煤系地层隧道施工瓦斯爆炸与采空区失稳的风险识别

晏启祥,王璐石,段景川,耿 萍

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

煤系地层隧道施工瓦斯爆炸与采空区失稳的风险识别

晏启祥,王璐石,段景川,耿 萍

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,成都 610031)

在对沪昆高速公路煤系地层某隧道线路沿线煤层和采空区分布位置、分布规模综合分析的基础上,将该隧道瓦斯爆炸和采空区失稳界定为施工典型风险,其中采空区失稳以不均匀沉降和上覆顶部塌陷为主。采用层次分析法,分别对隧道瓦斯爆炸和采空区失稳进行了风险因素识别。其中:瓦斯爆炸包括煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、地质构造、施工通风以及施工组织管理等10项三级因素;采空区失稳包括采空区距隧道距离、采空区大小、超前地质预报、超前支护等7项二级因素。研究表明:煤层瓦斯含量,施工通风和组织管理对瓦斯爆炸风险影响较大,而采空区距隧道距离、采空区大小对采空区失稳风险影响较大。

煤系地层;隧道施工;瓦斯爆炸;采空区失稳;风险因素识别

1 概述

近年来,我国公路隧道建设势头迅猛,有很多隧道穿越煤系地层。在煤系地层中进行隧道施工,通常会面对揭煤施工风险、瓦斯爆炸风险、采空区失稳风险、围岩大变形风险、塌方风险以及边仰坡失稳风险等[1-2]。其中,尤以瓦斯爆炸与采空区塌陷风险最为典型。近年来,针对煤系地层隧道施工过程中出现的瓦斯风险和采空区风险,国内开展了大量研究工作,如陈炳祥[3]结合渝怀铁路金洞隧道进口瓦斯煤系地层施工技术,总结了隧道瓦斯工区设置等级、煤层位置确定、瓦斯突出危险性预测及判别、防突技术与措施、石门揭煤等施工要点;徐建平[4]等也针对蛟岭瓦斯隧道具体特点提出了施工防治措施;李生杰[5]根据乌鞘岭隧道穿越煤系地层的特点,开展了施工通风设计,获得了乌鞘岭隧道通风机的指标要求;宋南涛[6]研究了采空区不同大小尺寸和离隧道顶部不同距离对隧道施工安全性的影响,建立了采空区与隧道安全性之间的关系;李治国[7]针对巴彭公路铁山隧道采空区,开展了采空区顶板变形及破坏机理分析,并提出了采空区治理技术;李晓红等[8-9]对西山坪隧道初期支护条件下隧道左线穿煤及采空区围岩的变形特征以及采空区围岩的位移和应力特性进行了施工动态有限元数值模拟分析,并根据分析结果提出了采空区处治措施。诸如以上的大量研究工作基本都是基于瓦斯和采空区分布状态确定的情况下进行的。由于瓦斯和采空区风险的不确定性和复杂性,基于风险识别和风险评估的煤系地层施工典型风险对于隧道施工实施风险管理、降低、观察和控制风险同样具有重要意义[10]。煤系地层隧道施工典型风险因素的识别就是要研究施工过程中瓦斯爆炸与采空区塌陷的风险本质及其随机性规律,并通过风险评估,掌握煤系地层施工瓦斯风险和采空区风险的严重程度,分析导致此类风险的主要因素,从而为瓦斯和采空区等不良工程地质隧道施工制定施工预案和施工处治措施提供科学依据。

沪昆高速公路某隧道为双向6车道连拱隧道,隧道起讫桩号为K4+150～K4+430,全长280 m,最大埋深约为79 m。隧址区为背斜构造山地,地势较高,地表水不发育,仅在雨季于冲沟中形成短暂水流。区内地下水沿背斜轴及两翼展开,属基岩裂隙水,主要赋存在基岩节理裂隙带内。

隧道区内上覆地层为第四系残坡积层(Qel+dl),下伏三叠系下统夜郎组沙堡湾段(T1s)泥岩、二叠系上统长兴组(P2c)燧石灰岩、龙潭组(P2l)泥质粉砂岩、泥岩、砂岩、硅质岩、灰岩及煤层。其中,煤系地层主要含有5层煤,1号煤层厚2～3 m,2号厚1～2 m, 3号和4号厚0～1 m,5号厚0～0.5 m,煤层地段隧道顶板埋深30～55 m。根据地勘资料,该隧道为瓦斯隧道。

隧道煤层和采空区分布见图1。从图1可知:隧道轴部无煤层及采空区分布,而两翼隧道进出口地段有煤层(1号、2号)和大量煤洞存在。大部分采空区为民采小煤窑,煤矿采掘自20世纪30年代起,至2002年陆续停止开采。隧道进、出口附近可见废弃煤洞约50个,掘进巷道长多为50～200 m,宽1.5～3.0 m,高2～5 m,分布密集;废弃煤洞多为私采,开采方向杂乱,开采巷道基本未进行处理。煤层开采相互连接、贯通,于地下形成了较大面积的采空区;采空区交相叠置,埋深10～60 m。

图1 隧道煤层与采空区分布纵断面示意

2 隧道瓦斯风险分析

该隧道穿越煤系地层地段,瓦斯分布随着隧道埋深、围岩等级及煤层分布不同而变化。根据该隧道进出洞口段埋深、围岩等级、特殊地质构造及煤层分布可将瓦斯对隧道的影响划分为2段。

(1)K4+150～K4+225段,长75 m,该段为隧道进口段,隧道顶板埋深30.67～55.54 m。洞身围岩为泥质粉砂岩、泥岩、砂岩、硅质岩和灰岩及1号、2号煤层,煤层厚2～3 m,为主采煤层,围岩为Ⅵ级,如图2所示。

图2 K4+150～K4+225段地质纵断面

(2)K4+358～K4+430段,长72 m,该段为隧道出口段,隧道顶板埋深48.70～23.34 m,地表亚黏土厚0～0.80 m,洞身围岩为强风化泥质粉砂岩、泥岩、砂岩、硅质岩和灰岩及1号、2号煤层,单煤层厚2～3 m,为主采煤层,围岩为Ⅵ级,如图3所示。

图3 K4+358～K4+430段地质纵断面

由于隧道进口段和出口段都将穿越2号及1号煤层,在隧道掘进穿越煤层时,瓦斯将以缓慢涌出的形式向隧道释放,造成隧道内瓦斯浓度增大,由于瓦斯比空气轻,从围岩裂隙渗漏出的瓦斯多聚集在隧道顶部工作台面附近,形成瓦斯积聚区,但在隧道掘进工程中,往往由于风机较工作面较远或漏风问题,新鲜风流达不到工作面,造成涡流,不能稀释和带走隧道顶部的瓦斯,使得瓦斯浓度增大,易达到《煤矿安全规程》所规定的上限1.5%。此时当瓦斯达到一定的压力、温度条件时,有可能发生瓦斯爆炸。

3 隧道采空区风险分析

采空区主要分布在隧道进口及出口段,大部分采空区为民采小煤窑,隧道进、出口附近可见废弃煤洞约50个,煤层开采相互连接、贯通,于地下形成了较大面积的采空区;采空区交相叠置,埋深10～60 m。采空区有上覆采空区、侧壁旁采空区、下伏采空区。上覆采空区离隧道的距离10～15 m,下伏采空区离隧道的距离10～20 m,侧壁采空区距离隧道在3～20 m。

(1)隧道进口段,隧道的顶板埋深30～55 m,沿煤层走向,斜交隧道轴线分布有众多废弃煤洞,直径2～5 m,深30～120 m。洞口进口段煤洞和采空区纵剖面如图4所示。

图4 隧道进口段采空区纵剖面

(2)隧道出口段长约62 m,隧道的顶板埋深23～48 m,沿煤层走向,斜交隧道轴线分布有众多废弃煤洞,直径2～4 m,深20～110 m。洞口出口段煤洞和采空区的纵剖面如图5所示。

隧道在进口段和出口段,上覆采空区离隧道的距离小于30 m,侧壁采空区离隧道的距离在隧道开挖的影响范围内(小于3倍洞径),下伏采空区的断面也较大。在煤系地层中开凿采煤巷道,势必造成地层地应力场的改变,形成采空区。当隧道周围采空区受到隧道开挖扰动时,采空区将发生不均匀沉降,导致上覆采空区底板和下覆采空区顶板塌落,威胁隧道施工安全,所以隧道采空区的稳定性存在较大的风险。

图5 隧道出口段采空区纵剖面

4 煤系地层隧道施工典型风险源识别

煤系地层隧道施工典型风险源识别可采用层次分析法。层次分析法能把定性因素定量化,并能在一定程度上检验和减少主观影响,使评价更趋科学。该方法对同层风险因素实施两两比较,形成判断矩阵,从而计算同层风险因素的相对权重。其评估方法如下。

(1)确定判断矩阵

首先明确分析问题,划分和选定有关风险因素,然后建立风险因素分层结构,假设同层共有n个因素M1,M2,…,Mn,将n个因素中Mi和Mj任意两个因素进行比较,使用比例标度qij反映二者的相对重要性,比例标度的含义参见表1。若Mi与Mj相比得qij,则Mj与Mi相比的判断为qji=1/qij,从而可以得到1个n×n的判断矩阵M=(qij)n×n。

表1 标度及其含义

(2)计算矩阵M特征值及特征向量

运用数学工具计算矩阵式MW=ymaxW的特征值ymax和特征向量W,W各分量即对应n个因素的权重。

(3)一致性检验

因为判断矩阵M采用两两比较获得,未必满足等式qijqjk=qik。因此,为了衡量由于M矩阵不相容所造成的ymax和W误差,需要采用一个一致性指标CI进行检验。

当CI=0时,表明判断完全一致,通常认为CI＜0.1时判断就基本成立。

根据该隧道瓦斯和采空区风险分析,可基本判断隧道施工的典型风险为瓦斯爆炸和采空区失稳。利用上述层次结构模型可分别建立各个层次的比较矩阵,并用MATHEMATIC求解,计算各个比较矩阵的权值。A-Bi层重要度排序见表2,表中重要度排序统计数据来自专家判断,下同。

表2 A-Bi层重要度识别

得该矩阵的最大特征值λmax=2,求得特征值对应归一化特征向量WA=[0.666 70.333 3]T。

4.1 瓦斯爆炸风险识别

能够诱发或者直接导致隧道瓦斯爆炸的因素很多,除了自然因素以及隧道的地质情况之外,还有勘察设计因素和施工因素等。瓦斯爆炸的根本原因是由于瓦斯隧道在开挖过程中,瓦斯压力被释放,遇到明火或高温发生爆炸。如果支护结构不密封或者通风风量选择不当,就有可能导致瓦斯爆炸的发生。结合国内外隧道施工经验,分析可能引起该隧道发生瓦斯爆炸的基本事件,可得出瓦斯爆炸风险的风险源主要是瓦斯状态、施工因素和人员因素,Bi-C层重要度排序见表3。

表3 Bi-C层重要度排序

得该矩阵的最大特征值λmax=3,求得特征值对应归一化的特征向量

代入一致性指标公式得

CI=(λmax-n)/(n-1)=(3-3)/(3-1)=0,而CR=CI/RI=0/0.52=0＜0.1,因此,矩阵满足一致性判断。

由计算结果得瓦斯风险因素的第二层风险源排序为:瓦斯状态＞施工因素＞人员因素。

Ci-D层重要度排序需根据Ci与Di之间的相互关系分别列出。其中B1-Ci排序见表4。

表4 B1-Ci 层重要度排序

由表4得该矩阵的最大特征值λmax=5.068 1,求得特征值对应归一化的特征向量

代入一致性指标公式得

而CR=CI/RI=0.017 025/1.12=0.015 2＜0.1,因此,矩阵满足一致性判断。

由计算结果得瓦斯风险因素的第三层B1风险源排序为:煤层瓦斯含量＞煤层相对瓦斯涌出量＞煤层瓦斯压力＞地质构造＞煤层瓦斯涌出形式。

C2-Di排序见表5。

表5 C2-Di层重要度排序

得该矩阵的最大特征值λmax=3.009 2,求得特征值对应归一化的特征向量

WB2=[0.539 60.297 00.163 4]T

代入一致性指标公式得

CI=(λmax-n)/(n-1)=(3.009 2-3)/(3-1)= 0.004 6,而CR=CI/RI=0.004 6/0.52=0.008 85＜0.1成立,因此,矩阵满足一致性判断。

由计算结果得瓦斯风险因素的第三层B2风险源排序为:施工通风＞安全监测＞瓦斯抽放。

C3-Di层重要度排序见表6。

表6 C3-Di层重要度排序

得该矩阵的最大特征值λmax=2,求得特征值对应归一化的特征向量

由计算结果得瓦斯风险的第三层B3风险源排序为:组织管理＞职工文化素质。

4.2 采空区失稳风险识别

隧道施工中对采空区的影响主要体现在隧道上部采空区顶板的稳定性和下覆采空区的稳定性2个方面。隧道穿越上覆采空区,隧道的开挖引起周围应力场的变化,进而引起上覆采空区周围应力场的变化,最终导致上覆采空区底板塌落影响隧道施工。隧道下部存在采空区不仅受到隧道开挖的影响,此外采空区的存在也影响了隧道的基底承载力,引起下伏采空区顶板塌落,发生不均匀沉降,进而导致隧道底板板变形,甚至塌落。隧道开挖对采空区稳定性的主要影响因素是采空区状态和施工因素,采空区状态又分地质构造、采空区距隧道距离、采空区大小3个因素,施工因素分超前地质预报、开挖预处理方案、开挖方法以及超前支护等4个因素,B2-Ci重要性排序见表7。

表7 B2-Ci重要性排序

得该矩阵的最大特征值λmax=2,求得特征值对应归一化的特征向量

由计算结果得采空区风险因素的第二层风险源排序为:施工因素＞采空区状态。

C1-Di排序见表8。

表8 C1-Di层重要度排序

得该矩阵的最大特征值λmax=3.018 3,求得特征值对应归一化的特征向量

为进一步加强对水利工程的管护，国土资源部、水利部多次下发加快推进水利工程土地确权划界工作的通知和意见。自2012年起，辽宁省水利厅加快了省直管水库确权划界工作进度。辽宁省某水库管理单位实施水库确权划界后，开垦滩地被淹时，村民不再要求赔偿。下面针对辽宁省省直水库土地利用现状，对如何推进水库确权划界工作及土地科学管理进行探析。

代入一致性指标公式得

CI=(λmax-n)/(n-1)=(3.018 3-3)/(3-1)= 0.009 15,而CR=CI/RI=0.009 15/0.52=0.017 6＜0.1成立,因此,矩阵满足一致性判断。

由计算结果得采空区状态风险因素的第三层C1风险源排序为:采空区距隧道距离＞采空区大小＞地质构造。

C2-Di排序见表9。

表9 C2-Di层重要度排序

得该矩阵的最大特征值λmax=4.259 9,求得特征值对应归一化的特征向量

代入一致性指标公式得

CI=(λmax-n)/(n-1)=(4.259 9-4)/(4-1)= 0.086 6,而CR=CI/RI=0.086 6/0.89=0.097 3＜0.1成立,因此,矩阵满足一致性判断。

4.3 煤系地层隧道施工风险权值

综合各个比较矩阵,建立了每一指标相对于总目标的权值,如图6所示。

图6 煤系隧道施工风险权值图

5 结语

以沪昆高速公路某煤系地层隧道为例,对其进行了瓦斯爆炸风险和采空区失稳风险的分析,分析了该隧道煤层和采空区地质分布状态,规模及其对隧道施工的影响,得出该隧道施工过程中的典型风险是瓦斯爆炸和采空区失稳。根据层次分析法,将诱发瓦斯爆炸的风险因素分解为瓦斯状态、施工因素以及人员因素三大类,并识别了三类风险因素各自的下一级风险源,其中瓦斯状态包括煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、地质构造、煤层相对瓦斯涌出量、煤层瓦斯涌出形式;施工因素包括施工通风、安全监测以及瓦斯抽放;人员因素包括组织管理和职工文化素质。上述三类因素中权重最大的因素分别为煤层瓦斯含量,施工通风和组织管理。采空区稳定性风险的风险源只设置了两级指标,主要包括:地质构造、采空区距隧道距离、采空区大小、超前地质预报、预处理方案、超前支护、隧道开挖方法等,其中采空区距隧道距离影响最大。

参考文献:

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Risk Identification of Gas Explosion and Goaf Instability Induced by Tunnel Construction in Coal Measure Strata

YAN Qi-xiang,WANG Lu-shi,DUAN Jing-chuan,GENG Ping
(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Based on comprehensive analysis for distribution locations and distribution scales of both the coal seam and goaf zone along a highway tunnel line with coal measure strata in Shanghai-Kunming Highway,the gas explosion and the goaf instability were confirmed as the typical risks in tunnel construction,and then the goaf instability mainly shows up as uneven settlement and top collapse.By using analytic hierarchy process,the risk factors of both the gas explosion and goaf instability were identified respectively.The identification result reveals that,the gas explosion contains 10 factors belonging to the third class,such as the gas pressure of coal seam,gas content of coal seam,geological structure,construction ventilation,construction organization management etc;while goaf instability contains 7 factors belonging to the second class,such as the distance from the goaf to the tunnel,size of goaf,geological prediction,advance support etc.This study also reveals that,the gas content of coal seam,construction ventilation and the organization management have a greater influence on gas explosion,while the distance from the goaf to the tunnel,the size of the goaf have a greater influence on goaf instability.

coal measure strata;tunnel construction;gas explosion;goaf instability;risk factor identification

U458

A

1004-2954(2013)03-0080-05

2012-07-28;

2012-08-28

教育部新世纪人才支持项目(NCET-11-0713);中央高校基本科研业务费专题项目(SWJTU11ZT33)与创新项目(SWJTU11CX016)

晏启祥(1971—),男,副教授,博士,E-mail:837455759@ qq.com。