水平以下进入凹陷露天开采。由于矿山南部150米至300米范围内有大量民居，其建筑结构多为砖混结构，多二、三层的小楼，而且民居的地基标高为+10m左右，这对于凹陷露天开采的爆破振动控制，带来不利。矿山爆破人员采取了许多技术措施，将爆破振动控制到一个较低的水平。统计117起生产爆破振动测量数据（如表1所示）可以看出，峰值质点振动速度矢量和平均为5.9mm/s，平均振动频率为35～59Hz，其中振动速度大于10mm/s仅有13起。对照各种爆破振动安全标准（不论是国家标准GB6722-2003，还是欧美发达国家的标准，如美国的USBM-RI8507或德国的DIN-4150标准），这样的爆破振动，对矿山周边的村居建筑来说应是无碍的。但是，村民却仍不断有报怨，为什么呢？是不是应当从爆破有害效应的其他因素中寻找答案呢？
爆破空气冲击波与爆破超压
国内关于爆破空气冲击波的研究主要是从裸露爆破、地表大药量爆炸加工两个方面出发[1]，认为药包在空气中爆炸，瞬间的爆炸产物在空气中直接膨胀，形成压力很高的冲击波并在空气中传播，然后迅速衰减，蜕变为声波，由各种不同频率、不同强度的声音无规律地组合在一起。
进一步研究表明，引起人的听觉的空气振动频率为20Hz至20000Hz，爆破空气冲击波衰减到后来，由20Hz以上可听的部分和20Hz以下的不可听部分组成，总体称为爆破超压(Overpressure)，而把高于20Hz以上的部分叫爆破噪音（Noise）。
从爆破能量分布的研究来看，爆破中的炸药能量除了用于破岩外，还有相当一部分消耗在对周围环境的影响，造成爆破震动等有害效应。爆破震动在地层中传播形成爆破振动（Vibration），在空气中传播形成空气冲击波(Airblast)，后者快速衰减为爆破超压(Overpressure)，其中伴随着爆破噪音(Noise)。
矿山深孔爆破产生爆破超压
爆破超压除了炸药在空气中祼爆产生的空气冲击波衰减而成外，矿山中深孔爆破中也能直接产生，主要来源于以下四个方面[2]：
(1)空气压缩脉冲（APP：air pressure pulse）:台阶自由面岩
体向上、向前鼓包及移动瞬间压缩周围空气产生，如图1示，左图为起爆前台阶面，右图为起爆瞬间岩体从台阶面向上和向前鼓起抛移。
图1 泰玛士矿山爆破起爆瞬间台阶面变化
Fig.1 Face to the detonation in quarry blasting from Tarmac
(2)岩体压缩脉冲（RPP：rock pressure pulse）：爆破振動沿着岩体传播过程中，其竖直分量的纵波在地表激发周围空气而产生，如图2所示。它是爆破空气冲击波测量中最先收到的信号；
图2 RPP的形成示意
Fig.2 Rock pressure pulse
图3 GRP的形成示意
Fig.3 Gas release pulse
(3)气体冲泄脉冲（GRP：gas release pulse）:炮孔周围自由面软弱岩层或裂隙造成爆轰高压气体冲泄而产生，如图3所示；
(4)封填冲泄脉冲（SRP：stemming release pulse）:炮孔充填缺陷造成爆轰高压气体冲孔而产生，如图4所示。
图4SRP的形成示意
Fig.4 Stemming release pulse
正常情况下，矿山深孔爆破中的爆破超压一般由前两种即空气压缩脉冲（APP）和岩石压缩脉冲（RPP）形成。图5是泰玛士矿山编号为YB86的爆破测量结果，由A、B图组成，其中A图是爆破振动纵向波测图，B图是爆破超压波测图。
B图中的左侧是RPP ，其形成与A图爆破振动纵向波在地表传播有关，它们的频率、传播速度都较高，同时到达测量仪器并被接收，而强度较小，测值一般小于100dBL；B图中右侧是APP，一般以声速334m/s传播，比RPP慢得多，频率也较小，但强度较大，一般形成峰值并成为爆破空气超压的主要组成部分。本图测量值为113dBL。
图5 泰玛士矿山爆破的振动和超压波形图
Fig.5 Viberation and overpressure in quarry blasting from Tarmac
气体冲泄脉冲GRP和封填冲泄脉冲SRP产生于裂隙、软岩层或封孔缺陷，也可能是祼炮或二次爆破造成，其特征是具有很高的频率并通过叠加放大了APP与RPP的峰值，也会带来更大的爆破噪音,甚至产生飞石之类更危险的危害。这些是非正常爆破的结果。
爆破超压的度量和观测
爆破超压或爆破噪音都是一种压力波，它们的测量单位应都是帕（Pa）。因为该测量单位表示数字变化范围太大，为了使用方便，从电工学引进一个成倍比例关系的对数量“声压级”（dBL）来表示，其换算公式为：
Lp=20×log10(P/P0)……………………………………………(1)
式（1）中：
Lp----声压级，dBL；
P----测量声压， Pa；
P0----基准声压，2×10-5Pa。
工程实践中，爆破超压和爆破噪音的测量仪器不同，测值单位和测量值也不同。爆破超压直接使用单位dBL（或缩写为dB），主要记录2～250Hz的信号；而衡量环境健康的噪音测量则要计权而滤去较多低频成分，常用特性曲线接近于人耳的听感特性的A计权声级，计量单位为dBA。从它们的频段构成或从测量计量的角度来说，前者包含后者。对于同一爆破测量结果，爆破超压值可能达到95dBL，但爆破噪音值可能只有60dBA。应区分它们的不同。
泰玛士矿山利用一台仪器对爆破超压和爆破振动同时进行观测，该仪器全称Compact Texcel Monitor (CTM)，是测量爆破振动和超压的专用仪器；观测站布置在离矿最近的村居周围，现场浇筑混凝土平台，其尺寸为0.40m×0.40m，厚度0.50m，周围覆土压实；观测时，将仪器对正爆破方向架设，将传感器整平紧固在平台上用于测振，同时连接麦克风用于测压，应注意将麦克风套上风罩以消除风噪；其观测数据包括：爆破振动速度的径向、切向和纵向三个矢量分量值及其对应的主震频率，峰值速度矢量和，以及爆破超压，观测数据见表1。
爆破超压的安全标准
一般来说，爆破空气冲击波会直接造成建筑结构的损坏，但当其迅速衰减为爆破空气超压，会带来震动和噪音。其安全标准是什么呢?
我国国家标准《爆破安全规程》GB6722-2003规定城镇爆破中每一个脉冲噪音控制在120dB以下，复杂环境由安全评估确定[3]；另有研究表明：爆破噪音声压级为140dB以上定义为空气冲击波，作为“无损坏”界限；120dB作为“疼痛阈”界限，90dB以下为安全区[4]。上述标准应是噪音计量单位dBA而非超压计量单位dBL。
而国外对爆破超压研究较早，但还没有一个统一的安全标准，下表中列示一些国家机构或公司对爆破超压危害研究成果如表2所示。
爆破超压的预测公式
爆破超压水平的预测公式[5]，通常如下：
P= C×(D/W(⅓))-a ……………………………………………(2)
式（2）中：
P----爆破超压，单位为千帕（KPa）；
D----测量位置到爆破点距离，单位为米（m）；
W----延时爆破最大一段装药量，单位为千克（kg）；
C、a----分别为现场系数和衰减指数，与爆破参数如孔距，抵抗线、爆破顺序和延时间隔以及爆点至测点的地形气象等条件有关。
对表1中爆破测量数据进行回归统计，如图6所示，结果表明，泰玛士矿山的现场系数C=0.03，衰减指数a=-0.23，则该矿山爆破超压的预测公式为：
P=0.03×(D/W(⅓))-0.23 ……………………………………………(3)
图6 泰玛士矿山爆破超压测量数据回归统计分析
Fig.6 The regression analysis for survey data in quarry blasting from Tarmac
结论
如果泰玛士矿山按照其标准爆破设计，最大段装药50kg，根据公式(3)计算在200米处产生爆破超压应为0.012KPa，再按公式(1)折算为115dBL。
从表1的测量数据来看，该矿山的爆破超压平均值为114.6dBL，统计的117起爆破中，有17次超过120dBL，其中，最高为126.2dBL。
对照爆破超压的安全标准，这显然不会给建筑物造成结构损害，但它与爆破振动共同作用于附近多为二层楼结构房屋时，情况就有异常了。通常每次爆破时，爆破振动最先传过来，作用于房屋的地面基础，接着爆破超压传过来，作用于房屋的顶棚和窗户，既加大了震动强度，又延长了震动时间。同一建筑物，相对于建筑物外，人们会感到震动在建筑物内要大得多；同一建筑物内，楼上比楼下震动又要大得多。再加上爆破噪音，更是从人的心里上放大了爆破震动不良预期，最终使人产生恐惧和不适，村民的不断报怨由此而来。所以矿山爆破中，应同控制爆破振动一样，注意爆破超压的有害效应，特别是它们共同作用、相互叠加放大对人心里的冲击影响。
几点建议
从矿山深孔爆破产生爆破超压的来源和预测公式的分析来看，爆破超压受影响的因素有：装药量和爆破距离、爆破有效抵抗线大小和方向、充填高度和质量、爆破顺序和延时间隔、地形条件和气象条件。为了减小爆破超压的影响，在爆破设计和施工中应注意以下几点：
如果不能缩小爆破区域到保护对象之间的距离，则应减小最大起爆段药量，这和控制爆破振动是一致的。
控制合适的前排抵抗线和孔口充填质量，防止爆破气体冲孔早泄。应特别注意裂隙、软弱岩层在爆破中的漏气影响。
禁止采用裸露爆破、二次爆破；尽量不使用导爆索铺设起爆网络，如果避免不了，应用砂或石子覆盖；当地表使用导爆雷管时，也应覆盖。
爆破抛擲方向和起爆顺序应背离敏感区域。逐孔延时的间隔应不小于12ms，且延时与孔距之比应大于5ms/m[6]，以避免不同延时段产生爆破超压的叠加放大。
爆破超压或爆破噪音是在空气中传播，当遇到障碍阻挡时，会产生屏蔽减小作用；而在狭谷或巷道地形中则会产生聚焦放大作用。应区分这种不同地形条件影响。
最后还应注意气象条件的影响，如顺风朝向村居或出现大气逆温时，爆破超压传向天空的部分会在风吹或逆温层反射而变向返回地表，都会显著提高区域性声压水平。
参考文献：
[1]于亚伦.工程爆破理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2007：456-457.
[2] Orica Technical Services Safe and efficient blasting in open cut mines[M] .Australia:Orica Pty A C N 004 117 828,1998： 10.
[3] GB6722-2003 爆破安全规程[S].北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2003:111.
[4] 顾毅成.爆破工程施工与安全[M].北京：冶金工业出版社，2007:235-236.
[5] The University of Leeds.Full scale investigation into the origins and prediction of air overpressure from quarry blasting[M] .UK:Blast Log Ltd,2011:2-3.
[6]BROOK C , FARNFIELD R A,BIRCH W J. Opencast blasting and the environment[J]. The Mining Engineer, 1988(12):253.
作者简介：沈大文(1967-)，男，浙江省湖州人，工学学士，从事矿山开采安全技术方向研究。
关键词：空气超压；爆破振动；空气冲击波；爆破噪音；频率；回归分析；矿山爆破
中图分类号：TB41文献标识码： A 文章编号
泰玛士矿业（湖州）有限公司主要从事建筑石料用灰岩的开采加工，矿山上部+15M至+160M水平为山坡露天开采，+15M水平以下进入凹陷露天开采。由于矿山南部150米至300米范围内有大量民居，其建筑结构多为砖混结构，多二、三层的小楼，而且民居的地基标高为+10m左右，这对于凹陷露天开采的爆破振动控制，带来不利。矿山爆破人员采取了许多技术措施，将爆破振动控制到一个较低的水平。统计117起生产爆破振动测量数据（如表1所示）可以看出，峰值质点振动速度矢量和平均为5.9mm/s，平均振动频率为35～59Hz，其中振动速度大于10mm/s仅有13起。对照各种爆破振动安全标准（不论是国家标准GB6722-2003，还是欧美发达国家的标准，如美国的USBM-RI8507或德国的DIN-4150标准），这样的爆破振动，对矿山周边的村居建筑来说应是无碍的。但是，村民却仍不断有报怨，为什么呢？是不是应当从爆破有害效应的其他因素中寻找答案呢？
爆破空气冲击波与爆破超压
国内关于爆破空气冲击波的研究主要是从裸露爆破、地表大药量爆炸加工两个方面出发[1]，认为药包在空气中爆炸，瞬间的爆炸产物在空气中直接膨胀，形成压力很高的冲击波并在空气中传播，然后迅速衰减，蜕变为声波，由各种不同频率、不同强度的声音无规律地组合在一起。
进一步研究表明，引起人的听觉的空气振动频率为20Hz至20000Hz，爆破空气冲击波衰减到后来，由20Hz以上可听的部分和20Hz以下的不可听部分组成，总体称为爆破超压(Overpressure)，而把高于20Hz以上的部分叫爆破噪音（Noise）。
从爆破能量分布的研究来看，爆破中的炸药能量除了用于破岩外，还有相当一部分消耗在对周围环境的影响，造成爆破震动等有害效应。爆破震动在地层中传播形成爆破振动（Vibration），在空气中传播形成空气冲击波(Airblast)，后者快速衰减为爆破超压(Overpressure)，其中伴随着爆破噪音(Noise)。
矿山深孔爆破产生爆破超压
爆破超压除了炸药在空气中祼爆产生的空气冲击波衰减而成外，矿山中深孔爆破中也能直接产生，主要来源于以下四个方面[2]：
(1)空气压缩脉冲（APP：air pressure pulse）:台阶自由面岩
体向上、向前鼓包及移动瞬间压缩周围空气产生，如图1示，左图为起爆前台阶面，右图为起爆瞬间岩体从台阶面向上和向前鼓起抛移。
图1 泰玛士矿山爆破起爆瞬间台阶面变化
Fig.1 Face to the detonation in quarry blasting from Tarmac
(2)岩体压缩脉冲（RPP：rock pressure pulse）：爆破振動沿着岩体传播过程中，其竖直分量的纵波在地表激发周围空气而产生，如图2所示。它是爆破空气冲击波测量中最先收到的信号；
图2 RPP的形成示意
Fig.2 Rock pressure pulse
图3 GRP的形成示意
Fig.3 Gas release pulse
(3)气体冲泄脉冲（GRP：gas release pulse）:炮孔周围自由面软弱岩层或裂隙造成爆轰高压气体冲泄而产生，如图3所示；
(4)封填冲泄脉冲（SRP：stemming release pulse）:炮孔充填缺陷造成爆轰高压气体冲孔而产生，如图4所示。
图4SRP的形成示意
Fig.4 Stemming release pulse
正常情况下，矿山深孔爆破中的爆破超压一般由前两种即空气压缩脉冲（APP）和岩石压缩脉冲（RPP）形成。图5是泰玛士矿山编号为YB86的爆破测量结果，由A、B图组成，其中A图是爆破振动纵向波测图，B图是爆破超压波测图。
B图中的左侧是RPP ，其形成与A图爆破振动纵向波在地表传播有关，它们的频率、传播速度都较高，同时到达测量仪器并被接收，而强度较小，测值一般小于100dBL；B图中右侧是APP，一般以声速334m/s传播，比RPP慢得多，频率也较小，但强度较大，一般形成峰值并成为爆破空气超压的主要组成部分。本图测量值为113dBL。
图5 泰玛士矿山爆破的振动和超压波形图
Fig.5 Viberation and overpressure in quarry blasting from Tarmac
气体冲泄脉冲GRP和封填冲泄脉冲SRP产生于裂隙、软岩层或封孔缺陷，也可能是祼炮或二次爆破造成，其特征是具有很高的频率并通过叠加放大了APP与RPP的峰值，也会带来更大的爆破噪音,甚至产生飞石之类更危险的危害。这些是非正常爆破的结果。
爆破超压的度量和观测
爆破超压或爆破噪音都是一种压力波，它们的测量单位应都是帕（Pa）。因为该测量单位表示数字变化范围太大，为了使用方便，从电工学引进一个成倍比例关系的对数量“声压级”（dBL）来表示，其换算公式为：
Lp=20×log10(P/P0)……………………………………………(1)
式（1）中：
Lp----声压级，dBL；
P----测量声压， Pa；
P0----基准声压，2×10-5Pa。
工程实践中，爆破超压和爆破噪音的测量仪器不同，测值单位和测量值也不同。爆破超压直接使用单位dBL（或缩写为dB），主要记录2～250Hz的信号；而衡量环境健康的噪音测量则要计权而滤去较多低频成分，常用特性曲线接近于人耳的听感特性的A计权声级，计量单位为dBA。从它们的频段构成或从测量计量的角度来说，前者包含后者。对于同一爆破测量结果，爆破超压值可能达到95dBL，但爆破噪音值可能只有60dBA。应区分它们的不同。
泰玛士矿山利用一台仪器对爆破超压和爆破振动同时进行观测，该仪器全称Compact Texcel Monitor (CTM)，是测量爆破振动和超压的专用仪器；观测站布置在离矿最近的村居周围，现场浇筑混凝土平台，其尺寸为0.40m×0.40m，厚度0.50m，周围覆土压实；观测时，将仪器对正爆破方向架设，将传感器整平紧固在平台上用于测振，同时连接麦克风用于测压，应注意将麦克风套上风罩以消除风噪；其观测数据包括：爆破振动速度的径向、切向和纵向三个矢量分量值及其对应的主震频率，峰值速度矢量和，以及爆破超压，观测数据见表1。
爆破超压的安全标准
一般来说，爆破空气冲击波会直接造成建筑结构的损坏，但当其迅速衰减为爆破空气超压，会带来震动和噪音。其安全标准是什么呢?
我国国家标准《爆破安全规程》GB6722-2003规定城镇爆破中每一个脉冲噪音控制在120dB以下，复杂环境由安全评估确定[3]；另有研究表明：爆破噪音声压级为140dB以上定义为空气冲击波，作为“无损坏”界限；120dB作为“疼痛阈”界限，90dB以下为安全区[4]。上述标准应是噪音计量单位dBA而非超压计量单位dBL。
而国外对爆破超压研究较早，但还没有一个统一的安全标准，下表中列示一些国家机构或公司对爆破超压危害研究成果如表2所示。
爆破超压的预测公式
爆破超压水平的预测公式[5]，通常如下：
P= C×(D/W(⅓))-a ……………………………………………(2)
式（2）中：
P----爆破超压，单位为千帕（KPa）；
D----测量位置到爆破点距离，单位为米（m）；
W----延时爆破最大一段装药量，单位为千克（kg）；
C、a----分别为现场系数和衰减指数，与爆破参数如孔距，抵抗线、爆破顺序和延时间隔以及爆点至测点的地形气象等条件有关。
对表1中爆破测量数据进行回归统计，如图6所示，结果表明，泰玛士矿山的现场系数C=0.03，衰减指数a=-0.23，则该矿山爆破超压的预测公式为：
P=0.03×(D/W(⅓))-0.23 ……………………………………………(3)
图6 泰玛士矿山爆破超压测量数据回归统计分析
Fig.6 The regression analysis for survey data in quarry blasting from Tarmac
结论
如果泰玛士矿山按照其标准爆破设计，最大段装药50kg，根据公式(3)计算在200米处产生爆破超压应为0.012KPa，再按公式(1)折算为115dBL。
从表1的测量数据来看，该矿山的爆破超压平均值为114.6dBL，统计的117起爆破中，有17次超过120dBL，其中，最高为126.2dBL。
对照爆破超压的安全标准，这显然不会给建筑物造成结构损害，但它与爆破振动共同作用于附近多为二层楼结构房屋时，情况就有异常了。通常每次爆破时，爆破振动最先传过来，作用于房屋的地面基础，接着爆破超压传过来，作用于房屋的顶棚和窗户，既加大了震动强度，又延长了震动时间。同一建筑物，相对于建筑物外，人们会感到震动在建筑物内要大得多；同一建筑物内，楼上比楼下震动又要大得多。再加上爆破噪音，更是从人的心里上放大了爆破震动不良预期，最终使人产生恐惧和不适，村民的不断报怨由此而来。所以矿山爆破中，应同控制爆破振动一样，注意爆破超压的有害效应，特别是它们共同作用、相互叠加放大对人心里的冲击影响。
几点建议
从矿山深孔爆破产生爆破超压的来源和预测公式的分析来看，爆破超压受影响的因素有：装药量和爆破距离、爆破有效抵抗线大小和方向、充填高度和质量、爆破顺序和延时间隔、地形条件和气象条件。为了减小爆破超压的影响，在爆破设计和施工中应注意以下几点：
如果不能缩小爆破区域到保护对象之间的距离，则应减小最大起爆段药量，这和控制爆破振动是一致的。
控制合适的前排抵抗线和孔口充填质量，防止爆破气体冲孔早泄。应特别注意裂隙、软弱岩层在爆破中的漏气影响。
禁止采用裸露爆破、二次爆破；尽量不使用导爆索铺设起爆网络，如果避免不了，应用砂或石子覆盖；当地表使用导爆雷管时，也应覆盖。
爆破抛擲方向和起爆顺序应背离敏感区域。逐孔延时的间隔应不小于12ms，且延时与孔距之比应大于5ms/m[6]，以避免不同延时段产生爆破超压的叠加放大。
爆破超压或爆破噪音是在空气中传播，当遇到障碍阻挡时，会产生屏蔽减小作用；而在狭谷或巷道地形中则会产生聚焦放大作用。应区分这种不同地形条件影响。
最后还应注意气象条件的影响，如顺风朝向村居或出现大气逆温时，爆破超压传向天空的部分会在风吹或逆温层反射而变向返回地表，都会显著提高区域性声压水平。
参考文献：
[1]于亚伦.工程爆破理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2007：456-457.
[2] Orica Technical Services Safe and efficient blasting in open cut mines[M] .Australia:Orica Pty A C N 004 117 828,1998： 10.
[3] GB6722-2003 爆破安全规程[S].北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2003:111.
[4] 顾毅成.爆破工程施工与安全[M].北京：冶金工业出版社，2007:235-236.
[5] The University of Leeds.Full scale investigation into the origins and prediction of air overpressure from quarry blasting[M] .UK:Blast Log Ltd,2011:2-3.
[6]BROOK C , FARNFIELD R A,BIRCH W J. Opencast blasting and the environment[J]. The Mining Engineer, 1988(12):253.
作者简介：沈大文(1967-)，男，浙江省湖州人，工学学士，从事矿山开采安全技术方向研究。