煤与瓦斯突出隧道爆破方案优化设计研究

2021-07-12崔志成

铁道建筑技术 2021年6期

崔志成

（中铁十九局集团第二工程有限公司辽宁辽阳 111000）

1 引言

LIU等[5]结合地铁暗挖爆破对邻近桥桩的振动影响进行数值分析，得出的优化方案经过工程实践验证了其数值模拟的正确性。郝广伟[6]等重点分析水平岩层中隧道掘进过程中的超挖现象，在工程现场对不同进尺的爆破掘进进行现场试验。徐志成[7]、秦绪彬[8]等分析了采用水封爆破对隧道光面爆破的影响。针对隧道的爆破研究很多，而在西南地区的交通隧道建设中，有大量隧道穿越煤层，有瓦斯突出风险[9]。刘军权[10]、赵伟[11]、武磊[12]、朱宝合[13]等分别通过现场调查、现场试验，对长秋山隧道、发耳隧道、水菁沟隧道、桃子垭隧道从爆破参数、爆破工艺、电雷管爆破方式等方面进行分析。目前，针对穿煤瓦斯隧道爆破揭煤的研究相对较少，为保证揭煤过程的安全性，优化爆破方案十分必要。

2 工程背景

该隧道采用分离式设计，左线长5 251 m，右线长5 265 m，最大埋深约470 m，属特长隧道。在隧道所穿越的煤层中，最大瓦斯压力为1.28 MPa，隧道掘进期间瓦斯绝对涌出量估算值为2.51 m3／min，综合判断该隧道为煤与瓦斯突出隧道。隧址内含煤地层为上二迭统龙潭组，含煤5～7层。本文主要研究对象是C5煤层，其瓦斯压力为1.15 MPa，瓦斯含量18.69 m3／t，属于突出煤层，具有瓦斯含量大、突出危险性高等特点。煤层平均厚度2.22 m，倾角40°～47°，属缓倾斜中厚煤层，煤层结构简单，煤体属于第Ⅲ类破坏类型。

3 原爆破方案

原方案采用三台阶分部开挖，已进行上、中台阶两次揭煤。三台阶法施工炸药使用量共118.5 kg，装药量较大，炮孔布置如图1所示。装药结构采用装药加炮泥的反向装药形式，最大单孔装药量为1.2 kg。

图1 三台阶法揭露穿煤段爆破设计

三台阶法揭露煤层，施工步序多，煤体暴露在空气中的时间较长，危险性系数较大。采用反向装药形式，爆破冲击力更易造成煤体突出。为加快施工进度，控制装药量，且防止突出保证施工安全，需对原有爆破方案进行优化。

4 揭煤爆破施工方案优化

为防止隧道上台阶意外见煤和下台阶先揭煤，应对隧道工作面钻探确认煤层准确位置。隧道过煤系地段施工按两台阶分部开挖法进行开挖，并将各台阶安全距离控制到10 m，然后上台阶一次全断面揭开煤层顶板岩柱。

上台阶一次全断面揭开煤层顶板岩柱如图2所示。

图2 上台阶一次全断面揭开煤层顶板岩柱

（1）炸药、雷管的选择

根据《煤矿安全规程》规定，炮眼采用标准药卷规格长250 mm的三级煤矿许用乳化炸药，主要性能指标见表1；雷管选用煤矿许用毫秒延期电雷管且最后一段的延期时间不大于130 ms。

表1 三级煤矿许用乳化炸药主要性能指标

（2）装药结构及堵塞方式

周边眼采用小直径药卷不耦合间隔装药，煤矿许用毫秒延期电雷管传爆，其他眼采用一般药卷集中装药。在装药之前每个炮眼放入水袋，所有的装药炮眼采用黄泥堵塞，堵塞长度不小于25 cm，采用正向装药。

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揭露煤岩地段采用两台阶法施工（每次掘进2榀拱架间距，1.2 m），炮眼布置如图3所示，爆破参数见表2。起爆网路采用簇连法连接，使用孔内毫秒延期起爆网路。各炮孔起爆顺序为：掏槽眼—辅助眼—周边眼，由里向外逐层起爆。

表2 两台阶法揭煤爆破参数

图3 两台阶法炮眼布置

5 爆破方案优化数值模拟

（1）计算模型

利用有限元软件对揭煤爆破荷载进行模拟，边界选取粘弹性边界，模型大小为80×60×60 m。在模型上表面施加面荷载以模拟隧道埋深及地应力。根据隧道地质勘察资料及《公路隧道设计规范》（JTG D70／2—2014），围岩参数见表3。

表3 模型参数

（2）优化方案建立

针对爆破进尺及不耦合系数（装药直径与炮孔直径比值）进行正交配比，以优化揭煤爆破方案。正交优化方案配比见表4，其中方案1为原定方案。

表4 方案优化

（3）施加爆破荷载

进行爆破弹性分析，本文将掏槽眼、辅助眼、周边眼的不同爆破压力均简化为作用在爆破面的垂直方向上，采用美国National Highway Institute有关公式：

式中：Sge为比重；Ve为爆破速度（m／s）；dc为炸药直径（m）；dh为孔眼直径（m）；B 为荷载系数；t为时间（s）。

优化方案按两台阶施工，爆破压力简化作用在掌子面上。

6 模拟结果分析

6．1 不同不耦合系数对爆破荷载模拟的影响分析

按照上述爆破函数对不同不耦合系数的三种炮孔荷载进行拟合，按照表1和表2中数据进行计算，得出荷载曲线如图4所示。可以发现，当炸药直径与炮孔直径越接近时，即不耦合系数越大，则产生的爆破荷载越小。因此为控制爆破振动，不仅要控制装药量而且对不耦合系数也要重点关注。

图4 不同不耦合系数下的爆破荷载曲线

由表4设定的模拟方案可知，无论选择的进尺是多少，在选择不耦合系数为0.80和0.84时，计算结果不收敛。因此可以得出结论：揭煤爆破时掌子面装药不耦合系数不得超过0.76，然后再根据其他设计要求，选择常用的炮孔钻杆和炸药型号。

6．2 不同进尺对围岩变形的影响

按照表4提出的进尺0.8 m、1.2 m、1.6 m进行揭煤模拟，对比采用三种不同进尺产生的最大竖向变形及最大振动速度，如图5所示。由图5可知，在相对短进尺0.8 m及1.2 m时，竖向位移小于20 cm，且两者较为接近。在满足安全施工的前提下，对比振动速度曲线，采用1.2 m进尺能够安全快速揭煤施工。而采用1.6 m进尺，竖向位移及振动速度值均偏大，为保证施工安全，不建议采用1.6 m进尺。

图5 不同进尺下围岩最大竖向变形及最大振动速度

6．3 爆破荷载对围岩变形的影响

依据上述分析结果，采用1.2 m进尺进行爆破施工，对围岩变形进行深入分析。采用延时爆破，掌子面变形如图6所示。

图6 不同炮眼爆破后掌子面变形

图7为采用优化方案后的位移时程曲线及变形云图。由图7可知，隧道5个位置处变形最大值为1.25 m，而拱脚处较小，是因为未考虑临空面因素所致。对比原方案及优化后方案，掏槽眼位置的轴向位移时程曲线均呈波形，优化前掏槽眼位置最大位移值为1.34 m，而优化后的最大位移值为1.27 m，最终分别趋于0.35 m和0.36 m，这是因为当位移达到最大值时围岩已经发生了塑性破坏，后续的变形将不再具有参考意义。