瓦斯隧道穿越采空區(qū)安全控制距離模擬研究

吳 平

(浙江省高能爆破工程有限公司 浙江杭州 310012)

1 工程背景

根據(jù)臨近礦井資料，礦井＋280 m水平以上大部分可采煤層已開采多年，存在大量采空區(qū)、遺留煤柱，而華巖隧道龍?zhí)督M地段標高 ＋304～＋309 m，穿過中梁山南礦采空區(qū)可能性非常大。

根據(jù)隧道所處的中梁山南礦區(qū)域煤層采掘情況，礦井＋280 m水平以上已開采多年，存在大量采空區(qū)、遺留煤柱，且礦井開采水平與隧道所在標高接近，存在采空區(qū)邊緣煤柱與隧道較近的情況，也存在遠離隧道的情況。煤層開采后，在采空區(qū)邊緣煤柱一定范圍內(nèi)會形成應力擾動，隧道開挖后也會在輪廓線周圍形成一定范圍的應力擾動，當隧道與采空區(qū)邊緣煤柱距離不同時，這兩個應力擾動范圍可能會發(fā)生干擾、疊加甚至重疊，改變煤巖體應力分布狀態(tài)，可能會引起煤體失穩(wěn)垮落，甚至可能在瓦斯應力的作用下，導致煤與瓦斯突出等動力現(xiàn)象發(fā)生[1-4]。

因此，有必要對瓦斯隧道遠離采空區(qū)邊緣和靠近采空區(qū)邊緣兩種情況下的煤巖體應力分布變化特征開展研究，判定風險類別[5-12]，進行瓦斯隧道穿越采空區(qū)安全控制距離分析，有利于為瓦斯隧道施工工藝及瓦斯參數(shù)測定的設計提供重要依據(jù)。

2 穿越采空區(qū)風險分析

2.1 模型建立

隧道穿越區(qū)域煤層厚2 m，傾角65°，距地表深約300 m。根據(jù)我國地層應力分布、巖層自重規(guī)律建模:長寬高為138 m×160 m×160 m，側向應力系數(shù)λ取0.8，頂部壓力為5.5 MPa，豎直應力為7.5 MPa，其余面均為滾支邊界。

以隧道穿越煤層數(shù)值模型為基礎，在隧道遠離采空區(qū)邊緣和隧道靠近采空區(qū)邊緣分別建立模型。

2.2 隧道遠離采空區(qū)邊緣風險分析

在隧道遠離采空區(qū)邊緣情況下，對隧道掘進過程中隧道獨立、接觸、重疊三個階段的變化情況進行分析，如圖1和圖2所示。

圖1 應力分布和變化情況

圖2 塑性區(qū)分布和變化情況

(1)獨立階段:隧道前方應力集中區(qū)與采場卸壓區(qū)域相互獨立，彼此不影響，隧道掘進產(chǎn)生的塑性區(qū)與采空區(qū)形成的塑性區(qū)也相互獨立。

(2)接觸階段:隨著隧道向前掘進，隧道前方應力集中區(qū)逐漸向采場卸壓區(qū)域內(nèi)運移，最終發(fā)生接觸，原來應力集中區(qū)中承壓收縮的煤巖體向卸壓區(qū)內(nèi)形變位移，內(nèi)部蘊藏的大量彈性能向卸壓區(qū)松散圍巖釋放，應力集中區(qū)消失，此時塑性區(qū)范圍在局部位置也出現(xiàn)連接，圍巖內(nèi)部裂隙延伸擴展，開始貫通。

(3)重疊階段:隧道進一步掘進，隧道完全進入到采場的卸壓區(qū)內(nèi)，抵抗變形強度大幅降低。

綜上所述，瓦斯隧道遠離采空區(qū)邊緣掘進時，除在獨立階段隧道前方存在一定應力集中，進入接觸階段和重疊階段后，煤巖體整體應力處于降低水平，圍巖松散破碎，難以積聚彈性能量，抵抗變形能力降低。此時隧道安全掘進面臨的風險主要有:

(1)采空區(qū)內(nèi)部圍巖松散破碎，抵抗變形能力差，隧道斷面支護難度加大。

(2)卸壓瓦斯經(jīng)裂隙逸散到采空區(qū)內(nèi)，容易引起隧道開挖掌子面瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>

因此，在瓦斯隧道遠離采空區(qū)邊緣掘進時情況下，隧道施工不僅要做好圍巖支護工作，必要情況下還應進行卸壓瓦斯引排或強化通風措施。

2.3 隧道靠近采空區(qū)邊緣風險分析

在隧道靠近采空區(qū)邊緣情況下，對掘進過程中隧道獨立、接觸、重疊三個階段的變化情況進行分析，如圖3和圖4所示。

圖3 應力分布和變化情況

圖4 塑性區(qū)分布和變化情況

(1)獨立階段:隧道前方應力集中區(qū)與遺留煤柱應力集中區(qū)相互獨立，彼此不影響，隧道掘進產(chǎn)生的塑性區(qū)與采空區(qū)形成的塑性區(qū)也相互獨立。

(2)接觸階段:隨著隧道向前掘進，隧道前方應力集中區(qū)逐漸向遺留煤柱應力集中區(qū)運移，最終發(fā)生接觸，而對應的塑性區(qū)范圍在局部位置也出現(xiàn)連接，圍巖內(nèi)部裂隙延伸擴展，開始貫通。

(3)重疊階段:隧道進一步掘進，隧道前方應力集中區(qū)與遺留煤柱應力集中區(qū)重疊，而對應的塑性區(qū)范圍完全接觸，圍巖內(nèi)部裂隙擴展貫通，抵抗變形能力大大降低。

因此，在隧道穿越采空區(qū)邊緣過程中，破碎松散的圍巖難以抵抗較高的應力，突出風險很高。

由于隧道和煤層開挖會導致擾動范圍內(nèi)的煤巖體及瓦斯應力狀態(tài)發(fā)生變化，而擾動范圍之外煤巖體及瓦斯賦存仍處于原始狀態(tài)。因此，對靠近隧道煤柱區(qū)的煤體進行區(qū)域突出危險性預測時，在擾動范圍內(nèi)、外均應布置預測鉆孔，即在隧道穿越采空區(qū)進行區(qū)域突出危險性預測時，預測鉆孔控制點與隧道輪廓線之間應確保有足夠的安全控制距離。

3 安全控制距離的研究

3.1 理論分析

隧道開挖后在輪廓線周圍會形成一個由開挖所產(chǎn)生的應力擾動范圍。采空區(qū)邊緣煤柱上存在超前支撐壓力，可能會加大突出等瓦斯動力現(xiàn)象發(fā)生的風險。因此，只有準確掌握應力擾動范圍內(nèi)、外的瓦斯賦存狀態(tài)，才能準確預測其突出危險性。

(1)當煤柱區(qū)處于隧道開挖應力擾動范圍之外時，煤柱不受開挖影響，仍維持初始應力水平。

(2)當煤柱區(qū)處于隧道開挖應力擾動范圍之內(nèi)時，煤柱應力場與隧道開挖應力場發(fā)生疊加效應，增加了煤柱區(qū)煤體突出或失穩(wěn)垮冒風險。

當煤柱邊緣線與隧道應力擾動邊界剛好重疊時，煤柱支撐壓力邊界線到隧道輪廓線之間的距離即為安全控制距離。

3.2 實體煤數(shù)值模擬

為了準確測到隧道前方煤層的實際瓦斯賦存參數(shù)，區(qū)域預測鉆孔布置應至少控制到輪廓線上、下、左、右和前方一定范圍。

(1)模型建立:為了精確地反映隧道開挖過程中煤巖體應力變化情況，分別在煤層距隧道上下、左右輪廓線不同垂距處設計應力模擬監(jiān)測點，上下輪廓線設計應力模擬監(jiān)測點間距為2 m，上輪廓線外控制28 m，下輪廓線外控制20 m；左右輪廓線設計應力模擬監(jiān)測點間距為2 m，左右輪廓線外控制20 m。

(2)模擬結果分析:隧道開挖后，沿水平方向和豎直方向圍巖應力均發(fā)生擾動，監(jiān)測點應力變化情況如圖5和圖6所示。

圖5 實體煤豎直方向應力監(jiān)測點變化情況

圖6 實體煤水平方向應力監(jiān)測點變化情況

①由圖5和圖6可以看出，在靠近隧道輪廓線較近范圍內(nèi)應力值均處于較低水平，隨著距離往外延伸，應力逐漸增大，出現(xiàn)應力集中，達到一定距離又逐漸降低至原始應力水平。根據(jù)前面理論分析可知，應力擾動(包括卸壓區(qū)和應力集中區(qū))與原始應力的邊界即為安全控制范圍臨界點，該處與隧道輪廓線的垂距即為安全控制距離K。

②由圖5可以看出，隧道豎直方向應力擾動區(qū)的范圍為-10 m≤Z≤20 m，而隧道上下輪廓線分別為Z上＝8 m、Z下＝-2 m，因此，豎直方向安全控制范圍K上應至少為12 m，K下應至少為8 m。

③由圖6可以看出，隧道水平方向應力擾動區(qū)的范圍為-15 m≤X≤15 m，而隧道左右輪廓線分別為X左＝-8 m、X右＝8 m，因此，水平方向控制范圍K左和K右應至少為7 m。

綜上所述，隧道穿越實體煤時安全控制距離K取值如表1所示。

表1 隧道穿越實體煤時安全控制距離K取值

3.3 采空區(qū)數(shù)值模擬

采用數(shù)值模擬分析采空區(qū)周圍煤巖體應力場分布情況，確定采空區(qū)應力擾動范圍S′，結合隧道應力擾動范圍K得到隧道穿越采空區(qū)安全控制距離S。

(1)模型建立:為了精確地反映隧道開挖過程中采空區(qū)應力變化情況，在采空區(qū)模型基礎上設置兩組應力模擬監(jiān)測點。

(2)模擬結果分析:監(jiān)測點應力分布情況如圖7和圖8所示。

圖7 豎直方向應力監(jiān)測點變化情況

圖8 水平方向應力監(jiān)測點變化情況

①由圖7和圖8可以看出，在靠近采空區(qū)邊界線較近范圍內(nèi)應力值均處于較低水平，越往煤柱深部應力逐漸增大，出現(xiàn)應力集中，達到一定距離后逐漸降低至原巖應力水平。

②由圖7可以看出，采空區(qū)豎直方向應力擾動區(qū)的范圍為-50 m≤Z≤50 m，而采空區(qū)上下邊界線分別為Z上＝40 m、Z下＝-40 m，因此，煤柱超前支撐壓力范圍S′上和S′下為10 m，對應豎直方向安全控制距離S上為22 m，S下為18 m。

③由圖8可以看出，采空區(qū)水平方向應力擾動區(qū)的范圍為-50 m≤X≤50 m，而采空區(qū)左右邊界線分別為X左＝-40 m、X右＝40 m，因此，煤柱超前支撐壓力范圍S′左和S′右為10 m，對應水平方向安全控制距離S左和S右均為17 m。

綜上所述，隧道穿越采空區(qū)時安全控制距離S取值如表2所示。

表2 隧道穿越采空區(qū)時安全控制距離S取值

4 現(xiàn)場應用

隧道進口端在二疊系龍?zhí)督M地層段應首先揭穿K1煤層，但實際探測并未探測到K1煤層，而是發(fā)現(xiàn)在ZK3＋130里程處圍巖有松散異常現(xiàn)象，結合臨近煤礦采掘情況，判斷該里程處應為K1煤層采空區(qū)。結合礦井在該標高處K1煤層的采掘布置情況，綜合分析認為，隧道剛好從工作面采空區(qū)留設的保護煤柱邊緣穿過。在沒有完全掌握清楚采空區(qū)遺留煤柱分布、采空區(qū)周邊應力分布、大斷面隧道應力可能擾動范圍等情況下，掘進揭露采空區(qū)時風險較高，同時在隧道右線加強了超前探測工作，明確了隧道上方采空區(qū)煤柱分布基本與左線相同，根據(jù)隧道過采空區(qū)研究分析，對隧道上方22 m范圍內(nèi)煤柱開展了突出危險性預測工作。

向煤柱區(qū)施工4個預測鉆孔，煤柱區(qū)上、下、左、右均有鉆孔控制，其中至少有1個鉆孔應控制到安全控制距離S之外(1號鉆孔、上方垂距大于22 m)。

依據(jù)相關規(guī)定測定了煤柱區(qū)的瓦斯含量Wmax為3.31 m3/t、K1max為0.10 mL/(g·min1/2)，均小于臨界值，鉆孔施工過程中沒有異常，在判定為無突出危險且采取加強超前支護的情況下，安全順利穿過了采空區(qū)。

5 結束語

(1)采用數(shù)值模擬的方法，對隧道遠離采空區(qū)邊緣和靠近采空區(qū)邊緣兩種情況下風險性進行了分析，當煤柱區(qū)處于隧道開挖應力擾動范圍K之外時，隧道應做好圍巖支護和卸壓瓦斯引排工作，當煤柱區(qū)進入隧道開挖應力擾動范圍K之內(nèi)時，應在隧道距采空區(qū)超前安全距前實施區(qū)域突出危險性預測。

(2)結合瓦斯隧道實際地質(zhì)情況，模擬分析了隧道穿越采空區(qū)時安全控制距離S控制范圍S上和S下分別至少為22 m和18 m，S左和S右應至少為17 m，對隧道穿越采空區(qū)安全控制范圍的確定具有指導意義。

(3)當隧道穿越采空區(qū)，模擬安全距離后，還應結合物探和鉆探的方法進一步探明采空區(qū)與隧道的空間位置關系，為隧道瓦斯賦存規(guī)律研究和施工工藝的設計提供重要依據(jù)。