数码电子雷管在高瓦斯隧道光面爆破中的应用研究

2023-01-05罗世刚

四川水力发电 2022年6期

罗世刚

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610213)

1 概述

根据我国“十四五”基础设施建设任务的规划，众多工程项目建设趋向于向高寒、高海拔等复杂偏远地区推进，越来越多的特长铁路、公路隧道工程将穿越煤气田等富含瓦斯地层，伴随而来的问题是施工难度越来越大，施工安全风险越来越高。尤其是川藏铁路的全线开工建设，将面临高寒高海拔、高地应力、高地温、高瓦斯等不良地质问题。因此，如何确保施工安全，提高工程质量是所有工程建设人员面临的巨大挑战。

针对高瓦斯隧道的爆破开挖施工，目前我国通常使用Ⅲ级矿用乳化炸药和煤矿许用毫秒延期电雷管作为主要炸材。根据成都轨道交通18号线龙泉高瓦斯隧道工程实例得知常规的爆破方法在高瓦斯隧道施工的实际应用中存在诸多限制因素：电雷管最后一段的延期时间不得大于130 ms，即通常情况下雷管的延期段位不能超过5段。而针对大断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，需要进行多次爆破，不但影响施工进度，而且增加了施工安全风险；同时，由于周边孔不能间隔装药，将导致无法有效控制隧道光面爆破的效果，超欠挖严重，进而增加了隧道建设成本。根据常规采用的爆破方法，为避免电雷管火花引燃瓦斯，需要孔内延期而导致雷管使用量大，同时亦不利于排查爆破网络连线问题，不利于控制爆破质量。

基于此，大断面高瓦斯隧道工程中如何选取合适的爆破器材就显得尤为重要，将直接影响到爆破效果。而数码电子雷管具有本质安全性能[2]，雷管延期时间精度高，延期时间可根据需要精准调节等优点，在延期段位上相较于传统方式可以增加爆破延期段位，同时亦可满足雷管起爆最大延期不超过130 ms的时间规定限制，其爆破网络的连接更为简单，爆破施工更加安全。笔者就采用数码电子雷管实现高瓦斯隧道光面爆破进行了研究与探讨，提出了一种新的爆破设计思路。

2 数码电子雷管的基本情况

数码电子雷管是一种可以任意设定并准确实现延期发火时间的新型电雷管，采用一个小型电路板取代普通雷管中的化学延期药与电点火元件[3]。其核心原件是微型电子定时器，它将普通电雷管采用延期药进行延期时间控制更新换代为采用电信号进行延期时间控制，极大地提高了延期精准度，而且可以通过控制通往引火头的电源，最大限度地降低由引火头能量需求差异引起的延期误差[4]。每只雷管的延期时间可按毫秒量级进行编程设定，其延期精度可控制在±0.2 ms，即相邻炮孔的起爆延期时间最大可能相隔0.4 ms[5]。在高瓦斯隧道施工中单次爆破药量较大时，为减小爆破振动，可以通过调整前后段位的爆破时间差，使前一段位与后一段位的爆破振动波峰和波谷相叠加，从而产生干扰叠加，以达到较小爆破振动的效果[6]。

3 光面爆破的基本情况

光面爆破是一种控制爆破技术，通过光面爆破可以最大程度地保证开挖轮廓线与设计线吻合，是一种减少超欠挖的有效手段。在隧道爆破开挖过程中，是解决围岩超欠挖问题、节约工程施工成本的有效措施。光面爆破按照掏槽眼、辅助眼、周边眼和底板眼分区逐次顺序起爆，最终形成较为平整的开挖轮廓面。其原理是在设计开挖线按照一定间距钻设与最小抵抗线相匹配的周边眼，在掏槽眼和辅助眼相继起爆后若干个周边孔内的炸药同时起爆从而形成平整的开挖面。由于光面爆破的实施效果显著，目前已在常规隧道施工中广泛应用。而在高瓦斯隧道爆破开挖施工中，由于受规范条款限制，尚未实现真正意义上的光面爆破施工。可以相信，随着数码电子雷管的逐步推广应用，依据数码电子雷管的优点，结合现有施工技术手段，可以为高瓦斯隧道实现真正意义上的光面爆破施工提供一种可能。

4 高瓦斯隧道光面爆破的设计

根据高瓦斯隧道爆破施工的现状及已有的工程经验，笔者对采用数码电子雷管进行高瓦斯隧道光面爆破的施工流程和关键工序进行了探究。

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为：测量放线→台车就位→钻孔→瓦斯检测→装药与堵孔→连线→瓦斯检测→起爆与通风散烟→瓦斯检测→出渣、排险→下一循环。

(1) 测量放线。由测量工程师在掌子面标识出炮孔位置、深度及方向；

(2) 台车就位。将作业台车移动至隧道掌子面位置，施工作业人员通过便携式瓦检仪检测瓦斯浓度，待瓦斯浓度小于0.5%时开始作业；

(3) 钻孔。采用凿岩机或多臂钻按照爆破设计方案钻孔，掏槽孔、周边孔钻孔超深30 cm；采用湿式钻孔方法并及时清孔；

(4) 瓦斯检测。装药前需检测瓦斯浓度，待瓦斯浓度小于0.5%时方可进行装药；

(5) 装药与堵孔。掏槽孔和辅助孔装药：将第一节药卷与安全导爆索绑牢后用炮棍装至孔底，然后连续装入炸药并用黏土炮泥堵孔，安全导爆索预留长度不小于50 cm；周边孔装药：将第一节水炮泥与安全导爆索绑牢[7]，装至孔底，然后按照炸药、水炮泥的顺序交替装药，孔口用黏土炮泥堵孔，孔外预留的安全导爆索长度不小于50 cm；

(6) 连线。按爆破段位将预留导爆索连接起来，然后按段位每间隔约20个炮孔连接一枚数码电子雷管，最后将数码电子雷管的脚线连接形成串联起爆电路并进行起爆网络的检测；

(7) 瓦斯检测。爆破前检测瓦斯浓度小于0.5%；

(8) 起爆与通风散烟。警戒、撤离，然后起爆，爆破后进行通风散烟；

(9) 瓦斯检测。通风散烟20 min后进行瓦斯浓度检测，其浓度需小于0.5%；

(10) 出渣、排险；

(11) 下一循环。

4.2 关键工序施工技术探究

(1)钻设炮孔。瓦斯隧道的开挖应根据围岩地质条件、循环进尺要求等进行钻爆设计。钻爆设计应根据每循环揭露的围岩地质情况和爆破效果进行动态设计。瓦斯隧道钻孔过程中应随时检测洞内的瓦斯浓度。

钻爆设计应包括炮眼的布置、深度、斜率和数量，爆破器材、装药量和装药结构，起爆方法和爆破顺序等内容。为保证施工人员的安全，钻孔之前必须进行一次施工作业面瓦斯浓度检测，待瓦斯浓度小于0.5%时方可开始钻孔施工。采用凿岩机或多臂钻钻设炮孔。根据已有施工经验数据，由于矿用乳化炸药的爆力较常规炸药低，因此，其钻孔间距以相对于常规隧道小5～10 cm为宜。瓦斯隧道光面爆破周边孔的钻孔间距：软质岩(Ⅳ类以下)钻孔间距为30～45 cm，硬岩(Ⅱ类、Ⅲ类)钻孔间距为40～50 cm，极硬岩(I类)钻孔间距为50～55 cm，必须将钻孔误差控制在±5 cm，抵抗线厚度大于钻孔间距10 cm左右。根据已有工程经验，为提高周边孔爆破效果，针对瓦斯隧道，其炮孔深度较开挖进尺深度加深约30 cm，周边孔加深部分的孔底采用水炮泥堵塞。

(2)装药。根据相关规范要求，瓦斯隧道的爆破装药需采用连续装药结构。但对于周边孔而言，若要进行光面爆破、提高爆破质量，需要采取间隔装药结构。

鉴于高瓦斯隧道光面爆破施工的炸药需采用Ⅲ级煤矿许用乳化炸药，为解决上述问题，周边孔装药时，孔底可采用水炮泥与安全导爆索绑牢后装至孔底，再按照炸药、水炮泥交替间隔放置的形式形成间隔装药结构，即水炮泥间隔装药，水炮泥的长度可根据间隔长度需要进行定制，从而解决了空气间隔装药需要采用竹片定位的问题，孔口用黏土炮泥堵孔。

水炮泥的作用：可以增大孔内应力波的压力及作用时间；可以延长爆生气体作用时间；可以保证孔内炸药充分反应；可以降低爆破后的粉尘浓度；可以降低单位梯级岩石炸药消耗量[8]。

黏土炮泥的作用：孔口处采用黏土炮泥封堵，可以充分利用爆轰气体压力提高爆破质量，同时也避免了爆破火花与瓦斯直接接触而导致发生瓦斯事故。

(3)起爆网络的连接。目前我国使用的延期雷管大多采用化学药剂作为延期体。而药剂延期存在时间不准、延期时间一致性差、储存时间短等缺陷[9]，而且延期药粉燃烧时会产生火花，因此，为避免延期电雷管引燃瓦斯，瓦斯隧道爆破施工用的电雷管需要孔内延期，不利于爆破网络连接质量的检查。

常规隧道施工采用导爆索和雷管形成起爆网络目前已取得广泛应用。而高瓦斯隧道起爆网络若全部采用雷管，雷管的使用量大，爆破成本高。但采用煤矿许用导爆索配合数码电子雷管可以解决这个问题。煤矿许用导爆索是一种专供防止瓦斯和煤尘爆炸危险的井下使用的所谓“安全导爆索”[10]。这种导爆索与普通导爆索的区别是在药芯和包覆层内加入了消焰剂，起到了类似于煤矿安全炸药和被筒炸药的作用[11]；而且数码电子雷管是通过电信号控制雷管延期时间，不会产生火花。因此，在瓦斯隧道施工过程中，采用煤矿许用导爆索与数码电子雷管可以按照常规隧道施工的方法进行爆破网络设计，即同一段位的炮孔采用安全导爆索连线、对应段位的数码电子雷管引爆的方式，从而减少了雷管的使用量，可以大大节省爆破成本。

根据已有施工经验，采用煤矿许用导爆索和数码电子雷管形成爆破网络，按照每间隔不大于20个炮孔连接一发数码电子雷管、每一段位的数码电子雷管延期时间一致布置，然后将数码电子雷管的脚线串联连线，即可按照常规隧道爆破网络进行连线起爆。

4.3 数码电子雷管具有的优势

对于高瓦斯隧道爆破施工，当采用数码电子雷管起爆时，炮孔的位置以及孔内的炸药用量与采用煤矿许用毫秒延期电雷管网络起爆是一致的。由于数码电子雷管具备延期时间任意调节的功能，且其延期时间通过电信号控制，延期时间精度高，数码电子雷管相对于煤矿许用毫秒电雷管的优势明显。可以通过缩短相邻段位延期时间、增加爆破段别的方式，只要其最后一段的延期时间设定不超过130 ms便可满足瓦斯隧道施工规范；结合安全导爆索，可以实现周边孔间隔装药，实现高瓦斯隧道真正意义的光面爆破；且数码电子雷管通过电信号控制延期时间，不会产生火花，可以孔外起爆，能够节约雷管用量，降低施工成本。