煤系地層隧道施工瓦斯爆炸與采空區(qū)失穩(wěn)的風險識別

晏啟祥,王璐石,段景川,耿 萍

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

煤系地層隧道施工瓦斯爆炸與采空區(qū)失穩(wěn)的風險識別

晏啟祥,王璐石,段景川,耿 萍

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

在對滬昆高速公路煤系地層某隧道線路沿線煤層和采空區(qū)分布位置、分布規(guī)模綜合分析的基礎(chǔ)上,將該隧道瓦斯爆炸和采空區(qū)失穩(wěn)界定為施工典型風險,其中采空區(qū)失穩(wěn)以不均勻沉降和上覆頂部塌陷為主。采用層次分析法,分別對隧道瓦斯爆炸和采空區(qū)失穩(wěn)進行了風險因素識別。其中:瓦斯爆炸包括煤層瓦斯壓力、煤層瓦斯含量、地質(zhì)構(gòu)造、施工通風以及施工組織管理等10項三級因素;采空區(qū)失穩(wěn)包括采空區(qū)距隧道距離、采空區(qū)大小、超前地質(zhì)預(yù)報、超前支護等7項二級因素。研究表明:煤層瓦斯含量,施工通風和組織管理對瓦斯爆炸風險影響較大,而采空區(qū)距隧道距離、采空區(qū)大小對采空區(qū)失穩(wěn)風險影響較大。

煤系地層;隧道施工;瓦斯爆炸;采空區(qū)失穩(wěn);風險因素識別

1 概述

近年來,我國公路隧道建設(shè)勢頭迅猛,有很多隧道穿越煤系地層。在煤系地層中進行隧道施工,通常會面對揭煤施工風險、瓦斯爆炸風險、采空區(qū)失穩(wěn)風險、圍巖大變形風險、塌方風險以及邊仰坡失穩(wěn)風險等[1-2]。其中,尤以瓦斯爆炸與采空區(qū)塌陷風險最為典型。近年來,針對煤系地層隧道施工過程中出現(xiàn)的瓦斯風險和采空區(qū)風險,國內(nèi)開展了大量研究工作,如陳炳祥[3]結(jié)合渝懷鐵路金洞隧道進口瓦斯煤系地層施工技術(shù),總結(jié)了隧道瓦斯工區(qū)設(shè)置等級、煤層位置確定、瓦斯突出危險性預(yù)測及判別、防突技術(shù)與措施、石門揭煤等施工要點;徐建平[4]等也針對蛟嶺瓦斯隧道具體特點提出了施工防治措施;李生杰[5]根據(jù)烏鞘嶺隧道穿越煤系地層的特點,開展了施工通風設(shè)計,獲得了烏鞘嶺隧道通風機的指標要求;宋南濤[6]研究了采空區(qū)不同大小尺寸和離隧道頂部不同距離對隧道施工安全性的影響,建立了采空區(qū)與隧道安全性之間的關(guān)系;李治國[7]針對巴彭公路鐵山隧道采空區(qū),開展了采空區(qū)頂板變形及破壞機理分析,并提出了采空區(qū)治理技術(shù);李曉紅等[8-9]對西山坪隧道初期支護條件下隧道左線穿煤及采空區(qū)圍巖的變形特征以及采空區(qū)圍巖的位移和應(yīng)力特性進行了施工動態(tài)有限元數(shù)值模擬分析,并根據(jù)分析結(jié)果提出了采空區(qū)處治措施。諸如以上的大量研究工作基本都是基于瓦斯和采空區(qū)分布狀態(tài)確定的情況下進行的。由于瓦斯和采空區(qū)風險的不確定性和復(fù)雜性,基于風險識別和風險評估的煤系地層施工典型風險對于隧道施工實施風險管理、降低、觀察和控制風險同樣具有重要意義[10]。煤系地層隧道施工典型風險因素的識別就是要研究施工過程中瓦斯爆炸與采空區(qū)塌陷的風險本質(zhì)及其隨機性規(guī)律,并通過風險評估,掌握煤系地層施工瓦斯風險和采空區(qū)風險的嚴重程度,分析導(dǎo)致此類風險的主要因素,從而為瓦斯和采空區(qū)等不良工程地質(zhì)隧道施工制定施工預(yù)案和施工處治措施提供科學依據(jù)。

滬昆高速公路某隧道為雙向6車道連拱隧道,隧道起訖樁號為K4+150～K4+430,全長280 m,最大埋深約為79 m。隧址區(qū)為背斜構(gòu)造山地,地勢較高,地表水不發(fā)育,僅在雨季于沖溝中形成短暫水流。區(qū)內(nèi)地下水沿背斜軸及兩翼展開,屬基巖裂隙水,主要賦存在基巖節(jié)理裂隙帶內(nèi)。

隧道區(qū)內(nèi)上覆地層為第四系殘坡積層(Qel+dl),下伏三疊系下統(tǒng)夜郎組沙堡灣段(T1s)泥巖、二疊系上統(tǒng)長興組(P2c)燧石灰?guī)r、龍?zhí)督M(P2l)泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、砂巖、硅質(zhì)巖、灰?guī)r及煤層。其中,煤系地層主要含有5層煤,1號煤層厚2～3 m,2號厚1～2 m, 3號和4號厚0～1 m,5號厚0～0.5 m,煤層地段隧道頂板埋深30～55 m。根據(jù)地勘資料,該隧道為瓦斯隧道。

隧道煤層和采空區(qū)分布見圖1。從圖1可知:隧道軸部無煤層及采空區(qū)分布,而兩翼隧道進出口地段有煤層(1號、2號)和大量煤洞存在。大部分采空區(qū)為民采小煤窯,煤礦采掘自20世紀30年代起,至2002年陸續(xù)停止開采。隧道進、出口附近可見廢棄煤洞約50個,掘進巷道長多為50～200 m,寬1.5～3.0 m,高2～5 m,分布密集;廢棄煤洞多為私采,開采方向雜亂,開采巷道基本未進行處理。煤層開采相互連接、貫通,于地下形成了較大面積的采空區(qū);采空區(qū)交相疊置,埋深10～60 m。

圖1 隧道煤層與采空區(qū)分布縱斷面示意

2 隧道瓦斯風險分析

該隧道穿越煤系地層地段,瓦斯分布隨著隧道埋深、圍巖等級及煤層分布不同而變化。根據(jù)該隧道進出洞口段埋深、圍巖等級、特殊地質(zhì)構(gòu)造及煤層分布可將瓦斯對隧道的影響劃分為2段。

(1)K4+150～K4+225段,長75 m,該段為隧道進口段,隧道頂板埋深30.67～55.54 m。洞身圍巖為泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、砂巖、硅質(zhì)巖和灰?guī)r及1號、2號煤層,煤層厚2～3 m,為主采煤層,圍巖為Ⅵ級,如圖2所示。

圖2 K4+150～K4+225段地質(zhì)縱斷面

(2)K4+358～K4+430段,長72 m,該段為隧道出口段,隧道頂板埋深48.70～23.34 m,地表亞黏土厚0～0.80 m,洞身圍巖為強風化泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、砂巖、硅質(zhì)巖和灰?guī)r及1號、2號煤層,單煤層厚2～3 m,為主采煤層,圍巖為Ⅵ級,如圖3所示。

圖3 K4+358～K4+430段地質(zhì)縱斷面

由于隧道進口段和出口段都將穿越2號及1號煤層,在隧道掘進穿越煤層時,瓦斯將以緩慢涌出的形式向隧道釋放,造成隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛仍龃?由于瓦斯比空氣輕,從圍巖裂隙滲漏出的瓦斯多聚集在隧道頂部工作臺面附近,形成瓦斯積聚區(qū),但在隧道掘進工程中,往往由于風機較工作面較遠或漏風問題,新鮮風流達不到工作面,造成渦流,不能稀釋和帶走隧道頂部的瓦斯,使得瓦斯?jié)舛仍龃?易達到《煤礦安全規(guī)程》所規(guī)定的上限1.5%。此時當瓦斯達到一定的壓力、溫度條件時,有可能發(fā)生瓦斯爆炸。

3 隧道采空區(qū)風險分析

采空區(qū)主要分布在隧道進口及出口段,大部分采空區(qū)為民采小煤窯,隧道進、出口附近可見廢棄煤洞約50個,煤層開采相互連接、貫通,于地下形成了較大面積的采空區(qū);采空區(qū)交相疊置,埋深10～60 m。采空區(qū)有上覆采空區(qū)、側(cè)壁旁采空區(qū)、下伏采空區(qū)。上覆采空區(qū)離隧道的距離10～15 m,下伏采空區(qū)離隧道的距離10～20 m,側(cè)壁采空區(qū)距離隧道在3～20 m。

(1)隧道進口段,隧道的頂板埋深30～55 m,沿煤層走向,斜交隧道軸線分布有眾多廢棄煤洞,直徑2～5 m,深30～120 m。洞口進口段煤洞和采空區(qū)縱剖面如圖4所示。

圖4 隧道進口段采空區(qū)縱剖面

(2)隧道出口段長約62 m,隧道的頂板埋深23～48 m,沿煤層走向,斜交隧道軸線分布有眾多廢棄煤洞,直徑2～4 m,深20～110 m。洞口出口段煤洞和采空區(qū)的縱剖面如圖5所示。

隧道在進口段和出口段,上覆采空區(qū)離隧道的距離小于30 m,側(cè)壁采空區(qū)離隧道的距離在隧道開挖的影響范圍內(nèi)(小于3倍洞徑),下伏采空區(qū)的斷面也較大。在煤系地層中開鑿采煤巷道,勢必造成地層地應(yīng)力場的改變,形成采空區(qū)。當隧道周圍采空區(qū)受到隧道開挖擾動時,采空區(qū)將發(fā)生不均勻沉降,導(dǎo)致上覆采空區(qū)底板和下覆采空區(qū)頂板塌落,威脅隧道施工安全,所以隧道采空區(qū)的穩(wěn)定性存在較大的風險。

圖5 隧道出口段采空區(qū)縱剖面

4 煤系地層隧道施工典型風險源識別

煤系地層隧道施工典型風險源識別可采用層次分析法。層次分析法能把定性因素定量化,并能在一定程度上檢驗和減少主觀影響,使評價更趨科學。該方法對同層風險因素實施兩兩比較,形成判斷矩陣,從而計算同層風險因素的相對權(quán)重。其評估方法如下。

(1)確定判斷矩陣

首先明確分析問題,劃分和選定有關(guān)風險因素,然后建立風險因素分層結(jié)構(gòu),假設(shè)同層共有n個因素M1,M2,…,Mn,將n個因素中Mi和Mj任意兩個因素進行比較,使用比例標度qij反映二者的相對重要性,比例標度的含義參見表1。若Mi與Mj相比得qij,則Mj與Mi相比的判斷為qji=1/qij,從而可以得到1個n×n的判斷矩陣M=(qij)n×n。

表1 標度及其含義

(2)計算矩陣M特征值及特征向量

運用數(shù)學工具計算矩陣式MW=ymaxW的特征值ymax和特征向量W,W各分量即對應(yīng)n個因素的權(quán)重。

(3)一致性檢驗

因為判斷矩陣M采用兩兩比較獲得,未必滿足等式qijqjk=qik。因此,為了衡量由于M矩陣不相容所造成的ymax和W誤差,需要采用一個一致性指標CI進行檢驗。

當CI=0時,表明判斷完全一致,通常認為CI＜0.1時判斷就基本成立。

根據(jù)該隧道瓦斯和采空區(qū)風險分析,可基本判斷隧道施工的典型風險為瓦斯爆炸和采空區(qū)失穩(wěn)。利用上述層次結(jié)構(gòu)模型可分別建立各個層次的比較矩陣,并用MATHEMATIC求解,計算各個比較矩陣的權(quán)值。A-Bi層重要度排序見表2,表中重要度排序統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自專家判斷,下同。

表2 A-Bi層重要度識別

得該矩陣的最大特征值λmax=2,求得特征值對應(yīng)歸一化特征向量WA=[0.666 70.333 3]T。

4.1 瓦斯爆炸風險識別

能夠誘發(fā)或者直接導(dǎo)致隧道瓦斯爆炸的因素很多,除了自然因素以及隧道的地質(zhì)情況之外,還有勘察設(shè)計因素和施工因素等。瓦斯爆炸的根本原因是由于瓦斯隧道在開挖過程中,瓦斯壓力被釋放,遇到明火或高溫發(fā)生爆炸。如果支護結(jié)構(gòu)不密封或者通風風量選擇不當,就有可能導(dǎo)致瓦斯爆炸的發(fā)生。結(jié)合國內(nèi)外隧道施工經(jīng)驗,分析可能引起該隧道發(fā)生瓦斯爆炸的基本事件,可得出瓦斯爆炸風險的風險源主要是瓦斯狀態(tài)、施工因素和人員因素,Bi-C層重要度排序見表3。

表3 Bi-C層重要度排序

得該矩陣的最大特征值λmax=3,求得特征值對應(yīng)歸一化的特征向量

代入一致性指標公式得

CI=(λmax-n)/(n-1)=(3-3)/(3-1)=0,而CR=CI/RI=0/0.52=0＜0.1,因此,矩陣滿足一致性判斷。

由計算結(jié)果得瓦斯風險因素的第二層風險源排序為:瓦斯狀態(tài)＞施工因素＞人員因素。

Ci-D層重要度排序需根據(jù)Ci與Di之間的相互關(guān)系分別列出。其中B1-Ci排序見表4。

表4 B1-Ci 層重要度排序

由表4得該矩陣的最大特征值λmax=5.068 1,求得特征值對應(yīng)歸一化的特征向量

代入一致性指標公式得

而CR=CI/RI=0.017 025/1.12=0.015 2＜0.1,因此,矩陣滿足一致性判斷。

由計算結(jié)果得瓦斯風險因素的第三層B1風險源排序為:煤層瓦斯含量＞煤層相對瓦斯涌出量＞煤層瓦斯壓力＞地質(zhì)構(gòu)造＞煤層瓦斯涌出形式。

C2-Di排序見表5。

表5 C2-Di層重要度排序

得該矩陣的最大特征值λmax=3.009 2,求得特征值對應(yīng)歸一化的特征向量

WB2=[0.539 60.297 00.163 4]T

代入一致性指標公式得

CI=(λmax-n)/(n-1)=(3.009 2-3)/(3-1)= 0.004 6,而CR=CI/RI=0.004 6/0.52=0.008 85＜0.1成立,因此,矩陣滿足一致性判斷。

由計算結(jié)果得瓦斯風險因素的第三層B2風險源排序為:施工通風＞安全監(jiān)測＞瓦斯抽放。

C3-Di層重要度排序見表6。

表6 C3-Di層重要度排序

得該矩陣的最大特征值λmax=2,求得特征值對應(yīng)歸一化的特征向量

由計算結(jié)果得瓦斯風險的第三層B3風險源排序為:組織管理＞職工文化素質(zhì)。

4.2 采空區(qū)失穩(wěn)風險識別

隧道施工中對采空區(qū)的影響主要體現(xiàn)在隧道上部采空區(qū)頂板的穩(wěn)定性和下覆采空區(qū)的穩(wěn)定性2個方面。隧道穿越上覆采空區(qū),隧道的開挖引起周圍應(yīng)力場的變化,進而引起上覆采空區(qū)周圍應(yīng)力場的變化,最終導(dǎo)致上覆采空區(qū)底板塌落影響隧道施工。隧道下部存在采空區(qū)不僅受到隧道開挖的影響,此外采空區(qū)的存在也影響了隧道的基底承載力,引起下伏采空區(qū)頂板塌落,發(fā)生不均勻沉降,進而導(dǎo)致隧道底板板變形,甚至塌落。隧道開挖對采空區(qū)穩(wěn)定性的主要影響因素是采空區(qū)狀態(tài)和施工因素,采空區(qū)狀態(tài)又分地質(zhì)構(gòu)造、采空區(qū)距隧道距離、采空區(qū)大小3個因素,施工因素分超前地質(zhì)預(yù)報、開挖預(yù)處理方案、開挖方法以及超前支護等4個因素,B2-Ci重要性排序見表7。

表7 B2-Ci重要性排序

得該矩陣的最大特征值λmax=2,求得特征值對應(yīng)歸一化的特征向量

由計算結(jié)果得采空區(qū)風險因素的第二層風險源排序為:施工因素＞采空區(qū)狀態(tài)。

C1-Di排序見表8。

表8 C1-Di層重要度排序

得該矩陣的最大特征值λmax=3.018 3,求得特征值對應(yīng)歸一化的特征向量

為進一步加強對水利工程的管護，國土資源部、水利部多次下發(fā)加快推進水利工程土地確權(quán)劃界工作的通知和意見。自2012年起，遼寧省水利廳加快了省直管水庫確權(quán)劃界工作進度。遼寧省某水庫管理單位實施水庫確權(quán)劃界后，開墾灘地被淹時，村民不再要求賠償。下面針對遼寧省省直水庫土地利用現(xiàn)狀，對如何推進水庫確權(quán)劃界工作及土地科學管理進行探析。

代入一致性指標公式得

CI=(λmax-n)/(n-1)=(3.018 3-3)/(3-1)= 0.009 15,而CR=CI/RI=0.009 15/0.52=0.017 6＜0.1成立,因此,矩陣滿足一致性判斷。

由計算結(jié)果得采空區(qū)狀態(tài)風險因素的第三層C1風險源排序為:采空區(qū)距隧道距離＞采空區(qū)大小＞地質(zhì)構(gòu)造。

C2-Di排序見表9。

表9 C2-Di層重要度排序

得該矩陣的最大特征值λmax=4.259 9,求得特征值對應(yīng)歸一化的特征向量

代入一致性指標公式得

CI=(λmax-n)/(n-1)=(4.259 9-4)/(4-1)= 0.086 6,而CR=CI/RI=0.086 6/0.89=0.097 3＜0.1成立,因此,矩陣滿足一致性判斷。

4.3 煤系地層隧道施工風險權(quán)值

綜合各個比較矩陣,建立了每一指標相對于總目標的權(quán)值,如圖6所示。

圖6 煤系隧道施工風險權(quán)值圖

5 結(jié)語

以滬昆高速公路某煤系地層隧道為例,對其進行了瓦斯爆炸風險和采空區(qū)失穩(wěn)風險的分析,分析了該隧道煤層和采空區(qū)地質(zhì)分布狀態(tài),規(guī)模及其對隧道施工的影響,得出該隧道施工過程中的典型風險是瓦斯爆炸和采空區(qū)失穩(wěn)。根據(jù)層次分析法,將誘發(fā)瓦斯爆炸的風險因素分解為瓦斯狀態(tài)、施工因素以及人員因素三大類,并識別了三類風險因素各自的下一級風險源,其中瓦斯狀態(tài)包括煤層瓦斯壓力、煤層瓦斯含量、地質(zhì)構(gòu)造、煤層相對瓦斯涌出量、煤層瓦斯涌出形式;施工因素包括施工通風、安全監(jiān)測以及瓦斯抽放;人員因素包括組織管理和職工文化素質(zhì)。上述三類因素中權(quán)重最大的因素分別為煤層瓦斯含量,施工通風和組織管理。采空區(qū)穩(wěn)定性風險的風險源只設(shè)置了兩級指標,主要包括:地質(zhì)構(gòu)造、采空區(qū)距隧道距離、采空區(qū)大小、超前地質(zhì)預(yù)報、預(yù)處理方案、超前支護、隧道開挖方法等,其中采空區(qū)距隧道距離影響最大。

參考文獻:

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Risk Identification of Gas Explosion and Goaf Instability Induced by Tunnel Construction in Coal Measure Strata

YAN Qi-xiang,WANG Lu-shi,DUAN Jing-chuan,GENG Ping
(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Based on comprehensive analysis for distribution locations and distribution scales of both the coal seam and goaf zone along a highway tunnel line with coal measure strata in Shanghai-Kunming Highway,the gas explosion and the goaf instability were confirmed as the typical risks in tunnel construction,and then the goaf instability mainly shows up as uneven settlement and top collapse.By using analytic hierarchy process,the risk factors of both the gas explosion and goaf instability were identified respectively.The identification result reveals that,the gas explosion contains 10 factors belonging to the third class,such as the gas pressure of coal seam,gas content of coal seam,geological structure,construction ventilation,construction organization management etc;while goaf instability contains 7 factors belonging to the second class,such as the distance from the goaf to the tunnel,size of goaf,geological prediction,advance support etc.This study also reveals that,the gas content of coal seam,construction ventilation and the organization management have a greater influence on gas explosion,while the distance from the goaf to the tunnel,the size of the goaf have a greater influence on goaf instability.

coal measure strata;tunnel construction;gas explosion;goaf instability;risk factor identification

U458

A

1004-2954(2013)03-0080-05

2012-07-28;

2012-08-28

教育部新世紀人才支持項目(NCET-11-0713);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專題項目(SWJTU11ZT33)與創(chuàng)新項目(SWJTU11CX016)

晏啟祥(1971—),男,副教授,博士,E-mail:837455759@ qq.com。