煤与瓦斯突出隧道爆破方案优化设计研究

（） ( ) ＰＤ ｔ
＝４
４． ×
１８
× １０
－７
×
Ｓｇｅ
×
Ｖｅ２
×
１ ＋ ０． ８Ｓｇｅ
ｄｃ ｄｈ
３
×
[ ( ) ] － Ｂｔ
（ 槡 ） ｅｘｐ
－ ｅｘｐ － ２Ｂｔ
槡２
（式ｍ中）；：优ｄＳｈｇ化ｅ为为方孔比案眼重按直；两径Ｖｅ台（为ｍ阶爆）；施破Ｂ 为速工荷度，爆载（ｍ破系／ ｓ压数）；力；ｄｔｃ为简为时化炸间作药（用直ｓ）在径。 掌子面上。
空气中的时间较长，危险性系数较大。采用反向装 炮眼布置如图 ３ 所示，爆 图３ 两台阶法炮眼布置
１０６
铁道建筑技术 （ ） ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ０６
崔志成：煤与瓦斯突出隧道爆破方案优化设计研究
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。
ＣＵＩ Ｚｈｉｃｈｅｎｇ
（ ， ， ） Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ １９ｔｈ Ｂｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ． Ｌｔｄ． Ｌｉａｏｙａｎｇ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １１１０００ Ｃｈｉｎａ
： ， Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｈｅｎ ａ ｌａｒｇｅｓｅｃｔｉｏｎ ｈｉｇｈｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ ｃｒｏｓｓｅｓ ａ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｆａｃｔｏｒ ｉｓ ｈｉｇｈ． ， Ｉｍｐｒｏｐｅｒ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｉｓ ｐｒｏｎｅ ｔｏ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔｓ． Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｔｏ ｄｏｉｎｇ ａ ｇｏｏｄ ｊｏｂ ｏｆ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ， ｇｒｅａｔ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐａｉｄ ｔｏ ｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｗｈｅｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｕｎｃｏｖｅｒ ｃｏａｌ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ， ｂｅａｒｉｎｇ ｓｔｒａｔｕｍ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ａ ｌａｒｇｅｓｅｃｔｉｏｎ ｈｉｇｈｗａｙ ｔｕｎｎｅｌ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ＹｉｂｉｎＢｉｊｉｅ Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒａｔｉｏｎａｌｌｙ ， ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｂｅｆｏｒｅ
合计
— １４５ —
— １０９． ５
开挖面积／ ｍ２
６５
炮眼密度／ （个·ｍ －２）
２． ２３
单位用药量／ （ｋｇ·ｍ －３）
２． １１
预计进尺／ ｍ
０． ８
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。
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。
中图分类号： ； 文献标识码： ： Ｕ４５５． ６ Ｕ４５８． １
Ａ ＤＯＩ １０． ３９６９ ／ ｊ． ｉｓｓｎ． １００９４５３９． ２０２１． ０６． ０２３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｂｌａｓｔｉｎｇ Ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ Ｃｏａｌ ａｎｄ Ｇａｓ Ｏｕｔｂｕｒｓｔ Ｔｕｎｎｅｌ
撞击感度
≥１０
摩擦感度
≥２
≥１９０
≤２％
≤２％
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
（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
１０５
崔志成：煤与瓦斯突出隧道爆破方案优化设计研究
ＬＩＵ 等［５］结合地铁暗挖爆破对邻近桥桩的振动影响 药形式，爆破冲击力更易造成煤体突出。为加快施
进行数值分析，得出的优化方案经过工程实践验证 工进度，控制装药量，且防止突出保证施工安全，需
了其数值模拟的正确性。郝广伟 等 ［６］ 重点分析水 对原有爆破方案进行优化。
（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
方案
进尺／ ｍ
装药直径／
ｍｍ
炮孔直径／
ｍｍ
不耦合 系数
１
０． ８
表 ２ 两台阶法揭煤爆破参数
序号
炮名眼称
眼深 ／
ｍ
数个量 ／
药卷 ／
ｍｍ
装药量
每孔药 量 ／ ｋｇ
小计 ／ ｋｇ
１
掏槽眼
２． ２ １６ ３２ × ２５０ １． ２ １９． ２
２
辅助眼
１． ６ ８６ ３２ × ２５０ ０． ９ ７７． ４
３
周边眼
１． ６ ４３ ２５ × ２５０ ０． ３ １２． ９
突出风险［９］。刘军权 、赵 ［１０］ 伟［１１］、武磊［１２］、朱宝 各台阶安全距离控制到 １０ ｍ，然后上台阶一次全断
合［１３］等分别通过现场调查、现场试验，对长秋山隧 面揭开煤层顶板岩柱。
道、发耳隧道、水菁沟隧道、桃子垭隧道从爆破参数、 上台阶一次全断面揭开煤层顶板岩柱如图 ２
爆破工艺、电雷管爆破方式等方面进行分析。目前， 所示。
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］、
４ 揭煤爆破施工方案优化
秦绪彬［８］等分析了采用水封爆破对隧道光面爆破 为防止隧道上台阶意外见煤和下台阶先揭煤，
的影响。针对隧道的爆破研究很多，而在西南地区 应对隧道工作面钻探确认煤层准确位置。隧道过
的交通隧道建设中，有大量隧道穿越煤层，有瓦斯 煤系地段施工按两台阶分部开挖法进行开挖，并将
１ 引言
近几年，我国西南地区的公（铁）路建设数量突 飞猛进，充分带动了西南山区的经济发展。为保证 施工过程的安全性，在勘察设计阶段必须做到面面 俱到，尤其公（铁）路交通隧道的施工。有很多隧道 爆破方面的研究，如姚洪瑞等 对 ［１］ 岩屋冲隧道进行
浅孔爆破方案研究。贺泳超等 对 ［２］ 隧道爆破进行 现场试验，利用非金属超声波检测仪对受影响的超 短龄期二衬进行测试，分析其抗爆破振动的能力。 张雄等［３］针对爆破振动方案及监测结果分析了隧 道爆破对土体与岩石交界面处的应力分布。季相 臣［４］等对小间距隧道夹岩振动特性进行分析，揭示 了不 同 炮 眼 类 型 爆 破 时 其 振 动 传 播 规 律。Ｓｈｉｊｉａ
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
图２ 上台阶一次全断面揭开煤层顶板岩柱
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
文章编号： （ ） １００９ ４５３９ ２０２１ ０６ ０１０５ ０５
煤与瓦斯突设出计隧研道究爆破方案优化
崔志成
（中铁十九局集团第二工程有限公司 辽宁辽阳 ） １１１０００
摘 要：大断面公路隧道在穿越煤层时，施工难度大、危险性系数高，处理不当极易发生煤与瓦斯突出。在施工中
除做好瓦斯抽排工作外，也应对揭煤工作给予极大重视，尤其采用爆破方法进行揭煤时更需特别注意。本文结合
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。
图 １ 三台阶法揭露穿煤段爆破设计
揭露煤岩地段采用 两台阶法施工（每次掘进
三台阶法揭露煤层，施工步序多，煤体暴露在 ２ 榀拱架间距，１． ２ ｍ），
（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
出危险性高等特点。煤层平均厚度 ２． ２２ ｍ，倾角
表１ 三级煤矿许用乳化炸药主要性能指标
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。
药卷密度 ／ 炸药密度／
爆速 ／
猛度 ／
（· ） （· ） （· ） ｇ ｃｍ －３
ｇ ｃｍ － ３
ｍ ｓ －１
ｍｍ
３ 原爆破方案
１． ００ ～ １． ２５
１． ０５ ～ １． ２５
殉爆距离／ ｃｍ 作功能力／ ｍＬ
≥３ ０００
ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｗｅａｋ ｃｏａｌ ｓｅａｍｓ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｈａｓ ａｌｓｏ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｉｔｓ
， ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｉｔ ｉｓ ｈｏｐｅｄ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ． ： ； ； Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｏａｌ ａｎｄ ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｔｕｎｎｅｌ ｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｂｙ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
表 ３ 模型参数
材料名称
弹性模量／
ＧＰａ
重度 （ｋＮ·ｍ
／
－３）Fra bibliotek泊松比黏聚力／
ＧＰａ
内摩擦角 （°）
／
Ⅳ级围岩 １． ８ 煤岩 ０． ４
２３
０． ３ ０． ０００ １５
５０
２６
０． ３２
０． ２
３６
（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 有关公式： Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
宜毕高速某在建大断面公路隧道穿越含煤地层工程，依据相关理论就原有揭煤爆破方案进行合理优化，借助有限
元软件对优化前后方案进行对比分析；对单循环进尺、炸药不耦合系数对爆破效果的影响进行探讨，得出最适于穿
越软弱煤层隧道揭煤施工爆破方案，并通过工程实践验证其合理性，以期为今后类似工程施工爆破设计提供借鉴。
关键词：煤与瓦斯突出隧道 爆破揭煤 方案优化
收基作稿金者日项简期目介：：：２中崔０２铁志１十成０九（３１局９８２２集０—团）有，男限，公辽司宁技辽术阳研人究，工项程目师（１，８主０要４Ｂ从）事桥梁、隧道方面的工作；Ｅｍａｉｌ：３３８４３８５０＠ ｑｑ． ｃｏｍ
铁道建筑技术 （ ） ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ０６
ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅｃｙｃｌｅ ｆｏｏｔａｇｅ ａｎｄ ｕｎｃｏｕｐｌｉｎｇ
， ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｂｌａｓｔｉｎｇ ｐｌａｎ ｏｆ ｕｎｃｏｖｅｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｍｏｓｔ