數碼電子雷管在高瓦斯隧道光面爆破中的應用研究

羅 世 剛

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

根據我國“十四五”基礎設施建設任務的規劃，眾多工程項目建設趨向于向高寒、高海拔等復雜偏遠地區推進，越來越多的特長鐵路、公路隧道工程將穿越煤氣田等富含瓦斯地層，伴隨而來的問題是施工難度越來越大，施工安全風險越來越高。尤其是川藏鐵路的全線開工建設，將面臨高寒高海拔、高地應力、高地溫、高瓦斯等不良地質問題。因此，如何確保施工安全，提高工程質量是所有工程建設人員面臨的巨大挑戰。

針對高瓦斯隧道的爆破開挖施工，目前我國通常使用Ⅲ級礦用乳化炸藥和煤礦許用毫秒延期電雷管作為主要炸材。根據成都軌道交通18號線龍泉高瓦斯隧道工程實例得知常規的爆破方法在高瓦斯隧道施工的實際應用中存在諸多限制因素：電雷管最后一段的延期時間不得大于130 ms，即通常情況下雷管的延期段位不能超過5段。而針對大斷面高瓦斯隧道的爆破施工，其爆破所需雷管段位多，但由于雷管延期段位的限制，需要進行多次爆破，不但影響施工進度，而且增加了施工安全風險；同時，由于周邊孔不能間隔裝藥，將導致無法有效控制隧道光面爆破的效果，超欠挖嚴重，進而增加了隧道建設成本。根據常規采用的爆破方法，為避免電雷管火花引燃瓦斯，需要孔內延期而導致雷管使用量大，同時亦不利于排查爆破網絡連線問題，不利于控制爆破質量。

基于此，大斷面高瓦斯隧道工程中如何選取合適的爆破器材就顯得尤為重要，將直接影響到爆破效果。而數碼電子雷管具有本質安全性能[2]，雷管延期時間精度高，延期時間可根據需要精準調節等優點，在延期段位上相較于傳統方式可以增加爆破延期段位，同時亦可滿足雷管起爆最大延期不超過130 ms的時間規定限制，其爆破網絡的連接更為簡單，爆破施工更加安全。筆者就采用數碼電子雷管實現高瓦斯隧道光面爆破進行了研究與探討，提出了一種新的爆破設計思路。

2 數碼電子雷管的基本情況

數碼電子雷管是一種可以任意設定并準確實現延期發火時間的新型電雷管，采用一個小型電路板取代普通雷管中的化學延期藥與電點火元件[3]。其核心原件是微型電子定時器，它將普通電雷管采用延期藥進行延期時間控制更新換代為采用電信號進行延期時間控制，極大地提高了延期精準度，而且可以通過控制通往引火頭的電源，最大限度地降低由引火頭能量需求差異引起的延期誤差[4]。每只雷管的延期時間可按毫秒量級進行編程設定，其延期精度可控制在±0.2 ms，即相鄰炮孔的起爆延期時間最大可能相隔0.4 ms[5]。在高瓦斯隧道施工中單次爆破藥量較大時，為減小爆破振動，可以通過調整前后段位的爆破時間差，使前一段位與后一段位的爆破振動波峰和波谷相疊加，從而產生干擾疊加，以達到較小爆破振動的效果[6]。

3 光面爆破的基本情況

光面爆破是一種控制爆破技術，通過光面爆破可以最大程度地保證開挖輪廓線與設計線吻合，是一種減少超欠挖的有效手段。在隧道爆破開挖過程中，是解決圍巖超欠挖問題、節約工程施工成本的有效措施。光面爆破按照掏槽眼、輔助眼、周邊眼和底板眼分區逐次順序起爆，最終形成較為平整的開挖輪廓面。其原理是在設計開挖線按照一定間距鉆設與最小抵抗線相匹配的周邊眼，在掏槽眼和輔助眼相繼起爆后若干個周邊孔內的炸藥同時起爆從而形成平整的開挖面。由于光面爆破的實施效果顯著，目前已在常規隧道施工中廣泛應用。而在高瓦斯隧道爆破開挖施工中，由于受規范條款限制，尚未實現真正意義上的光面爆破施工。可以相信，隨著數碼電子雷管的逐步推廣應用，依據數碼電子雷管的優點，結合現有施工技術手段，可以為高瓦斯隧道實現真正意義上的光面爆破施工提供一種可能。

4 高瓦斯隧道光面爆破的設計

根據高瓦斯隧道爆破施工的現狀及已有的工程經驗，筆者對采用數碼電子雷管進行高瓦斯隧道光面爆破的施工流程和關鍵工序進行了探究。

4.1 高瓦斯隧道光面爆破施工流程

高瓦斯隧道光面爆破施工流程為：測量放線→臺車就位→鉆孔→瓦斯檢測→裝藥與堵孔→連線→瓦斯檢測→起爆與通風散煙→瓦斯檢測→出渣、排險→下一循環。

(1) 測量放線。由測量工程師在掌子面標識出炮孔位置、深度及方向；

(2) 臺車就位。將作業臺車移動至隧道掌子面位置，施工作業人員通過便攜式瓦檢儀檢測瓦斯濃度，待瓦斯濃度小于0.5%時開始作業；

(3) 鉆孔。采用鑿巖機或多臂鉆按照爆破設計方案鉆孔，掏槽孔、周邊孔鉆孔超深30 cm；采用濕式鉆孔方法并及時清孔；

(4) 瓦斯檢測。裝藥前需檢測瓦斯濃度，待瓦斯濃度小于0.5%時方可進行裝藥；

(5) 裝藥與堵孔。掏槽孔和輔助孔裝藥：將第一節藥卷與安全導爆索綁牢后用炮棍裝至孔底，然后連續裝入炸藥并用黏土炮泥堵孔，安全導爆索預留長度不小于50 cm；周邊孔裝藥：將第一節水炮泥與安全導爆索綁牢[7]，裝至孔底，然后按照炸藥、水炮泥的順序交替裝藥，孔口用黏土炮泥堵孔，孔外預留的安全導爆索長度不小于50 cm；

(6) 連線。按爆破段位將預留導爆索連接起來，然后按段位每間隔約20個炮孔連接一枚數碼電子雷管，最后將數碼電子雷管的腳線連接形成串聯起爆電路并進行起爆網絡的檢測；

(7) 瓦斯檢測。爆破前檢測瓦斯濃度小于0.5%；

(8) 起爆與通風散煙。警戒、撤離，然后起爆，爆破后進行通風散煙；

(9) 瓦斯檢測。通風散煙20 min后進行瓦斯濃度檢測，其濃度需小于0.5%；

(10) 出渣、排險；

(11) 下一循環。

4.2 關鍵工序施工技術探究

(1)鉆設炮孔。瓦斯隧道的開挖應根據圍巖地質條件、循環進尺要求等進行鉆爆設計。鉆爆設計應根據每循環揭露的圍巖地質情況和爆破效果進行動態設計。瓦斯隧道鉆孔過程中應隨時檢測洞內的瓦斯濃度。

鉆爆設計應包括炮眼的布置、深度、斜率和數量，爆破器材、裝藥量和裝藥結構，起爆方法和爆破順序等內容。為保證施工人員的安全，鉆孔之前必須進行一次施工作業面瓦斯濃度檢測，待瓦斯濃度小于0.5%時方可開始鉆孔施工。采用鑿巖機或多臂鉆鉆設炮孔。根據已有施工經驗數據，由于礦用乳化炸藥的爆力較常規炸藥低，因此，其鉆孔間距以相對于常規隧道小5～10 cm為宜。瓦斯隧道光面爆破周邊孔的鉆孔間距：軟質巖(Ⅳ類以下)鉆孔間距為30～45 cm，硬巖(Ⅱ類、Ⅲ類)鉆孔間距為40～50 cm，極硬巖(I類)鉆孔間距為50～55 cm，必須將鉆孔誤差控制在±5 cm，抵抗線厚度大于鉆孔間距10 cm左右。根據已有工程經驗，為提高周邊孔爆破效果，針對瓦斯隧道，其炮孔深度較開挖進尺深度加深約30 cm，周邊孔加深部分的孔底采用水炮泥堵塞。

(2)裝藥。根據相關規范要求，瓦斯隧道的爆破裝藥需采用連續裝藥結構。但對于周邊孔而言，若要進行光面爆破、提高爆破質量，需要采取間隔裝藥結構。

鑒于高瓦斯隧道光面爆破施工的炸藥需采用Ⅲ級煤礦許用乳化炸藥，為解決上述問題，周邊孔裝藥時，孔底可采用水炮泥與安全導爆索綁牢后裝至孔底，再按照炸藥、水炮泥交替間隔放置的形式形成間隔裝藥結構，即水炮泥間隔裝藥，水炮泥的長度可根據間隔長度需要進行定制，從而解決了空氣間隔裝藥需要采用竹片定位的問題，孔口用黏土炮泥堵孔。

水炮泥的作用：可以增大孔內應力波的壓力及作用時間；可以延長爆生氣體作用時間；可以保證孔內炸藥充分反應；可以降低爆破后的粉塵濃度；可以降低單位梯級巖石炸藥消耗量[8]。

黏土炮泥的作用：孔口處采用黏土炮泥封堵，可以充分利用爆轟氣體壓力提高爆破質量，同時也避免了爆破火花與瓦斯直接接觸而導致發生瓦斯事故。

(3)起爆網絡的連接。目前我國使用的延期雷管大多采用化學藥劑作為延期體。而藥劑延期存在時間不準、延期時間一致性差、儲存時間短等缺陷[9]，而且延期藥粉燃燒時會產生火花，因此，為避免延期電雷管引燃瓦斯，瓦斯隧道爆破施工用的電雷管需要孔內延期，不利于爆破網絡連接質量的檢查。

常規隧道施工采用導爆索和雷管形成起爆網絡目前已取得廣泛應用。而高瓦斯隧道起爆網絡若全部采用雷管，雷管的使用量大，爆破成本高。但采用煤礦許用導爆索配合數碼電子雷管可以解決這個問題。煤礦許用導爆索是一種專供防止瓦斯和煤塵爆炸危險的井下使用的所謂“安全導爆索”[10]。這種導爆索與普通導爆索的區別是在藥芯和包覆層內加入了消焰劑，起到了類似于煤礦安全炸藥和被筒炸藥的作用[11]；而且數碼電子雷管是通過電信號控制雷管延期時間，不會產生火花。因此，在瓦斯隧道施工過程中，采用煤礦許用導爆索與數碼電子雷管可以按照常規隧道施工的方法進行爆破網絡設計，即同一段位的炮孔采用安全導爆索連線、對應段位的數碼電子雷管引爆的方式，從而減少了雷管的使用量，可以大大節省爆破成本。

根據已有施工經驗，采用煤礦許用導爆索和數碼電子雷管形成爆破網絡，按照每間隔不大于20個炮孔連接一發數碼電子雷管、每一段位的數碼電子雷管延期時間一致布置，然后將數碼電子雷管的腳線串聯連線，即可按照常規隧道爆破網絡進行連線起爆。

4.3 數碼電子雷管具有的優勢

對于高瓦斯隧道爆破施工，當采用數碼電子雷管起爆時，炮孔的位置以及孔內的炸藥用量與采用煤礦許用毫秒延期電雷管網絡起爆是一致的。由于數碼電子雷管具備延期時間任意調節的功能，且其延期時間通過電信號控制，延期時間精度高，數碼電子雷管相對于煤礦許用毫秒電雷管的優勢明顯。可以通過縮短相鄰段位延期時間、增加爆破段別的方式，只要其最后一段的延期時間設定不超過130 ms便可滿足瓦斯隧道施工規范；結合安全導爆索，可以實現周邊孔間隔裝藥，實現高瓦斯隧道真正意義的光面爆破；且數碼電子雷管通過電信號控制延期時間，不會產生火花，可以孔外起爆，能夠節約雷管用量，降低施工成本。

5 結 語

根據上述提出的采用數碼電子雷管進行高瓦斯隧道光面爆破的設計思路，瓦斯隧道采用安全導爆索和數碼電子雷管進行爆破網絡設計、孔外延期起爆的方案在理論上可行。其實施效果應在工程中進行試驗予以驗證。