1、2023年第2期西部探矿工程*收稿日期：2022-03-07修回日期：2022-03-08项目来源：四川省地质调查研究院2021年度科研项目（KJ2021-11），云南省交通运输厅科技项目（云交科教20195号）。第一作者简介：王凯（1987-），男（汉族），河南遂平人，工程师，现从事瓦斯治理与煤层气勘探开发方面工作。公路瓦斯隧道揭煤预留安全岩柱厚度研究王凯*1，2，熊建龙1，2（1.四川省煤矿瓦斯工程研究中心,四川 成都 610091；2.四川省煤田地质工程勘察设计研究院，四川 成都 610072）摘要：瓦斯隧道揭煤作业中，会因预留安全岩柱厚度不足而发生瓦斯事故。以召夸至泸西高速公路白兆隧道
2、揭煤作业工程为依托，在分析工作面前方应力分布的基础上，考虑瓦斯压力的影响，建立了爆破揭煤预留岩柱厚度的计算模型，同时利用数值模拟进行对比分析，得出以下结论：以极限平衡区的宽度作为预留安全岩柱的厚度，极限平衡区理论计算宽度为0.87m；数值模拟确定极限平衡区的宽度为1.70m。依据规范推荐计算，最小预留安全岩柱厚度为2.33m。综合理论计算，数值模拟和规范推荐，揭煤作业中，预留岩柱厚度采用2.50m，施工实践证明：该厚度既消除了瓦斯突出隐患，又保证了施工进度，隧道安全快速的通过煤层，工程效果良好。关键词：瓦斯隧道；工作面揭煤；安全岩柱厚度；极限平衡区；数值模拟中图分类号：U455 文献标识码：A
3、 文章编号：1004-5716(2023)02-0188-05瓦斯隧道揭煤前，要预留一定厚度的安全岩柱，既可以防止突出，又有利于采取防突措施。预留岩柱厚度过小，就难以抵抗地应力和瓦斯压力而自行揭开煤层，发生突出，造成安全隐患。预留岩柱厚度过大，会导致施工进度慢，影响揭煤作业。预留岩柱厚度的准确确定，可以在保证隧道掘进安全的同时，有效缩短通过煤层的工期。目前瓦斯隧道揭煤爆破预留岩柱厚度取值没有统一的计算方法1，大都是借鉴煤炭领域确定2。由于隧道断面往往比煤矿巷道断面大很多，且技术管理水平不同，瓦斯隧道工作面揭煤与煤矿又有较大区别3-4。本文以召泸高速白兆隧道左幅为工程依托，在分析工作面前方应力分
4、布的基础上，建立爆破揭煤预留岩柱厚度的计算模型，并利用数值模拟进行对比分析研究。瓦斯隧道揭煤预留安全岩柱厚度研究对瓦斯隧道安全快速施工具有重要指导意义，以期对类似工程提供参考。1工程概况白兆隧道位于我国西南地区，属侵蚀溶蚀低中山地貌，山坡坡度一般在1025，隧道区海拔高程介于2003.682120.35m之间，地形起伏较大。隧址区分布地层为第四系残坡积层，下伏基岩为三叠系下统飞仙关组、二叠系上统卡以头组、二叠系上统龙潭组层、二叠系上统峨眉山组层和二叠系中统茅口组层。隧道左幅由东至西单线主要穿过C10、C14、C17、C22共4层可采煤层，C10属于低瓦斯煤层，C14、C17、C22属于高瓦斯煤
5、层。其中C22煤层赋存于宣威组第二岩性段底部，煤层厚度0.458.42m，平均厚度为2.15m，破坏类 型 一 般 为-类，煤 层 瓦 斯 压 力 P 在 0.210.24MPa 之间，煤层瓦斯绝对涌出量为 2.34m3/min。揭煤作业段隧道埋深4060m。隧道洞口及明洞段采用明挖法施工，边开挖边防护，土质地层采用机械开挖，石质地层采用钻爆法开挖，隧道洞身段采用暗挖法施工。根据不同的围岩等级采用不同的开挖方法，揭煤作业段为级围岩采用上中下三台阶法开挖。2揭煤预留安全岩柱厚度理论计算2.1工作面前方应力分布煤与瓦斯突出是由于工作面内的煤岩体在瓦斯压力与地应力的联合作用下克服煤岩层阻力引发的。地
6、应力和瓦斯压力是突出发生的源动力。隧道开挖前，地下的煤岩体处于三维应力平衡状态。开挖后，煤岩体的平衡状态被打破，围岩应力重新分布。随着上台阶工作面开挖推进，岩柱厚度不断变1882023年第2期西部探矿工程薄，在应力作用下，工作面前方岩体边缘遭到破坏，并逐步向深部扩展，直至弹性应力区边界，部分岩体会处于极限平衡状态，应力分布情况如图1所示5-7，以工作面中心为坐标原点O，建立平面直角坐标系。其中z为垂直应力，H为隧道工作面埋深，为隧道上覆地层的平均容重，K为应力集中系数，KH为垂直应力的峰值。由于隧道开挖后一侧临空及局部应力集中，岩柱产生沿隧道开挖轮廓线或软弱面剪断的趋势，并在剪切面上伴随着剪应
7、力产生。图1工作面围岩应力重分布隧道采用钻眼爆破法施工，爆破时，在一定范围内造成岩体破坏或破碎，未破坏的预留岩体将产生损伤作用。炮眼中炸药产生的高温高压气体作用于被爆破的煤岩体上，爆破点深部的部分煤体将产生剧烈的变形和破坏。有关研究表明8：爆破作用对预留岩柱影响区域主要在25倍炮孔半径范围内，在爆破影响范围内，按照岩体的基本指标BQ计算，岩体基本质量指标BQ减小20%左右；按照岩石单轴抗压强度计算，单轴抗压强度减小5%20%。2.2揭煤预留安全岩柱厚度理论计算基于极限平衡理论，在岩柱内任取宽度为dx、长度单位1的单元体，隧道开挖高度为h。在x方向上，单元体靠近工作面侧承受的应力为x，另一侧为x
8、+dx，在z方向上的应力为z，剪切面上的剪应力为tanz+c，单元体受力状态如图2所示。图2极限平衡区单元体受力状态二维应力下，单元体处于极限平衡状态时，x轴方向上合力为零，则有：h()x+dx-hx-2()tanz+c dx=0（1）式中：x水平应力，MPa；z垂直应力，MPa；岩石的内摩擦角，（）；c岩石的粘聚力，MPa；h隧道的开挖高度。在不计体积力的情况下，岩柱中应力应该满足平衡方程（2），即：|xx+xzy=0zz+xzx=0 xz=-()c+ztan（2）在极限平衡区与弹性区交界处，满足：x=z=KH，为侧压系数。联合式（1）和式（2）解得：z=ctane2tanxh-ctan（3
9、）式中：侧压系数；x极限平衡区内任一点到工作面前方岩壁的距离，m。考虑煤层倾角及煤层瓦斯压力P，并结合边界条件：当x=L时（垂直应力峰值处），z=KH+Pcos，得到极限平衡区宽度L为：L=h2tanln|KH+Pcos+()c/tanc/tan（4）式中：煤层倾角，（）；P煤层瓦斯压力，MPa；K应力集中系数；隧道上覆地层平均容重，kN/m3；H工作面埋深，m。C22煤层实测瓦斯压力为 0.24MPa，煤层倾角为40，工作面上覆地层平均容重为25kN/m3，应力集中系数为2.5，工作面埋深为60.0m，隧道上台阶开挖高度为4.0m。考虑瓦斯压力和爆破震动影响，对岩石强度进行折减35%，泥质粉
10、砂岩的内摩擦角为29，粘聚力为2.65MPa。据式（4）计算极限平衡区宽度为0.87m。3揭煤预留安全岩柱厚度数值模拟3.1模型建立与参数确定隧道左幅施工最先揭开C22煤层，揭煤作业主要在1892023年第2期西部探矿工程强中风化页岩、泥质粉砂岩和C22煤层中。穿越的岩层主要包括强风化灰岩、强中风化玄武岩、强中风化页岩、泥质粉砂岩、C22煤层和C17煤层。C22煤层与C17煤层之间存在C21煤层与其他岩层，C21煤层已经开采，为采空区破碎带，因此将C22煤层与C17煤层之间简化成软弱层。利用FLAC3D模拟分析隧道开挖后，分析工作面推进到离C22煤层不同距离时垂直应力的分布情况，研究确定隧道爆
11、破揭煤预留岩柱厚度。依据地质勘察报告，地表地形简化为斜坡，建立三维模型，模型长宽=100m200m，最大高度为105m，隧道断面最大宽度为17m，最大高度为12m，将初期支护与二次衬砌简化合并为1m的混凝土衬砌。考虑边界效应，隧道两侧各预留45m的围岩，C22煤层与C17煤层倾角为40，模型如图3所示。上边界为自由边界，无约束，左右边界约束侧向位移，下边界竖向和侧向位移均约束，为固定边界。采用弹塑性本构模型，摩尔库伦准则。模拟区内共有6种岩层，包括页岩、砂岩、C22煤层、混合层、C17煤层和泥质粉砂岩。页岩呈灰色和深灰色，包括泥质构造和页理构造两种；砂岩呈灰黄色，属于强风化岩，细粒构造和中层状
12、构造；煤层呈黑色，炭质结构，薄层状构造；泥质粉砂岩呈紫红色，粉粒构造。依据工程地质勘察，同时考虑瓦斯压力及爆破扰动的影响，综合确定数值模拟计算参数，如表1所示。3.2模拟结果分析岩层页岩砂岩C22煤层混合层C17煤层泥质粉砂岩衬砌密度(g/cm3)2.402.541.402.001.352.502.40抗拉强度(MPa)1.885.060.330.120.332.721.82粘聚力(MPa)2.272.970.540.270.542.656.04内摩擦角（）40453834382950体积模量(GPa)3.752.962.331.552.332.3116.43剪切模量(GPa)1.731.21
13、0.780.480.780.9512.31表1岩层物理力学参数表图3建立模型基于模拟结果，分析工作面推进到离C22煤层不同距离时垂直应力的分布，研究确定揭煤预留安全岩柱厚度。图4、图5和图6分别是工作面推进到离C22煤层30m、10m和0m时前方垂直应力等值线图。由图4、图5和图6看出：（1）隧道开挖后，工作面前方垂直应力先增加，到达峰值后，开始减小，最终趋于稳定。工作面前方会出现应力降低区、应力升高区和原岩应力区。隧道开挖前，地下的岩体处于三维应力平衡状态。开挖后，岩体的平衡状态被打破，围岩应力重新分布。在应力作用下，工作面前方岩体边缘遭到破坏，并逐步向深部扩展。（2）随着工作面的不断推进，
14、工作面前方垂直应力图4工作面前方30m垂直应力1902023年第2期西部探矿工程峰值也随着不断推进，始终位于工作面前方一定距离。（3）上台阶工作面出现明显的应力集中现象，距C22煤层30m时，最大垂直应力为2.50MPa；距C22煤层20m时，最大垂直应力为1.28MPa；距C22煤层10m时，最大垂直应力为1.25MPa；接近C22煤层时，最大垂直应力为2.50MPa；工作面埋深为5030m，垂直应力集中系数为21.65。（4）当工作面距C22煤层30m时，C22煤层基本处于原岩应力区内，隧道的开挖对C22煤层影响不大。距C22煤层20m时，C22煤层部分区域处于原岩应力区内，部分区域受到微
15、弱影响，垂直应力些许升高。当工作面距C22煤层10m时，C22煤层垂直应力升高区增加，且开始靠近垂直应力峰值位置。此时，如果工作面继续推进，工作面与C22煤层之间的距离之间不断减小，C22煤层靠近峰值位置将越来越近。当工作面距离C22煤层10m，分别提取工作面前方不同位置隧道顶板及顶板上方2m处的垂直应力，绘制出工作面前方不同位置的垂直应力图，如图7所示。由图7看出：（1）隧道工作面前方垂直应力先增加，到达峰值后，开始减小，最终趋于稳定。（2）隧道拱顶处的最大垂直应力出现在工作面前方1.70m的位置，隧道拱顶上方2m处的最大垂直应力出现在1.10m的位置。工作面到垂直应力峰值位置，可以认为是极
16、限平衡区的宽度，极限平衡区的宽度为1.70m。（3）爆破揭煤预留岩柱厚度过小，就难以抵抗地应力和瓦斯压力而自行揭开煤层，发生突出，造成安全隐患。预留岩柱厚度过大，会导致施工进度慢，影响揭煤作业。以极限平衡区的宽度作为预留岩柱的厚度，同时考虑瓦斯压力和爆破扰动的影响，理论计算隧道极限平衡区的宽度为0.87m。由于泥质粉砂岩岩层松软、破碎，应适当增加揭煤爆破预留岩柱的厚度。根据 公路瓦斯隧道设计与施工技术规范 及煤矿行业经验9-10，揭煤爆破工作面距煤层的最小垂距为急倾斜煤层2.00m、倾斜和缓倾斜煤层1.50m。C22煤层倾角40，为倾斜和缓倾斜煤层，考虑煤层倾角，依据规范，计算推荐最小预留岩柱厚度为2.33m。综合理论计算，数值模拟和规范推荐，建议隧道爆破揭开C22煤层预留岩柱厚度为2.50m。隧道在C22煤层揭煤作业过程中，预留岩柱厚度为2.50m，既消除了瓦斯突出隐患，又保证了施工进度，安全快速地通过了煤层，取得了良好的效果。两年多工期内，施工保持零伤亡记录，2020年6月，白兆隧道全线顺利贯通，施工任务安全顺利完成。4结论通过召泸高速白兆隧道揭煤预留安全岩柱厚度理论及数值模拟研究
