油氣田區高瓦斯隧道光面爆破施工技術

李 新 生，李 信

(1.95338部隊，廣東 廣州 510000；2.中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局 ，四川 彭山 620860)

1 概 述

成都軌道交通18號線工程龍泉山隧道全長19.4 km，洞身最大埋深285 m，為油氣田區高瓦斯隧道，采用雙洞分修方案，線間距30 m，礦山法施工，其中高瓦斯隧道段長度為7 430 m，約占全隧里程的38%；隧道設計標準開挖斷面尺寸寬×高=8 m×10 m，斷面形式為馬蹄形，總開挖斷面面積為67.3 m2。

隧道主要穿越龍泉山背斜構造，圍巖完整性較差，Ⅳ級圍巖占比為60%，Ⅲ、Ⅴ級圍巖各占比20%。受三大灣氣田影響，龍泉山背斜屬油氣運移指向區和富集區，線路穿越兩條斷層，對油氣運移、富集較為有利，而斷層、裂隙又為油氣聚集提供了有利的儲存空間，從而給隧道施工帶來了較大的危害性，經過現場測試天然氣最大濃度達到2.62%，接近天然氣燃爆極限，天然氣可能最大逸出量為700.23×104m3，開挖過程中掌子面上單位時間最大天然氣涌出量為4.3 m3/min。

光面爆破在龍泉山隧道中的應用表明：光面爆破相比于普通爆破在油氣田區高瓦斯隧道中具有減少圍巖產生爆破裂縫的數量、抑制瓦斯大量逸出，從而保證油氣田區高瓦斯隧道施工安全的優點。但對油氣田區高瓦斯隧道中實現光面爆破有了更高的技術要求。

2 光面爆破的設計原理

龍泉山隧道光面爆破設計是利用最小抵抗線方向的破碎原理，在隧道設計斷面的輪廓線上布置加密的周邊孔，減小藥包直徑，減少裝藥量，采用低密度的三級煤礦許用乳化炸藥以控制炸藥爆炸能量及其作用，降低爆炸沖擊波的峰值壓力，削弱其在巖石中引起的應力波強度，避免在炮孔周圍產生壓碎區而使爆破作用集中到需要爆落的一側巖體上，減弱對原巖體的破壞作用[1]。

光爆層的厚度W小于光面爆破炮孔的間距a，會使相鄰炮孔的定向斷裂縫尚未形成時炮孔內的爆轟氣體就沿著自由面方向泄漏，不僅造成相鄰炮孔之間留下欠挖區(孔間未形成貫通裂縫)，而且由于內圈炮孔與光面炮孔的距離很近，在應力集中作用下光爆孔在未起爆前就因內圈孔爆破作用形成了大量的破裂縫，當該光爆孔爆破時，由于爆轟氣體的楔入作用導致已有裂縫沿著圍巖深處擴展而造成圍巖的破碎與破裂范圍擴大，進而產生更大的超挖。

3 龍泉山隧道的爆破設計參數

龍泉山隧道圍巖類別主要為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級，其中Ⅳ級圍巖占比達60%，圍巖完整性較差，Ⅳ級圍巖全斷面施工時的爆破計劃進尺長度為3 m。

為獲得較好的光面爆破效果，應處理好光面孔的最小抵抗線W(即光爆層厚度)與孔距a之間的關系，該關系用炮孔密集系數m=a/W表示。

m值的大小對爆破后巖壁的不平整度影響很大：若m過大，光面裂隙還來不及貫通各孔就已向自由面方向形成爆破漏斗而在孔間留下凹凸不平的破裂面；反之，若m太小，孔間裂隙過早形成，爆轟氣體提前泄漏，使光爆層的破碎效果惡化而產生大塊，甚至不能爆落光爆層，或孔間破壞嚴重而形成超挖。光面爆破的m值一般控制在0.6～0.8比較合適，地下工程中一般取大值，龍泉山隧道爆破設計中的m取值為0.75[2]。

3.1 光爆孔的相關參數

(1)光爆孔間距a。

a=(10～18)×D=60(cm)

式中D為光爆孔直徑(龍泉山隧道爆破孔鉆孔的直徑為42 mm)。

(2)光爆層厚度W。

W=a/m=80(cm)

(3)光爆孔與主爆孔的時差：光爆孔采用煤礦許用毫秒電雷管第五段位(延期110 ms)，主爆孔采用煤礦許用毫秒電雷管第四段位(延期75 ms)，光爆孔至少延遲主爆孔35 ms起爆。

龍泉山隧道爆破炮孔設計情況見圖1，龍泉山隧道炮孔裝藥結構見圖2。

圖1 龍泉山隧道爆破鉆孔布置圖

圖2 龍泉山隧道炮孔裝藥結構圖

3.2 鉆孔爆破的相關內容

(1)爆破器材的選用。①雷管。在高瓦斯環境中必須選擇符合規范要求的煤礦許用電雷管，即選用適應各級瓦斯濃度等級的毫秒延期電雷管第一系列的前五個段，而且在一次爆破中只能用同廠、同批生產的雷管，并需逐個做全電阻檢查，電阻差不應大于產品說明書的規定。②炸藥。高瓦斯隧道爆破施工中原則上選用煤礦許用安全炸藥。因為在普通巖石炸藥或變質炸藥爆炸作用下產生的固體顆粒、氣體沖擊波會起到催化作用，可能使瓦斯到達最小點燃能量和達到長于瓦斯爆炸溫度感應期的時間，從而引發瓦斯爆炸。

(2)鉆孔施工。造孔前，先由測量人員用測量儀器準確放出主要控制點，再按照爆破設計的布孔參數用鋼卷尺等工具準確定出每個炮孔位置，孔位用紅油漆標注于巖面上。現場對周邊孔孔位全部給予標識，每2 m標識一個鉆孔方向線。

人工用YT28氣腿鉆在自制施工臺車上造孔，鉆孔孔位偏差、孔向偏差、孔深偏差必須符合規范要求。鉆孔作業中必須保護好孔口，炮孔鉆完后，立即用編織袋或棉紗堵塞孔口進行保護，防止石渣掉入孔內。對于因堵塞無法裝藥的鉆孔，應進行吹孔或補鉆。鉆孔經檢查合格后，由專業炮工嚴格根據鉆爆設計要求裝藥。

從炮眼利用率、炮眼痕跡保存率、圍巖被擾動深度、爆破器材單耗及鉆爆的經濟性角度考慮，根據以往經驗，鉆孔深度、鉆孔位置、間距和鉆孔平行度、精度必須滿足以下要求：

①掏槽鉆孔深度誤差控制在±5%設計炮孔深度以內，其他鉆孔深度誤差控制在±10%設計炮孔深度以內。

②掏槽中空孔和掏槽裝藥孔位置誤差為±5 cm；周邊孔位置誤差為±7 cm；其他掘進孔位置誤差為±10 cm。

③周邊孔外插角為3°，誤差為±1°，其他鉆孔需平行打眼，掏槽打眼誤差為±0.5°，其他掘進眼誤差為±1°[3]。

④實際鉆孔總數為設計總數的95%及以上。

⑤鉆孔采用濕鉆，嚴禁采用沖擊鉆或干鉆。

⑥當掌子面存在明顯凹凸不平長度超過1 m或存在明顯不垂直時，需先將其修正平整再行鉆孔，以達到良好的爆破效果。

爆破孔的造孔質量對爆破效果影響最大。受初支緊跟掌子面、YT-28氣腿鉆右側接風管處油壺凸出等原因影響，周邊孔鉆孔角度偏大，容易在孔底造成較大超挖，因此，在循環作業時初支與掌子面間需預留至少60 cm不進行支護，以便于下循環鉆孔作業時調整鉆機位置，減少孔底超挖。

(3)裝藥、塞孔與連線施工。鉆孔完成并經質檢合格后，鉆孔機具及人員立即撤離鉆爆區。炮孔全部采用人工按設計圖裝藥，經檢查無誤后方可進入下道工序。裝藥、塞孔與連線的操作必需滿足下列相關規定：

①按設計圖裝藥，必須按起爆順序起爆雷管“對號入座”，最低要求：外圈眼的延時必須大于或等于內圈眼的延時。

②裝藥時，需用炮棍將藥卷送入炮孔，使藥卷接觸并搗緊，最大藥卷之間的空隙不得超過2 cm。特別注意的是不要弄破導爆管，以避免瞎炮。

③實際單孔裝藥量不得超過設計裝藥量，實際總裝藥量誤差為設計總裝藥量的±5%。

④每個炮孔裝藥后，至少10 min后必須堵塞炮泥炮孔。深度為0.6～1 m時，封泥長度不得小于炮孔深度的1/2。炮孔深度超過1 m時，封泥長度不得小于0.5 m。炮孔深度超過2.5 m時，封泥長度不得小于1 m[4]。

⑤炮孔的堵塞質量對提高爆破效率、減少有害氣體和防止炸藥爆炸時火花外泄起很大作用，因此，裝藥完畢必須充填符合安全要求長度的炮泥并搗實。

⑥起爆電源在高瓦斯的隧道環境中爆破，通電時間必須小于6 ms，使用線路電源放炮。由于無法控制通電時間，電路被炸斷時可能產生電火花而引爆瓦斯。高瓦斯隧道爆破網絡必須采用串聯連接，線路的所有連接接頭應相互密貼、結實，扭緊，并用電工膠布將頭處包裹嚴實。明線部分應包裹絕緣層并懸空。

(4)警戒與信號。①警戒。根據爆破設計計算的安全距離確定警戒范圍，邊界設立明顯的標志并由專人負責站崗放哨，執行放哨的人員從裝藥開始到發出警戒解除信號為止必須堅守崗位。站崗放哨人員的多少根據警戒范圍內的所有進入口決定，必須保證警戒范圍處于可控狀態。②信號。信號包括預警信號、起爆信號和解除信號。信號的發布由專門的信號工負責，發出預警信號后，警戒范圍內開始清場，確定人員機械等處于安全距離后發出起爆信號，只允許爆破員進入警戒區。爆破后至少等待15 min(有突出危險工作面至少等待30 min)并待炮煙吹散后，檢查人員進入警戒區內檢查，確認安全后方可發出解除信號。各類信號均應使警戒區域及附近人員能清楚的接收到。③起爆。必須采用絕緣母線單回路爆破。采用防爆型起爆器作為起爆電源，一個開挖工作面不得同時使用兩臺及以上起爆器起爆。嚴格執行一次裝藥一次起爆，并在爆破前檢查距掌子面20 m內的瓦斯濃度，當ρ≥0.5%(風流中的瓦斯濃度)，不允許爆破[5]。

一般不采用孔外延時起爆。當雷管段數不足、確需采用孔外延時起爆時，必須重新進行起爆順序設計。

(5)爆后檢查及處理。爆破后等待時間過后，檢查人員應檢查以下內容：①瓦斯及其他有毒有害氣體的含量是否達到允許標準；②確認是否有盲炮；③是否有危巖存在；④支撐結構是否有破壞。

根據檢查結果，若瓦斯或其他氣體超標，可以加強通風進行相應處理，稀釋氣體濃度；若有盲炮，應及時上報并重新設立警戒，由專業技術人員提出方案，然后采用重新起爆或其他措施；若有危巖存在，一般用長鋼釬排除或機械挖除；若支撐遭到破壞，應先設立臨時支撐然后重新加固。

4 注意事項

高瓦斯隧道的爆破作業無論是從爆破使用的炸藥、導爆索、雷管段數等炸材，還是對鉆爆施工的作業環境以及安全管理要求等方面均與普通隧道有所不同，在高瓦斯隧道爆破施工過程中需嚴格遵循以下要求：

(1)高瓦斯隧道須嚴格執行“一炮三檢”制(即鉆眼前、裝藥前、起爆前對瓦斯濃度是否超限進行檢查)；

(2)嚴禁在炮孔內進行反向裝藥，須采用正向連續裝藥結構，且起爆藥包外側(即靠孔口一端)不得再裝藥卷；

(3)炮孔深度小于0.6 m時，不得裝藥、爆破；但在特殊條件下，如挖底、刷幫、挑頂確實需淺孔爆破時，必須制定安全措施，炮孔深度可以小于0.6 m，但必須堵滿炮泥；

(4)炮孔深度為0.6～1 m時，堵塞炮泥長度不得小于炮孔深度的1/2；炮孔深度超過1 m時，堵塞炮泥長度不得小于0.5 m；炮孔深度超過2.5 m時，堵塞炮泥長度不得小于1 m；光面爆破時，周邊眼用炮泥堵實，且炮泥堵塞的長度不得小于0.3 m；

(5)高瓦斯工區所使用的炸藥須采用與瓦斯安全等級相符或高一級的礦用許用炸藥，在有瓦斯突出的地段要采用不低于三級的煤礦許用含水炸藥；同一工作面不得使用兩種不同品種的炸藥；

(6)高瓦斯工區必須使用煤礦許用瞬發或毫秒延期電雷管。使用煤礦許用毫秒延期電雷管時，最后一段的延期時間不得超過130 ms。不同廠家生產的或不同品種的電雷管不得摻混使用。光面爆破使用的導爆索必須是安全導爆索，嚴禁使用導爆管或普通導爆索；

(7)必須采用電爆網路，網路應采用串聯方式，爆破母線、連接線、端線和雷管腳線之間的所有接頭必須相互扭緊，在作絕緣包扎后并懸掛，不得與金屬水管、金屬風管、鋼筋、等導電體相接觸，且需與對講機、照明手電等用電設備保持足夠的安全距離。

5 結 語

通過光面爆破在龍泉山油氣田區高瓦斯隧道工程中的成功應用，筆者總結了高瓦斯隧道光面爆破施工的操作流程、重難點及安全注意事項，解決了高瓦斯隧道實行光面爆破的技術難題，降低了高瓦斯隧道中的爆破安全風險，同時有效地減少了材料消耗，加快了施工進度，所取得的經驗對類似高瓦斯隧道工程實行光面爆破具有重要的參考借鑒意義。