一种控制隧道爆破飞石的限飞洞钻爆方法

摘要

本发明公开了一种控制隧道爆破飞石的限飞洞钻爆方法，它是在隧道掘进断面的下部开挖一个具有超前隧道掘进断面的限飞洞，通过设置不同围岩条件下，限飞洞的开挖深度、超前掘进断面与隧道掘进断面的爆破循环进尺之间的关系；同时设置起爆时间，使得在坚硬围岩条件下隧道掘进断面先起爆的炮孔爆落的岩碴能够在限飞洞内形成碴堆并能有效阻挡超前掘进断面爆破向外抛掷的飞石；使得在软弱围岩条件下超前掘进断面先行爆破，为隧道掘进断面的爆破创造出良好的自由面。本发明初次开挖一次限飞洞，每次循环后主动形成新的限飞洞，可以持续的进行下一个循环的爆破施工，再次提高了工作效率，为隧道高效安全施工提供了一条可行的途径。

说明书

技术领域

本发明属于地下工程爆破施工领域，具体地说，涉及一种隧道在掘进爆破施工时控制爆破飞石的限飞洞钻爆方法。

背景技术

在隧道开挖施工过程中，为了提高爆破效率，常需要通过加大掏槽部位的装药量以达到良好的爆破效果。常规的掏槽方式和爆破方法产生的飞石抛掷距离通常距工作面20～30m，个别飞石能达到40m，爆破飞石会对掘进工作面附近的设备、设施产生较为严重的破坏。在隧道开挖施工过程中，为了探明开挖工作面前方的地质情况、加快施工进度、提高隧道开挖施工过程中的安全性，常采用开挖超前导洞的方法为后续的隧道开挖施工创造良好的施工条件。

在煤矿岩巷掘进施工中，为提高岩巷开挖钻爆施工的机械化水平，在掘进施工中开始使用钻、装、运一体机。这类一体机由于设备结构特点所致，爆破时一体机的机头只能撤至距掘进工作面15～20m的位置。为了避免爆破飞石对一体机机头的破坏，需要在掘进工作面与机头间搭设多重防护设施，增加了施工工序、施工成本，降低了施工效率。即使增加了防护设施，也很难消除爆破飞石对一体机机头的破坏。因此，有必要研究出更加合理的爆破方法，有效降低爆破飞石的抛掷距离，控制爆堆形态，降低爆破飞石对一体机的破坏。

《水工隧洞爆破进洞施工中爆破飞石的防护》(宋彧，黑龙江水利科技，2019年47卷08期，第150～152页)提出“对场区内不便撤离的大型设备，使用橡胶软垫、棉垫或者厚重树枝等起到缓冲作用的防护用品对其进行遮挡覆盖，用于减小飞石动能，并有效防护飞石弹射，可以有效降低设备损坏率”。这种加强覆盖与遮挡的方法属于被动防护，成本高、工序多、劳动强度大。防护作业对掘进进尺无贡献，对防护用品的承载能力、质量要求较高，且不能完全避免飞石对设备的破坏。

中国专利CN201310534938.7公开了一种下穿文保建筑隧道爆破综合减震方法，此专利虽采用超前导洞的开挖方法，但其目的是控制爆破振速，未对爆破飞石特别是超前导洞爆破飞石的抛掷方向、抛掷距离及抛掷范围进行有效地控制。

中国专利公开号CN107218043 A公开了一种破碎围岩洞室开挖方法，其特征是导洞开挖在主洞中部靠下位置，采用风钻钻爆进行小导洞开挖，开挖一个循环进尺；主洞扩挖，由洞中心向周边孔方向依次起爆，出渣；主洞支护。该专利本质上采用的是分断面法施工，并未形成超前掘进工作面的导洞。存在的问题有：(1)钻爆开挖过程中，未能对爆破飞石特别是导洞爆破飞石的抛掷方向、抛掷距离及抛掷范围进行有效地控制，无法解决爆破飞石对工作面附近的设备、设施造成破坏的问题。(2)导洞与掘进工作面同步开挖，并未形成超前工作面。该发明专利附图1“导洞开挖”步骤的碴堆形状与工程实际不符。实际工程中，导洞爆落的岩碴会散落在导洞爆破断面两侧，填埋两侧未爆破的工作面下部。必须在清除这些岩碴后才能进行导洞两侧工作面的后续工序，如钻孔、装药、连线、起爆等，这样就大大降低了施工效率。

中国专利公开号CN102758633 B公开了一种围岩情况较好的大断面隧道的施工方法，该方法未对爆破飞石特别是超前导洞爆破飞石的抛掷方向、抛掷距离及抛掷范围进行有效地控制，无法解决爆破飞石对工作面附近的设备、设施产生破坏的问题。

中国专利公开号CN106089216A公布了一种岩石隧道破岩施工方法：以机械破岩沿所施工隧道开挖前进方向在所施工隧道断面内开挖一定深度的导洞；以所述导洞的表面为爆破自由面，对所述导洞的断面实施扩挖。该发明专利通过机械破岩开挖超前导洞的方法解决了岩石隧道钻爆开挖过程中爆破飞石大量外抛，破坏设备、设施的问题。但存在以下问题：(1)超前导洞开挖使用的机械破岩法与钻爆法相比，开挖速度慢，工序多，设备使用成本高。(2)根据该发明专利的权利要求1～5，为给待扩挖岩石提供良好的自由面，使用机械破岩方法开挖超前导洞，开挖深度至少为1个钻爆破岩步距的长度，且无法进一步缩短空顶距。当围岩条件差，超前开挖部位的顶板就存在塌方、掉块的安全防护问题，如果增加支护，如锚杆支护、喷射混凝土支护，又会导致施工效率低下，成本增加。

总而言之，现有技术一般存在下述三个技术问题：(1)现有的隧道爆破方法，不能主动地对爆破飞石特别是超前导洞爆破飞石的抛掷方向、抛掷距离及抛掷范围进行有效地控制。无法解决沿隧道或导洞轴线方向抛掷的爆破飞石对隧道内设备造成破坏的问题。(2)对于分断面法，先行爆破的断面(导洞)崩落的岩碴会散落在爆破断面两侧，填埋两侧未爆破的工作面下部。必须在清除这些岩碴后才能进行导洞两侧工作面的后续工序，如钻孔、装药、连线、起爆等。导致施工效率大幅降低。(3)软弱围岩条件下，超前导洞带来的顶板安全问题。

发明内容

为了解决现有爆破技术存在的技术问题，有效控制爆破飞石抛掷方向、抛掷距离和抛掷范围，避免飞石对掘进工作面设备的破坏，进一步提高施工效率和确保施工安全，本发明提出了一种控制隧道爆破飞石的限飞洞钻爆方法。

本发明针对不同的围岩条件采取不同的技术措施。具体讲就是针对坚硬围岩条件和软弱围岩条件的隧道采取不同的爆破方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种控制隧道爆破飞石的限飞洞钻爆方法，其特征在于，包括以下步骤

S1.在待开挖的隧道掘进断面的下部开挖一个宽度为a、高度为b、深度为L的限飞洞，在限飞洞中形成超前掘进断面，限飞洞的高度和宽度原则上越小越好，除满足作业人员、钻臂能进入之外，还应满足除碴设备的铲头能进入洞内除碴；

S2.根据现场情况设定隧道掘进断面与超前掘进断面的爆破循环进尺L

当待开挖隧道的围岩条件为坚硬围岩时，要求L＝L

当待开挖隧道的围岩条件为软弱围岩时，要求L＝(0.3～1.0)L

S3.向隧道掘进断面与超前掘进断面的炮孔中装填炸药和雷管；

S4.根据围岩条件设置起爆时间；

当待开挖隧道的围岩条件为坚硬围岩时，起爆时间设置原则是：先让隧道掘进断面沿限飞洞开挖轮廓的炮孔起爆，使得先起爆炮孔爆落的岩石能够在限飞洞内形成碴堆并能有效阻挡超前掘进断面爆破向外抛掷的飞石，其余炮孔从内到外依次起爆；

当待开挖隧道的围岩条件为软弱围岩时，起爆时间设置原则是：先让超前掘进断面上的炮孔全部起爆，然后再起爆隧道掘进断面上的炮孔，以使隧道掘进断面起爆时，限飞洞为隧道掘进断面的爆破创造出良好的自由面；

S5.按照S4设置的起爆时间起爆隧道掘进断面和超前掘进断面上的炮孔；

S6.清除爆落的岩碴，形成新的隧道掘进断面和新的限飞洞，新的限飞洞断面作为新的超前掘进断面；

S7.重复步骤S2～S6，开始隧道掘进新的一个循环。

为了适应限飞洞的高度和宽度原则上越小越好的要求，方便在小尺寸超前掘进断面上钻凿炮孔，并促进爆破的碎石落入超前掘进断面中心，所述的超前掘进断面采用中空孔直眼掏槽方式，扩槽孔与中空孔圆心距t与中空孔直径d

进一步，为了更好保护设备和阻挡爆破飞石，所述的挡碴堆或挡碴板的高度H大于或等于扩槽孔与隧道底板之间的最大距离h，挡碴堆或挡碴板的宽度W大于限飞洞的宽度a。

为进一步提高软弱围岩条件导洞施工的安全性，可在人员进入限飞洞内作业时，在洞内布置一个或几个断面尺寸与限飞洞断面尺寸相适应的防护台架。由于限飞洞尺寸较小，台架尺寸也较小，人员撤离时用人力或机械将台架运到安全位置即可。

下面根据机理逐一说明本发明的优点。

1.本发明在隧道掘进断面的下部开挖一个超前断面的限飞洞，限飞洞的掘进工作面为超前掘进断面，限飞洞的洞壁限制了超前掘进断面的爆破飞石只能沿限飞洞轴线方向抛掷。爆落岩碴不会填埋限飞洞轮廓外未爆破的工作面。

2.限飞洞的超前开挖深度L越大，对飞石抛掷方向和抛掷范围的控制效果越好。但是，随着开挖深度L的加大，会带来顶板安全、钻凿炮孔、出碴运输等方面的问题。本发明提出了限飞洞的超前开挖深度L与隧道掘进隧道掘进断面和超前掘进断面的爆破循环进尺L

3.在坚硬围岩条件下，限飞洞的超前开挖深度L、隧道掘进断面与限飞洞形成的超前掘进断面的爆破循环进尺L

4.在坚硬围岩条件下，隧道掘进断面上沿限飞洞开挖轮廓的炮孔雷管延期时间小于超前掘进断面上雷管的最小延期时间，使隧道掘进断面沿限飞洞开挖轮廓的炮孔先行起爆，爆落的岩石能够在限飞洞内形成碴堆并能有效阻挡超前掘进断面爆破向外抛掷的飞石，从而对超前掘进断面的爆破飞石抛掷方向、抛掷距离和抛掷范围进行有效地控制，使其集中堆积在限飞洞内。另外，隧道掘进断面后起爆炮孔产生的岩碴与超前掘进断面的爆落的岩碴相互挤压、碰撞，在改变超前掘进断面岩碴抛掷方向的同时，有效降低了岩碴块度，方便碴石装运。

5.在坚硬围岩条件下，满足关系L＝L

6.在软弱围岩条件下，L、L

7.在软弱围岩条件下，限飞洞前方与洞口的相对位置设置挡碴堆或挡碴板，隧道掘进断面上雷管的最小延期时间大于超前掘进断面上雷管的最大延期时间，使得超前掘进断面先行爆破，为隧道掘进断面提供良好的爆破自由面，产生的爆破飞石受挡碴堆或挡碴板阻挡，限制了其抛掷方向、抛掷距离和抛掷范围，使爆落岩碴集中堆置于隧道掘进断面与挡碴堆或挡碴板之间。对于使用煤矿许用电雷管的情况，由于雷管段数只有5段，超前掘进断面与隧道掘进断面可以分2次起爆。对于可用雷管段数满足要求的情况，超前掘进断面与隧道掘进断面可以同时起爆，满足隧道掘进断面上雷管的最小延期时间大于超前掘进断面上雷管的最大延期时间即可。

8.超前掘进断面采用中空孔直眼掏槽方式为缩小限飞洞的断面尺寸创造了条件，从而能够更加有效地控制爆破飞石的飞散范围。扩槽孔与中空孔圆心距t与空孔直径d

一直以来，在确保安全的前提下提高隧道开挖施工效率是本领域技术人员追求的目标，然而现实中安全施工和高效施工是一对矛盾体，往往顾此失彼，本发明人在隧道掘进断面设置一个限飞洞，通过设置起爆时间，利用爆破技术开挖隧道，即提高了施工效率，又有效阻止了起爆飞石；巧妙设置的限飞洞的开挖深度、隧道掘进断面循环进尺以及超前掘进断面循环进尺三者之间的关系，又保证了在每次爆破后主动形成新的限飞洞，这样开挖一次限飞洞就可以持续的进行下一个循环的爆破施工，再次提高了工作效率，为隧道高效安全施工提供了一条可行的途径，具有显著的经济意义。

附图说明

图1是实施例一坚硬围岩条件下工作面钻爆开挖示意图。

图2是图1的A-A剖面视图。

图3是实施例一坚硬围岩条件下断面1先于断面2起爆的炮孔起爆后的瞬间效果示意图。

图4是实施例一坚硬围岩条件下断面1和断面2上所有炮孔起爆后的效果示意图。

图5是实施例二软弱围岩条件下工作面钻爆开挖示意图。

图6是图5的A-A剖面视图。

图7是图5的B向视图。

图8是实施例二软弱围岩条件下断面2上炮孔起爆后瞬间效果示意图。

图9是实施例二软弱围岩条件下断面1和断面2上所有炮孔起爆后的效果示意图。

图2及图6中符号①、②、③、④、⑤表示雷管段号，分别对应1、2、3、4、5段雷管。

图中：1-隧道掘进断面；2-超前掘进断面；3-扩槽孔；4-中空孔；5-超前掘进断面辅助孔；6-超前掘进断面周边孔；7-隧道掘进断面辅助孔；8-隧道掘进断面周边孔；9-钻装运一体机；10-风筒；11-挡碴堆；12-第一碴堆；13-第二碴堆；14-第三碴堆；15-第四碴堆。

具体实施方式

实施例一

实施例一是在坚硬围岩条件下开挖隧道时采用本发明钻爆方法的实例，在某煤矿北二辅助运输巷道爆破掘进施工过程实施，掘进工作面的基本情况为：工作面开挖高度5.2m，开挖宽度4.5m，开挖面积19.7m

开挖步骤为：

步骤1：在隧道掘进断面1下部的中心位置，使用履带式钻机钻凿一个中空孔4，中空孔4的深度为20m、直径为133mm，距底板高度h＝0.7m。围绕中空孔4在隧道掘进断面1下部的中心位置超前开挖一个宽1.6m，高1.6m的限飞洞，形成超前掘进断面2。隧道掘进断面1单次循环进尺长度L

步骤2：使用钻装运一体机9分别在隧道掘进断面1、超前掘进断面2上钻凿炮孔。在超前掘进断面2围绕中空孔4布设4个扩槽孔3，中空孔4与扩槽孔3的圆心距t＝240mm。超前掘进断面辅助孔5从内到外逐层布置，超前掘进断面周边孔6沿限飞洞开挖轮廓均匀布置。隧道掘进断面辅助孔7从限飞洞开挖轮廓到外逐层布置，隧道掘进断面周边孔8沿掘进工作面的设计轮廓线均匀布置，如图2所示。

步骤3：向隧道掘进断面1、超前掘进断面2的炮孔中装填炸药和雷管。

步骤4：设置起爆时间。隧道掘进断面1上最靠近超前掘进断面2的一圈辅助孔使用煤矿许用1段电雷管，其次由限飞洞开挖轮廓向巷道开挖轮廓的炮孔依次使用雷管段别为2、3、4、5段。超前掘进断面2上的炮孔使用雷管的段别为2、3、4、5段，如图2所示，1、2、3、4、5段雷管号分别是是图中的①、②、③、④、⑤。

步骤5：同时起爆隧道掘进断面1和超前掘进断面2上炮孔中的雷管。隧道掘进断面1先于超前掘进断面2起爆的第1段雷管起爆后形成第一碴堆12，其形态如图3所示。隧道掘进断面1和超前掘进断面2上所有炮孔全部起爆后形成第一碴堆12、第二碴堆13，其形态如图4所示。爆破后开启风机，风筒10向工作面输送新鲜风流，排除粉尘、炮烟等有害气体。

步骤6：清除爆落的岩碴，形成新的隧道掘进断面、限飞洞和超前掘进断面。

步骤7：重复执行步骤2～步骤6，开始巷道掘进新的一个循环，直至完成巷道掘进。

实施例二

实施例二是在软弱围岩条件下采用本发明钻爆方法的实例。

开挖步骤为：

步骤1：在隧道掘进断面1下部的中心位置，使用履带式钻机钻凿一个中空孔4，中空孔4的深度为20m、直径为133mm，距底板高度h＝0.7m。围绕中空孔4在隧道掘进断面1下部的中心位置超前开挖一个宽1.6m，高1.6m的限飞洞，形成超前掘进断面2。隧道掘进断面1单次循环进尺长度L

步骤2：使用钻装运一体机9分别在隧道掘进断面1、超前掘进断面2上钻凿炮孔。在超前掘进断面2上围绕中空孔4布设4个扩槽孔3，中空孔4与扩槽孔3的圆心距t＝240mm。超前掘进断面辅助孔5从内到外逐层布置，超前掘进断面周边孔6沿限飞洞开挖轮廓均匀布置。隧道掘进断面辅助孔7从限飞洞开挖轮廓到外逐层布置，隧道掘进断面周边孔8沿掘进工作面的设计轮廓线均匀布置，如图6所示。

步骤3：在限飞洞前方与洞口相对位置设置挡碴堆11。在限飞洞口和井巷设备之间设置一个挡碴堆11，挡碴堆11距限飞洞口距离S为3.5m。挡碴堆11的高度H取1.0m，高于中空孔上部扩槽孔到底板的高度0.94m，宽度W取2.0m，大于限飞洞的宽度1.6m。挡碴堆11的材料为巷道爆落的岩碴，如图5、图7所示。

步骤4：向隧道掘进断面1、超前掘进断面2的炮孔中装填炸药和雷管。

步骤5：设置起爆时间。隧道掘进断面1上最靠近超前掘进断面2的一圈辅助孔使用煤矿许用1段电雷管，其次由限飞洞开挖轮廓向巷道开挖轮廓的炮孔依次使用雷管段别为2、3、4、5段。超前掘进断面2上的炮孔从内到外使用雷管的段别为1、2、3、4、5段。如图6所示。

步骤6：隧道掘进断面1和超前掘进断面2上的炮孔分2次起爆。先行起爆超前掘进断面2上的炮孔，再起爆隧道掘进断面1上的炮孔。超前掘进断面2上的炮孔起爆后形成第三碴堆14，其形态如图8所示。隧道掘进断面1和超前掘进断面2上所有炮孔起爆后形成第三碴堆14、第四碴堆15，其形态如图9所示。爆破后开启风机，风筒10向工作面输送新鲜风流，排除粉尘、炮烟等有害气体。

步骤7：清除爆落的岩碴，形成新的隧道掘进断面、限飞洞和超前掘进断面。

步骤8：重复执行步骤2～步骤7，开始巷道掘进新的一个循环，直至完成巷道掘进。

本发明主要术语的定义

(1)扩槽孔：围绕中空孔布置，相邻孔之间保持相等间距且与空孔距离最近的一圈装药孔。

(2)分断面法，将隧道开挖断面划分成2个或多个爆破断面，通过分次起爆不同断面上的岩石，完成一个掘进循环的施工方法。

(3)底板，隧道开挖的底部轮廓面，为平行于隧道轴线的平面。

(4)容胀空间，考虑岩石碎胀系数，为超前导洞内爆落的岩石提供的堆积空间。

(5)煤矿许用电雷管，经主管部门批准，允许在有瓦斯和(或)煤尘爆炸危险的煤矿井下使用的电雷管。煤矿许用电雷管只有5个延时段别，延期时间分别为0ms、25ms、50ms、75ms、和100ms。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，上述实施例中雷管的选用、炮孔的设计是基于该煤矿的地质、尺寸等资料按照本发明的技术方案给出的一个具体例子，另外，实施例中的限飞洞设计为矩形是基于便于画图考虑，并不作为对本发明技术方案的限制，在实际中，对于不同的隧道，本领域技术人员根据自己掌握的专业知识在本发明技术方案的指导下是完全可以设计出来的，所以说，本发明的保护范围以权利要求书记载的为准。