公路隧道石门揭煤安全岩柱的数值模拟研究

刘胜华，李鹏程，李树清，黄 飞，王荣荣

(1.浙江交工宏途交通建设有限公司，浙江 杭州 310000； 2.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；3.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南 湘潭 411201)

随着经济的发展需求，隧道也在大量、快速地修建，特别是穿越煤系地层的隧道，由于开挖断面大、应力扰动影响强的特点，容易导致煤与瓦斯突出灾难发生。所以，合理的安全距离是提高隧道揭煤安全性和施工进度的重要保障。

目前国内专家学者进行了一定的研究，如祝俊奇[1]建立隧道煤与瓦斯突出数值模型，分析了隧道揭煤前的力学状态以及石门揭煤的安全性。吴建平[2]模拟多种开挖面积、开挖方式下的工作面附近围岩应力场和塑性区发展情况，得出瓦斯隧道开挖后工作面前方应力场以垂向应力为主，影响范围主要与开挖断面大小相关。陈凌云等[3-4]在穿煤隧道揭煤施工过程中，采用尖点突变理论模型，分析了岩柱的几何尺寸、力学参数对其稳定性的影响。谢衔光等[5]运用岩土理论并结合施工实践进一步研究，提出了防突安全岩盘最小厚度的简便计算办法。胡家玲[6]分析了公路隧道揭穿煤层、穿越采空区和过遗留煤柱 3 种不同情况下应力、位移演化规律及塑性区分布特征，得出了隧道揭穿煤层拱顶沉降量>过遗留煤柱拱顶沉降量>穿越采空区拱顶沉降量等。龚兵文等[7-9]结合工程案例，采用理论分析、数值模确定了大断面揭煤的安全距离。谢先当[10]对玉京山隧道C5煤层的揭煤方法进行研究，模拟分析隧道在上下台阶法开挖、上中下三台阶法开挖、上下断面四部开挖法(CD法)开挖揭煤过程中围岩位移和应力变化，总结预留岩柱厚度对围岩稳定性的影响。赵宇松等[11-12]结合理论，通过现场或者实验室平台进行了相关的监测等工作，确定了各自的合理的安全岩柱。李集等[13-15]通过多元回归、正交试验方法，对岩溶隧道提出了相应的安全厚度预测模型。还有一些学者[16-18]分别针对小净距隧道问题，通过数值模拟塑性破坏情况确定其安全保护距离。鉴于公路隧道所穿越地层的复杂性，目前针对复杂地质情况下隧道揭煤的合理安全距离的研究依然较少。

本文以重庆至遵义的松坎隧道为工程背景，结合相关的隧道应力分布和演化规律的理论分析，采用数值模拟研究了开挖断面积和煤层倾角大小对安全岩柱的影响。

1 工程概括

松坎隧道地处黔北高原北部，属桐梓县尧龙山镇及松坎镇所辖，为溶蚀—构造型中低山地貌。该隧道为分离式隧道，双向六车道高速公路，长3 115 m，隧道左右两线相距15～17 m，其中右幅起止桩号为 YK4+930～YK8+025，进出口底板标高分别为+593.77、+522.75 m，最大埋深 569 m。隧道开挖采用台阶法开挖，整个断面积宽度约16 m，开挖高度约 10 m。

根据设计资料和钻探结果地质复杂，隧道总体走向344°，从YK6+548开始穿越4层煤层(K1—K4)，煤层倾角约 74°，为急倾斜高瓦斯突出煤层群，煤层走向29°，煤岩结构破坏类型为Ⅲ类(强烈破坏煤)。隧道地质构造发育，岩石破碎，全线围岩为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级。

2 安全岩柱理论分析

2.1 基于突变理论安全岩柱的影响因素

根据相关的研究成果[3]，岩柱的总势能由弯曲应变能和荷载在相应的位移上所做的功组成，因此岩柱的势函数可写成：

(1)

则根据突变理论分歧点应满足的方程式：

(2)

当控制点跨越分歧点时才会产生突变，故系统发生突变的必要条件为：

(3)

式中，X为隧道工作面与煤层的平距；H为隧道工作面实际高度；N为岩柱顶面和底面受到的垂直地应力，可简化为均布荷载；P为煤层与岩柱的交界面处瓦斯压力和水平构造应力，以均布荷载的形式作用在岩柱体上；E为岩柱体的弹性模量；L为安全岩柱的厚度。

综上所述，安全岩柱L与岩柱的弹性模量E、煤层倾角θ、隧道开挖等效高度H、安全岩柱厚度L等有关。鉴于隧道实际施工断面积和煤层倾角对安全岩柱有较大影响，本文采用数值模拟来研究开挖断面积和煤层倾角对安全岩柱的影响规律。

2.2 隧道连续开挖的应力演变

隧道在开挖的过程中会引起一定范围内围岩应力分布，但由于扰动影响范围有限，工作面前方依次会形成3个应力分布区域。离工作面最近的是卸压区，受开挖扰动影响最大，岩石塑性变形导致裂隙最多，瓦斯被大量释放，应力也远低于原始应力值。其次是应力集中区，在开挖扰动和地应力的双重作用下，该区域的煤岩应力会明显增大且高于原始应力，若位于该区域的煤岩体容易导致突出造成伤亡，所以最好避免煤层进入到该区域[6-7]。最后是原始应力区，因为受到扰动的影响很小，煤岩几乎保持原始水平不变。

相较于隧道开挖前围岩的初始应力状态，新的应力场称为围岩的二次应力场。由于隧道开挖是一个动态连续过程，因此二次应力场也会随隧道开挖动态变化[19-20]。所以原先形成的应力集中区会被卸压区替代，同理也会在原始应力区产生新的应力集中区，3个区域会伴随着工作面移动呈重复动态交替前进。

3 模型的建立与简化

根据现场资料，左右洞开挖进度不同，相对距离较远，所以选取有代表性的 K4 煤层为例，首先建立一个长、宽、高分别是308.2、162、160 m的隧道单洞开挖网格计算模型，取隧道开挖空间洞跨16 m、高10 m，建立模型如图1 所示。隧道与煤层夹角45°，煤层倾角74°，由于煤系地层的岩性组成复杂，煤岩体简化为泥岩、煤、砂3大类。隧道埋深500 m，模型顶部施加10.25 MPa，其余采用滚支边界，摩尔—库仑破坏准则研究。隧道反向台阶开挖且尽量位于模型中间，减少边界影响。

图1 数值计算模型Fig.1 Numerical calculation model

简化认为应力扰动的影响主要集中在工作面正前方轴线垂直方向，结合煤层与隧道关系，在上台阶靠左断面中心线对应煤层距隧道轮廓线不同垂距处设计应力模拟监测点，如图2所示。

图2 监测点的布置Fig.2 Layout of monitoring points

根据松坎隧道地质条件，模拟煤岩层物理力学参数见表1。

表1 隧道煤岩力学模型参数Tab.1 Mechanical model parameters of tunnel coal and rock

4 隧道揭煤安全岩柱的影响分析

4.1 开挖断面大小对安全岩柱的影响分析

为了比较开挖断面对围岩扰动范围影响，另建立洞跨8m、高5m 的小断面开挖模型，如图3所示，模拟不同开挖断面条件下对安全距离的影响，计算模型大小、约束及应力边界条件设置等与第3节相同。且均按照5 m的开挖进度，从距离揭煤点100 m处开始，同时分别监测位于对应煤层的垂直应力值变化情况。

图3 不同断面大小计算模型Fig.3 Calculation model of different section sizes

小断面和大断面开挖相同距离的垂直应力情况如图4所示。

通过图4可知：断面大小对工作面前方的应力扰动范围有着一定的影响，大断面比小断面造成的应力集中区域较大。

图4 垂直应力情况Fig.4 Vertical stress

为了更准确地反映断面积对煤层的扰动影响，提取对应的煤层随着开挖距离的应力值变化情况，如图5所示。

由图5可以看出：①在距离煤层较远时，隧道断面积的大小对煤层的影响均较小，各监测点的应力基本保持原始应力水平；②随着隧道进一步掘进至揭煤点，煤层受到扰动影响变大，其中距工作面较近的监测点如-3 m处的应力呈逐渐先增大后减小的趋势，反之距工作面较远的如垂距为9 m的监测点应力呈增大趋势，说明靠近工作面煤层应力经历了增压、卸压区，远处的煤层监测点还处于应力集中区；③分别在距离揭煤点30、20 m左右处应力开始出现明显的增大，说明工作面距离煤层平距30、20 m分别为大断面和小断面开挖的应力集中区的边界，根据煤层与隧道的倾角关系，二者的安全距离L分别约为29、19 m，说明开挖断面积越大，其安全岩柱的厚度越大，反之越小。

图5 应力监测点变化情况Fig.5 Changes of stress monitoring points

4.2 倾角大小对安全岩柱的影响

隧道揭煤过程中煤层的倾斜程度可能相差较大，现模拟计算隧道不同煤层倾角的大断面隧道开挖，分析其倾角对安全距离的影响。因此另建2个煤层倾角分别为34°、54°的计算模型，边界条件设置等相同，如图6所示。

图6 不同倾角计算模型Fig.6 Calculation models of different inclinations

取3个模型开挖过程中距揭煤点相同距离的垂直应力云图和应力检测点变化情况，如图7所示。

由图7可以发现：隧道在开挖过程中工作面前方均存在卸压、应力集中区和原始应力的情况，但是扰动影响不一样，与煤层倾角有一定关系，煤层倾角越大，越容易受到扰动影响，即倾角大越容易发生突出。

图7 垂直应力分布云图和应力检测点变化情况Fig.7 Vertical stress distribution nephogram and change of stress detection points

通过对比3种倾角煤层的应力随着开挖距离的变化情况发现：在距离煤层较远时，不同倾角的煤层受到的开挖应力扰动影响均有限，基本都保持原始应力水平，随着进一步开挖，不同倾斜程度的煤层受到扰动的影响距离不同。倾角分别为34°、54°、74°煤层分别在上台阶轮廓线距离揭煤点40、35、30 m左右各自对应的应力监测值开始增大，根据煤层与隧道的倾角关系，其安全距离L分别约为22、28、29 m。

综上所述，倾角越大的煤层，其安全岩柱厚度越大，反之越小。

5 结语

结合松坎隧道的地质情况，建立了高速公路隧道揭煤开挖的多个对比模型，模拟分析了隧道在不同的开挖断面积和煤层倾角对安全距离的影响。

(1)煤层倾角相同时，隧道开挖断面面积越大，对煤层的扰动影响距离越大，其需要的安全岩柱的厚度越大；反之断面面积越小，扰动影响距离越小，对应的安全岩柱厚度越小。

(2)在开挖断面面积相同时，不同倾斜程度的煤层受到掘进应力扰动的影响最小距离不同，煤层倾角越大，所需要的安全岩柱厚度越大，反之厚度越小。