高強(qiáng)瓦斯巨厚煤層組隧道安全高效爆破技術(shù)

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(fā)與交通強(qiáng)國計(jì)劃的實(shí)施，公路和鐵路建設(shè)得到快速發(fā)展，而西南地區(qū)地形以山地、丘陵為主，使得交通建設(shè)中隧道的占比較大，隧道穿越煤系地層和賦存瓦斯地區(qū)情況越來越多。相對傳統(tǒng)隧道建設(shè)，高強(qiáng)瓦斯隧道地質(zhì)條件具有復(fù)雜性與多樣性，在隧道爆破施工工程中極易發(fā)生安全事故。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，1949—2021 年發(fā)生隧道瓦斯事故17 起，導(dǎo)致129 人死亡，193 人受傷，造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究高強(qiáng)瓦斯巨厚煤層隧道安全高效爆破技術(shù)具有重要意義。

目前，高瓦斯煤系地層安全高效掘進(jìn)一直是爆破工程的重難點(diǎn)，眾多專家學(xué)者對此展開諸多研究：張少波等[2]對煤礦爆破異常情況進(jìn)行了分析，闡述爆破異常機(jī)理，提出了煤礦爆破異常的防治技術(shù)；汪海波[3]研究了煤礦爆破地震效應(yīng)對巷道穩(wěn)定性影響，提出了爆破地震效應(yīng)和爆炸能量控制機(jī)制與措施；楊仁樹等[4]以文獻(xiàn)中巖巷爆破掘進(jìn)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(guān)系，得出了適當(dāng)加深掏槽孔深度能夠顯著提升炮孔利用率；高富強(qiáng)等[5]研究了露天煤礦爆破不同頻段地震波衰減規(guī)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(dǎo)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(gè)主要因素，從而對工人進(jìn)行相關(guān)知識培訓(xùn)，避免瓦斯爆炸事故的發(fā)生；夏紅兵等[7]采取多段毫秒延時(shí)爆破技術(shù)，對起爆順序與方式進(jìn)行了優(yōu)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(qū)域，提出了使用靜態(tài)破碎劑對巖石破碎的方法，通過試驗(yàn)得出最佳配比，達(dá)到最佳煤巖破碎效果。雖然這些學(xué)者在煤層爆破掘進(jìn)安全技術(shù)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(qiáng)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(yùn)用于高強(qiáng)瓦斯巨厚煤層隧道是不可取的。

因此，本文以天城壩高強(qiáng)瓦斯巨厚煤層隧道為工程背景，依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工程情況，從安全和高效2 個(gè)方面對隧道爆破技術(shù)展開研究，通過優(yōu)化炮孔參數(shù)，合理設(shè)計(jì)裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、填塞方式及起爆方式，提出了一套適用于高強(qiáng)瓦斯巨厚煤層組隧道的爆破技術(shù)，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(xí)水縣仙源鎮(zhèn)北約5.50 km，是貴州省“678”高速公路規(guī)劃網(wǎng)“一橫”中重難點(diǎn)工程，隧道采用雙線分離式結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)為雙向4 車道高速公路，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，單洞設(shè)計(jì)尺寸12.9 m（寬）×10.3 m（高）。本隧道區(qū)域?qū)儆诖ㄇ媳毕驑?gòu)造帶與北東向構(gòu)造帶交接的復(fù)合部位，位于桑場背斜北東翼，具有泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r和煤層多種不良地層。

根據(jù)天城壩隧道初步地質(zhì)勘察報(bào)告，將隧道分為瓦斯突出工區(qū)和非瓦斯突出工區(qū)2 個(gè)施工標(biāo)段，其中瓦斯突出工區(qū)右線長度2 250 m，左線長度2 235 m；非瓦斯突出區(qū)右線長度2 030 m，左線長度2 020 m。瓦斯突出工區(qū)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(fù)雜，瓦斯壓力目前為國內(nèi)最高。隧道煤層分布地質(zhì)情況如圖1 所示。

2 工程難點(diǎn)分析與應(yīng)對措施

高強(qiáng)瓦斯隧道與普通隧道相比，由于其地質(zhì)情況的特殊性，在爆破掘進(jìn)工程中存在以下難點(diǎn)：①高強(qiáng)瓦斯隧道煤層地質(zhì)情況復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定性差，施工難度大、工期長，在爆破掘進(jìn)工程中容易產(chǎn)生圍巖結(jié)構(gòu)較大變形及失穩(wěn)問題；②爆破時(shí)由于應(yīng)力狀態(tài)急劇改變，使得煤體強(qiáng)度降低，同時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)使煤層節(jié)理裂隙進(jìn)一步延伸發(fā)展，促使煤層吸附狀態(tài)中的瓦斯解吸，極易產(chǎn)生煤與瓦斯突出問題；③高強(qiáng)度瓦斯在進(jìn)行抽排治理后煤層中仍存在吸附狀態(tài)瓦斯，隧道爆破掘進(jìn)過程中致使部分瓦斯逸散于工作面中，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛壬?，易發(fā)生瓦斯爆炸或中毒事故。

為解決上述工程難點(diǎn)，本文在制定爆破方案時(shí)采取如下措施。①采用上下臺階鉆爆開挖方式，優(yōu)化炮孔參數(shù)，減小對周邊圍巖擾動(dòng)，在保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的情況下縮短項(xiàng)目周期；②合理設(shè)計(jì)裝藥量、裝藥結(jié)構(gòu)、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(fēng)險(xiǎn)；③隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警，避免瓦斯爆炸或中毒。

3 爆破方案

3.1 設(shè)計(jì)原則

針對該隧道穿越高瓦斯復(fù)雜煤系特殊地形，以安全、高效及經(jīng)濟(jì)作為爆破掘進(jìn)要求，遵循以下原則進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)。①做好實(shí)時(shí)瓦斯監(jiān)測，濃度控制在0.5%以下，避免發(fā)生瓦斯爆炸或中毒事故；②爆破作業(yè)采用專業(yè)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(zhǔn)控制爆破開挖，減少超欠挖量；⑤提高爆破掘進(jìn)速度，縮短項(xiàng)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(yīng)力及圍巖穩(wěn)定性差等施工難點(diǎn)，爆破施工可能會(huì)引起圍巖失穩(wěn)或瓦斯突出。確保圍巖穩(wěn)定，預(yù)防瓦斯突出，提高掘進(jìn)效率是煤系地層爆破施工的核心目標(biāo)，施工過程應(yīng)遵循“短進(jìn)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(huán)形開挖預(yù)留核心土法和臺階法，將2 種工法在實(shí)際工程中各做2 個(gè)試驗(yàn)段，對其施工工藝原理、工法特點(diǎn)、施工方法及優(yōu)缺點(diǎn)等開展分析，同時(shí)研究隧道圍巖的應(yīng)力變化規(guī)律及變形情況。經(jīng)過綜合分析后，發(fā)現(xiàn)臺階法施工其隧道變形量較環(huán)形開挖預(yù)留核心土法大，但總體圍巖的變形較小，在施工規(guī)范允許的變形范圍內(nèi)。經(jīng)過對比2 種工法施工后對圍巖的擾動(dòng)情況、施工工序及施工工期等，發(fā)現(xiàn)臺階法較環(huán)形開挖預(yù)留核心土法的施工工序少、進(jìn)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(qiáng)瓦斯隧道穿越巨厚煤層區(qū)選擇采用臺階法進(jìn)行施工。

根據(jù)安全要求設(shè)計(jì)鉆孔直徑Φ42 mm，循環(huán)開挖進(jìn)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?？刂茊味窝b藥量和起爆順序，降低爆破振動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到減輕圍巖損傷的目的。在爆破作業(yè)的過程中必須做到“一炮三檢”，同時(shí)進(jìn)行全程實(shí)時(shí)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測，爆破作業(yè)20 m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛炔荒艹^0.5%，放炮地點(diǎn)需設(shè)立在距爆破點(diǎn)2 000 m 以外的平導(dǎo)洞口新鮮風(fēng)流中，爆破后需至少通風(fēng)30 min，確認(rèn)瓦斯?jié)舛刃∮?.5%后才能進(jìn)行下一步作業(yè)。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(shù)設(shè)計(jì)

4.1 爆破器材

鉆機(jī)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(shè)計(jì)鉆機(jī)選取YT-28 型風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)，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(yè)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(shù)的選取需要考慮炮孔直徑、現(xiàn)場作業(yè)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(shù)見表1。

表1 現(xiàn)場炸藥參數(shù)

4.2 炮孔參數(shù)優(yōu)化

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

減孔布設(shè)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(shí)炮孔數(shù)量相對減少的同時(shí)楔形掏槽孔爆破不會(huì)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(jù)轟爆理論，柱狀藥包采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)下爆破時(shí)，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(chǎn)物撞擊藥室壁會(huì)明顯增大壓力，MPa；n 為增大倍數(shù)，取值為8~11。

本文選取三級煤礦許用乳化炸藥進(jìn)行計(jì)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(jì)算可得炮孔巖石壁受到的初始沖擊壓力P=647.24 MPa。

依據(jù)應(yīng)力波衰減規(guī)律，在比距離r 處徑向壓應(yīng)力峰值計(jì)算公式為

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探報(bào)告，研究段圍巖為煤巖，抗壓強(qiáng)度Rc=10 MPa，當(dāng)σrmax

天城壩隧道開挖斷面面積S=108.7 m2，普氏系數(shù)f=6，參考家竹箐高瓦斯隧道炮孔數(shù)目計(jì)算公式[11]整個(gè)斷面每循環(huán)需打孔190 個(gè)進(jìn)行炮孔參數(shù)優(yōu)化后，實(shí)際打孔數(shù)量為170 個(gè)，炮孔數(shù)量減少10.5%，縮短鉆孔作業(yè)時(shí)間，提高爆破掘進(jìn)效率。

4.3 裝藥量計(jì)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(huì)破壞圍巖的穩(wěn)定性，加快巖石裂隙發(fā)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(jì)算公式[12]如下

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

通過上述公式可計(jì)算出隧道爆破不同類型炮孔單孔裝藥量，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場巖性情況，掏槽孔適當(dāng)增加裝藥量，底板孔及周邊孔適當(dāng)減少裝藥量。上臺階炮孔布設(shè)為掏槽孔間距50 cm，解炮孔間距150 cm，輔助孔由內(nèi)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(shè)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(shù)見表2，炮孔布置如圖3 所示。

表2 各炮孔爆破參數(shù)

圖3 炮孔布置平面圖

4.4 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)

為保障隧道爆破安全、提高爆破效率及降低爆破振動(dòng)，不同炮孔采用不同裝藥結(jié)構(gòu)形式[13]。高瓦斯煤系地層進(jìn)行爆破掘進(jìn)時(shí)，周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)采用不耦合空氣間隔裝藥，不耦合系數(shù)為2.0，鉆孔時(shí)控制0.03～0.05 的外插斜率，嚴(yán)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(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，不耦合系數(shù)為1.25。裝藥方式全部采用正向裝藥，嚴(yán)禁反向裝藥，避免爆破產(chǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 炮孔裝藥結(jié)構(gòu)圖

4.5 起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

隧道斷面爆破網(wǎng)路采取串聯(lián)的方式，合理設(shè)置起爆順序，使先孔爆破后產(chǎn)生的反射拉伸波及剩余應(yīng)力于后孔產(chǎn)生的壓縮波疊加，增加破碎作用，通過對延時(shí)時(shí)差的合理選取，可使震動(dòng)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(xiàng)目選取1~5 段煤礦許用毫秒延期電雷管進(jìn)行延時(shí)爆破，最后一段延期時(shí)間不得超過130 ms。根據(jù)現(xiàn)場爆破作業(yè)情況，及時(shí)調(diào)整炮孔數(shù)量、深度及裝藥量等相關(guān)爆破參數(shù)，達(dá)到最佳爆破效果。

5 爆破效果分析

爆破工程項(xiàng)目位于高強(qiáng)瓦斯煤系地層，周邊環(huán)境復(fù)雜，相對于傳統(tǒng)隧道爆破更具危險(xiǎn)性，易產(chǎn)生瓦斯突出或爆炸等安全事故，需對爆破作業(yè)環(huán)境瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，確保作業(yè)環(huán)境的安全性。將瓦斯傳感器布置于拱頂與拱腰處，實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛?。本文以爆破作業(yè)前后12 h 瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象，每小時(shí)提取1 次監(jiān)測數(shù)據(jù)（瓦斯?jié)舛茸畲笾担?，瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 24 h 隧道瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)

由圖5 可知，在未進(jìn)行爆破作業(yè)前，瓦斯?jié)舛茸兓厔萜椒€(wěn)且處于報(bào)警值0.5%以下；在爆破作業(yè)時(shí)，周邊圍巖受到振動(dòng)影響，圍巖集中應(yīng)力平衡狀態(tài)突然改變，節(jié)理裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，吸附在圍巖內(nèi)部的瓦斯開始解吸，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛壬仙?，超過報(bào)警值但未超過0.7%斷電值；在爆破作業(yè)后，此時(shí)禁止人員進(jìn)入并進(jìn)行簡單通風(fēng)，瓦斯?jié)舛乳_始下降到報(bào)警值。由于爆破揭露了部分煤體，相較于爆破作業(yè)前瓦斯?jié)舛扔兴卟⒓皶r(shí)對揭露煤體采用噴射混凝土進(jìn)行封閉。

嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)方案執(zhí)行后，高強(qiáng)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?，F(xiàn)場測量數(shù)據(jù)表明隧道輪廓圍巖起伏差在5~10 cm，未出現(xiàn)明顯超欠挖現(xiàn)象，巖石塊度相對傳統(tǒng)爆破方式較大，但不影響裝車運(yùn)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(qiáng)瓦斯巨厚煤層組隧道安全高效爆破技術(shù)，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(yè)環(huán)境，確保了爆破作業(yè)安全進(jìn)行，避免了隧道瓦斯二次突出的發(fā)生。

6 結(jié)束語

針對高強(qiáng)瓦斯、巨厚煤層組等復(fù)雜地質(zhì)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(yōu)化爆破施工方案，使炮孔數(shù)量相對減少10.5%，合理設(shè)計(jì)裝藥結(jié)構(gòu)和起爆網(wǎng)路方式，使爆破能量分散釋放，震動(dòng)波相互干擾，有效控制爆破振動(dòng)，減少圍巖擾動(dòng)，提高爆破掘進(jìn)效率。

采用高強(qiáng)瓦斯巨厚煤層隧道安全高效爆破技術(shù)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(xiàn)明顯超欠挖。瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測數(shù)據(jù)表明爆破作業(yè)瞬時(shí)瓦斯?jié)舛犬惓Ｉ?，采取通風(fēng)措施后瓦斯?jié)舛饶芸焖倩謴?fù)于報(bào)警值之下并趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)二次瓦斯突出問題。