公路隧道石門揭煤安全巖柱的數(shù)值模擬研究

劉勝華，李鵬程，李樹清，黃 飛，王榮榮

(1.浙江交工宏途交通建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310000； 2.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展需求，隧道也在大量、快速地修建，特別是穿越煤系地層的隧道，由于開挖斷面大、應(yīng)力擾動影響強的特點，容易導(dǎo)致煤與瓦斯突出災(zāi)難發(fā)生。所以，合理的安全距離是提高隧道揭煤安全性和施工進度的重要保障。

目前國內(nèi)專家學(xué)者進行了一定的研究，如祝俊奇[1]建立隧道煤與瓦斯突出數(shù)值模型，分析了隧道揭煤前的力學(xué)狀態(tài)以及石門揭煤的安全性。吳建平[2]模擬多種開挖面積、開挖方式下的工作面附近圍巖應(yīng)力場和塑性區(qū)發(fā)展情況，得出瓦斯隧道開挖后工作面前方應(yīng)力場以垂向應(yīng)力為主，影響范圍主要與開挖斷面大小相關(guān)。陳凌云等[3-4]在穿煤隧道揭煤施工過程中，采用尖點突變理論模型，分析了巖柱的幾何尺寸、力學(xué)參數(shù)對其穩(wěn)定性的影響。謝銜光等[5]運用巖土理論并結(jié)合施工實踐進一步研究，提出了防突安全巖盤最小厚度的簡便計算辦法。胡家玲[6]分析了公路隧道揭穿煤層、穿越采空區(qū)和過遺留煤柱 3 種不同情況下應(yīng)力、位移演化規(guī)律及塑性區(qū)分布特征，得出了隧道揭穿煤層拱頂沉降量>過遺留煤柱拱頂沉降量>穿越采空區(qū)拱頂沉降量等。龔兵文等[7-9]結(jié)合工程案例，采用理論分析、數(shù)值模確定了大斷面揭煤的安全距離。謝先當(dāng)[10]對玉京山隧道C5煤層的揭煤方法進行研究，模擬分析隧道在上下臺階法開挖、上中下三臺階法開挖、上下斷面四部開挖法(CD法)開挖揭煤過程中圍巖位移和應(yīng)力變化，總結(jié)預(yù)留巖柱厚度對圍巖穩(wěn)定性的影響。趙宇松等[11-12]結(jié)合理論，通過現(xiàn)場或者實驗室平臺進行了相關(guān)的監(jiān)測等工作，確定了各自的合理的安全巖柱。李集等[13-15]通過多元回歸、正交試驗方法，對巖溶隧道提出了相應(yīng)的安全厚度預(yù)測模型。還有一些學(xué)者[16-18]分別針對小凈距隧道問題，通過數(shù)值模擬塑性破壞情況確定其安全保護距離。鑒于公路隧道所穿越地層的復(fù)雜性，目前針對復(fù)雜地質(zhì)情況下隧道揭煤的合理安全距離的研究依然較少。

本文以重慶至遵義的松坎隧道為工程背景，結(jié)合相關(guān)的隧道應(yīng)力分布和演化規(guī)律的理論分析，采用數(shù)值模擬研究了開挖斷面積和煤層傾角大小對安全巖柱的影響。

1 工程概括

松坎隧道地處黔北高原北部，屬桐梓縣堯龍山鎮(zhèn)及松坎鎮(zhèn)所轄，為溶蝕—構(gòu)造型中低山地貌。該隧道為分離式隧道，雙向六車道高速公路，長3 115 m，隧道左右兩線相距15～17 m，其中右幅起止樁號為 YK4+930～YK8+025，進出口底板標(biāo)高分別為+593.77、+522.75 m，最大埋深 569 m。隧道開挖采用臺階法開挖，整個斷面積寬度約16 m，開挖高度約 10 m。

根據(jù)設(shè)計資料和鉆探結(jié)果地質(zhì)復(fù)雜，隧道總體走向344°，從YK6+548開始穿越4層煤層(K1—K4)，煤層傾角約 74°，為急傾斜高瓦斯突出煤層群，煤層走向29°，煤巖結(jié)構(gòu)破壞類型為Ⅲ類(強烈破壞煤)。隧道地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，巖石破碎，全線圍巖為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。

2 安全巖柱理論分析

2.1 基于突變理論安全巖柱的影響因素

根據(jù)相關(guān)的研究成果[3]，巖柱的總勢能由彎曲應(yīng)變能和荷載在相應(yīng)的位移上所做的功組成，因此巖柱的勢函數(shù)可寫成：

(1)

則根據(jù)突變理論分歧點應(yīng)滿足的方程式：

(2)

當(dāng)控制點跨越分歧點時才會產(chǎn)生突變，故系統(tǒng)發(fā)生突變的必要條件為：

(3)

式中，X為隧道工作面與煤層的平距；H為隧道工作面實際高度；N為巖柱頂面和底面受到的垂直地應(yīng)力，可簡化為均布荷載；P為煤層與巖柱的交界面處瓦斯壓力和水平構(gòu)造應(yīng)力，以均布荷載的形式作用在巖柱體上；E為巖柱體的彈性模量；L為安全巖柱的厚度。

綜上所述，安全巖柱L與巖柱的彈性模量E、煤層傾角θ、隧道開挖等效高度H、安全巖柱厚度L等有關(guān)。鑒于隧道實際施工斷面積和煤層傾角對安全巖柱有較大影響，本文采用數(shù)值模擬來研究開挖斷面積和煤層傾角對安全巖柱的影響規(guī)律。

2.2 隧道連續(xù)開挖的應(yīng)力演變

隧道在開挖的過程中會引起一定范圍內(nèi)圍巖應(yīng)力分布，但由于擾動影響范圍有限，工作面前方依次會形成3個應(yīng)力分布區(qū)域。離工作面最近的是卸壓區(qū)，受開挖擾動影響最大，巖石塑性變形導(dǎo)致裂隙最多，瓦斯被大量釋放，應(yīng)力也遠低于原始應(yīng)力值。其次是應(yīng)力集中區(qū)，在開挖擾動和地應(yīng)力的雙重作用下，該區(qū)域的煤巖應(yīng)力會明顯增大且高于原始應(yīng)力，若位于該區(qū)域的煤巖體容易導(dǎo)致突出造成傷亡，所以最好避免煤層進入到該區(qū)域[6-7]。最后是原始應(yīng)力區(qū)，因為受到擾動的影響很小，煤巖幾乎保持原始水平不變。

相較于隧道開挖前圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，新的應(yīng)力場稱為圍巖的二次應(yīng)力場。由于隧道開挖是一個動態(tài)連續(xù)過程，因此二次應(yīng)力場也會隨隧道開挖動態(tài)變化[19-20]。所以原先形成的應(yīng)力集中區(qū)會被卸壓區(qū)替代，同理也會在原始應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生新的應(yīng)力集中區(qū)，3個區(qū)域會伴隨著工作面移動呈重復(fù)動態(tài)交替前進。

3 模型的建立與簡化

根據(jù)現(xiàn)場資料，左右洞開挖進度不同，相對距離較遠，所以選取有代表性的 K4 煤層為例，首先建立一個長、寬、高分別是308.2、162、160 m的隧道單洞開挖網(wǎng)格計算模型，取隧道開挖空間洞跨16 m、高10 m，建立模型如圖1 所示。隧道與煤層夾角45°，煤層傾角74°，由于煤系地層的巖性組成復(fù)雜，煤巖體簡化為泥巖、煤、砂3大類。隧道埋深500 m，模型頂部施加10.25 MPa，其余采用滾支邊界，摩爾—庫侖破壞準(zhǔn)則研究。隧道反向臺階開挖且盡量位于模型中間，減少邊界影響。

圖1 數(shù)值計算模型Fig.1 Numerical calculation model

簡化認為應(yīng)力擾動的影響主要集中在工作面正前方軸線垂直方向，結(jié)合煤層與隧道關(guān)系，在上臺階靠左斷面中心線對應(yīng)煤層距隧道輪廓線不同垂距處設(shè)計應(yīng)力模擬監(jiān)測點，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點的布置Fig.2 Layout of monitoring points

根據(jù)松坎隧道地質(zhì)條件，模擬煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 隧道煤巖力學(xué)模型參數(shù)Tab.1 Mechanical model parameters of tunnel coal and rock

4 隧道揭煤安全巖柱的影響分析

4.1 開挖斷面大小對安全巖柱的影響分析

為了比較開挖斷面對圍巖擾動范圍影響，另建立洞跨8m、高5m 的小斷面開挖模型，如圖3所示，模擬不同開挖斷面條件下對安全距離的影響，計算模型大小、約束及應(yīng)力邊界條件設(shè)置等與第3節(jié)相同。且均按照5 m的開挖進度，從距離揭煤點100 m處開始，同時分別監(jiān)測位于對應(yīng)煤層的垂直應(yīng)力值變化情況。

圖3 不同斷面大小計算模型Fig.3 Calculation model of different section sizes

小斷面和大斷面開挖相同距離的垂直應(yīng)力情況如圖4所示。

通過圖4可知：斷面大小對工作面前方的應(yīng)力擾動范圍有著一定的影響，大斷面比小斷面造成的應(yīng)力集中區(qū)域較大。

圖4 垂直應(yīng)力情況Fig.4 Vertical stress

為了更準(zhǔn)確地反映斷面積對煤層的擾動影響，提取對應(yīng)的煤層隨著開挖距離的應(yīng)力值變化情況，如圖5所示。

由圖5可以看出：①在距離煤層較遠時，隧道斷面積的大小對煤層的影響均較小，各監(jiān)測點的應(yīng)力基本保持原始應(yīng)力水平；②隨著隧道進一步掘進至揭煤點，煤層受到擾動影響變大，其中距工作面較近的監(jiān)測點如-3 m處的應(yīng)力呈逐漸先增大后減小的趨勢，反之距工作面較遠的如垂距為9 m的監(jiān)測點應(yīng)力呈增大趨勢，說明靠近工作面煤層應(yīng)力經(jīng)歷了增壓、卸壓區(qū)，遠處的煤層監(jiān)測點還處于應(yīng)力集中區(qū)；③分別在距離揭煤點30、20 m左右處應(yīng)力開始出現(xiàn)明顯的增大，說明工作面距離煤層平距30、20 m分別為大斷面和小斷面開挖的應(yīng)力集中區(qū)的邊界，根據(jù)煤層與隧道的傾角關(guān)系，二者的安全距離L分別約為29、19 m，說明開挖斷面積越大，其安全巖柱的厚度越大，反之越小。

圖5 應(yīng)力監(jiān)測點變化情況Fig.5 Changes of stress monitoring points

4.2 傾角大小對安全巖柱的影響

隧道揭煤過程中煤層的傾斜程度可能相差較大，現(xiàn)模擬計算隧道不同煤層傾角的大斷面隧道開挖，分析其傾角對安全距離的影響。因此另建2個煤層傾角分別為34°、54°的計算模型，邊界條件設(shè)置等相同，如圖6所示。

圖6 不同傾角計算模型Fig.6 Calculation models of different inclinations

取3個模型開挖過程中距揭煤點相同距離的垂直應(yīng)力云圖和應(yīng)力檢測點變化情況，如圖7所示。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)：隧道在開挖過程中工作面前方均存在卸壓、應(yīng)力集中區(qū)和原始應(yīng)力的情況，但是擾動影響不一樣，與煤層傾角有一定關(guān)系，煤層傾角越大，越容易受到擾動影響，即傾角大越容易發(fā)生突出。

圖7 垂直應(yīng)力分布云圖和應(yīng)力檢測點變化情況Fig.7 Vertical stress distribution nephogram and change of stress detection points

通過對比3種傾角煤層的應(yīng)力隨著開挖距離的變化情況發(fā)現(xiàn)：在距離煤層較遠時，不同傾角的煤層受到的開挖應(yīng)力擾動影響均有限，基本都保持原始應(yīng)力水平，隨著進一步開挖，不同傾斜程度的煤層受到擾動的影響距離不同。傾角分別為34°、54°、74°煤層分別在上臺階輪廓線距離揭煤點40、35、30 m左右各自對應(yīng)的應(yīng)力監(jiān)測值開始增大，根據(jù)煤層與隧道的傾角關(guān)系，其安全距離L分別約為22、28、29 m。

綜上所述，傾角越大的煤層，其安全巖柱厚度越大，反之越小。

5 結(jié)語

結(jié)合松坎隧道的地質(zhì)情況，建立了高速公路隧道揭煤開挖的多個對比模型，模擬分析了隧道在不同的開挖斷面積和煤層傾角對安全距離的影響。

(1)煤層傾角相同時，隧道開挖斷面面積越大，對煤層的擾動影響距離越大，其需要的安全巖柱的厚度越大；反之?dāng)嗝婷娣e越小，擾動影響距離越小，對應(yīng)的安全巖柱厚度越小。

(2)在開挖斷面面積相同時，不同傾斜程度的煤層受到掘進應(yīng)力擾動的影響最小距離不同，煤層傾角越大，所需要的安全巖柱厚度越大，反之厚度越小。