油气田区高瓦斯隧道光面爆破施工技术

李 新 生，李 信

(1.95338部队，广东 广州 510000；2.中国水利水电第七工程局有限公司 第一分局 ，四川 彭山 620860)

1 概 述

成都轨道交通18号线工程龙泉山隧道全长19.4 km，洞身最大埋深285 m，为油气田区高瓦斯隧道，采用双洞分修方案，线间距30 m，矿山法施工，其中高瓦斯隧道段长度为7 430 m，约占全隧里程的38%；隧道设计标准开挖断面尺寸宽×高=8 m×10 m，断面形式为马蹄形，总开挖断面面积为67.3 m2。

隧道主要穿越龙泉山背斜构造，围岩完整性较差，Ⅳ级围岩占比为60%，Ⅲ、Ⅴ级围岩各占比20%。受三大湾气田影响，龙泉山背斜属油气运移指向区和富集区，线路穿越两条断层，对油气运移、富集较为有利，而断层、裂隙又为油气聚集提供了有利的储存空间，从而给隧道施工带来了较大的危害性，经过现场测试天然气最大浓度达到2.62%，接近天然气燃爆极限，天然气可能最大逸出量为700.23×104m3，开挖过程中掌子面上单位时间最大天然气涌出量为4.3 m3/min。

光面爆破在龙泉山隧道中的应用表明：光面爆破相比于普通爆破在油气田区高瓦斯隧道中具有减少围岩产生爆破裂缝的数量、抑制瓦斯大量逸出，从而保证油气田区高瓦斯隧道施工安全的优点。但对油气田区高瓦斯隧道中实现光面爆破有了更高的技术要求。

2 光面爆破的设计原理

龙泉山隧道光面爆破设计是利用最小抵抗线方向的破碎原理，在隧道设计断面的轮廓线上布置加密的周边孔，减小药包直径，减少装药量，采用低密度的三级煤矿许用乳化炸药以控制炸药爆炸能量及其作用，降低爆炸冲击波的峰值压力，削弱其在岩石中引起的应力波强度，避免在炮孔周围产生压碎区而使爆破作用集中到需要爆落的一侧岩体上，减弱对原岩体的破坏作用[1]。

光爆层的厚度W小于光面爆破炮孔的间距a，会使相邻炮孔的定向断裂缝尚未形成时炮孔内的爆轰气体就沿着自由面方向泄漏，不仅造成相邻炮孔之间留下欠挖区(孔间未形成贯通裂缝)，而且由于内圈炮孔与光面炮孔的距离很近，在应力集中作用下光爆孔在未起爆前就因内圈孔爆破作用形成了大量的破裂缝，当该光爆孔爆破时，由于爆轰气体的楔入作用导致已有裂缝沿着围岩深处扩展而造成围岩的破碎与破裂范围扩大，进而产生更大的超挖。

3 龙泉山隧道的爆破设计参数

龙泉山隧道围岩类别主要为Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级，其中Ⅳ级围岩占比达60%，围岩完整性较差，Ⅳ级围岩全断面施工时的爆破计划进尺长度为3 m。

为获得较好的光面爆破效果，应处理好光面孔的最小抵抗线W(即光爆层厚度)与孔距a之间的关系，该关系用炮孔密集系数m=a/W表示。

m值的大小对爆破后岩壁的不平整度影响很大：若m过大，光面裂隙还来不及贯通各孔就已向自由面方向形成爆破漏斗而在孔间留下凹凸不平的破裂面；反之，若m太小，孔间裂隙过早形成，爆轰气体提前泄漏，使光爆层的破碎效果恶化而产生大块，甚至不能爆落光爆层，或孔间破坏严重而形成超挖。光面爆破的m值一般控制在0.6～0.8比较合适，地下工程中一般取大值，龙泉山隧道爆破设计中的m取值为0.75[2]。

3.1 光爆孔的相关参数

(1)光爆孔间距a。

a=(10～18)×D=60(cm)

式中D为光爆孔直径(龙泉山隧道爆破孔钻孔的直径为42 mm)。

(2)光爆层厚度W。

W=a/m=80(cm)

(3)光爆孔与主爆孔的时差：光爆孔采用煤矿许用毫秒电雷管第五段位(延期110 ms)，主爆孔采用煤矿许用毫秒电雷管第四段位(延期75 ms)，光爆孔至少延迟主爆孔35 ms起爆。

龙泉山隧道爆破炮孔设计情况见图1，龙泉山隧道炮孔装药结构见图2。

图1 龙泉山隧道爆破钻孔布置图

图2 龙泉山隧道炮孔装药结构图

3.2 钻孔爆破的相关内容

(1)爆破器材的选用。①雷管。在高瓦斯环境中必须选择符合规范要求的煤矿许用电雷管，即选用适应各级瓦斯浓度等级的毫秒延期电雷管第一系列的前五个段，而且在一次爆破中只能用同厂、同批生产的雷管，并需逐个做全电阻检查，电阻差不应大于产品说明书的规定。②炸药。高瓦斯隧道爆破施工中原则上选用煤矿许用安全炸药。因为在普通岩石炸药或变质炸药爆炸作用下产生的固体颗粒、气体冲击波会起到催化作用，可能使瓦斯到达最小点燃能量和达到长于瓦斯爆炸温度感应期的时间，从而引发瓦斯爆炸。

(2)钻孔施工。造孔前，先由测量人员用测量仪器准确放出主要控制点，再按照爆破设计的布孔参数用钢卷尺等工具准确定出每个炮孔位置，孔位用红油漆标注于岩面上。现场对周边孔孔位全部给予标识，每2 m标识一个钻孔方向线。

人工用YT28气腿钻在自制施工台车上造孔，钻孔孔位偏差、孔向偏差、孔深偏差必须符合规范要求。钻孔作业中必须保护好孔口，炮孔钻完后，立即用编织袋或棉纱堵塞孔口进行保护，防止石渣掉入孔内。对于因堵塞无法装药的钻孔，应进行吹孔或补钻。钻孔经检查合格后，由专业炮工严格根据钻爆设计要求装药。

从炮眼利用率、炮眼痕迹保存率、围岩被扰动深度、爆破器材单耗及钻爆的经济性角度考虑，根据以往经验，钻孔深度、钻孔位置、间距和钻孔平行度、精度必须满足以下要求：

①掏槽钻孔深度误差控制在±5%设计炮孔深度以内，其他钻孔深度误差控制在±10%设计炮孔深度以内。

②掏槽中空孔和掏槽装药孔位置误差为±5 cm；周边孔位置误差为±7 cm；其他掘进孔位置误差为±10 cm。

③周边孔外插角为3°，误差为±1°，其他钻孔需平行打眼，掏槽打眼误差为±0.5°，其他掘进眼误差为±1°[3]。

④实际钻孔总数为设计总数的95%及以上。

⑤钻孔采用湿钻，严禁采用冲击钻或干钻。

⑥当掌子面存在明显凹凸不平长度超过1 m或存在明显不垂直时，需先将其修正平整再行钻孔，以达到良好的爆破效果。

爆破孔的造孔质量对爆破效果影响最大。受初支紧跟掌子面、YT-28气腿钻右侧接风管处油壶凸出等原因影响，周边孔钻孔角度偏大，容易在孔底造成较大超挖，因此，在循环作业时初支与掌子面间需预留至少60 cm不进行支护，以便于下循环钻孔作业时调整钻机位置，减少孔底超挖。

(3)装药、塞孔与连线施工。钻孔完成并经质检合格后，钻孔机具及人员立即撤离钻爆区。炮孔全部采用人工按设计图装药，经检查无误后方可进入下道工序。装药、塞孔与连线的操作必需满足下列相关规定：

①按设计图装药，必须按起爆顺序起爆雷管“对号入座”，最低要求：外圈眼的延时必须大于或等于内圈眼的延时。

②装药时，需用炮棍将药卷送入炮孔，使药卷接触并捣紧，最大药卷之间的空隙不得超过2 cm。特别注意的是不要弄破导爆管，以避免瞎炮。

③实际单孔装药量不得超过设计装药量，实际总装药量误差为设计总装药量的±5%。

④每个炮孔装药后，至少10 min后必须堵塞炮泥炮孔。深度为0.6～1 m时，封泥长度不得小于炮孔深度的1/2。炮孔深度超过1 m时，封泥长度不得小于0.5 m。炮孔深度超过2.5 m时，封泥长度不得小于1 m[4]。

⑤炮孔的堵塞质量对提高爆破效率、减少有害气体和防止炸药爆炸时火花外泄起很大作用，因此，装药完毕必须充填符合安全要求长度的炮泥并捣实。

⑥起爆电源在高瓦斯的隧道环境中爆破，通电时间必须小于6 ms，使用线路电源放炮。由于无法控制通电时间，电路被炸断时可能产生电火花而引爆瓦斯。高瓦斯隧道爆破网络必须采用串联连接，线路的所有连接接头应相互密贴、结实，扭紧，并用电工胶布将头处包裹严实。明线部分应包裹绝缘层并悬空。

(4)警戒与信号。①警戒。根据爆破设计计算的安全距离确定警戒范围，边界设立明显的标志并由专人负责站岗放哨，执行放哨的人员从装药开始到发出警戒解除信号为止必须坚守岗位。站岗放哨人员的多少根据警戒范围内的所有进入口决定，必须保证警戒范围处于可控状态。②信号。信号包括预警信号、起爆信号和解除信号。信号的发布由专门的信号工负责，发出预警信号后，警戒范围内开始清场，确定人员机械等处于安全距离后发出起爆信号，只允许爆破员进入警戒区。爆破后至少等待15 min(有突出危险工作面至少等待30 min)并待炮烟吹散后，检查人员进入警戒区内检查，确认安全后方可发出解除信号。各类信号均应使警戒区域及附近人员能清楚的接收到。③起爆。必须采用绝缘母线单回路爆破。采用防爆型起爆器作为起爆电源，一个开挖工作面不得同时使用两台及以上起爆器起爆。严格执行一次装药一次起爆，并在爆破前检查距掌子面20 m内的瓦斯浓度，当ρ≥0.5%(风流中的瓦斯浓度)，不允许爆破[5]。

一般不采用孔外延时起爆。当雷管段数不足、确需采用孔外延时起爆时，必须重新进行起爆顺序设计。

(5)爆后检查及处理。爆破后等待时间过后，检查人员应检查以下内容：①瓦斯及其他有毒有害气体的含量是否达到允许标准；②确认是否有盲炮；③是否有危岩存在；④支撑结构是否有破坏。

根据检查结果，若瓦斯或其他气体超标，可以加强通风进行相应处理，稀释气体浓度；若有盲炮，应及时上报并重新设立警戒，由专业技术人员提出方案，然后采用重新起爆或其他措施；若有危岩存在，一般用长钢钎排除或机械挖除；若支撑遭到破坏，应先设立临时支撑然后重新加固。

4 注意事项

高瓦斯隧道的爆破作业无论是从爆破使用的炸药、导爆索、雷管段数等炸材，还是对钻爆施工的作业环境以及安全管理要求等方面均与普通隧道有所不同，在高瓦斯隧道爆破施工过程中需严格遵循以下要求：

(1)高瓦斯隧道须严格执行“一炮三检”制(即钻眼前、装药前、起爆前对瓦斯浓度是否超限进行检查)；

(2)严禁在炮孔内进行反向装药，须采用正向连续装药结构，且起爆药包外侧(即靠孔口一端)不得再装药卷；

(3)炮孔深度小于0.6 m时，不得装药、爆破；但在特殊条件下，如挖底、刷帮、挑顶确实需浅孔爆破时，必须制定安全措施，炮孔深度可以小于0.6 m，但必须堵满炮泥；

(4)炮孔深度为0.6～1 m时，堵塞炮泥长度不得小于炮孔深度的1/2；炮孔深度超过1 m时，堵塞炮泥长度不得小于0.5 m；炮孔深度超过2.5 m时，堵塞炮泥长度不得小于1 m；光面爆破时，周边眼用炮泥堵实，且炮泥堵塞的长度不得小于0.3 m；

(5)高瓦斯工区所使用的炸药须采用与瓦斯安全等级相符或高一级的矿用许用炸药，在有瓦斯突出的地段要采用不低于三级的煤矿许用含水炸药；同一工作面不得使用两种不同品种的炸药；

(6)高瓦斯工区必须使用煤矿许用瞬发或毫秒延期电雷管。使用煤矿许用毫秒延期电雷管时，最后一段的延期时间不得超过130 ms。不同厂家生产的或不同品种的电雷管不得掺混使用。光面爆破使用的导爆索必须是安全导爆索，严禁使用导爆管或普通导爆索；

(7)必须采用电爆网路，网路应采用串联方式，爆破母线、连接线、端线和雷管脚线之间的所有接头必须相互扭紧，在作绝缘包扎后并悬挂，不得与金属水管、金属风管、钢筋、等导电体相接触，且需与对讲机、照明手电等用电设备保持足够的安全距离。

5 结 语

通过光面爆破在龙泉山油气田区高瓦斯隧道工程中的成功应用，笔者总结了高瓦斯隧道光面爆破施工的操作流程、重难点及安全注意事项，解决了高瓦斯隧道实行光面爆破的技术难题，降低了高瓦斯隧道中的爆破安全风险，同时有效地减少了材料消耗，加快了施工进度，所取得的经验对类似高瓦斯隧道工程实行光面爆破具有重要的参考借鉴意义。