下伏采空区的寓仁隧道残余变形预测研究

2022-06-14杨朝晖李文强刘运荣

中国矿业 2022年6期

杨朝晖，李文强，王海，刘运荣

(1.山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032；2.山西省采空区公路桥梁隧道工程处治工程技术研究中心，山西太原 030032；3.中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100083)

0 引言

煤矿开采形成大量采空区，造成地表沉降和变形[1]，而采空区岩层的残余变形对上方构筑物危害巨大[2]，山西省许多地区的基建设施皆受此影响导致工程使用寿命缩小，为保证隧道工程建设及使用的安全，对采空区附近的工程场地进行残余变形预测有重要意义。

关于煤矿采空区残余变形预测的研究，刘宝琛等[4]在随机介质理论的基础上提出其简化解，提出了用积分式表示地表残余沉降的概率积分法，该方法是我国计算地表沉降的主要方法之一，应用于缓倾斜、倾斜煤层开采引起的地表移动和变形计算[5-6]；不少学者对概率积分法进行了完善和改进，其中，陈晓斌等[7]利用计算机编写了基于随机介质理论的采空区地面移动和变形计算模型(GSM)；李培现等[8]基于概率积分法利用MATLAB软件开发了开采沉陷预计系统的方法，实现了开采沉陷预计的可视化；李仁民等[9]提出了适用于多层采空区的地表沉陷预测方法；王磊等[10]和朱广轶等[11]提出了概率积分法等价变采厚计算模型；蔡音飞等[12]将优化后的概率积分法应用于起伏地表的采空区残余沉降计算中；李金洋等[13]在此基础上采用Boltzmann函数对等价变采厚概率积分法进行优化，引入时间函数，提出用于隧道沿线残余变形的预测方法。在公路隧道方面，刘晓勇等[14]针对公路隧道穿越陡倾煤层采空区进行力学特性，分析得出围岩变形对隧道整体结构稳定性不利，需对相应部位进行处治；朱劲等[15]认为煤层厚度变化对隧道拱顶围岩压应力以及洞周围岩最大压应力有较大的影响。

本文以穿越采空区上覆岩层的山西省太岳煤矿的新建寓仁隧道为例，分析采空区地表沉降对隧道的影响，运用引入时间函数的变采厚概率积分法模型[13]对太岳煤矿地区群采工作面产生的采空区残余变形进行预测，分析了地表残余变形对寓仁隧道建设的影响，研究成果对隧道稳定性评价具有指导意义。

1 研究区地质背景及工程概况

1.1 研究区域交通位置及地层概况

太岳煤矿矿区位于山西省东南部的长治市西北部，交通位置见图1。项目区出露地层由老至新主要有石炭系(C)、二叠系(P)，中生界三叠系(T)，新生界第四系等，地层岩性见表1。

表1 项目区岩性描述表Table 1 Lithology description of the project area

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of the study area

1.2 工程概况

太岳煤矿井田位于沁源县灵空山镇寓仁村北500 m，面积约37.414 km2，井田开拓方式为斜井开拓，其中，1号煤层属较稳定的局部可采煤层，2号煤层属全井田稳定可采中厚煤层。采空区平均埋深为450 m，采空区分布范围见表2。寓仁隧道穿越多个不同停采时间的采空区，采空区停采年份及隧道穿越采空区位置见图2。

表2 采空区分布段落范围Table 2 Goaf distribution section range

图2 隧道穿越采空区示意图Fig.2 Schematic diagram of tunnel crossing goaf

2 计算方法

2.1 计算模型

本文利用对边界区残余可活化厚度修正后的变采厚概率积分法模型[13]对寓仁隧道所在的太岳煤矿采空区进行地表残余沉降计算，该模型利用Boltzmann函数对边界区残余可活化厚度进行修正，同时引入Knothe时间函数建立了残余沉降量与时间的关系，该方法可以综合考虑不同停采时间下的工作面在某时刻后地表残余变形量。基于时序的地表残余变形预测模型见式(1)。

(1)

图3 等价变采厚的概率积分法示意图Fig.3 Diagram of equivalent variable mining thicknessprobability integral mode(资料来源：文献[11]和文献[17])

2.2 参数选取

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[18]计算参数根据采空区覆岩的岩性进行选取。根据现场勘察可知，新建寓仁隧道顶底板岩性为泥岩、泥岩粉砂岩、细砂岩，覆岩类型属于中硬。根据文献[18]和详勘报告中的信息，下沉系数取0.8；隧道穿过多个工作面，各工作面长度不一，按工作面实际尺寸计算；2号煤层埋深取值400 m。根据山西省以往研究得到的移动规律，时间函数的参数λ取0.33。其余参数选取情况见表3。

表3 参数选取情况Table 3 Calculation parameters table

3 残余变形预测结果

由于隧道横穿多个采空区工作面，且不同工作面的停采时间不同，因此预测隧道建设过程中所受到的采空区残余变形需要同时考虑采空区停采时间和不同工作面的影响范围。本文以2020年为参考时间，将表3中的计算参数带入式(1)，通过式(1)计算得到隧道轴线穿越各工作面的残余变形量。如图2所示，以隧道起点K111+896为坐标轴原点，隧道终点K111+945为正向作轴线A-A′，预测轴线A-A′上各点的隧道残余变形量，结果见图4，由图4可得隧道最大沉降量为366 mm，出现在隧道起点位置。

图4 隧道残余沉降Fig.4 Residual settlement of tunnel

沿隧道轴线做剖面，计算隧道沿轴线的残余水平沉降，如图5所示，其中沿隧道方向最大水平位移为112 mm，垂直隧道方向最大水平位移为27 mm，均出现在隧道起点附近。

图5 隧道残余水平位移Fig.5 Residual horizontal displacement of tunnel

由于倾斜使隧道坡度发生变化，曲率变形使隧道受拉开裂或压缩隆起[19]。根据倾斜i和曲率k的定义，将式(1)分别对x求一阶导和二阶导，得到倾斜i和曲率变形k[20]，倾斜i和曲率变形k计算公式分别见式(2)和式(3)。

(2)

(3)

利用式(2)和式(3)计算隧道建设位置的残余倾斜及残余斜率，计算结果见图6。

图6 隧道残余倾斜变形和残余曲率变形Fig.6 Residual inclination deformation and residual curvature deformation of tunnel

4 采空区残余沉降对隧道的影响分析

由图4可知，沿隧道走向方向，隧道残余沉降最大值出现在2205工作面(隧道起点K111+896处)，最大值为366 mm，其中该工作面在2017—2019年均有开采，通过分析多个工作面的不同停采时间和隧道残余沉降曲线，发现新工作面会对附近旧工作面的空洞区残余沉降有加速作用。例如距离隧道起点约800 m的2103工作面，该工作面开停采时间为2012—2013年，东侧距离隧道起点约650 m的2101工作面开停采时间是2016年，西侧距离隧道起点约1 100 m的2105工作面开停采时间为2013—2014年，2103工作面东西两侧的工作面停采时间均晚于此工作面，由于新工作面会加速旧工作面采空区沉降，因此2103工作面边缘采空区会出现加速沉降，而工作面中部垮落岩块压实区的残余变形量较小，因此2103工作面中部的残余沉降为70 m。

由图5可知，垂直隧道方向上的水平残余变形量，除了隧道起点处有最大值27.7 mm外，其他值均处于5～7 mm范围内，说明隧道起点处于较新开采工作面上，新开采工作面会对垂直隧道方向上的水平残余变形量产生影响。对沿隧道方向的残余水平位移取绝对值发现，残余水平位移绝对值大小和不同工作面的开停采时间有相关性，停采年份越晚则残余水平位移越大。

由图6(a)可知，新建寓仁隧道建设场地在太岳煤矿采空区上方倾斜变化较剧烈，在多个工作面附近出现正负值变化，认为隧道有南北侧向坡度倾斜趋势，在2205工作面(隧道起点K111+896)附近残余倾斜变形大小值变化剧烈，出现正负值的倾斜变形变化，最大残余倾斜变形值出现在2205工作面东侧附近，为-1.98 mm/m，从式(2)可得残余倾斜大小值主要受残余沉降的影响。

由图6(b)可知，新建寓仁隧道建设场地在太岳煤矿采空区上方残余曲率变形大小值变化较剧烈，且有正负变化，认为轴线受拉开裂或压缩隆起的复合变形，在2205工作面(隧道起点K111+896)附近出现正负值的残余曲率变形，最大残余曲率变形值出现在2205工作面西侧采空区附近，为0.033 mm/m2。因此认为隧道建设场地的残余倾斜变形和残余曲率变形受工作面采空区残余沉降影响较大，且和开采时间的新老关系存在相关性。

根据相关要求，采空区隧道地基容许变形值为：倾斜值小于3.0 mm/m，曲率值小于0.20 mm/m2。根据计算结果可知，寓仁隧道沿线倾斜值均满足容许值要求，但隧道起点外400 m左右范围内曲率值超出规范要求。此段属于不稳定状态，在隧道开挖前需对下伏采空区进行一定处治，且隧道建设及运营期内应重点关注隧道起点洞口端的破坏变形问题。