本发明涉及采矿工程和爆破技术领域，尤其是一种大断面隧道一次起爆的方法，以及使用煤矿许用电雷管条件下的大断面隧道一次起爆的方法。
背景技术：
目前，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。而在煤矿岩巷的掘进施工中，对于大断面隧道，需要多次起爆才能完成一个断面的爆破任务。对于金属矿山隧道、交通大断面隧道或大断面地下硐室，有时受可供使用的雷管段数限制，也需要多次起爆才能完成一个断面的爆破任务。这就大大降低了掘进爆破的施工效率。
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。爆破飞石可能会破坏掘进工作面附近的掘进设备及支护设施。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，在掘进施工中通常会使用钻、装、运一体机。一体机设备结构特点要求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，搭建防护设施的过程增加了施工工序从而增大了施工成本。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：
期刊论文《水工隧道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08期，第150～152页)公开了一种爆破飞石的防护技术，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，从而减小飞石动能，降低飞石弹射对设备的损坏。这种加强覆盖与遮挡的方法属于被动防护，不能完全避免飞石对设备的破坏，防护的工序多且劳动强度大，影响了掘进进度；另外对防护用品承载能力、质量的要求较高，成本增大。该技术未解决雷管段数受限情况下，大断面隧道一次起爆的技术问题。
中国专利(cn103541734b)公开了一种中空孔直眼菱形掏槽爆破减震方法，在地下隧道掌子面进行爆破掘进，施工过程中，使用潜孔钻机在隧道掌子面中间位置钻一个直径为90mm至180mm的中空孔；使用凿岩机钻凿多个炮孔，炮孔包括环绕中空孔展开的掏槽眼、辅助眼、周边眼和底板眼；装填炸药和雷管并用炮泥封堵炮孔，采用岩石乳化炸药，使用普通亳秒导爆管雷管或高精度亳秒导爆管雷管，按照炮孔布置顺序及雷管延期时间起爆炸药。该发明的目的是降低爆破振动对建筑物及居民生活的影响。
中国专利(cn109372509a)一种用于进路充填采矿中双空孔菱形掏槽孔的布置方法，该发明的目的是为了提高炮眼利用率，增加循环进尺长度，降低凿岩爆破成本，减少循环作业次数，缩短进路回采时间，提高充填采矿的生产能力和安全性。
现有技术中还存在以下缺点：(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。在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。
为了进一步的减小飞石抛掷距离，控制爆堆形态，避免飞石对掘进一体机的破坏，减少同一断面的起爆次数，需要对大断面巷道的爆破方法进行改进。
技术实现要素：
为了解决爆破过程中飞石抛掷范围大的问题，提升大断面隧道爆破施工效率，有效降低爆破飞石对掘进工作面附近设备的破坏。解决现有技术中：(1)雷管段数受限情况下，特别是在使用煤矿许用电雷管起爆的条件下，大断面隧道一次起爆的技术问题；(2)爆破飞石对隧道内设备破坏的问题；(3)装药集中，爆破振动难以控制的问题。
本发明提供了一种大断面隧道一次起爆方法，具体的技术方案如下。
一种大断面隧道一次起爆方法，步骤包括：
s1.划分掘进断面为上台阶和下台阶，上台阶超前下台阶布置；
s2.沿上台阶的开挖轮廓布置周边孔；
s3.在上台阶沿竖直方向均匀布置孔垂线，在上台阶平行于巷道底板布置孔平线，确定孔基点；
s4.在孔基点处布置空孔，绕空孔均匀布置扩槽孔，沿竖直方向在孔基点的中分线上布置中分孔，在空孔和中分孔之间布置多排垂直辅助孔，在中分孔、扩槽孔和辅助孔装药；
s5.在下台阶沿开挖轮廓线布置周边孔，平行于巷道底板布置多排水平辅助孔；
s6.一次起爆上台阶和下台阶上的装药孔，装药孔包括扩槽孔、中分孔、辅助孔和周边孔；其中上台阶的装药孔按照与空孔距离由近及远的顺序起爆；下台阶中先起爆水平辅助孔后起爆周边孔，其中下台阶的水平辅助孔按照与底板距离由远及近的顺序起爆。
优选的是，孔垂线和孔平线的数量随掘进断面的增大而增大。
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，扩槽孔和空孔的圆心距t1满足关系：t1＝(1.5～3)×d1 0.5×d2，其中d1≥75mm，d2≤60mm。
还优选的是，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：t2＝(2～10)×d1。
还优选的是，上台阶超前下台阶的距离大于掘进循环的长度；所述孔垂线和孔平线之间的交叉点为孔基点。
还优选的是，装药孔距离空孔的距离越大，相邻装药孔之间的距离也越大。
进一步优选的是，空孔沿孔垂线布置，其中所述孔垂线的数量大于或等于2，所述孔平线的数量大于或等于1。
进一步优选的是，空孔与上台阶和下台阶分界线的距离小于100cm。
进一步优选的是，下台阶使用1～5段雷管，上台阶使用2～5段雷管；所述下台阶先于上台阶25ms起爆。
本发明提供的一种大断面隧道一次起爆方法有益效果包括：
(1)随着孔垂线和孔平线数量的增大，可以使用有限段数的雷管一次爆落任意大的上台阶岩石，特别是该方法在使用5段煤矿许用电雷管的条件下，上台阶一次爆落的面积不受限制，从而可以实现使用有限段数的雷管完成大断面隧道一次爆落的目标。
(2)采用多个空孔的布置方式，制作多个爆破自由面，从而改变爆破飞石的飞散方向，形成多个抛碴中心，飞石的抛掷方向垂直于掘进方向，爆落的岩石能够均匀的分布在工作面前方5～15m的范围内。采用多空孔的方式创造出的多个爆破自由面大大降低了同段雷管起爆炸药的装药集中度，使得同段起爆的炸药均匀分散在爆破断面的不同部位。多个自由面为释放炸药爆炸产生的多余能量、有效降低爆破振动创造了良好的条件。另外，同一断面，不同部位起爆的炸药，爆炸地震波到达地面被保护目标的时间、存在时间差和相位差，可以互相干涉，消减振动峰值。
(3)控制中垂线和孔垂线上相邻孔之间的间距与空孔直径之间的关系，并在中垂线和孔垂线上相邻空孔中心线上布置扩槽孔，从而保证在辅助孔起爆前，已经沿中垂线上、孔垂线上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抛掷。
(4)合理的选择扩槽孔和空孔之间的间距，解决了扩槽孔与空孔间距过大，无法贯通并炸开扩槽孔与空孔之间的岩石，扩槽孔与空孔间距过小，仍产生飞石的问题；该方法可以将爆破飞石的抛掷距离能够控制在15m范围内。
(5)在中垂线上和中分线上分别布置中分孔，并且中分孔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；飞石的抛掷方向仍然垂直于隧道的轴向，最大限度降低了爆破飞石对工作面设备的破坏。
(6)该方法在起爆顺序上通过在上台阶使用2～5段雷管，下台阶使用1～5段雷管，按照起爆顺序，上台阶岩石的起爆抛掷时间滞后下台阶岩石起爆抛起的时间25ms。当下台阶第1段雷管起爆的第1排岩石向上抛弃，回落的岩碴刚好与上台阶第2段雷管爆炸朝向隧道轴线方向抛掷出来的飞石相撞，有效地阻挡了沿隧道轴线方向抛掷的飞石，缩短了抛掷距离，缩小了抛掷范围。同理，第2、3、4、5段雷管起爆的第2、3、4、5排岩石向上抛弃，能够阻挡上台阶第3、4、5段雷管爆炸朝向隧道轴线方向抛掷出来的飞石，缩短了这些段别雷管和炸药爆炸产生飞石的抛掷距离，缩小了抛掷范围。上台阶与下台阶爆落岩石之间的挤压。碰撞可以改善岩碴块度分布，减少大块，有利于出碴、运输。
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。随着隧道施工机械化水平的不断提高，具有更加广泛的应用范围。
附图说明
图1是巷道断面布置示意图；
图2是上台阶部分孔的布置示意图；
图3是巷道掘进断面示意图；
图4是掘进断面具体施工布置示意图。
具体实施方式
结合图1至图4所示，对本发明提供的一种大断面隧道一次起爆方法具体实施方式进行说明。
实施例1
一种大断面隧道一次起爆方法，其适用于矿井大断面隧道的钻爆掘进施工，尤其是使用钻、装、运掘进一体机的条件下，步骤包括：
s1.划分掘进断面为上台阶和下台阶，上台阶超前下台阶布置；其中上台阶超前下台阶的距离大于掘进循环的长度。
s2.沿上台阶的开挖轮廓布置周边孔，周边孔内装有炸药。
s3.在上台阶沿竖直方向均匀布置多条孔垂线，在上台阶平行于隧道底板布置多条孔平线，确定孔基点；其中孔垂线和孔平线之间的交叉点为孔基点。
s4.在孔基点处布置空孔，绕空孔均匀布置扩槽孔，沿竖直方向在孔基点的中分线上布置中分孔，在空孔和中分孔之间布置多排垂直辅助孔，在中分孔、扩槽孔和辅助孔装药；其中装药孔在布置时按照“装药孔距离空孔的距离越大，相邻装药孔之间的距离也越大”的规则设置。
其中，空孔的直径为100mm～180mm，最下方空孔与上台阶和下台阶分界线的距离小于100cm。空孔沿孔垂线均匀布置，各个孔垂线上布置空孔的数量大于或等于1。每列空孔中各个空孔的周围均匀的设置扩槽孔，扩槽孔为相邻空孔之间保持环向等间距且与空孔距离最近的一圈装药孔；各列空孔和周围的扩槽孔为1组，各组空孔和扩槽孔之间布置1列中分孔，各列中分孔均布置在同一孔平线的相邻孔基点的垂直平分线上，其中，中分孔在同组炮孔中最迟起爆。另外，相邻的空孔之间的孔间距为空孔直径的2～5倍。
s5.在下台阶沿开挖轮廓线布置周边孔，平行于隧道底板布置多排水平辅助孔。
s6.一次起爆上台阶和下台阶上的装药孔，装药孔包括扩槽孔、中分孔、辅助孔和周边孔；其中上台阶的装药孔按照与空孔距离由近及远的顺序起爆；具体的是依次起爆扩槽孔、辅助孔和中分孔。在下台阶中先起爆水平辅助孔后起爆周边孔，其中下台阶的水平辅助孔按照与底板距离由远及近的顺序起爆。
下台阶使用1～5段电雷管，上台阶使用2～5段电雷管。连接上台阶和下台阶上的全部电雷管，一次击发起爆全部电雷管，下台阶先于上台阶25ms起爆。其中1～5段电雷管的延期时间分别为0ms、(25±10)ms、(50±10)ms、(75±18)ms、(110±15)ms，其中在扩槽孔、中分孔、辅助孔和周边孔分别布置不同段别的电雷管，从而可以控制一次起爆过程的次序。图1至图4中的①、②、③、④、⑤表示电雷管段号，分别对应1、2、3、4、5段电雷管。
在大断面隧道一次起爆方法中：
装药孔和空孔的施工具体是，先利用彩色喷漆在工作面标注出空孔的位置，调整钻机位置使钻杆垂直工作面，并利用水平尺验证钻杆角度保证施工精度。待空孔钻凿完毕，按设计方案尽可能标注出空孔附近装填2～3段雷管装药孔的位置；若空孔的角度发生偏斜，装药孔要保持与空孔平行。
上台阶和下台阶装填雷管的过程中，上台阶使用2～5段的雷管，即距离空孔最近的一圈装药孔装填2段雷管，其余炮孔按距离空孔由近及远按顺序装填3～5段雷管。下台阶使用1～5段的雷管，从台阶分界线往下按顺序成排装填1～4段雷管，周边眼装填5段雷管。
雷管装填完成后，连线起爆，其中上台阶的空孔周边的装药孔按照与空孔中心距离由近及远的方式依次起爆，中分孔最后起爆。上台阶中各组空孔和装药孔中，与空孔距离相同的装药孔起爆顺序相同。采用串联的方式依次连接上下台阶全部雷管，上台阶与下台阶之间采用铜质母线相连，一次击发起爆上下台阶全部炮孔，且起爆用雷管的最大段数为5段。
该方法对爆破飞石采用阻拦和主动防护的措施，通过优化开挖步序、划分掘进台阶、合理的布置炮孔等手段控制爆破飞石的抛掷方向、抛掷距离和抛掷范围；在使用5个延时段别雷管的条件下，使用大直径中空孔直眼掏槽技术，实现全断面的一次起爆，不仅保证了施工效率还可以有效的控制爆破飞石的飞散范围，还具有施工简便，施工成本低，安全性高等优点。
实施例2
结合图1至图3对一种大断面隧道一次起爆方法进行详细说明，其步骤具体还可以包括：
s1.将掘进断面a分成上台阶a1和下台阶a2两个台阶，上台阶a1超前下台阶a2一定距离s，s的长度大于一个掘进循环的长度s1；
s2.沿上台阶a1和下台阶a2的开挖轮廓线布置周边孔z。
s3.沿上台阶a2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，；在上台阶a2上平行于隧道底板布置孔平线c1、c2、c3、…、cj，j≥1；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。中垂线b0上、孔垂线bj上相邻空孔e的圆心距t2与空孔e直径d1之间满足关系t2＝(2.0～5.0)d1。
s5.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。
s6.扩槽孔p围绕空孔e等距离布置，同一空孔e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e及空孔e周围装药孔爆炸形成的空腔布置，同一空孔e外围的辅助孔与空孔的距离大于扩槽孔p与空孔的距离。扩槽孔p与空孔e圆心距t1与空孔直径d1、扩槽孔直径d2之间满足关系：t1＝(1.5～3.0)d1 0.5d2，其中d1≥75mm，d2≤60mm。
s7.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。
s8.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e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或等于可用雷管段数。
s9.在下台阶a2上布置水平辅助孔h，水平辅助孔h平行于台阶底板成排布设。
s10.在除空孔e之外的所有炮孔中装填炸药和雷管；同时起爆上台阶a1和下台阶a2上的炮孔。上台阶a2的起爆顺序为：(1)空孔周边的装药孔按照与空孔中心距离由近及远的顺序起爆，依次为扩槽孔p、垂直辅助孔v和中分孔g，(2)在所有的辅助孔中，中分孔g最迟起爆，(3)在所有的装药孔中，周边孔z最后起爆；下台阶a1的起爆顺序为：(1)先水平辅助孔h、后周边孔z，(2)水平辅助孔h按照与底板距离由远及近的顺序起爆。
上台阶a1和下台阶a2上装药孔使用的雷管为煤矿许用电雷管，段数最多为5段。上台阶a1使用2～5段雷管，下台阶a2使用1～5段雷管。
实施例3
以某矿西翼轨道大巷为例，对一种大断面隧道一次起爆方法进行详细的说明。
如图4所示，该巷道为直墙半圆拱断面，掘进宽度5.90m，掘进高度5.45m，墙高2.50m，掘进断面面积为28.4m2。实例中所采用的空孔e孔直径为113mm，扩槽孔p孔直径为42mm。在巷道掘进中使用本发明的大断面隧道一次起爆方法，具体的施工步骤包括：
步骤1：将掘进断面a分成上台阶a1和下台阶a2两个断面，上台阶高度为2.90m。设计掘进循环长度h＝2.50m，上台阶a1超前下台阶a2距离s＝4.00m。
步骤2：沿上台阶a1开挖轮廓线布置周边孔z，周边孔z孔间距为300mm。
步骤3：在上台阶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；沿上台阶底部往上1.00m处平行于隧道底板布置孔平线c1，孔平线c1与孔垂线b1、b2的交叉点为孔基点b1c1、b2c1。
步骤4：以孔基点b1c1、b2c1为轴线布置不装炸药的空孔eb1c1、eb2c1，空孔直径d1＝133mm，垂直掘进工作面一次钻凿深度20.0m。
步骤5：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围绕空孔布置，相邻孔之间保持环向等间距，扩槽孔p与空孔圆心距t1与空孔直径d1、扩槽孔直径d2之间满足关系：t1＝(1.5～3.0)d1 0.5d2＝(1.5～3.0)×130 0.5×42＝190.5～360mm，取t1＝227mm；扩槽孔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和第一圈辅助孔之间。
步骤6：在下台阶a2上布置水平辅助孔h，水平辅助孔h平行于台阶底板成排布设。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。
步骤7：全断面按设计药量，采取正向装药方式一次装填炸药。其中，在上台阶a1中，扩槽孔装填2段雷管，中分孔和周边孔装填5段雷管，其余辅助孔按与空孔由近及远的顺序依次装填3、4段雷管。在下台阶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8：串联所有雷管脚线，完成全断面一次起爆。
该方法从爆破设计中控制飞石抛掷距离，对爆破飞石进行主动阻拦与防护。采用大直径空孔直眼掏槽技术，从而起到减小爆破飞石距离的效果。空孔列数为偶数时，巷道垂直中心线处布置1列中分孔，并可以进行加强装药；空孔列数为单数时，巷道垂直中心线布置1列空孔，空孔数量大于1，从而提升爆破效果。
其中上台阶使用2～5段的雷管，下台阶使用1～5段的雷管，下台阶先于上台阶约25ms起爆，下台阶向上抛掷岩块可抵挡上台阶爆破飞石在巷道轴向的抛掷，降低了爆破飞石损伤掘进设备的概率。同时可实现全断面一次起爆，减少起爆次数，减少钻爆作业时间。
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。
1.一种大断面隧道一次起爆方法，其特征在于，步骤包括：
s1.划分掘进断面为上台阶和下台阶，上台阶超前下台阶布置；
s2.沿上台阶的开挖轮廓布置周边孔；
s3.在上台阶沿竖直方向均匀布置孔垂线，在上台阶平行于巷道底板布置孔平线，确定孔基点；
s4.在孔基点处布置空孔，绕空孔均匀布置扩槽孔，沿竖直方向在孔基点的中分线上布置中分孔，在空孔和中分孔之间布置多排垂直辅助孔，在中分孔、扩槽孔和辅助孔装药；
s5.在下台阶沿开挖轮廓线布置周边孔，平行于巷道底板布置多排水平辅助孔；
s6.一次起爆上台阶和下台阶上的装药孔，所述装药孔包括扩槽孔、中分孔、辅助孔和周边孔；其中上台阶的装药孔按照与空孔距离由近及远的顺序起爆；下台阶中先起爆水平辅助孔后起爆周边孔，其中下台阶的水平辅助孔按照与底板距离由远及近的顺序起爆。
2.根据权利要求1所述的一种大断面隧道一次起爆方法，其特征在于，所述孔垂线和孔平线的数量随掘进断面的增大而增多。
3.根据权利要求1所述的一种大断面隧道一次起爆方法，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一次起爆方法，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＝(2～10)×d1。
5.根据权利要求1所述的一种大断面隧道一次起爆方法，其特征在于，所述上台阶超前下台阶的距离大于掘进循环的长度；所述孔垂线和孔平线之间的交叉点为孔基点。
6.根据权利要求1所述的一种大断面隧道一次起爆方法，其特征在于，所述装药孔距离空孔的距离越大，相邻装药孔之间的距离也越大。
7.根据权利要求1所述的一种大断面隧道一次起爆方法，其特征在于，所述空孔沿孔垂线布置；其中所述孔垂线的数量大于或等于2，所述孔平线的数量大于或等于1。
8.根据权利要求7所述的一种大断面隧道一次起爆方法，其特征在于，空孔与上台阶和下台阶分界线的距离小于100cm。
9.根据权利要求2至8任一项所述的一种大断面隧道一次起爆方法，其特征在于，所述下台阶使用1～5段雷管，上台阶使用2～5段雷管；所述下台阶先于上台阶25ms起爆。
技术总结