下伏煤層采空區對公路隧道影響的數值分析

劉朝躍 汪育慶 呂冠穎 劉發林

(1.貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081； 2.長沙礦山研究院有限責任公司 長沙 410012)

高速公路建設受路線走向、地形地質等諸多條件控制，路線穿采空區常常不可避免[1]。采空區覆巖不均變形，很容易造成路面錯落起伏、襯砌結構變形、開裂等破壞現象[2]，同時對隧道施工及運營亦帶來安全風險與潛在危害[3]。

在采空區隧道勘察過程中，除了詳細清查采空區特征外，還應著重評價地下采空區巖移特征及變形機理。而地下煤礦開采區對公路隧道影響主要取決于地質條件和采礦等因素，如煤層傾角、開采深度、采高、采礦工藝、地質結構及圍巖特性等[4]。為探究公路下伏采空區的穩定性及對公路的影響程度，本文通過數值模擬方法，對現有采空區垮塌后引起的地表移動及變形等進行分析預測，以總結受力及變形規律，判斷其工程安全性。

1 工程背景

某擬建公路隧道采用雙向4車道，設計車速80 km/h。隧道K15+255-K15+742路段上跨云安煤礦采空區，煤礦開采標高+740-+850 m，隧道底板設計標高為908 m。隧道東側50 m處為鼎興煤礦礦界，煤礦開采標高為580～900 m。

2處煤礦設計生產能力均為9萬t/年，均采用走向長壁后退式采煤法，陷落法管理頂板，炮采落煤，工作面采用偽傾斜柔性掩護支架支護。2處煤礦分別于2013年3月、2012年2月正式停采，歷經8～9年的開采時間。云安煤礦段+745～+850 m標高范圍C5、C7煤層及鼎興煤礦段礦井保安煤柱東側+750～+870 m標高范圍C5、C7、C12煤層已基本采完，回采率均達到80%以上，井下已形成了一定規模的采空區，采空區頂板長時間受到地下水浸蝕、巖層蠕變和采動的影響，大部分已垮塌，地表可見大量塌陷、裂縫及巖體拉裂現象。隧址區煤系地層為二迭統上統龍潭組地層，由砂巖、頁巖及少量灰巖和煤層組成，層厚70～80 m，平均74 m，可采煤層3層，平均總厚11.1 m。煤層總體呈單斜，傾向340°～10°，傾角38°～48°，平均46°。煤層直接頂板為粉砂質泥巖。

2 采空區穩定性數值分析

2.1 數值模型的建立

數值模型的建立是通過midas GTS建模后再導入FLAC3D，并對模型網格組賦值而成。FLAC3D計算模型見圖1。

圖1 三維數值計算模型及網格劃分

模型兩側約束水平位移，底部約束垂直位移，頂部地表為自由邊界。依據隧道勘察報告及工程經驗，綜合確定巖體物理力學參數，見表1。計算時，巖體材料本構模型選取Mohr-Coulomb模型。

表1 巖體力學參數

2.2 模型計算及分析方案

煤礦終采時間大于730 d，因此主要考慮采空區垮塌引起的覆巖剩余變形。計算過程中，首先對模型初始平衡，再模擬煤礦開挖C5、C7煤層，直到應力重新平衡，記錄地表、隧道底板累積變形量，然后清除應力、位移數據，計算采空區頂板完全垮塌后的地表、隧道底板剩余變形量，最后分析累積變形、剩余變形量，得出采空區對隧道的影響程度。

數值模擬分2個部分進行分析：①在隧道洞身地表代表部位，布置4個監測點(見圖2)，分別監測各點的X、Y、Z軸向位移值；②確定采空區冒落的計算時間點，計算各項剩余變形數值。

圖2 監測點布置

2.3 數值模擬結果分析

2.3.1位移分析

FLAC3D數值計算結果表明，計算至7 300步時，各監測點X、Y、Z方向的位移基本趨于穩定，采空區剛好被頂板冒落巖體基本充填，其豎向位移云圖見圖3。

圖3 豎向位移云圖(單位：m)

提取各監測點X、Y、Z方向及各時期的位移變化曲線，其變化趨勢及規律如下。

1)X方向位移規律。1～4號監測點X方向位移見圖4。由圖4可見，1，2，3，4號監測點主要表現為負向位移，2號點位移較大，最大位移值5.1 mm，1，3，4號點最大位移值分別為2.4，1.0，2.6 mm。

圖4 X方向位移監測曲線

2)Y方向位移規律。1～4號監測點Y方向位移見圖5。由圖5可見，2號監測點為正向位移，1，3，4號監測點主要表現為負向位移，其中2號點位移較大，最大位移值6.4 cm，1，3，4號點最大位移值分別為1.0，0.6，1.80 cm。

圖5 Y方向位移監測曲線

3)Z方向位移規律。1～4號監測點Z方向位移見圖6。由圖6可見，4個監測點主要表現為負向位移。4號監測點位移值最大41 cm，1，2，3號監測點最大位移值分別為1，5，1 cm。

圖6 Z方向位移監測曲線

2.3.2地表塑性區分析

地表塑性區分布圖見圖7。由圖7可知，隧道位于山體塑性破壞區域范圍內。隨著C5、C7煤層開挖，山體產生了明顯塑性破壞，主要破壞區域位于云安煤礦礦井保安煤柱東翼采空區及鼎興煤礦礦井保安煤柱西翼采空區上方山體，破壞類型主要為剪切破壞，與現場調查時地表產生裂縫及塌陷的位置基本相符，巖體穩定性較差。

圖7 地表塑性區分布圖

2.3.3應力分析

穿過2個主要采空區剖面的最大應力云圖見圖8。由圖8可見，隧道頂底板范圍內受拉應力影響較大，最大拉應力0.4 MPa，巖體受拉易產生拉伸破壞，隧道施工對巖體產生擾動，易誘發山體滑動。

圖8 最大主應力云圖(單位：Pa)

2.3.4累積變形影響分析

據隧道底板移動變形等值線表明，隧道底板在云安煤礦礦界范圍內產生的X向水平變形最大值為1.0 mm/m，未超過隧道容許變形值2.0 mm/m；Y向水平變形值為2～3.5 mm/m，超過容許變形值；傾斜值為3～5 mm/m，超過容許變形值3.0 mm/m；部分路段曲率值為0.28～0.43 mm/m2，超過容許變形值0.2 mm/m2。

2.3.5剩余變形影響分析

傾斜變形等值線表明，云安煤礦礦界范圍內隧道底板傾斜變形值為0.1～1.1 mm/m之間，曲率值小于0.1 mm/m2，均小于容許變形值；隧道底板X方向水平變形值為1.15～1.5 mm/m，未超過規程容許值，但隧道底板K15+600樁號附近Y方向水平變形達到2～3.5 mm/m，超過規程容許變形值。

3 結論

1) 通過礦區C5、C7煤層開挖數值模擬計算，以及對采空區形成后的隧道底板位移變化、塑性區、應力分布進行分析，隨著煤層的逐步開挖，空區上覆巖層至地表均產生了一定程度塑性變形。

2) 從隧道底板、地表位移監測數據可以看出，采空區覆巖變形產生的水平位移量及下沉量大，剪切、拉伸破壞區域主要分布在采空區上方山體范圍內；據最大主應力分布云圖顯示，隧道頂底板巖層處于受拉影響范圍，易產生拉伸破壞。

3) 根據隧道底板水平變形、傾斜及曲率計算，可以得出云安煤礦礦界范圍內隧道路段水平變形、傾斜變形、曲率值均超過隧道容許變形值。由采空區覆巖剩余變形影響分析，ZK15+520-ZK15+730路段的水平變形值超過容許變形值。

4) 通過隧道下伏采空區數值分析，采空區對擬建隧道影響大，需采取工程措施或線位避讓處理。