瓦斯隧道穿越采空区安全控制距离模拟研究

2020-12-16吴平

铁道建筑技术 2020年9期

吴平

(浙江省高能爆破工程有限公司浙江杭州 310012)

1 工程背景

根据临近矿井资料，矿井＋280 m水平以上大部分可采煤层已开采多年，存在大量采空区、遗留煤柱，而华岩隧道龙潭组地段标高＋304～＋309 m，穿过中梁山南矿采空区可能性非常大。

根据隧道所处的中梁山南矿区域煤层采掘情况，矿井＋280 m水平以上已开采多年，存在大量采空区、遗留煤柱，且矿井开采水平与隧道所在标高接近，存在采空区边缘煤柱与隧道较近的情况，也存在远离隧道的情况。煤层开采后，在采空区边缘煤柱一定范围内会形成应力扰动，隧道开挖后也会在轮廓线周围形成一定范围的应力扰动，当隧道与采空区边缘煤柱距离不同时，这两个应力扰动范围可能会发生干扰、叠加甚至重叠，改变煤岩体应力分布状态，可能会引起煤体失稳垮落，甚至可能在瓦斯应力的作用下，导致煤与瓦斯突出等动力现象发生[1-4]。

因此，有必要对瓦斯隧道远离采空区边缘和靠近采空区边缘两种情况下的煤岩体应力分布变化特征开展研究，判定风险类别[5-12]，进行瓦斯隧道穿越采空区安全控制距离分析，有利于为瓦斯隧道施工工艺及瓦斯参数测定的设计提供重要依据。

2 穿越采空区风险分析

2.1 模型建立

隧道穿越区域煤层厚2 m，倾角65°，距地表深约300 m。根据我国地层应力分布、岩层自重规律建模:长宽高为138 m×160 m×160 m，侧向应力系数λ取0.8，顶部压力为5.5 MPa，竖直应力为7.5 MPa，其余面均为滚支边界。

以隧道穿越煤层数值模型为基础，在隧道远离采空区边缘和隧道靠近采空区边缘分别建立模型。

2.2 隧道远离采空区边缘风险分析

在隧道远离采空区边缘情况下，对隧道掘进过程中隧道独立、接触、重叠三个阶段的变化情况进行分析，如图1和图2所示。

图1 应力分布和变化情况

图2 塑性区分布和变化情况

(1)独立阶段:隧道前方应力集中区与采场卸压区域相互独立，彼此不影响，隧道掘进产生的塑性区与采空区形成的塑性区也相互独立。

(2)接触阶段:随着隧道向前掘进，隧道前方应力集中区逐渐向采场卸压区域内运移，最终发生接触，原来应力集中区中承压收缩的煤岩体向卸压区内形变位移，内部蕴藏的大量弹性能向卸压区松散围岩释放，应力集中区消失，此时塑性区范围在局部位置也出现连接，围岩内部裂隙延伸扩展，开始贯通。

(3)重叠阶段:隧道进一步掘进，隧道完全进入到采场的卸压区内，抵抗变形强度大幅降低。

综上所述，瓦斯隧道远离采空区边缘掘进时，除在独立阶段隧道前方存在一定应力集中，进入接触阶段和重叠阶段后，煤岩体整体应力处于降低水平，围岩松散破碎，难以积聚弹性能量，抵抗变形能力降低。此时隧道安全掘进面临的风险主要有:

(1)采空区内部围岩松散破碎，抵抗变形能力差，隧道断面支护难度加大。

(2)卸压瓦斯经裂隙逸散到采空区内，容易引起隧道开挖掌子面瓦斯浓度超限。

因此，在瓦斯隧道远离采空区边缘掘进时情况下，隧道施工不仅要做好围岩支护工作，必要情况下还应进行卸压瓦斯引排或强化通风措施。

2.3 隧道靠近采空区边缘风险分析

在隧道靠近采空区边缘情况下，对掘进过程中隧道独立、接触、重叠三个阶段的变化情况进行分析，如图3和图4所示。

图3 应力分布和变化情况

图4 塑性区分布和变化情况

(1)独立阶段:隧道前方应力集中区与遗留煤柱应力集中区相互独立，彼此不影响，隧道掘进产生的塑性区与采空区形成的塑性区也相互独立。

(2)接触阶段:随着隧道向前掘进，隧道前方应力集中区逐渐向遗留煤柱应力集中区运移，最终发生接触，而对应的塑性区范围在局部位置也出现连接，围岩内部裂隙延伸扩展，开始贯通。

(3)重叠阶段:隧道进一步掘进，隧道前方应力集中区与遗留煤柱应力集中区重叠，而对应的塑性区范围完全接触，围岩内部裂隙扩展贯通，抵抗变形能力大大降低。

因此，在隧道穿越采空区边缘过程中，破碎松散的围岩难以抵抗较高的应力，突出风险很高。

由于隧道和煤层开挖会导致扰动范围内的煤岩体及瓦斯应力状态发生变化，而扰动范围之外煤岩体及瓦斯赋存仍处于原始状态。因此，对靠近隧道煤柱区的煤体进行区域突出危险性预测时，在扰动范围内、外均应布置预测钻孔，即在隧道穿越采空区进行区域突出危险性预测时，预测钻孔控制点与隧道轮廓线之间应确保有足够的安全控制距离。

3 安全控制距离的研究

3.1 理论分析

隧道开挖后在轮廓线周围会形成一个由开挖所产生的应力扰动范围。采空区边缘煤柱上存在超前支撑压力，可能会加大突出等瓦斯动力现象发生的风险。因此，只有准确掌握应力扰动范围内、外的瓦斯赋存状态，才能准确预测其突出危险性。

(1)当煤柱区处于隧道开挖应力扰动范围之外时，煤柱不受开挖影响，仍维持初始应力水平。

(2)当煤柱区处于隧道开挖应力扰动范围之内时，煤柱应力场与隧道开挖应力场发生叠加效应，增加了煤柱区煤体突出或失稳垮冒风险。

当煤柱边缘线与隧道应力扰动边界刚好重叠时，煤柱支撑压力边界线到隧道轮廓线之间的距离即为安全控制距离。

3.2 实体煤数值模拟

为了准确测到隧道前方煤层的实际瓦斯赋存参数，区域预测钻孔布置应至少控制到轮廓线上、下、左、右和前方一定范围。

(1)模型建立:为了精确地反映隧道开挖过程中煤岩体应力变化情况，分别在煤层距隧道上下、左右轮廓线不同垂距处设计应力模拟监测点，上下轮廓线设计应力模拟监测点间距为2 m，上轮廓线外控制28 m，下轮廓线外控制20 m；左右轮廓线设计应力模拟监测点间距为2 m，左右轮廓线外控制20 m。

(2)模拟结果分析:隧道开挖后，沿水平方向和竖直方向围岩应力均发生扰动，监测点应力变化情况如图5和图6所示。

图5 实体煤竖直方向应力监测点变化情况

图6 实体煤水平方向应力监测点变化情况

①由图5和图6可以看出，在靠近隧道轮廓线较近范围内应力值均处于较低水平，随着距离往外延伸，应力逐渐增大，出现应力集中，达到一定距离又逐渐降低至原始应力水平。根据前面理论分析可知，应力扰动(包括卸压区和应力集中区)与原始应力的边界即为安全控制范围临界点，该处与隧道轮廓线的垂距即为安全控制距离K。

②由图5可以看出，隧道竖直方向应力扰动区的范围为-10 m≤Z≤20 m，而隧道上下轮廓线分别为Z上＝8 m、Z下＝-2 m，因此，竖直方向安全控制范围K上应至少为12 m，K下应至少为8 m。

③由图6可以看出，隧道水平方向应力扰动区的范围为-15 m≤X≤15 m，而隧道左右轮廓线分别为X左＝-8 m、X右＝8 m，因此，水平方向控制范围K左和K右应至少为7 m。

综上所述，隧道穿越实体煤时安全控制距离K取值如表1所示。

表1 隧道穿越实体煤时安全控制距离K取值

3.3 采空区数值模拟

采用数值模拟分析采空区周围煤岩体应力场分布情况，确定采空区应力扰动范围S′，结合隧道应力扰动范围K得到隧道穿越采空区安全控制距离S。

(1)模型建立:为了精确地反映隧道开挖过程中采空区应力变化情况，在采空区模型基础上设置两组应力模拟监测点。

(2)模拟结果分析:监测点应力分布情况如图7和图8所示。

图7 竖直方向应力监测点变化情况

图8 水平方向应力监测点变化情况

①由图7和图8可以看出，在靠近采空区边界线较近范围内应力值均处于较低水平，越往煤柱深部应力逐渐增大，出现应力集中，达到一定距离后逐渐降低至原岩应力水平。

②由图7可以看出，采空区竖直方向应力扰动区的范围为-50 m≤Z≤50 m，而采空区上下边界线分别为Z上＝40 m、Z下＝-40 m，因此，煤柱超前支撑压力范围S′上和S′下为10 m，对应竖直方向安全控制距离S上为22 m，S下为18 m。

③由图8可以看出，采空区水平方向应力扰动区的范围为-50 m≤X≤50 m，而采空区左右边界线分别为X左＝-40 m、X右＝40 m，因此，煤柱超前支撑压力范围S′左和S′右为10 m，对应水平方向安全控制距离S左和S右均为17 m。

综上所述，隧道穿越采空区时安全控制距离S取值如表2所示。

表2 隧道穿越采空区时安全控制距离S取值

4 现场应用

隧道进口端在二叠系龙潭组地层段应首先揭穿K1煤层，但实际探测并未探测到K1煤层，而是发现在ZK3＋130里程处围岩有松散异常现象，结合临近煤矿采掘情况，判断该里程处应为K1煤层采空区。结合矿井在该标高处K1煤层的采掘布置情况，综合分析认为，隧道刚好从工作面采空区留设的保护煤柱边缘穿过。在没有完全掌握清楚采空区遗留煤柱分布、采空区周边应力分布、大断面隧道应力可能扰动范围等情况下，掘进揭露采空区时风险较高，同时在隧道右线加强了超前探测工作，明确了隧道上方采空区煤柱分布基本与左线相同，根据隧道过采空区研究分析，对隧道上方22 m范围内煤柱开展了突出危险性预测工作。

向煤柱区施工4个预测钻孔，煤柱区上、下、左、右均有钻孔控制，其中至少有1个钻孔应控制到安全控制距离S之外(1号钻孔、上方垂距大于22 m)。

依据相关规定测定了煤柱区的瓦斯含量Wmax为3.31 m3/t、K1max为0.10 mL/(g·min1/2)，均小于临界值，钻孔施工过程中没有异常，在判定为无突出危险且采取加强超前支护的情况下，安全顺利穿过了采空区。