CN113203331B - 一种大断面隧道分断面两次起爆方法 - Google Patents

一种大断面隧道分断面两次起爆方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大断面隧道分断面两次起爆方法，涉及地下工程爆破技术领域。该方法包括：划分掘进断面为上断面和下断面，沿断面开挖轮廓布置周边孔。在下断面沿竖直方向布置多条孔垂线，平行于底板布置多条孔平线，孔垂线与孔平线的交点孔基点。在下断面孔基点处布置空孔，扩槽孔围绕空孔均匀布置，中分孔沿中分线布置。在上断面平行于隧道底板布置多排辅助孔，第一次先起爆下断面上的全部炮孔。下断面的装药孔按照与空孔距离由近及远的顺序起爆，然后第二次再起爆上断面的全部炮孔。该方法解决了正台阶法掏槽部位高，爆破飞石对设备破坏较严重的问题；还可以在雷管段数受限情况下，实现大断面隧道分两次起爆完成全断面爆破。

Description

一种大断面隧道分断面两次起爆方法
技术领域
本发明涉及煤矿开采和爆破工程技术领域，尤其是一种大断面隧道分断面两次起爆的方法，特别是基于煤矿许用电雷管起爆的大断面隧道分断面两次起爆的方法。
背景技术
煤矿许用电雷管只有5个延时段别，分别为0ms、25ms、50ms、75ms和100ms延时，所以在大断面隧道中，需要多次起爆才能完成一个断面的爆破，这大大降低了掘进爆破的施工效率。为了提高爆破效率，一般是通过加大掏槽部位的装药量以达到良好的爆破效果，加大装药量后，爆破方法产生的飞石可以抛掷到距离距工作面20～30m的区域，个别飞石甚至能达到40m～50m的区域，从而破坏掘进设备；为了保护掘进设备需要搭建防护设置，从而增加了施工成本。
在隧道开挖中常用的正台阶施工方法，即将隧道开挖断面按高度划分成2个或多个开挖工作面，上部的开挖工作面超前下部开挖工作面一定距离的施工方法。由于正台阶施工方法的掏槽部位偏高，所以在相同岩石及装药条件下爆破飞石比倒台阶施工方法的抛掷距远，抛掷范围和控制难度更大。倒台阶法是将隧道开挖断面按高度划分成2个或多个开挖工作面，下部的开挖工作面超前上部开挖工作面一定距离的施工方法；分断面法是将隧道开挖断面按高度划分成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。对于倒台阶法或下导洞超前施工方法，超前开挖部位的顶板存在塌方、掉块的安全防护问题，如果增加支护，又会存在施工效率低下的问题。
现有技术中，采用分断面施工时，可以让下断面先行起爆，然后再起爆上断面；既降低了正台阶法掏槽部位偏高带来的飞石控制难度，又解决了倒台阶法带来的顶板安全问题。下断面先行起爆的技术困难在于如何保证下断面一次起爆完成。如果不能一次起爆完成下断面岩石的全部爆破任务，如分2～3次完成下断面的爆破，就会产生以下问题：崩落的岩石散落在先起爆的爆破断面两侧，填埋两侧未爆破部位；必须在清除这些岩石后才能进行下断面两侧的后续工序，如钻孔、装药、连线、起爆等。这样就大大降低了施工效率。这个问题在可用雷管段数不足，特别是煤矿爆破只有5段雷管的情况下尤为严重。另外，由于大断面隧道爆破一次起爆药量大，单段起爆药量大，装药集中，造成爆破振动难以控制。
现有技术中具有循环进尺大，便于爆破振动控制的优点，但也存在以下缺点：(1)因为需要从直径较小的中空孔逐层爆扩出槽腔，因此与斜眼掏槽相比，需要起爆的雷管段数较多。雷管段数受限情况下，大断面隧道的一个掘进循环需要多次起爆才能完成。(2)对于煤矿爆破，可供使用的雷管段数只有5段，爆破效率更低。以某煤矿断面积28m2的岩巷为例，由于不能一次爆落工作面下部的岩石，第一次起爆爆落的岩石就会覆盖工作面下部和两侧未起爆的炮孔，必须在耙碴、出碴之后才能实施第二炮的爆破作业，严重影响了施工效率。因此，煤矿大断面岩巷掘进爆破很少使用直眼掏槽技术。(3)中空孔与扩槽孔的间距不宜控制，间距较大炸不开，造成掏槽失败；间距较小浪费炸药还容易出现飞石，砸坏掘进工作面附近的设备。(4)当使用多个中空孔创造自由面时，爆破分别以多个中空孔为中心逐层向外爆扩，极易在相邻中空孔交界处产生未爆落的岩柱，严重影响爆破效果，甚至造成爆破失败。(5)对于大断面隧道，现有技术都存在单段起爆的炸药装药量大、装药集中，爆破振动难以控制的问题。
发明内容
在现有技术的基础上，为了有效控制爆破飞石抛掷路径、抛掷距离和抛掷范围，避免飞石对掘进工作面设备，例如飞石对一体机的破坏等，减少同一断面的起爆次数，本发明提供了一种大断面隧道分断面两次起爆方法，具体的技术方案如下。
一种大断面隧道分断面两次起爆方法，步骤包括：
S1.将掘进断面划分为上断面和下断面；
S2.在上断面和下断面的开挖轮廓线布置周边孔；
S3.沿下断面的中垂线两侧对称布置平行于中垂线的孔垂线，平行于底板布置孔平线，孔垂线和孔平线的交点为孔基点；
S4.以孔基点为圆心，在中垂线的两侧对称布置空孔；其中当孔垂线为基数条时，在中垂线和孔平线的交点布置空孔；
S5.绕空孔等间距的布置扩槽孔，在扩槽孔的外围布置辅助孔，辅助孔与空孔的距离大于扩槽孔与空孔的距离；
S6.在空孔之间的中分线上布置中分孔；其中当孔垂线具有偶数条时，在中垂线上也布置中分孔；
S7.在扩槽孔和中分孔之间布置垂直辅助孔；
S8.在上断面布置水平辅助孔，水平辅助孔平行于底板排列；
S9.在炮孔装填炸药和雷管，所述炮孔包括扩槽孔、垂直辅助孔、中分孔和水平辅助孔；
S10.在掘进断面后方距离下断面2-5m的位置设置碴堆；
S11.起爆下断面上的炮孔，起爆顺序具体是，按照与空孔中心距离由近及远的顺序起爆，依次起爆扩槽孔、垂直辅助孔和中分孔，最后起爆周边孔；
S12.起爆上断面上的炮孔，起爆顺序具体是，按照水平辅助孔与底板距离由近及远的顺序起爆，先起爆水平辅助孔再起爆周边孔。
优选的是，碴堆与空孔相对布置，碴堆的高度大于扩槽孔的高度，碴堆的宽度大于扩槽孔之间的最大距离。
优选的是，上断面和下断面上的炮孔使用电雷管，雷管段数小于等于5段。
优选的是，垂直辅助孔在同一竖线上的使用同一段别的雷管；所述上断面和下断面上的炮孔分别起爆，下断面上的炮孔先于上断面的炮孔起爆。
优选的是，扩槽孔与空孔的圆心距为t1，空孔的直径为d1，扩槽孔的直径为d2，扩槽孔和空孔圆心距t1满足关系式：t1＝(1.5～3)×d1+0.5×d2，其中d1≥75mm，d2≤60mm。
进一步优选的是，空孔与竖直方向上相邻空孔之间的间距为t2，空孔之间满足关系式：t2＝(2～5)×d1。
本发明提供的一种大断面隧道分断面两次起爆方法有益效果包括：
(1)下断面先行起爆，解决了由于正台阶法掏槽部位高，飞石抛掷距离远，抛掷范围大的问题；同时还解决了下断面分次爆破带来的施工工序多、施工效率低下的问题。
(2)通过布置孔垂线和孔平线定位孔基点的位置，随着孔垂线和孔平线数量的增加，在任意的大断面巷道上，可以在5段煤矿许用雷管的条件下，一次爆落巷道断面；利用多个空孔创造出多个爆破自由面，从而改变爆破飞石的飞散方向；同时还会形成多个抛碴中心，使飞石的抛掷方向垂直于掘进方向，爆落的岩石能够均匀分布在工作面前方15m的范围内。
(3)合理的设置了空孔的直径，以及空孔之间的距离关系和位置关系，保证辅助孔在起爆前，已经沿中垂线和孔垂线上的相邻空孔形成了多个贯通的槽腔，为后续辅助孔的起爆创造自由面，使爆破飞石能够沿最小抵抗线方向(垂直于隧道掘进方向)抛掷。
(4)合理的设置扩槽孔与空孔的间距，解决了扩槽孔与空孔间距大无法炸开扩槽孔与空孔之间岩石的问题；另外通过设置扩槽孔与空孔间距，以及扩槽孔的直径，可以控制爆破飞石的抛掷距离，解决扩槽孔和空孔之间的间距小而产生飞石的问题。
(5)采取在中垂线上、中分线上布置中分孔的炮孔布置方式，设计中分孔装药在所有辅助孔中最迟起爆，保证了工作面上最后爆破的岩柱能够全部炸开，不留岩柱；并且飞石的抛掷方向仍然垂直隧道的轴向，最大限度降低了爆破飞石的工作面设备的破坏。
(6)合理设置上断面和下断面的雷管段数，按照起爆顺序使下断面岩石起爆抛掷时间超前于上断面岩石起爆，下断面起爆完成后再起爆上断面，由于下断面先于上端面起爆从而为上断面创建了自由面，飞石的抛掷距离也会得到有效的控制。
(7)下断面先于上断面起爆，下断面爆破结束后形成自然碴堆，工人可踩在下断面形成的碴堆上布置上断面的炮孔及炸药，有效的提高了施工效率；再掘进断面后方设置碴堆从而拦截爆破飞石，有效避免了飞石对掘进设备的破坏。
另外，该方法还具有施工简便，综合施工成本低，安全性高等优点。
附图说明
图1是大断面隧道分断面两次起爆方法的掘进断面布置示意图；
图2是空孔和扩槽孔的布置示意图；
图3是下断面爆破后的A-A位置截面示意图；
图4是碴堆的设置示意图；
图5是图4中的B向示意图；
图6是实施例2中的掘进断面布置施工示意图；
图7是实施例3中的掘进断面布置施工示意图。
具体实施方式
结合图1至图7所示，对本发明提供的一种大断面隧道分断面两次起爆方法具体实施方向进行说明。
实施例1
一种大断面隧道分断面两次起爆方法，具体的步骤包括：
S1.将掘进断面划分为上断面A1和下断面A2。
S2.在上断面A1和下断面A2的开挖轮廓线布置周边孔。
S3.沿下断面的中垂线两侧对称布置平行于中垂线的孔垂线，平行于底板布置孔平线，孔垂线和孔平线的交点为孔基点。其中中垂线B0为开挖断面的垂直中心线。
具体是，沿下断面A1中垂线B0的两侧，对称布置i条平行于中垂线B0的孔垂线B1、B2、B3、……、Bi，i≥2，Bi为其中一条孔垂线；在下断面A1上平行于底板布置孔平线C1、C2、C3、…、Cj，j≥1，Cj为其中一条孔平线；孔平线Cj与中垂线B0的交叉点为孔基点B0Cj，孔垂线B1、B2、B3、……、Bi与孔平线C1、C2、C3、……、Cj的交叉点为孔基点BiCj；
S4.以孔基点为圆心，在中垂线的两侧对称布置空孔；以孔基点BiCj为圆心按照左侧奇数右侧偶数的规则沿中垂线B0两侧对称布置空孔EBiCj；当i为奇数时，在孔基点B0Cj布置空孔EB0Cj；当i为偶数时，孔基点B0Cj处不布置空孔。
其中当孔垂线为基数条时，在中垂线和孔平线的交点布置空孔。空孔与竖直方向上相邻空孔之间的间距为t2，空孔之间满足关系式：t2＝(2～5)×d1。
S5.绕空孔等间距的布置扩槽孔，在扩槽孔的外围布置辅助孔，辅助孔与空孔的距离大于扩槽孔与空孔的距离。在外围可以是按照菱形或矩形的方式围绕空孔布置扩槽孔和辅助孔，空孔在正方形中间，其他孔布置在角上，或者沿正方形边缘均匀布置。
具体是扩槽孔P围绕空孔等距离布置，同一空孔的扩槽孔P之间保持相等间距；扩槽孔P之外的辅助孔围绕空孔及空孔周围装药孔爆炸形成的空腔布置，同一空孔外围的辅助孔与空孔的距离大于扩槽孔P与空孔的距离。
S6.在空孔之间的中分线上布置中分孔G；其中当孔垂线具有偶数条时，在中垂线上也布置中分孔G。具体是当i为奇数时，在中分线上各布置1列中分孔G；当i为偶数时，在中垂线B0上、中分线上各布置1列中分孔G。中分线为同一孔平线上，相邻的孔基点连线的垂直平分线。中分孔G为中分线上的装药孔。
S7.在扩槽孔和中分孔之间布置垂直辅助孔。在扩槽孔P与中分孔G之间布置垂直辅助孔V；同列垂直辅助孔V使用同一段别的雷管起爆，相邻垂直辅助孔V使用不同段别的雷管起爆；空孔同一侧的扩槽孔P、垂直辅助孔V、中分孔G使用不同段别的雷管起爆，同侧总起爆段数小于可用雷管段数。
由于扩槽孔P与空孔间距过小，仍产生飞石的问题。在煤矿掘进工作面完成的试验表明；扩槽孔与空孔的圆心距为t1，空孔的直径为d1，扩槽孔的直径为d2，扩槽孔和空孔圆心距t1满足关系式：t1＝(1.5～3)×d1+0.5×d2，其中d1≥75mm，d2≤60mm；这种布置可以控制爆破飞石的抛掷距离在15m的范围内。
S8.在上断面布置水平辅助孔H，水平辅助孔H平行于底板排列。具体是在上台阶A2上布置水平辅助孔H，水平辅助孔H平行于断面底板成排布设。
S9.在炮孔装填炸药和雷管，炮孔包括扩槽孔、垂直辅助孔、中分孔和水平辅助孔；空孔K中不装炸药。辅助孔是掘进断面上除空孔K、周边孔Z和扩槽孔P之外的装药孔，具体包括水平辅助孔H、垂直辅助孔V、预成腔装药孔U和中分孔G等。
其中上断面A1和下断面上A2的炮孔使用电雷管，雷管段数小于等于5段。垂直辅助孔在同一竖线上的使用同一段别的雷管，上断面A1和下断面上A2上的炮孔分别起爆，下断面A1上的炮孔先于上断面的炮孔起爆。
S10.在掘进断面后方距离下断面2-5m的位置设置碴堆。碴堆与空孔相对布置，碴堆的高度大于扩槽孔P的高度l，碴堆的宽度大于扩槽孔P之间的最大距离a。
S11.起爆下断面上的炮孔，起爆顺序具体是，按照与空孔中心距离由近及远的顺序起爆，依次起爆扩槽孔P、垂直辅助孔V和中分孔G，最后起爆周边孔Z。
S12.起爆上断面上的炮孔，起爆顺序具体是，按照水平辅助孔H与底板距离由近及远的顺序起爆，先起爆水平辅助孔H再起爆周边孔Z。
通过设计下断面A1，上断面A2使用1～5段雷管，按照起爆顺序，下断面A1岩石的起爆抛掷时间超前于上断面A2岩石起爆。下断面A1爆完后，再起爆上断面A2，因下断面A1优先起爆为上断面A2创建了自由面，飞石距离也就得到了有效控制。因下断面A1优先上断面A2起爆，下断面A1爆破结束后形成自然碴堆，工人可踩在下断面A1形成的碴堆上布置上断面A2的炮孔及炸药，有效的提高了施工效率。
实施例2
在隧道掘进中使用一种大断面隧道分断面两次起爆方法，下断面布置3个空孔。该巷道采用直墙半圆拱断面，设计掘进循环长度为2.50m，掘进断面宽度8.00m，掘进断面高度5.45m，直墙高2.50m，隧道断面S掘＝43.5m2。在隧道掘进中使用一种大断面隧道分断面两次起爆方法，具体的施工步骤为：
步骤一：将掘进断面A分成上断面A2和下断面A1两个断面，上断面A2高度为3.40m，下断面A1高度为2.05m，下断面A1优先上断面A2起爆。
步骤二：沿下断面A1开挖轮廓线布置周边孔Z，周边孔Z孔间距为300mm。
步骤三：在下断面A1中，距中垂线B0两侧1.40m处对称布置2条平行于中垂线B0的孔垂线B1、B2；沿下断面A1底部往上1.00m处平行于隧道底板布置1条孔平线C1，孔平线C1与孔垂线B0、B1、B2的交叉点为孔基点B0C1、B1C1、B2C1。
步骤四：以孔基点B0C1、B1C1、B2C1为中心布置不装炸药的空孔EB0C1、EB1C1、EB2C1，空孔直径d1＝130mm，严格垂直掘进工作面一次钻凿深度20.0m。
步骤五：扩槽孔P围绕空孔呈菱形布置，扩槽孔P与空孔圆心距t1＝227mm，扩槽孔P外第一圈辅助孔呈正方形布置，空孔圆心距该正方形边长垂直距离为480mm，其余辅助孔均匀布置于中分孔G和第一圈辅助孔之间。
步骤六，在中分线上各布置1列中分孔G；
步骤七：在上断面A2上布置水平辅助孔H，水平辅助孔H平行于断面底板成排布设。水平辅助孔孔间距和排间距均为500mm，底板与其上方一排辅助孔的间距为450mm。全断面除空孔外均为装药孔，装药孔直径d2＝42mm，炮孔布置见图6，图中的①、②、③、④、⑤表示雷管段号，分别对应1、2、3、4、5段雷管。
步骤八：全断面按设计药量，采取正向装药方式一次装填炸药完毕。其中，在下断面A1中，扩槽孔P装填1段雷管，中分孔G和周边孔装填5段雷管，其余辅助孔按与空孔由近及远的顺序依次装填2、3、4段雷管。在上断面A2中，成排辅助孔按距离底板由远及近的顺序分别装填1、2、3、4段雷管，周边孔装填5段雷管。
步骤九：在掘进断面后方距离下断面4m的位置设置碴堆，碴堆与空孔相对布置，碴堆高度为2m，宽度为6m。
步骤十：串联下断面A1所有雷管脚线，一次起爆下断面A1全部炮孔。
步骤十一：串联上断面A2所有雷管脚线，一次起爆上断面A2全部炮孔。
实施例3
以某矿的西翼轨道大巷为例，对一种大断面隧道分断面两次起爆方法进行具体的说明。
在隧道掘进中使用一种大断面隧道分断面两次起爆方法，下断面布置2个空孔。该巷道采用直墙半圆拱断面，设计掘进循环长度为2.50m，掘进断面宽度5.90m，掘进断面高度5.45m，直墙高2.50m，，隧道断面S掘＝28.4m2。具体的施工步骤为：
步骤一：将掘进断面A分成上断面A2和下断面A1两个断面，上断面A2高度为3.00m，下断面A1高度为2.45m，下断面A1优先上断面A2起爆。
步骤二：沿下断面A1开挖轮廓线布置周边孔Z，周边孔Z孔间距为300mm。
步骤三：在下断面A1中，距中垂线B0两侧1.40m处对称布置2条平行于中垂线B0的孔垂线B1、B2；沿下断面A1底部往上1.00m处平行于隧道底板布置1条孔平线C1，孔平线C1与孔垂线B1、B2的交叉点为孔基点B1C1、B2C1。
步骤四：以孔基点B1C1、B2C1为中心布置不装炸药的空孔EB1C1、EB2C1，空孔直径d1＝130mm，垂直掘进工作面一次钻凿深度20.0m。
步骤五：在中垂线B0上布置1列装药的中分孔G，中分孔G孔间距为500mm。扩槽孔P围绕空孔呈菱形布置，扩槽孔P与空孔圆心距t1＝227mm，扩槽孔P外第一圈辅助孔呈正方形布置，空孔圆心距该正方形边长垂直距离为480mm，其余辅助孔均匀布置于中分孔G和第一圈辅助孔之间。
步骤六：在中分线上各布置1列中分孔G；
步骤七：在上断面A2上布置水平辅助孔H，水平辅助孔H平行于断面底板成排布设。水平辅助孔孔间距和排间距均为500mm，底板与其上方一排辅助孔的间距为450mm。全断面除空孔外均为装药孔，装药孔直径d2＝42mm，炮孔布置见图7。
步骤八：全断面按设计药量，采取正向装药方式一次装填炸药完毕。其中，在下断面A1中，扩槽孔P装填1段雷管，中分孔G和周边孔装填5段雷管，其余辅助孔按与空孔由近及远的顺序依次装填2、3、4段雷管。在上断面A2中，成排辅助孔按距离底板由远及近的顺序分别装填1、2、3、4段雷管，周边孔装填5段雷管。
步骤九：在掘进断面后方距离下断面3m的位置设置碴堆，碴堆与空孔相对布置，碴堆高度为1.8m，宽度为5m。
步骤十：串联下断面A1所有雷管脚线，一次起爆下断面A1全部炮孔。
步骤十一：串联上断面A2所有雷管脚线，一次起爆上断面A2全部炮孔。
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，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种大断面隧道分断面两次起爆方法，其特征在于，步骤包括：
S1.将掘进断面划分为上断面和下断面；
S2.在上断面和下断面的开挖轮廓线布置周边孔；
S3.沿下断面的中垂线两侧或中垂线及两侧对称布置平行于中垂线的孔垂线，平行于底板布置孔平线，孔垂线和孔平线的交点为孔基点；
S4.以孔基点为圆心，在中垂线的两侧对称布置空孔；其中当孔垂线为奇数条时，在中垂线和孔平线的交点也布置空孔；
S5.绕空孔等间距的布置扩槽孔；
S6.在空孔列间的中分线上布置中分孔；其中当孔垂线具有偶数条时，在中垂线上也布置中分孔；
S7.在下断面的扩槽孔和中分孔之间布置垂直辅助孔；
S8.在上断面布置水平辅助孔，水平辅助孔平行于底板排列；
S9.在炮孔装填炸药和雷管，所述炮孔包括周边孔、扩槽孔、垂直辅助孔、中分孔和水平辅助孔；
S10.在掘进断面后方距离下断面2-5m的位置设置碴堆；
S11.起爆下断面上的炮孔，起爆顺序具体是，按照与空孔中心距离由近及远的顺序起爆，依次起爆扩槽孔、垂直辅助孔和中分孔，最后起爆周边孔；
S12.起爆上断面上的炮孔，起爆顺序具体是，按照水平辅助孔与底板距离由近及远的顺序起爆，先起爆水平辅助孔再起爆周边孔；
所述碴堆与空孔相对布置，碴堆的高度大于扩槽孔的高度，碴堆的宽度大于扩槽孔之间的最大距离；
所述上断面和下断面上的炮孔使用电雷管，雷管段数小于等于5段。
2.根据权利要求1所述的一种大断面隧道分断面两次起爆方法，其特征在于，所述垂直辅助孔在同一竖线上使用同一段别的雷管；所述上断面和下断面上的炮孔分别起爆，下断面上的炮孔先于上断面的炮孔起爆。
3.根据权利要求2所述的一种大断面隧道分断面两次起爆方法，其特征在于，所述扩槽孔与空孔的圆心距为t1，空孔的直径为d1，扩槽孔的直径为d2，扩槽孔和空孔圆心距t1满足关系式：t1=（1.5~3）×d1+0.5×d2，其中d1≥75mm，d2≤60mm。
4.根据权利要求3所述的一种大断面隧道分断面两次起爆方法，其特征在于，所述空孔与竖直方向上相邻空孔之间的间距为t2，空孔之间满足关系式：t2=(2~5) ×d1。
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