瓦斯隧道穿越采空區安全控制距離模擬研究

吳 平

(浙江省高能爆破工程有限公司 浙江杭州 310012)

1 工程背景

根據臨近礦井資料，礦井＋280 m水平以上大部分可采煤層已開采多年，存在大量采空區、遺留煤柱，而華巖隧道龍潭組地段標高 ＋304～＋309 m，穿過中梁山南礦采空區可能性非常大。

根據隧道所處的中梁山南礦區域煤層采掘情況，礦井＋280 m水平以上已開采多年，存在大量采空區、遺留煤柱，且礦井開采水平與隧道所在標高接近，存在采空區邊緣煤柱與隧道較近的情況，也存在遠離隧道的情況。煤層開采后，在采空區邊緣煤柱一定范圍內會形成應力擾動，隧道開挖后也會在輪廓線周圍形成一定范圍的應力擾動，當隧道與采空區邊緣煤柱距離不同時，這兩個應力擾動范圍可能會發生干擾、疊加甚至重疊，改變煤巖體應力分布狀態，可能會引起煤體失穩垮落，甚至可能在瓦斯應力的作用下，導致煤與瓦斯突出等動力現象發生[1-4]。

因此，有必要對瓦斯隧道遠離采空區邊緣和靠近采空區邊緣兩種情況下的煤巖體應力分布變化特征開展研究，判定風險類別[5-12]，進行瓦斯隧道穿越采空區安全控制距離分析，有利于為瓦斯隧道施工工藝及瓦斯參數測定的設計提供重要依據。

2 穿越采空區風險分析

2.1 模型建立

隧道穿越區域煤層厚2 m，傾角65°，距地表深約300 m。根據我國地層應力分布、巖層自重規律建模:長寬高為138 m×160 m×160 m，側向應力系數λ取0.8，頂部壓力為5.5 MPa，豎直應力為7.5 MPa，其余面均為滾支邊界。

以隧道穿越煤層數值模型為基礎，在隧道遠離采空區邊緣和隧道靠近采空區邊緣分別建立模型。

2.2 隧道遠離采空區邊緣風險分析

在隧道遠離采空區邊緣情況下，對隧道掘進過程中隧道獨立、接觸、重疊三個階段的變化情況進行分析，如圖1和圖2所示。

圖1 應力分布和變化情況

圖2 塑性區分布和變化情況

(1)獨立階段:隧道前方應力集中區與采場卸壓區域相互獨立，彼此不影響，隧道掘進產生的塑性區與采空區形成的塑性區也相互獨立。

(2)接觸階段:隨著隧道向前掘進，隧道前方應力集中區逐漸向采場卸壓區域內運移，最終發生接觸，原來應力集中區中承壓收縮的煤巖體向卸壓區內形變位移，內部蘊藏的大量彈性能向卸壓區松散圍巖釋放，應力集中區消失，此時塑性區范圍在局部位置也出現連接，圍巖內部裂隙延伸擴展，開始貫通。

(3)重疊階段:隧道進一步掘進，隧道完全進入到采場的卸壓區內，抵抗變形強度大幅降低。

綜上所述，瓦斯隧道遠離采空區邊緣掘進時，除在獨立階段隧道前方存在一定應力集中，進入接觸階段和重疊階段后，煤巖體整體應力處于降低水平，圍巖松散破碎，難以積聚彈性能量，抵抗變形能力降低。此時隧道安全掘進面臨的風險主要有:

(1)采空區內部圍巖松散破碎，抵抗變形能力差，隧道斷面支護難度加大。

(2)卸壓瓦斯經裂隙逸散到采空區內，容易引起隧道開挖掌子面瓦斯濃度超限。

因此，在瓦斯隧道遠離采空區邊緣掘進時情況下，隧道施工不僅要做好圍巖支護工作，必要情況下還應進行卸壓瓦斯引排或強化通風措施。

2.3 隧道靠近采空區邊緣風險分析

在隧道靠近采空區邊緣情況下，對掘進過程中隧道獨立、接觸、重疊三個階段的變化情況進行分析，如圖3和圖4所示。

圖3 應力分布和變化情況

圖4 塑性區分布和變化情況

(1)獨立階段:隧道前方應力集中區與遺留煤柱應力集中區相互獨立，彼此不影響，隧道掘進產生的塑性區與采空區形成的塑性區也相互獨立。

(2)接觸階段:隨著隧道向前掘進，隧道前方應力集中區逐漸向遺留煤柱應力集中區運移，最終發生接觸，而對應的塑性區范圍在局部位置也出現連接，圍巖內部裂隙延伸擴展，開始貫通。

(3)重疊階段:隧道進一步掘進，隧道前方應力集中區與遺留煤柱應力集中區重疊，而對應的塑性區范圍完全接觸，圍巖內部裂隙擴展貫通，抵抗變形能力大大降低。

因此，在隧道穿越采空區邊緣過程中，破碎松散的圍巖難以抵抗較高的應力，突出風險很高。

由于隧道和煤層開挖會導致擾動范圍內的煤巖體及瓦斯應力狀態發生變化，而擾動范圍之外煤巖體及瓦斯賦存仍處于原始狀態。因此，對靠近隧道煤柱區的煤體進行區域突出危險性預測時，在擾動范圍內、外均應布置預測鉆孔，即在隧道穿越采空區進行區域突出危險性預測時，預測鉆孔控制點與隧道輪廓線之間應確保有足夠的安全控制距離。

3 安全控制距離的研究

3.1 理論分析

隧道開挖后在輪廓線周圍會形成一個由開挖所產生的應力擾動范圍。采空區邊緣煤柱上存在超前支撐壓力，可能會加大突出等瓦斯動力現象發生的風險。因此，只有準確掌握應力擾動范圍內、外的瓦斯賦存狀態，才能準確預測其突出危險性。

(1)當煤柱區處于隧道開挖應力擾動范圍之外時，煤柱不受開挖影響，仍維持初始應力水平。

(2)當煤柱區處于隧道開挖應力擾動范圍之內時，煤柱應力場與隧道開挖應力場發生疊加效應，增加了煤柱區煤體突出或失穩垮冒風險。

當煤柱邊緣線與隧道應力擾動邊界剛好重疊時，煤柱支撐壓力邊界線到隧道輪廓線之間的距離即為安全控制距離。

3.2 實體煤數值模擬

為了準確測到隧道前方煤層的實際瓦斯賦存參數，區域預測鉆孔布置應至少控制到輪廓線上、下、左、右和前方一定范圍。

(1)模型建立:為了精確地反映隧道開挖過程中煤巖體應力變化情況，分別在煤層距隧道上下、左右輪廓線不同垂距處設計應力模擬監測點，上下輪廓線設計應力模擬監測點間距為2 m，上輪廓線外控制28 m，下輪廓線外控制20 m；左右輪廓線設計應力模擬監測點間距為2 m，左右輪廓線外控制20 m。

(2)模擬結果分析:隧道開挖后，沿水平方向和豎直方向圍巖應力均發生擾動，監測點應力變化情況如圖5和圖6所示。

圖5 實體煤豎直方向應力監測點變化情況

圖6 實體煤水平方向應力監測點變化情況

①由圖5和圖6可以看出，在靠近隧道輪廓線較近范圍內應力值均處于較低水平，隨著距離往外延伸，應力逐漸增大，出現應力集中，達到一定距離又逐漸降低至原始應力水平。根據前面理論分析可知，應力擾動(包括卸壓區和應力集中區)與原始應力的邊界即為安全控制范圍臨界點，該處與隧道輪廓線的垂距即為安全控制距離K。

②由圖5可以看出，隧道豎直方向應力擾動區的范圍為-10 m≤Z≤20 m，而隧道上下輪廓線分別為Z上＝8 m、Z下＝-2 m，因此，豎直方向安全控制范圍K上應至少為12 m，K下應至少為8 m。

③由圖6可以看出，隧道水平方向應力擾動區的范圍為-15 m≤X≤15 m，而隧道左右輪廓線分別為X左＝-8 m、X右＝8 m，因此，水平方向控制范圍K左和K右應至少為7 m。

綜上所述，隧道穿越實體煤時安全控制距離K取值如表1所示。

表1 隧道穿越實體煤時安全控制距離K取值

3.3 采空區數值模擬

采用數值模擬分析采空區周圍煤巖體應力場分布情況，確定采空區應力擾動范圍S′，結合隧道應力擾動范圍K得到隧道穿越采空區安全控制距離S。

(1)模型建立:為了精確地反映隧道開挖過程中采空區應力變化情況，在采空區模型基礎上設置兩組應力模擬監測點。

(2)模擬結果分析:監測點應力分布情況如圖7和圖8所示。

圖7 豎直方向應力監測點變化情況

圖8 水平方向應力監測點變化情況

①由圖7和圖8可以看出，在靠近采空區邊界線較近范圍內應力值均處于較低水平，越往煤柱深部應力逐漸增大，出現應力集中，達到一定距離后逐漸降低至原巖應力水平。

②由圖7可以看出，采空區豎直方向應力擾動區的范圍為-50 m≤Z≤50 m，而采空區上下邊界線分別為Z上＝40 m、Z下＝-40 m，因此，煤柱超前支撐壓力范圍S′上和S′下為10 m，對應豎直方向安全控制距離S上為22 m，S下為18 m。

③由圖8可以看出，采空區水平方向應力擾動區的范圍為-50 m≤X≤50 m，而采空區左右邊界線分別為X左＝-40 m、X右＝40 m，因此，煤柱超前支撐壓力范圍S′左和S′右為10 m，對應水平方向安全控制距離S左和S右均為17 m。

綜上所述，隧道穿越采空區時安全控制距離S取值如表2所示。

表2 隧道穿越采空區時安全控制距離S取值

4 現場應用

隧道進口端在二疊系龍潭組地層段應首先揭穿K1煤層，但實際探測并未探測到K1煤層，而是發現在ZK3＋130里程處圍巖有松散異常現象，結合臨近煤礦采掘情況，判斷該里程處應為K1煤層采空區。結合礦井在該標高處K1煤層的采掘布置情況，綜合分析認為，隧道剛好從工作面采空區留設的保護煤柱邊緣穿過。在沒有完全掌握清楚采空區遺留煤柱分布、采空區周邊應力分布、大斷面隧道應力可能擾動范圍等情況下，掘進揭露采空區時風險較高，同時在隧道右線加強了超前探測工作，明確了隧道上方采空區煤柱分布基本與左線相同，根據隧道過采空區研究分析，對隧道上方22 m范圍內煤柱開展了突出危險性預測工作。

向煤柱區施工4個預測鉆孔，煤柱區上、下、左、右均有鉆孔控制，其中至少有1個鉆孔應控制到安全控制距離S之外(1號鉆孔、上方垂距大于22 m)。

依據相關規定測定了煤柱區的瓦斯含量Wmax為3.31 m3/t、K1max為0.10 mL/(g·min1/2)，均小于臨界值，鉆孔施工過程中沒有異常，在判定為無突出危險且采取加強超前支護的情況下，安全順利穿過了采空區。

5 結束語

(1)采用數值模擬的方法，對隧道遠離采空區邊緣和靠近采空區邊緣兩種情況下風險性進行了分析，當煤柱區處于隧道開挖應力擾動范圍K之外時，隧道應做好圍巖支護和卸壓瓦斯引排工作，當煤柱區進入隧道開挖應力擾動范圍K之內時，應在隧道距采空區超前安全距前實施區域突出危險性預測。

(2)結合瓦斯隧道實際地質情況，模擬分析了隧道穿越采空區時安全控制距離S控制范圍S上和S下分別至少為22 m和18 m，S左和S右應至少為17 m，對隧道穿越采空區安全控制范圍的確定具有指導意義。

(3)當隧道穿越采空區，模擬安全距離后，還應結合物探和鉆探的方法進一步探明采空區與隧道的空間位置關系，為隧道瓦斯賦存規律研究和施工工藝的設計提供重要依據。