城市隧道煤与瓦斯突出危险源超前探测技术研究

宋云梅

（云南省交通投资建设集团有限公司保山管理处）

1 引言

煤与瓦斯突出是我国最为严重的煤矿灾害之一，煤矿行业目前的煤与瓦斯突出预测及防治技术远远领先于国外现有技术水平[1-2]，经过几十年的煤与瓦斯突出预测技术的发展，我国煤矿行业在《防治煤与瓦斯突出细则》的基础上，于2009 年颁布实施了《防治煤与瓦斯突出规定》，与《防治煤与瓦斯突出细则》相比，突出预测技术、方法、指标及预测装备水平都得到了提升，提出在不同安全岩柱范围区域预测及工作面预测的方法、指标等[3-4]，开发并推广应用了煤层瓦斯含量直接测定技术及装备，并且改变了原来不合理的、甚至不可靠的预测指标[5]，使我国煤矿的煤与瓦斯突出预测技术得到较大进步与发展。

由于目前隧道行业执行的《铁路瓦斯隧道技术规范》是在当时煤矿行业执行的《防治煤与瓦斯突出细则》基础上编制的，因此，与现行煤矿行业相比，其预测方法、指标及装备等方面并未实现与现有技术的同步发展，行业规范也未进行修订。另一方面，由于隧道与煤矿井下石门属同类巷道工程，区别在于隧道断面大，掘进方式不同。鉴于此，开展大断面隧道煤与瓦斯突出预测关键技术研究是有必要的，即在煤矿行业现有技术及装备基础上，提出适用于城市公路大断面隧道应用的煤与瓦斯突出预测技术及方法，不但是有效、准确、可靠地预测大断面隧道煤与瓦斯突出危险性的关键，也为公路瓦斯隧道行业技术规范的编制提供了技术基础，并为依托工程建设提供科学技术依据和安全保障。

2 城市隧道煤与瓦斯突出危险源超前探测

对穿越煤层及煤矿采空区的瓦斯隧道来说，及时掌握掌子面前方煤体或者煤矿采空区的位置及赋存特征是避免因误穿煤层而导致瓦斯大量突然涌入引起瓦斯事故和煤与瓦斯突出的重要环节，因此，在掌子面临近煤层前的超前地质分析预测必不可少。

2.1 超前地质分析预测方法

物探是地球物理勘探（Geophysical Prospecting）的简称，是以岩石、矿石（或地层）与围岩的物理性质差密度、磁化性质、导电性、放射性差异为基础，观测并综合分析天然或者人工地球物理场的分布特征，探测地质构造形态或地质体的探勘方法，物探具有理论基础成熟、适用性广、设备轻便、快捷高效、探测距离大、结果直观等特征。

某隧道施工过程中主要采用探地雷达进行超前物理探测，实践证明，探地雷达可以为隧道准确地提供地质资料，是一种高效、准确的探测方法，可有效保障安全施工。探地雷达基于时间域脉冲原理，将宽频带的脉冲电磁波发射到地质体中，然后接受反射信号用于探测目标地质体[6]。

1）探地雷达测点布置及施工方法

本次探测采用SIR-20探地雷达进行隧道岩体结构面探测，雷达中心频率为100MHz，根据现场的工作条件和岩性特征，探测距离可超过30m。

根据现场条件，在掌子面上部（拱顶）布置了仰角0°（掌子面正前方）、30°、60°、90°（拱顶正上方）4条距台车高约1.5m的左至右的横测线，测线长度约8m，测线编号为测线1、测线2、测线3、测线4，另外，在横测线的2m、4m、6m 处分别进行了定点探测；最后还在掌子面下部布置了1 条横测线，测线长为8m（起止点为4m、12m处）。

2）探地雷达资料解释

探地雷达所形成的成果图是对掌子面前方异常区的具体反映，但对成果图的解释却反映出不同的结果。探地雷达结果综合分析可知，掌子面拱顶附近的正前方右侧15m～30m 范围内层理、节理裂隙较发育，且与周围岩层赋存情况不一致；掌子面拱顶附近正前方22m～26m 范围内岩体层理、节理裂隙较发育，且该范围内存在煤线，掌子面拱顶附近的正前方0m～15m 范围内具体情况与目前掌子面揭露的情况基本一致。

2.2 地质构造影响因素

大多数学者发现断层是构造应力现象，因此断层附近往往存在较高的结构应力[6-8]。当煤层靠近采动断层时，断层构造应力与工作面的超前支承压力叠加，形成应力集中，当应力浓度超过煤岩强度极限时就会发生煤气动力灾害。然而，随着地应力测量系统的发展，断层附近的大地应力并没有人们想象的那么大。因为，在构造应力作用下，岩体发生破碎，此时，除了保持岩块的残余变形外，储能被部分或全部释放，结构应力则部分地或完全地消失。此外，断层现今大多为非活动状态，由于长期的地质作用，岩体中的构造应力有所降低。因此，在数值模拟中没有考虑残余构造应力。

模型和边界条件设置：采用三维模型，构造带煤岩体力学性质相对于周围岩体较低，用可塑性较强的岩石代替。有限差分模型长50m，高30m，宽10m。模型底部固定，四周施加区域最大水平主应力和中间水平主应力σ1和σ2=25MPa，顶部施加区域最小主应力σ3=15MPa（见表1）。

表1 模型力学参数取值表

1）断层倾角对水平构造应力场分布的影响

为了研究断层倾角对断层不同部位水平构造应力分布的影响程度，分别建立了15°、30°、60°和75°断层模型，模型边界施加相同的边界条件，模拟结果如下图1所示。

图1 不同倾角的断层最大主应力分布图

根据模拟结果发现，断层端部岩体受水平压应力程度明显高于其他部位，并且出现了明显的应力集中现象，断层端部应力集中系数为1.26～1.47，随着断层倾角的逐渐增大，断层尖端应力集中呈先增大后减小的趋势。当倾角较小时，断层中部的压缩应力将小于断层的主应力，而倾斜角度逐渐增大时，将逐渐接近主应力并使构造应力向断面转移。

2）正、逆断层对应力场分布的影响

正、逆断层力学作用不同，正常断层主要是由周围地质板块之间的拉张作用引起的，这使上下盘发生剪切和滑动。逆断层是由上板块和下板块所处的地质板块之间的剪切和挤压引起的，因此两个岩层重叠，并伴随着相对位移。因此，分别建立了角度相同的正断层和反断层，其边界条件为等效拉应力和等效压应力。结果表明，在相同条件下，逆断层端部的应力集中明显大于正断层，主应力最大值也较大。反演断层形成的根本原因在于，当两种主应力的差分引起的剪应力超过岩石的抗剪强度时，会发生岩石破裂和进一步位移，从而使断层表面的水平应力远远小于主应力。正断层的形成原因是水平方向的拉应力超过岩石的抗拉强度，上下盘产生错动并形成破裂带，因此，在断层面处应力有所减小，但在断层面端部仍出现集中应力并大于原岩应力的情况。

3 结语

本文以物探法对超前地质分析预测方法进行了研究，同时对断层地质构造的应力集中范围进行了数值模拟，总结得到几点结论。

对探地雷达在隧道施工掘进过程中超前地质分析的应用效果进行了验证，同时从测点布置、探测结果解释等方面进行了总结，提出了整套超前地质分析方法体系。针对构造应力分布实测较为困难的现状，采用数值模拟的方法对断层地质构造应力分布进行分析，得到不同因素在构造应力分布中所起到的主要作用，也为局部隐伏地质构造的探测提供相应的基础资料。