煤层采空区赋存状态及围岩稳定性分析

张成良， 闫 祥， 李明健， 叶丹勇， 王光进

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院， 云南 昆明 650093 2.中国建筑第八工程局有限公司西北分公司，陕西 西安 710075)

0 引言

我国煤炭储量和产量高居世界前列，煤层在开采过后留下许多空腔和空洞，形成了规模不等的采空区。随着高速公路规划网络越来越密集，修建隧道时不可避免地穿越煤系地层，甚至穿越多煤层地层、多煤层采空区[1]。作为一种特殊的不良地质，煤层采空区具有软弱性及空间变异性；受到地层岩性、采矿工艺方法和时间效应的多重影响，煤层采空区具有隐蔽性强、规律性差的特点[2]。因此，公路隧道穿越煤系地层采空区的确定及稳定性分析仍然是一大难题。如果不能准确探明采空区，会对隧道施工安全及运营产生巨大危害，稍有不慎将引发安全事故。有必要对公路隧道穿越煤层采空区群的稳定性进行研究。

国内学者对采空区探测方法进行了大量研究，积累了许多经验，取得了丰硕的成果。王小宁等[3]利用地震反射法确定了采空区路段下伏浅部地层的赋存状态。邢延团[4]采用现场钻探方式揭示了亭南煤矿二盘区巨厚洛河组下煤层开采后的导水裂隙带发育高度。崔路允[5]分析穿越复杂采空区深埋隧道施工过程地表沉降、围岩变形、支护结构受力特性及施工安全稳定性。通过梳理当前的研究成果可知，理论分析、地球物理勘探和现场钻探是查明采空区覆岩赋存状态的主要手段，其中理论分析略显复杂，且部分经验公式与真实值偏差较大；现场钻探最为直观有效，但费用昂贵，且只能实现单点的精准探测；地球物理勘探法探测范围更为广泛，但勘探深度有限，且在复杂地形条件下可靠性较低。若将上述多方法相融合，取长补短，可以更有效地分析采空区赋存状态[6]。基于此，本文以召泸高速公路项目隧道穿越煤系地层采空区群为研究背景，综合地表踏勘、物探及钻探确定采空区的形态，分析隧道穿越煤系地层采空区的稳定性，为隧道施工安全提供依据。

1 工程概况

1.1 隧道工程概况

白兆隧道为分离式隧道，左幅里程桩号为ZK8+420～ZK9+655，全长1 235 m，最大埋深116.5m；右幅里程桩号为YK8+410～YK9+643，全长1 233 m，最大埋深119.2 m。按双向六车道标准建设，设计时速为100 km/h。

1.2 地质条件概况

白兆隧道属侵蚀～溶蚀低中山地貌，峰顶浑圆，局部山坡较陡，山坡倾角为10°～25°，隧道进出口植被发育，多为松、杉等乔木。隧址区为第四系残坡积层，主要岩性为砂岩、粉砂岩、页岩和煤。地下水以第四系孔隙水类型及基岩裂隙水为主。隧址区内含煤地层为上二叠统宣威组，总厚度约121～150 m，区内主要含4层可采或局部可采煤层，平均厚度分别为1.98、2.70、2.15、1.10 m，总厚度为7.93 m。隧道周边有2个煤矿，师宗县宏业煤矿位于隧道南侧，井口距离隧道穿越区域约2.6 km，该矿始建于1994年，1996年正式投产，属私营企业；泸兴煤矿位于隧道北侧，井口距离隧址区860 m，该矿始建于1982年。除此之外隧道周边私挖乱采及无序开采严重，其开采深度与隧道整体埋深标高接近。由于间隔时间久，煤矿的开采状况、规模及后续处置措施都没有详细的资料，无法确定采空区的具体位置及规模大小，需要结合现场踏勘、物探及钻探综合确定。

2 采空区探测

2.1 地表踏勘

通过现场勘察发现，隧址区整体呈“M”型，中间呈“V”型沟谷，谷底到隧道拱顶距离小于3倍洞径，隧道埋深较浅。沟谷两侧以松树、杉树等高大乔木为主，谷底以灌木草本植物为主，植被茂密。在隧道上部地表分布有不同长度和走向的裂缝，开裂时间较近，说明该区段地表沉降变形较大，正处于活跃期，隧道施工产生的二次扰动会加剧变形破坏速度。

在隧道右侧发现有遗留下的坑道，坑道内部存有大量积水，坑道走向与隧道走向大致平行，距离隧道较近。距垭口较近的位置也存在遗留的坑道，坑道较小，内部较干燥，与隧道走向斜交，据此推断隧道路线会穿越部分采空区。隧道穿越采空区时，可能会诱发隧道失稳、突水突泥等灾害，必须查明采空区的分布、范围、赋存形态与隧道空间位置关系。

2.2 物探

为查明隧道施工区域内采空区分布、富水情况及其它不良地质条件，采用瞬变电磁法对隧道区域进行探测，重点对隧道洞身高程周围地质情况进行探测，为隧道施工提供基础数据和资料。瞬变电磁法[7]是一种采用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法。探测采用澳大利亚EMT公司的SM24瞬变电磁仪[8]。在隧道施工范围内布置3个200 m×200 m瞬变电磁探测线框，沿隧道横向布置4条测线(1、3、5、7线)，单条测线长620 m，测网密度为40 m(线距)×20 m(点距)，共布设测点124个，剖面总长2 480 m，探测面积0.12 km2。现场测线布置见图1。

图1 瞬变电磁探测采空区测线布置

测点布置采用天宝GXT3000GPS(精度为亚米级)进行放样，测点放样过程中严格执行相关测量规范、规程，按照设计测点进行野外测点放样。瞬变电磁法对低阻地质体或含水地层反应灵敏，本次探测区域地层的视电阻率有明显的电性差异，为物探工作提供了充分的物性条件。探测完成后分别截取4个同一标高(2 020、2 000、1 980、1960m)视电阻率平面图及4条测线视电阻率剖面图，如图2、图3所示。

通过2 000 m等值线平面图可知：在2 000 m标高上1线11#～17#点、3线11#～15#点、5线11#～14#点、7线11#～12#点区域视电阻率呈低阻异常。总体上，高程从高到低深度由浅到深低阻异常区域逐渐变小、消失，说明低阻异常可能为富水性较强的地层视电阻率反应，在纵向上主要分布在2 000 m及以上区域。从2 000 m等值线平面图分析可知：l线23#～26#点、3线23#～27#点、5线23#～26#点、7线23#～25#点区域为高阻异常区。结合图3、图4分析，高阻异常区域在纵向上主要分布在1970～2 010 m。

(a)2 020、2 000 m标高

(b)1 980、1 960 m标高

(a) 1线

(b) 3线

(c) 5线

(d)7线

从1线视电阻率剖面图可知，在1线3#～21#点，标高为2 050～2 010 m区域视电阻率呈低阻异常；23#～25#点，标高1 970～2 010 m区域电阻率呈高阻异常；3线视电阻率剖面图显示在3线5#～ 21#点，标高为2 050～ 2010 m区域视电阻率呈低阻异常；22#～ 25#点，标高1 970～2 010 m区域电阻率呈高阻异常；5线视电阻率剖面图显示在5线5#～ 20#点，标高为2 050～2 010 m区域视电阻率呈低阻异常；22#～25#点，标高1 970～2 010 m区域电阻率呈高阻异常；7线视电阻率剖面图显示在7线2#～20#点，标高为2 050～2 010 m区域视电阻率呈低阻异常。

2.3 钻探为进一步确定采空区位置及范围，根据前期瞬变电磁探测结果，在地面物探两个异常区布置施工5个钻孔，所有钻孔均施工到设计层位。通过对钻孔钻芯数据进行分析，钻孔中共见煤10层次，煤层厚度0.85～3.95 m，埋深12.55～123.10 m，底板标高2050.78～ 1 964.45 m，分别位于隧道顶板10～48 m或底板5～38 m。17#～18#点为K3号钻孔，24#～25#点为K5号钻孔。其中有3层根据岩芯、钻探钻进速度、涌漏水情况判断为采空区，钻孔见表1。

表1 钻孔情况一览钻孔编号钻孔位置钻孔深度/m钻孔标高/m煤层编号煤层顶板标高/m煤层底板标高/m煤层厚度/m采空区判断依据C172 000.951 997.253.7——K1ZK9+51108.252 039.65C211 993.751 990.353.4采空区钻探岩芯C221 985.651 983.152.5——K2ZK9+119右5 m99.32 061.5C102 035.42 032.752.65采空区直接掉钻C101 972.61 971.750.85——C102 054.732 050.783.95采空区钻探岩芯K3K9+87右19 m105.72 063.33C142 015.232 013.431.8——C171 988.231 986.032.2——K4ZK9+236右9 m133.32 082.33C101 984.231 981.982.25——K5K9+224右6 m1352 087.55C101 967.051 964.452.6——

2.4采空区综合探测分析经瞬变电磁法并结合地勘钻探查明隧道左幅ZK9+016～ZK9+100、右幅YK9+016～YK9+100共存在3个煤层采空区，分别为：① 1#采空区(K9+016～K9+037)，位于隧道洞身至底板下方约2 m，沿隧道方向长20.7 m，采空区与隧道同一平面，横穿隧道左、右幅，破坏体积约为12 000 m3，采空区裂隙已连通至地表，施工时将引起边墙、拱顶围岩冒落，底板下沉，对隧道施工有直接影响。② 2#采空区(K9+054～K9+082)，位于隧道底板下方约8 m，沿隧道方向长28.1 m，采空区通过隧道左、右幅，破坏体积约为17 000 m3，采空区裂隙已连通至地表以下10 m左右，隧道施工可能产生底板塌陷、路基下沉。③ 3#采空区(K9+086～K9+100),位于隧道顶板上方约10 m，沿隧道方向长23.3 m，采空区横穿隧道左、右幅，破坏体积约为15 000 m3，采空区裂隙已连通至地表，可能引发隧道施工时的顶板垮塌，对隧道施工有一定影响。隧道与煤层采空区空间位置关系见图4、图5所示。

图4 隧道与采空区位置断面

图5 隧道与采空区空间位置分布

3 煤层采空区围岩稳定性分析

(1)

式中：M为煤层开采厚度，m；K为垮落岩石残余碎胀系数；a为煤层倾角，°。

底板破坏带按算式(2)计算：

Hp=0.700 7+0.107 9L

(2)

式中：L为工作面斜长，一般不超过30 m，此处取30 m。

当顶板为极软弱、软弱、中硬、坚硬成互层覆岩时，垮落带最大高度按式(3)计算：

(3)

式中：H为垮落过程中顶板下沉值，m。

导水裂隙带最大高度按式(4)计算：

(4)

将数据代入上述公式计算求得白兆隧道采空区破坏参数，见表2。

表2 白兆隧道采空区破坏参数采空区破坏高度/mHmHliHp沿隧道走向破坏长度/m1#7.7321.783.9411.62#11.4924.153.9413.73#8.6222.433.9415.3

根据采空区的形态，采用经验公式对采空区破坏高度及长度进行计算，结果表明已存在的采空区对隧道施工安全影响较大。

3.2 采空区对围岩的影响

在隧址区存在多条地表裂缝，其最大深度146cm，最大宽度15 cm，可以判断该区段采空区对围岩影响破坏较大，必须引起足够的重视，在隧道施工过程中需要对采空区进行预处理[13]，避免结构整体失稳。

隧道穿越采空区围岩竖向的位移云图如图6所示，从图6可知围岩沿水平方向最大正向水平位移约为82 mm，产生在右幅隧道右拱腰与1#采空区相交部位，最大负向水平位移约为74 mm，产生在左幅隧道左拱腰与1#采空区相交部位。左幅隧道左边墙主要为正向位移，右边墙为负向位移，右幅隧道亦是如此，表明隧道开挖过程中左右边墙均受到挤压变形。沿垂直方向最大正、负向位移分别约为98 mm和259 mm，在3个采空区周围均较为明显，说明隧道开挖过程中采空区沿垂直方向产生显著变形。3个采空区周围也发生不同程度竖向变形，其中2#采空区顶板最大下沉达282 mm，隧道拱顶最大沉降值为183 mm，产生在与1#采空区相交隧道拱顶部位，拱顶沉降大部分在80 mm以上，仰拱最大隆起变形为123 mm，平均隆起值为71mm。综上可知，在未采取加固措施条件下隧道穿越煤层采空区时，隧道围岩水平及垂直产生很大位移，采空区的存在对隧道的安全施工有较大影响。

(a) 整体

(b)左幅

(c)右幅

4 结论

以云南省召泸高速公路项目隧道为工程背景，对隧道穿越采空区进行稳定性分析，得出如下主要结论。

1)采用瞬变电磁法探测隧址区采空区的分布状况，探测结果表明，隧道左幅ZK9+016～ZK9+100、右幅YK9+016～YK9+100段存在3个采空区，1#采空区横穿左右幅隧道、2#采空区位于隧道下伏、3#采空区位于隧道上覆，其中1#、2#采空区对隧道施工影响较大。

2)采用三带理论对赋存的3个采空区进行理论计算，确定其破坏参数；通过建立相应的数值模型，分析了隧道穿越采空区时围岩的变形特性，结合围岩的变形破坏模式，分析隧道穿越采空区段的围岩稳定性，确定了采空区对围岩的影响，从而为后续隧道穿越采空区围岩的加固提供依据，可为类似工程提供借鉴。