穿越煤系地層鉆爆法安全開挖研究

盧冰濤 LU Bing-tao

（中鐵二十五局集團第四工程有限公司，柳州 545007）

1 項目背景及工程概況

貴州省某高速公路隧道，隧道開挖設計輪廓拱頂距拱底高度10.4m，寬13.4m，采用兩臺階法開挖施工。隧道施工設計出口端穿過煤系地層，通過設計圖紙及相關資料綜合分析，距隧道出口758m 開始穿越煤系地層，穿煤段瓦斯含量高、瓦斯壓力大，存在煤與瓦斯突出危險性。

2 鉆爆法開挖施工

2.1 鉆爆施工前的準備

①對開挖斷面采用噴射混凝土封閉，防止瓦斯逸出及提高巖層的穩定性。

②洞內施工人員每人配備礦用安全帽、礦用工作服、礦燈、壓縮氧自救器等防護自救裝備。

2.2 爆破材料選擇

2.2.1 炸藥

根據《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》要求，瓦斯隧道開挖應使用安全等級符合要求的煤礦許用乳化炸藥；同一施工面不得使用不同種類的炸藥，嚴禁使用黑火藥和凍結或半凍結的硝化甘油類炸藥。所以本隧道煤系地層段開挖采用安全等級不低于三級的煤礦許用乳化炸藥。

2.2.2 雷管

根據《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》要求，一般使用煤礦許用毫秒延期電雷管，并且最后一段延期時間不得超過130ms，不能跳段使用；同一施工面只能使用同廠家同品種的電雷管，嚴禁混合使用。所以本隧道煤系地層段開挖采用1～5 段煤礦許用毫秒延期電雷管。

2.2.3 起爆母線

采用具有良好絕緣和柔順性的銅芯電纜橫截面不低于1.5mm2，放炮母線長1000m（掌子面到洞外）。

2.2.4 起爆器

①啟爆電壓的計算：

I=E/（n/×r+r°）=1800/[118×1.5+25]=8.9A

I=8.9＞I/滿足起爆要求。

式中：

I—通過串聯電路中的總電流；E—放炮電源電壓，E=1800V；n —電雷管組數，118 組；r—單發電雷管全電阻，4.5～6.0Ω，取6Ω；r°—母線電阻，取25Ω；I/—雷管準爆電流2A。

②起爆器。起爆器選用MFB-500 型防爆型放炮器或更大功率防爆型起爆器，采取上臺階大串聯一次啟爆。

2.3 主要技術參數

煤系地層采用三級煤礦許用乳化炸藥，根據現場開挖斷面圍巖情況及《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》9.4.4 第10 條相關條文，本隧道煤系地層爆破采用兩臺階法，以減少發生煤與瓦斯突出危險，并有利于施工通風。臺階長度約30～40m，上臺階一次起爆。主要技術參數如下：

①周邊眼布置在巷道輪廓線內0.1m；

②底眼眼口比巷道底板高出0.1m，眼底位于底板巷道輪廓線上。

③掏槽眼每眼裝藥1.05kg；輔助眼每眼裝藥0.9kg；周邊眼每眼裝藥0.45kg；底眼每眼裝藥0.75kg。根據煤礦施工手冊的相關規定，爆破設計參數計算如下（隧道分兩臺階開挖，本設計主要對上臺階斷面爆破進行計算，下臺階單孔裝藥量同上臺階）。

表1 爆破原始條件表

④循環進尺主要根據地質條件及瓦斯情況綜合考慮，本隧道過煤系地層段開挖每循環進尺不超過1.2m。

⑤炮眼施工及參數。炮眼采用YT-28 型風動鑿巖機鉆孔。炮眼直徑d：采用?42mm 的鉆孔。

炮眼深度L：根據圍巖及瓦斯情況綜合考慮，確定炮眼深度為1.2m，掏槽眼在其它炮眼深度的基礎上加深20cm。

掏槽方式：采用斜眼楔形掏槽，開口角度控制在72°左右，掏槽眼間距0.4m。

周邊眼間距E：周邊眼應考慮0.03～0.05 的外插斜率，E 取55cm。

抵抗線w：根據施工經驗取w=E/0.8，w 取68cm。

⑥炸藥消耗量。

q =0.31×f×0.75×ex×L/（S1/3.d1/2）

式中：f——巖石硬度系數，f=4-6，取6；

ex——炸藥類型系數，取0.5；

L——炮眼深度影響系數，取1.05；

S——巷道斷面積，取80.2m2；

d——相對藥卷直徑，取0.032m。

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

⑦炮眼數量。

N=q×s×m×n/（x×p）

式中：N——炮眼數目，個；

q——單位炸藥消耗量，取0.95kg/m3；

s——巷道掘進斷面積，取80.2m2；

m——每個藥卷長度，取0.3m；

n——炮眼利用率，取0.9；

x——炮眼裝藥系數，一般取0.5～0.7，取0.6；

p——每個藥卷重量，取0.3kg。

經計算，炮眼數量為114 個。根據實踐經驗及現場巖性情況，實際設計炮眼118 個。

⑧每米炸藥消耗量。

Q=qsLn

式中：q——單位炸藥消耗量，取0.95kg/m3；

s——巷道掘進斷面積80.2m2；

L——炮眼深度影響系數，取1.05；

n——炮眼利用率，取0.9。

Q=0.95×80.2×1.05×0.9=72kg

通過計算，每米炸藥消耗量72kg，每循環炸藥消耗量為72×1.2=86.4kg，根據地質條件及瓦斯情況綜合考慮，循環開挖進尺控制在1.2m 以內，實際每循環炸藥消耗量為85.8kg，在施工中需不斷修訂爆破參數，達到最佳爆破效果。炮眼布置見圖1，裝藥量及起爆順序見表2，預期爆破效果見表3。

表2 裝藥量及起爆順序

表3 預期爆破效果表

圖1 炮眼布置圖

2.4 裝藥

2.4.1 裝藥結構

采用安全等級不低于三級的煤礦許用乳化炸藥（規格尺?32mm×300mm）、煤礦許用毫秒延期電雷管，采取正向連續裝藥。裝藥結構示意圖見圖2。

圖2 裝藥結構示意圖

2.4.2 裝藥工藝

清孔：安裝炸藥前要確定孔內干凈，一般采取一定壓力風吹孔。

裝藥：安裝炸藥前要對雷管數量及段數一一核對，確定與施工設計相符合，施工人員必須嚴格按照施工設計中相應的裝藥次序、規格藥量裝藥，藥量與次序不可隨意改變，藥卷要送到孔底，用木棍或竹棍將起爆藥包緩緩送入，防止裝藥過程中拉扯出雷管線和雷管。

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，最后用粘土炮泥封實。炮眼深度與封孔長度，按照表4 要求施工。

表4 炮眼封堵長度

每一個炮眼的余下長度必須用炮泥全部塞堵，未用炮泥或炮眼未全部封孔、或炮眼封堵不密實，不得起爆，必須使用符合要求的不可燃性材料制作的炮泥。

2.5 爆破網路和連線

①應采用串聯連接方式。放炮母線、連接線和雷管腳線之間的每一處連接必須連接牢固，嚴禁接頭松動不牢固，明線處要有絕緣層包裹并懸空。放炮線不能使用絕緣層破損或裸線，不得有明接頭。②放炮母線與隧道中的施工用線應盡可能分別布設于隧道的兩側。倘若不能分側布設時，母線應布設掛于施工用線的下方，尤其是電纜線，并與其保持大于30 厘米的距離懸掛。③母線應采用導電性相對良好、施工安全方便的銅芯線，不得將其固定，應隨用隨懸掛。其長度按施工需要確定，但不應大于安全爆破距離。④應采用單回路爆破，母線絕緣性要好。⑤爆破前，放炮母線拉至規定放炮地點后，爆破工應用電爆網路全電阻測試儀檢查電爆網路的全電阻值。

2.6 爆破及警戒

根據《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》和《爆破安全規程》的要求，煤系地層段開挖采取遠距離爆破，執行相應的防護安全措施，爆破現場的安全警戒與封鎖由相應的安全專職人員執行負責，各種警戒標識醒目、清晰明了。

2.7 安全檢查

①鉆孔前由瓦斯遠程檢測系統及專職瓦檢員用光感式與四合一氣體體檢測儀對開挖斷面20 米范圍內瓦斯濃度、硫化氫、一氧化碳、二氧化碳和氧氣檢測，結果達標方可鉆孔施工。②鉆孔中工班長全程跟班檢測，瓦檢員每2小時檢測一次，檢測儀器報警立即安排施工人員撤至安全區，待檢測結果正常后方可繼續施工。③起爆后至少通風30min（監控室瓦斯監控系統瓦斯濃度降至安全范圍內，）后，由相應資質的“三員”（瓦檢員、放炮員、安全員）一起進入隧道，對施工爆破面進行安全排除，檢測通風、瓦斯濃度，查看啞炮、殘炮等情況，并對遇到的不安全問題及時處理。特殊情況下先由煤礦專業救援隊進入隧道排除問題，再由瓦檢員、放炮員、安全員一同進入工作面進行上述工作。在確認瓦斯濃度小于0.45%，二氧化碳濃度小于0.45%后，方可由瓦檢員通過洞內專用電話通知洞外負責人送電，隨后解除警戒，施工人員及施工機械進入隧道，進行相關作業。

3 結語

本項目采用了煤層地質鉆爆法安全開挖，并在火工用品的選擇、炮眼的布設、爆破后相關安全指標的檢測等方面制定相應的技術措施，并通過效果檢驗論證了鉆爆法安全開挖技術措施的可行性，大大降低瓦斯段爆破開挖的不安全性，力保了瓦斯隧道的爆破開挖安全施工，合理的爆破安全技術措施也極大縮短瓦斯工區的施工周期，最大化地節省施工經濟成本，并為類似的煤與瓦斯隧道爆破開挖施工提供借鑒和參考。