數(shù)碼電子雷管在高瓦斯隧道光面爆破中的應(yīng)用研究

羅 世 剛

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

根據(jù)我國(guó)“十四五”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)任務(wù)的規(guī)劃，眾多工程項(xiàng)目建設(shè)趨向于向高寒、高海拔等復(fù)雜偏遠(yuǎn)地區(qū)推進(jìn)，越來(lái)越多的特長(zhǎng)鐵路、公路隧道工程將穿越煤氣田等富含瓦斯地層，伴隨而來(lái)的問(wèn)題是施工難度越來(lái)越大，施工安全風(fēng)險(xiǎn)越來(lái)越高。尤其是川藏鐵路的全線開(kāi)工建設(shè)，將面臨高寒高海拔、高地應(yīng)力、高地溫、高瓦斯等不良地質(zhì)問(wèn)題。因此，如何確保施工安全，提高工程質(zhì)量是所有工程建設(shè)人員面臨的巨大挑戰(zhàn)。

針對(duì)高瓦斯隧道的爆破開(kāi)挖施工，目前我國(guó)通常使用Ⅲ級(jí)礦用乳化炸藥和煤礦許用毫秒延期電雷管作為主要炸材。根據(jù)成都軌道交通18號(hào)線龍泉高瓦斯隧道工程實(shí)例得知常規(guī)的爆破方法在高瓦斯隧道施工的實(shí)際應(yīng)用中存在諸多限制因素：電雷管最后一段的延期時(shí)間不得大于130 ms，即通常情況下雷管的延期段位不能超過(guò)5段。而針對(duì)大斷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，需要進(jìn)行多次爆破，不但影響施工進(jìn)度，而且增加了施工安全風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，由于周邊孔不能間隔裝藥，將導(dǎo)致無(wú)法有效控制隧道光面爆破的效果，超欠挖嚴(yán)重，進(jìn)而增加了隧道建設(shè)成本。根據(jù)常規(guī)采用的爆破方法，為避免電雷管火花引燃瓦斯，需要孔內(nèi)延期而導(dǎo)致雷管使用量大，同時(shí)亦不利于排查爆破網(wǎng)絡(luò)連線問(wèn)題，不利于控制爆破質(zhì)量。

基于此，大斷面高瓦斯隧道工程中如何選取合適的爆破器材就顯得尤為重要，將直接影響到爆破效果。而數(shù)碼電子雷管具有本質(zhì)安全性能[2]，雷管延期時(shí)間精度高，延期時(shí)間可根據(jù)需要精準(zhǔn)調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，在延期段位上相較于傳統(tǒng)方式可以增加爆破延期段位，同時(shí)亦可滿足雷管起爆最大延期不超過(guò)130 ms的時(shí)間規(guī)定限制，其爆破網(wǎng)絡(luò)的連接更為簡(jiǎn)單，爆破施工更加安全。筆者就采用數(shù)碼電子雷管實(shí)現(xiàn)高瓦斯隧道光面爆破進(jìn)行了研究與探討，提出了一種新的爆破設(shè)計(jì)思路。

2 數(shù)碼電子雷管的基本情況

數(shù)碼電子雷管是一種可以任意設(shè)定并準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)延期發(fā)火時(shí)間的新型電雷管，采用一個(gè)小型電路板取代普通雷管中的化學(xué)延期藥與電點(diǎn)火元件[3]。其核心原件是微型電子定時(shí)器，它將普通電雷管采用延期藥進(jìn)行延期時(shí)間控制更新?lián)Q代為采用電信號(hào)進(jìn)行延期時(shí)間控制，極大地提高了延期精準(zhǔn)度，而且可以通過(guò)控制通往引火頭的電源，最大限度地降低由引火頭能量需求差異引起的延期誤差[4]。每只雷管的延期時(shí)間可按毫秒量級(jí)進(jìn)行編程設(shè)定，其延期精度可控制在±0.2 ms，即相鄰炮孔的起爆延期時(shí)間最大可能相隔0.4 ms[5]。在高瓦斯隧道施工中單次爆破藥量較大時(shí)，為減小爆破振動(dòng)，可以通過(guò)調(diào)整前后段位的爆破時(shí)間差，使前一段位與后一段位的爆破振動(dòng)波峰和波谷相疊加，從而產(chǎn)生干擾疊加，以達(dá)到較小爆破振動(dòng)的效果[6]。

3 光面爆破的基本情況

光面爆破是一種控制爆破技術(shù)，通過(guò)光面爆破可以最大程度地保證開(kāi)挖輪廓線與設(shè)計(jì)線吻合，是一種減少超欠挖的有效手段。在隧道爆破開(kāi)挖過(guò)程中，是解決圍巖超欠挖問(wèn)題、節(jié)約工程施工成本的有效措施。光面爆破按照掏槽眼、輔助眼、周邊眼和底板眼分區(qū)逐次順序起爆，最終形成較為平整的開(kāi)挖輪廓面。其原理是在設(shè)計(jì)開(kāi)挖線按照一定間距鉆設(shè)與最小抵抗線相匹配的周邊眼，在掏槽眼和輔助眼相繼起爆后若干個(gè)周邊孔內(nèi)的炸藥同時(shí)起爆從而形成平整的開(kāi)挖面。由于光面爆破的實(shí)施效果顯著，目前已在常規(guī)隧道施工中廣泛應(yīng)用。而在高瓦斯隧道爆破開(kāi)挖施工中，由于受規(guī)范條款限制，尚未實(shí)現(xiàn)真正意義上的光面爆破施工?？梢韵嘈?，隨著數(shù)碼電子雷管的逐步推廣應(yīng)用，依據(jù)數(shù)碼電子雷管的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有施工技術(shù)手段，可以為高瓦斯隧道實(shí)現(xiàn)真正意義上的光面爆破施工提供一種可能。

4 高瓦斯隧道光面爆破的設(shè)計(jì)

根據(jù)高瓦斯隧道爆破施工的現(xiàn)狀及已有的工程經(jīng)驗(yàn)，筆者對(duì)采用數(shù)碼電子雷管進(jìn)行高瓦斯隧道光面爆破的施工流程和關(guān)鍵工序進(jìn)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為：測(cè)量放線→臺(tái)車(chē)就位→鉆孔→瓦斯檢測(cè)→裝藥與堵孔→連線→瓦斯檢測(cè)→起爆與通風(fēng)散煙→瓦斯檢測(cè)→出渣、排險(xiǎn)→下一循環(huán)。

(1) 測(cè)量放線。由測(cè)量工程師在掌子面標(biāo)識(shí)出炮孔位置、深度及方向；

(2) 臺(tái)車(chē)就位。將作業(yè)臺(tái)車(chē)移動(dòng)至隧道掌子面位置，施工作業(yè)人員通過(guò)便攜式瓦檢儀檢測(cè)瓦斯?jié)舛龋咚節(jié)舛刃∮?.5%時(shí)開(kāi)始作業(yè)；

(3) 鉆孔。采用鑿巖機(jī)或多臂鉆按照爆破設(shè)計(jì)方案鉆孔，掏槽孔、周邊孔鉆孔超深30 cm；采用濕式鉆孔方法并及時(shí)清孔；

(4) 瓦斯檢測(cè)。裝藥前需檢測(cè)瓦斯?jié)舛?，待瓦斯?jié)舛刃∮?.5%時(shí)方可進(jìn)行裝藥；

(5) 裝藥與堵孔。掏槽孔和輔助孔裝藥：將第一節(jié)藥卷與安全導(dǎo)爆索綁牢后用炮棍裝至孔底，然后連續(xù)裝入炸藥并用黏土炮泥堵孔，安全導(dǎo)爆索預(yù)留長(zhǎng)度不小于50 cm；周邊孔裝藥：將第一節(jié)水炮泥與安全導(dǎo)爆索綁牢[7]，裝至孔底，然后按照炸藥、水炮泥的順序交替裝藥，孔口用黏土炮泥堵孔，孔外預(yù)留的安全導(dǎo)爆索長(zhǎng)度不小于50 cm；

(6) 連線。按爆破段位將預(yù)留導(dǎo)爆索連接起來(lái)，然后按段位每間隔約20個(gè)炮孔連接一枚數(shù)碼電子雷管，最后將數(shù)碼電子雷管的腳線連接形成串聯(lián)起爆電路并進(jìn)行起爆網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)；

(7) 瓦斯檢測(cè)。爆破前檢測(cè)瓦斯?jié)舛刃∮?.5%；

(8) 起爆與通風(fēng)散煙。警戒、撤離，然后起爆，爆破后進(jìn)行通風(fēng)散煙；

(9) 瓦斯檢測(cè)。通風(fēng)散煙20 min后進(jìn)行瓦斯?jié)舛葯z測(cè)，其濃度需小于0.5%；

(10) 出渣、排險(xiǎn)；

(11) 下一循環(huán)。

4.2 關(guān)鍵工序施工技術(shù)探究

(1)鉆設(shè)炮孔。瓦斯隧道的開(kāi)挖應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、循環(huán)進(jìn)尺要求等進(jìn)行鉆爆設(shè)計(jì)。鉆爆設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)每循環(huán)揭露的圍巖地質(zhì)情況和爆破效果進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。瓦斯隧道鉆孔過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)檢測(cè)洞內(nèi)的瓦斯?jié)舛取?/p>

鉆爆設(shè)計(jì)應(yīng)包括炮眼的布置、深度、斜率和數(shù)量，爆破器材、裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)，起爆方法和爆破順序等內(nèi)容。為保證施工人員的安全，鉆孔之前必須進(jìn)行一次施工作業(yè)面瓦斯?jié)舛葯z測(cè)，待瓦斯?jié)舛刃∮?.5%時(shí)方可開(kāi)始鉆孔施工。采用鑿巖機(jī)或多臂鉆鉆設(shè)炮孔。根據(jù)已有施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于礦用乳化炸藥的爆力較常規(guī)炸藥低，因此，其鉆孔間距以相對(duì)于常規(guī)隧道小5～10 cm為宜。瓦斯隧道光面爆破周邊孔的鉆孔間距：軟質(zhì)巖(Ⅳ類(lèi)以下)鉆孔間距為30～45 cm，硬巖(Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi))鉆孔間距為40～50 cm，極硬巖(I類(lèi))鉆孔間距為50～55 cm，必須將鉆孔誤差控制在±5 cm，抵抗線厚度大于鉆孔間距10 cm左右。根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，為提高周邊孔爆破效果，針對(duì)瓦斯隧道，其炮孔深度較開(kāi)挖進(jìn)尺深度加深約30 cm，周邊孔加深部分的孔底采用水炮泥堵塞。

(2)裝藥。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，瓦斯隧道的爆破裝藥需采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。但對(duì)于周邊孔而言，若要進(jìn)行光面爆破、提高爆破質(zhì)量，需要采取間隔裝藥結(jié)構(gòu)。

鑒于高瓦斯隧道光面爆破施工的炸藥需采用Ⅲ級(jí)煤礦許用乳化炸藥，為解決上述問(wèn)題，周邊孔裝藥時(shí)，孔底可采用水炮泥與安全導(dǎo)爆索綁牢后裝至孔底，再按照炸藥、水炮泥交替間隔放置的形式形成間隔裝藥結(jié)構(gòu)，即水炮泥間隔裝藥，水炮泥的長(zhǎng)度可根據(jù)間隔長(zhǎng)度需要進(jìn)行定制，從而解決了空氣間隔裝藥需要采用竹片定位的問(wèn)題，孔口用黏土炮泥堵孔。

水炮泥的作用：可以增大孔內(nèi)應(yīng)力波的壓力及作用時(shí)間；可以延長(zhǎng)爆生氣體作用時(shí)間；可以保證孔內(nèi)炸藥充分反應(yīng)；可以降低爆破后的粉塵濃度；可以降低單位梯級(jí)巖石炸藥消耗量[8]。

黏土炮泥的作用：孔口處采用黏土炮泥封堵，可以充分利用爆轟氣體壓力提高爆破質(zhì)量，同時(shí)也避免了爆破火花與瓦斯直接接觸而導(dǎo)致發(fā)生瓦斯事故。

(3)起爆網(wǎng)絡(luò)的連接。目前我國(guó)使用的延期雷管大多采用化學(xué)藥劑作為延期體。而藥劑延期存在時(shí)間不準(zhǔn)、延期時(shí)間一致性差、儲(chǔ)存時(shí)間短等缺陷[9]，而且延期藥粉燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，因此，為避免延期電雷管引燃瓦斯，瓦斯隧道爆破施工用的電雷管需要孔內(nèi)延期，不利于爆破網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量的檢查。

常規(guī)隧道施工采用導(dǎo)爆索和雷管形成起爆網(wǎng)絡(luò)目前已取得廣泛應(yīng)用。而高瓦斯隧道起爆網(wǎng)絡(luò)若全部采用雷管，雷管的使用量大，爆破成本高。但采用煤礦許用導(dǎo)爆索配合數(shù)碼電子雷管可以解決這個(gè)問(wèn)題。煤礦許用導(dǎo)爆索是一種專(zhuān)供防止瓦斯和煤塵爆炸危險(xiǎn)的井下使用的所謂“安全導(dǎo)爆索”[10]。這種導(dǎo)爆索與普通導(dǎo)爆索的區(qū)別是在藥芯和包覆層內(nèi)加入了消焰劑，起到了類(lèi)似于煤礦安全炸藥和被筒炸藥的作用[11]；而且數(shù)碼電子雷管是通過(guò)電信號(hào)控制雷管延期時(shí)間，不會(huì)產(chǎn)生火花。因此，在瓦斯隧道施工過(guò)程中，采用煤礦許用導(dǎo)爆索與數(shù)碼電子雷管可以按照常規(guī)隧道施工的方法進(jìn)行爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，即同一段位的炮孔采用安全導(dǎo)爆索連線、對(duì)應(yīng)段位的數(shù)碼電子雷管引爆的方式，從而減少了雷管的使用量，可以大大節(jié)省爆破成本。

根據(jù)已有施工經(jīng)驗(yàn)，采用煤礦許用導(dǎo)爆索和數(shù)碼電子雷管形成爆破網(wǎng)絡(luò)，按照每間隔不大于20個(gè)炮孔連接一發(fā)數(shù)碼電子雷管、每一段位的數(shù)碼電子雷管延期時(shí)間一致布置，然后將數(shù)碼電子雷管的腳線串聯(lián)連線，即可按照常規(guī)隧道爆破網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連線起爆。

4.3 數(shù)碼電子雷管具有的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于高瓦斯隧道爆破施工，當(dāng)采用數(shù)碼電子雷管起爆時(shí)，炮孔的位置以及孔內(nèi)的炸藥用量與采用煤礦許用毫秒延期電雷管網(wǎng)絡(luò)起爆是一致的。由于數(shù)碼電子雷管具備延期時(shí)間任意調(diào)節(jié)的功能，且其延期時(shí)間通過(guò)電信號(hào)控制，延期時(shí)間精度高，數(shù)碼電子雷管相對(duì)于煤礦許用毫秒電雷管的優(yōu)勢(shì)明顯?？梢酝ㄟ^(guò)縮短相鄰段位延期時(shí)間、增加爆破段別的方式，只要其最后一段的延期時(shí)間設(shè)定不超過(guò)130 ms便可滿足瓦斯隧道施工規(guī)范；結(jié)合安全導(dǎo)爆索，可以實(shí)現(xiàn)周邊孔間隔裝藥，實(shí)現(xiàn)高瓦斯隧道真正意義的光面爆破；且數(shù)碼電子雷管通過(guò)電信號(hào)控制延期時(shí)間，不會(huì)產(chǎn)生火花，可以孔外起爆，能夠節(jié)約雷管用量，降低施工成本。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)上述提出的采用數(shù)碼電子雷管進(jìn)行高瓦斯隧道光面爆破的設(shè)計(jì)思路，瓦斯隧道采用安全導(dǎo)爆索和數(shù)碼電子雷管進(jìn)行爆破網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、孔外延期起爆的方案在理論上可行。其實(shí)施效果應(yīng)在工程中進(jìn)行試驗(yàn)予以驗(yàn)證。