高強瓦斯巨厚煤層組隧道安全高效爆破技術

朱海明，柯善劍，王健安，李 斌，鄭仕躍

（中海建筑有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著我國西部大開發與交通強國計劃的實施，公路和鐵路建設得到快速發展，而西南地區地形以山地、丘陵為主，使得交通建設中隧道的占比較大，隧道穿越煤系地層和賦存瓦斯地區情況越來越多。相對傳統隧道建設，高強瓦斯隧道地質條件具有復雜性與多樣性，在隧道爆破施工工程中極易發生安全事故。根據參考文獻[1]，1949—2021 年發生隧道瓦斯事故17 起，導致129 人死亡，193 人受傷，造成巨大的人員傷亡和經濟損失。因此，研究高強瓦斯巨厚煤層隧道安全高效爆破技術具有重要意義。

目前，高瓦斯煤系地層安全高效掘進一直是爆破工程的重難點，眾多專家學者對此展開諸多研究：張少波等[2]對煤礦爆破異常情況進行了分析，闡述爆破異常機理，提出了煤礦爆破異常的防治技術；汪海波[3]研究了煤礦爆破地震效應對巷道穩定性影響，提出了爆破地震效應和爆炸能量控制機制與措施；楊仁樹等[4]以文獻中巖巷爆破掘進工程為案例，分析了掏槽孔超深深度與炮孔利用率之間的關系，得出了適當加深掏槽孔深度能夠顯著提升炮孔利用率；高富強等[5]研究了露天煤礦爆破不同頻段地震波衰減規律，并且低頻帶能量隨距離增加占比呈上升趨勢；楊文旺[6]得出了導致瓦斯爆炸的22 種不安全操作，并用層次分析法確定了影響不安全操作的3 個主要因素，從而對工人進行相關知識培訓，避免瓦斯爆炸事故的發生；夏紅兵等[7]采取多段毫秒延時爆破技術，對起爆順序與方式進行了優化，提高了煤系高嶺土爆破效率及安全性；羅明坤等[8]針對爆破高瓦斯區域，提出了使用靜態破碎劑對巖石破碎的方法，通過試驗得出最佳配比，達到最佳煤巖破碎效果。雖然這些學者在煤層爆破掘進安全技術方面取得了諸多成果，但是其研究對象主要針對煤礦煤系地層爆破，而高強瓦斯隧道與煤礦在巷道尺寸、功能用途上存在不同，單一將煤礦爆破理論運用于高強瓦斯巨厚煤層隧道是不可取的。

因此，本文以天城壩高強瓦斯巨厚煤層隧道為工程背景，依據現場實際工程情況，從安全和高效2 個方面對隧道爆破技術展開研究，通過優化炮孔參數，合理設計裝藥量、裝藥結構、填塞方式及起爆方式，提出了一套適用于高強瓦斯巨厚煤層組隧道的爆破技術，可為類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

天城壩隧道位于遵義市習水縣仙源鎮北約5.50 km，是貴州省“678”高速公路規劃網“一橫”中重難點工程，隧道采用雙線分離式結構，右線全長4 280 m，起止樁號為K108+210～K112+490；左線全長4 258 m，起止樁號為ZK108+250～ZK112+508，均屬于特長隧道，且最大埋深518.41 m。設計為雙向4 車道高速公路，設計時速80 km/h，單洞設計尺寸12.9 m（寬）×10.3 m（高）。本隧道區域屬于川黔南北向構造帶與北東向構造帶交接的復合部位，位于桑場背斜北東翼，具有泥巖、泥質粉砂巖、泥質灰巖和煤層多種不良地層。

根據天城壩隧道初步地質勘察報告，將隧道分為瓦斯突出工區和非瓦斯突出工區2 個施工標段，其中瓦斯突出工區右線長度2 250 m，左線長度2 235 m；非瓦斯突出區右線長度2 030 m，左線長度2 020 m。瓦斯突出工區含煤9～13 層，煤層長度210 m，自上而下編號為：C5、C6、C7（含C7-1、C7-2、C7-3）、C8（含C8-1a、C8-1b、C8-2）、C11和C12，其中C8煤層真厚11.51 m，最大原始瓦斯含量20.99 m3/t，原始瓦斯壓力7.4 MPa，破壞類型為Ⅳ類煤，煤層情況復雜，瓦斯壓力目前為國內最高。隧道煤層分布地質情況如圖1 所示。

2 工程難點分析與應對措施

高強瓦斯隧道與普通隧道相比，由于其地質情況的特殊性，在爆破掘進工程中存在以下難點：①高強瓦斯隧道煤層地質情況復雜，圍巖穩定性差，施工難度大、工期長，在爆破掘進工程中容易產生圍巖結構較大變形及失穩問題；②爆破時由于應力狀態急劇改變，使得煤體強度降低，同時產生的振動使煤層節理裂隙進一步延伸發展，促使煤層吸附狀態中的瓦斯解吸，極易產生煤與瓦斯突出問題；③高強度瓦斯在進行抽排治理后煤層中仍存在吸附狀態瓦斯，隧道爆破掘進過程中致使部分瓦斯逸散于工作面中，導致瓦斯濃度升高，易發生瓦斯爆炸或中毒事故。

為解決上述工程難點，本文在制定爆破方案時采取如下措施。①采用上下臺階鉆爆開挖方式，優化炮孔參數，減小對周邊圍巖擾動，在保證結構安全穩定的情況下縮短項目周期；②合理設計裝藥量、裝藥結構、填塞方式及起爆順序，盡可能減少對隧道輪廓外巖體損傷，防止瓦斯從圍巖裂隙中逸散，減小煤與瓦斯突出風險；③隧道內瓦斯濃度實時監測預警，避免瓦斯爆炸或中毒。

3 爆破方案

3.1 設計原則

針對該隧道穿越高瓦斯復雜煤系特殊地形，以安全、高效及經濟作為爆破掘進要求，遵循以下原則進行爆破設計。①做好實時瓦斯監測，濃度控制在0.5%以下，避免發生瓦斯爆炸或中毒事故；②爆破作業采用專業防爆器材；③減輕爆破對圍巖的損傷，避免造成瓦斯二次突出；④精準控制爆破開挖，減少超欠挖量；⑤提高爆破掘進速度，縮短項目工期。

3.2 方案選擇

隧道煤系地層存在瓦斯壓力大、含量高、高地應力及圍巖穩定性差等施工難點，爆破施工可能會引起圍巖失穩或瓦斯突出。確保圍巖穩定，預防瓦斯突出，提高掘進效率是煤系地層爆破施工的核心目標，施工過程應遵循“短進尺、弱爆破、勤量測、早封閉”的原則，保證爆破施工安全性。

隧道擬開挖方案為環形開挖預留核心土法和臺階法，將2 種工法在實際工程中各做2 個試驗段，對其施工工藝原理、工法特點、施工方法及優缺點等開展分析，同時研究隧道圍巖的應力變化規律及變形情況。經過綜合分析后，發現臺階法施工其隧道變形量較環形開挖預留核心土法大，但總體圍巖的變形較小，在施工規范允許的變形范圍內。經過對比2 種工法施工后對圍巖的擾動情況、施工工序及施工工期等，發現臺階法較環形開挖預留核心土法的施工工序少、進度快，最主要的是可以保障隧道穿煤爆破的施工安全。因此，最終高強瓦斯隧道穿越巨厚煤層區選擇采用臺階法進行施工。

根據安全要求設計鉆孔直徑Φ42 mm，循環開挖進尺1 m，炮孔深度1.2 m，掏槽孔需超深0.2 m，掏槽方式采取楔形掏槽，開口角度控制在72°左右。控制單段裝藥量和起爆順序，降低爆破振動強度，達到減輕圍巖損傷的目的。在爆破作業的過程中必須做到“一炮三檢”，同時進行全程實時瓦斯濃度監測，爆破作業20 m范圍內瓦斯濃度不能超過0.5%，放炮地點需設立在距爆破點2 000 m 以外的平導洞口新鮮風流中，爆破后需至少通風30 min，確認瓦斯濃度小于0.5%后才能進行下一步作業。爆破施工工藝流程如圖2 所示。

圖2 瓦斯隧道爆破施工流程圖

4 爆破參數設計

4.1 爆破器材

鉆機型號決定了炮孔直徑及鉆孔效率，天城壩隧道爆破采用上下雙臺階鉆爆法，遵循短近尺、弱爆破的原則，炮孔直徑選擇不宜過大，本次設計鉆機選取YT-28 型風動鑿巖機，炮孔直徑42 mm。

天城壩隧道瓦斯壓力大、含量高，為保證爆破作業安全性，起爆器選用MFB-500 型防爆型放炮器，雷管選取1~5 段煤礦許用毫秒延期電雷管。炸藥參數的選取需要考慮炮孔直徑、現場作業便捷性及安全性，炸藥選取三級煤礦許用乳化炸藥，炸藥參數見表1。

表1 現場炸藥參數

4.2 炮孔參數優化

高強瓦斯隧道施工作業存在工期緊、圍巖巖性差等問題，如何提高高強瓦斯巨厚煤層組隧道爆破的安全性與高效性是一個關鍵問題。

減孔布設的方法[9]是將上臺階楔形掏槽孔開口位置推移至離隧道輪廓線最小距離d1，此時炮孔數量相對減少的同時楔形掏槽孔爆破不會對圍巖造成損傷，并在隧道輪道廓中心布置解炮孔，將中心大塊巖石破碎分解，便于裝車。根據轟爆理論，柱狀藥包采用不耦合裝藥結構下爆破時，炮孔巖石壁受到的初始沖擊壓力為[10]

式中：ρ0為密度，g/cm3；D1為爆速，m/s；dc為裝藥直徑，db為炮孔直徑，mm；lc為裝藥長度，lb為炮孔長度，m；爆轟產物撞擊藥室壁會明顯增大壓力，MPa；n 為增大倍數，取值為8~11。

本文選取三級煤礦許用乳化炸藥進行計算，密度ρ0=1.25 g/cm3，爆速D1=4 600 m/s，裝藥直徑dc=32 mm，炮孔直徑db=42 mm，裝藥長度lc=0.7 m，炮孔長度lb=1.4 m，計算可得炮孔巖石壁受到的初始沖擊壓力P=647.24 MPa。

依據應力波衰減規律，在比距離r 處徑向壓應力峰值計算公式為

根據現場地質勘探報告，研究段圍巖為煤巖，抗壓強度Rc=10 MPa，當σrmax

天城壩隧道開挖斷面面積S=108.7 m2，普氏系數f=6，參考家竹箐高瓦斯隧道炮孔數目計算公式[11]整個斷面每循環需打孔190 個進行炮孔參數優化后，實際打孔數量為170 個，炮孔數量減少10.5%，縮短鉆孔作業時間，提高爆破掘進效率。

4.3 裝藥量計算

炮眼的裝藥量是影響爆破效果的重要因素。裝藥量過低，炮眼利用率和石渣塊度過大；裝藥量過高，則會破壞圍巖的穩定性，加快巖石裂隙發育，造成瓦斯等有害氣體逸散于隧道中，造成安全事故。

利用式（3），單孔裝藥計算公式[12]如下

式中：Q0為單孔裝藥量，kg；α 為裝藥系數，一般取0.45~0.8；L 為炮孔深度，m；G 為藥卷質量，kg；h 為藥卷長度，m。

通過上述公式可計算出隧道爆破不同類型炮孔單孔裝藥量，根據工程經驗及現場巖性情況，掏槽孔適當增加裝藥量，底板孔及周邊孔適當減少裝藥量。上臺階炮孔布設為掏槽孔間距50 cm，解炮孔間距150 cm，輔助孔由內到外間距依次為100、90、70 cm，周邊孔間距為50 cm，底板孔間距100 cm；下臺階炮孔布設為輔助孔間距85 cm，周邊孔間距為50 cm。綜上所述，煤系地層各炮孔爆破參數見表2，炮孔布置如圖3 所示。

表2 各炮孔爆破參數

圖3 炮孔布置平面圖

4.4 炮孔裝藥結構

為保障隧道爆破安全、提高爆破效率及降低爆破振動，不同炮孔采用不同裝藥結構形式[13]。高瓦斯煤系地層進行爆破掘進時，周邊孔裝藥結構采用不耦合空氣間隔裝藥，不耦合系數為2.0，鉆孔時控制0.03～0.05 的外插斜率，嚴格控制周邊孔間距及裝藥量，保證爆破效果。其他炮孔采用不耦合連續裝藥結構，不耦合系數為1.25。裝藥方式全部采用正向裝藥，嚴禁反向裝藥，避免爆破產生的火焰引起瓦斯爆炸或煤炭自燃。炸藥填塞采用水炮泥與固體阻燃炮泥結合的方式，封泥長度不得小于0.5 m，這種填塞方式有效減振、降塵及吸收有害氣體，提高了爆破安全性。各炮孔裝藥結構如圖4 所示。

圖4 炮孔裝藥結構圖

4.5 起爆網路設計

隧道斷面爆破網路采取串聯的方式，合理設置起爆順序，使先孔爆破后產生的反射拉伸波及剩余應力于后孔產生的壓縮波疊加，增加破碎作用，通過對延時時差的合理選取，可使震動波相互干擾，降低對圍巖的損傷，避免造成二次瓦斯突出。本項目選取1~5 段煤礦許用毫秒延期電雷管進行延時爆破，最后一段延期時間不得超過130 ms。根據現場爆破作業情況，及時調整炮孔數量、深度及裝藥量等相關爆破參數，達到最佳爆破效果。

5 爆破效果分析

爆破工程項目位于高強瓦斯煤系地層，周邊環境復雜，相對于傳統隧道爆破更具危險性，易產生瓦斯突出或爆炸等安全事故，需對爆破作業環境瓦斯濃度進行實時監測，確保作業環境的安全性。將瓦斯傳感器布置于拱頂與拱腰處，實時監測隧道內瓦斯濃度。本文以爆破作業前后12 h 瓦斯監測數據為研究對象，每小時提取1 次監測數據（瓦斯濃度最大值），瓦斯監測數據如圖5 所示。

圖5 24 h 隧道瓦斯濃度監測數據

由圖5 可知，在未進行爆破作業前，瓦斯濃度變化趨勢平穩且處于報警值0.5%以下；在爆破作業時，周邊圍巖受到振動影響，圍巖集中應力平衡狀態突然改變，節理裂隙進一步擴展，吸附在圍巖內部的瓦斯開始解吸，導致瓦斯濃度上升，超過報警值但未超過0.7%斷電值；在爆破作業后，此時禁止人員進入并進行簡單通風，瓦斯濃度開始下降到報警值。由于爆破揭露了部分煤體，相較于爆破作業前瓦斯濃度有所升高并及時對揭露煤體采用噴射混凝土進行封閉。

嚴格按照爆破設計方案執行后，高強瓦斯巨厚煤層隧道取得了較好的爆破效果，開挖輪廓面清晰平整，周邊孔殘孔痕跡明顯，圍巖無明顯裂隙。現場測量數據表明隧道輪廓圍巖起伏差在5~10 cm，未出現明顯超欠挖現象，巖石塊度相對傳統爆破方式較大，但不影響裝車運輸。爆破效果如圖6 所示。

圖6 爆破效果圖

綜上所述，采取高強瓦斯巨厚煤層組隧道安全高效爆破技術，取得了較好的爆破效果，圍巖無明顯裂隙及超欠挖，有效控制瓦斯的涌出，提供了安全的爆破作業環境，確保了爆破作業安全進行，避免了隧道瓦斯二次突出的發生。

6 結束語

針對高強瓦斯、巨厚煤層組等復雜地質隧道開挖爆破，為確保隧道爆破安全、高效，采用了上下2 臺階法施工。

通過優化爆破施工方案，使炮孔數量相對減少10.5%，合理設計裝藥結構和起爆網路方式，使爆破能量分散釋放，震動波相互干擾，有效控制爆破振動，減少圍巖擾動，提高爆破掘進效率。

采用高強瓦斯巨厚煤層隧道安全高效爆破技術后，取得了較好爆破效果。隧道輪廓圍巖起伏差在5~10 cm，未出現明顯超欠挖。瓦斯濃度監測數據表明爆破作業瞬時瓦斯濃度異常升高，采取通風措施后瓦斯濃度能快速恢復于報警值之下并趨于穩定，未出現二次瓦斯突出問題。