穿越煤系地层钻爆法安全开挖研究

卢冰涛 LU Bing-tao

（中铁二十五局集团第四工程有限公司，柳州 545007）

1 项目背景及工程概况

贵州省某高速公路隧道，隧道开挖设计轮廓拱顶距拱底高度10.4m，宽13.4m，采用两台阶法开挖施工。隧道施工设计出口端穿过煤系地层，通过设计图纸及相关资料综合分析，距隧道出口758m 开始穿越煤系地层，穿煤段瓦斯含量高、瓦斯压力大，存在煤与瓦斯突出危险性。

2 钻爆法开挖施工

2.1 钻爆施工前的准备

①对开挖断面采用喷射混凝土封闭，防止瓦斯逸出及提高岩层的稳定性。

②洞内施工人员每人配备矿用安全帽、矿用工作服、矿灯、压缩氧自救器等防护自救装备。

2.2 爆破材料选择

2.2.1 炸药

根据《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》要求，瓦斯隧道开挖应使用安全等级符合要求的煤矿许用乳化炸药；同一施工面不得使用不同种类的炸药，严禁使用黑火药和冻结或半冻结的硝化甘油类炸药。所以本隧道煤系地层段开挖采用安全等级不低于三级的煤矿许用乳化炸药。

2.2.2 雷管

根据《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》要求，一般使用煤矿许用毫秒延期电雷管，并且最后一段延期时间不得超过130ms，不能跳段使用；同一施工面只能使用同厂家同品种的电雷管，严禁混合使用。所以本隧道煤系地层段开挖采用1～5 段煤矿许用毫秒延期电雷管。

2.2.3 起爆母线

采用具有良好绝缘和柔顺性的铜芯电缆横截面不低于1.5mm2，放炮母线长1000m（掌子面到洞外）。

2.2.4 起爆器

①启爆电压的计算：

I=E/（n/×r+r°）=1800/[118×1.5+25]=8.9A

I=8.9＞I/满足起爆要求。

式中：

I—通过串联电路中的总电流；E—放炮电源电压，E=1800V；n —电雷管组数，118 组；r—单发电雷管全电阻，4.5～6.0Ω，取6Ω；r°—母线电阻，取25Ω；I/—雷管准爆电流2A。

②起爆器。起爆器选用MFB-500 型防爆型放炮器或更大功率防爆型起爆器，采取上台阶大串联一次启爆。

2.3 主要技术参数

煤系地层采用三级煤矿许用乳化炸药，根据现场开挖断面围岩情况及《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》9.4.4 第10 条相关条文，本隧道煤系地层爆破采用两台阶法，以减少发生煤与瓦斯突出危险，并有利于施工通风。台阶长度约30～40m，上台阶一次起爆。主要技术参数如下：

①周边眼布置在巷道轮廓线内0.1m；

②底眼眼口比巷道底板高出0.1m，眼底位于底板巷道轮廓线上。

③掏槽眼每眼装药1.05kg；辅助眼每眼装药0.9kg；周边眼每眼装药0.45kg；底眼每眼装药0.75kg。根据煤矿施工手册的相关规定，爆破设计参数计算如下（隧道分两台阶开挖，本设计主要对上台阶断面爆破进行计算，下台阶单孔装药量同上台阶）。

表1 爆破原始条件表

④循环进尺主要根据地质条件及瓦斯情况综合考虑，本隧道过煤系地层段开挖每循环进尺不超过1.2m。

⑤炮眼施工及参数。炮眼采用YT-28 型风动凿岩机钻孔。炮眼直径d：采用Ø42mm 的钻孔。

炮眼深度L：根据围岩及瓦斯情况综合考虑，确定炮眼深度为1.2m，掏槽眼在其它炮眼深度的基础上加深20cm。

掏槽方式：采用斜眼楔形掏槽，开口角度控制在72°左右，掏槽眼间距0.4m。

周边眼间距E：周边眼应考虑0.03～0.05 的外插斜率，E 取55cm。

抵抗线w：根据施工经验取w=E/0.8，w 取68cm。

⑥炸药消耗量。

q =0.31×f×0.75×ex×L/（S1/3.d1/2）

式中：f——岩石硬度系数，f=4-6，取6；

ex——炸药类型系数，取0.5；

L——炮眼深度影响系数，取1.05；

S——巷道断面积，取80.2m2；

d——相对药卷直径，取0.032m。

则：q=0.31×6×0.75×0.5×1.05/（80.21/3×0.0321/2）=0.95kg/m3

⑦炮眼数量。

N=q×s×m×n/（x×p）

式中：N——炮眼数目，个；

q——单位炸药消耗量，取0.95kg/m3；

s——巷道掘进断面积，取80.2m2；

m——每个药卷长度，取0.3m；

n——炮眼利用率，取0.9；

x——炮眼装药系数，一般取0.5～0.7，取0.6；

p——每个药卷重量，取0.3kg。

经计算，炮眼数量为114 个。根据实践经验及现场岩性情况，实际设计炮眼118 个。

⑧每米炸药消耗量。

Q=qsLn

式中：q——单位炸药消耗量，取0.95kg/m3；

s——巷道掘进断面积80.2m2；

L——炮眼深度影响系数，取1.05；

n——炮眼利用率，取0.9。

Q=0.95×80.2×1.05×0.9=72kg

通过计算，每米炸药消耗量72kg，每循环炸药消耗量为72×1.2=86.4kg，根据地质条件及瓦斯情况综合考虑，循环开挖进尺控制在1.2m 以内，实际每循环炸药消耗量为85.8kg，在施工中需不断修订爆破参数，达到最佳爆破效果。炮眼布置见图1，装药量及起爆顺序见表2，预期爆破效果见表3。

表2 装药量及起爆顺序

表3 预期爆破效果表

图1 炮眼布置图

2.4 装药

2.4.1 装药结构

采用安全等级不低于三级的煤矿许用乳化炸药（规格尺Ø32mm×300mm）、煤矿许用毫秒延期电雷管，采取正向连续装药。装药结构示意图见图2。

图2 装药结构示意图

2.4.2 装药工艺

清孔：安装炸药前要确定孔内干净，一般采取一定压力风吹孔。

装药：安装炸药前要对雷管数量及段数一一核对，确定与施工设计相符合，施工人员必须严格按照施工设计中相应的装药次序、规格药量装药，药量与次序不可随意改变，药卷要送到孔底，用木棍或竹棍将起爆药包缓缓送入，防止装药过程中拉扯出雷管线和雷管。

堵孔：炮眼尾部先用粘土炮泥塞堵，再用水炮泥封堵余下炮眼部分，最后用粘土炮泥封实。炮眼深度与封孔长度，按照表4 要求施工。

表4 炮眼封堵长度

每一个炮眼的余下长度必须用炮泥全部塞堵，未用炮泥或炮眼未全部封孔、或炮眼封堵不密实，不得起爆，必须使用符合要求的不可燃性材料制作的炮泥。

2.5 爆破网路和连线

①应采用串联连接方式。放炮母线、连接线和雷管脚线之间的每一处连接必须连接牢固，严禁接头松动不牢固，明线处要有绝缘层包裹并悬空。放炮线不能使用绝缘层破损或裸线，不得有明接头。②放炮母线与隧道中的施工用线应尽可能分别布设于隧道的两侧。倘若不能分侧布设时，母线应布设挂于施工用线的下方，尤其是电缆线，并与其保持大于30 厘米的距离悬挂。③母线应采用导电性相对良好、施工安全方便的铜芯线，不得将其固定，应随用随悬挂。其长度按施工需要确定，但不应大于安全爆破距离。④应采用单回路爆破，母线绝缘性要好。⑤爆破前，放炮母线拉至规定放炮地点后，爆破工应用电爆网路全电阻测试仪检查电爆网路的全电阻值。

2.6 爆破及警戒

根据《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》和《爆破安全规程》的要求，煤系地层段开挖采取远距离爆破，执行相应的防护安全措施，爆破现场的安全警戒与封锁由相应的安全专职人员执行负责，各种警戒标识醒目、清晰明了。

2.7 安全检查

①钻孔前由瓦斯远程检测系统及专职瓦检员用光感式与四合一气体体检测仪对开挖断面20 米范围内瓦斯浓度、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳和氧气检测，结果达标方可钻孔施工。②钻孔中工班长全程跟班检测，瓦检员每2小时检测一次，检测仪器报警立即安排施工人员撤至安全区，待检测结果正常后方可继续施工。③起爆后至少通风30min（监控室瓦斯监控系统瓦斯浓度降至安全范围内，）后，由相应资质的“三员”（瓦检员、放炮员、安全员）一起进入隧道，对施工爆破面进行安全排除，检测通风、瓦斯浓度，查看哑炮、残炮等情况，并对遇到的不安全问题及时处理。特殊情况下先由煤矿专业救援队进入隧道排除问题，再由瓦检员、放炮员、安全员一同进入工作面进行上述工作。在确认瓦斯浓度小于0.45%，二氧化碳浓度小于0.45%后，方可由瓦检员通过洞内专用电话通知洞外负责人送电，随后解除警戒，施工人员及施工机械进入隧道，进行相关作业。

3 结语

本项目采用了煤层地质钻爆法安全开挖，并在火工用品的选择、炮眼的布设、爆破后相关安全指标的检测等方面制定相应的技术措施，并通过效果检验论证了钻爆法安全开挖技术措施的可行性，大大降低瓦斯段爆破开挖的不安全性，力保了瓦斯隧道的爆破开挖安全施工，合理的爆破安全技术措施也极大缩短瓦斯工区的施工周期，最大化地节省施工经济成本，并为类似的煤与瓦斯隧道爆破开挖施工提供借鉴和参考。