采空区下铁路隧道安全岩柱稳定性分析

第３１卷第２期　２０１　ｌ￣－２ＰＪ　文章编号：１６７２—５０５０（２０１　１）０２—００３１－０３　山西煤炭ＳＨＡＮＸＩ　ＣＯＡＬ　采空区下铁路隧道安全岩柱稳定性分析　赵摘晨，张召千　太原０３００２４）　（太原理工大学矿业工程学院，山西要：依据岩土工程学理论，确定了隧道安全岩柱的影响因素，分析了隧道（巷道）开挖围岩二次应力场分布规　律、采空区承压水对隧道安全防水岩柱的影响机理及采空区．Ｙ－作面矿压显现规律、得出了隧道安全岩柱稳定性的评价　计算方法。研究成果对采空区下铁路隧道的安全稳定性分析具有指导现实意义。　关键词：下芽隧道；岩土工程；安全岩柱；稳定性　中图分类号：ＴＤ８２３．８３　文献标识码：Ａ　南吕梁山隧道为山西中南部铁路信道项目关　键性重点工程。隧道穿过霍州矿区，下穿煤系地层　以下６５　ｍ～３００　ｍ。由于隧道上部为煤矿采空区及　接影响到下方隧道的围岩稳定性，成为地下水补给　源，软化围岩、降低围岩强度，并通过地质构造渗入隧　道，导致隧道发生塌落、突水突泥等严重事故。　承压水向下运移有两种方式：一是水在重力作　用下沿自由面（也称浸润面）下渗。二是孑Ｌ隙介质内　复杂地质构造，会对上覆煤矿和下穿隧道的安全　稳定性产生严重影响，甚至导致破坏…。为保证南　吕梁山隧道施工的安全性，减少占压矿藏储量，本　文对煤矿采空区对下穿隧道的稳定性影响进行了　分析评价。　部含饱和水，在压强作用下造成隧道围岩渗水。采空　区承压水的运移规律，可以通过渗流模型确定。均匀　层流渗流的过水断面平均流速　为：　Ｖ＝ｋＪ．　（１）　隧道线路贯穿南吕梁山山脉以东及临汾盆地边　缘丘陵区，隧道最大埋深为５６０ＩＴＩ。在ＤＫ３１３＋７００一　ＤＫ３１３＋８５暇、ＤＫ３１５＋７５０－－ＤＫ３１６＋７００段，隧道上　式中：　为采空区的渗透系数；　为渗流水力坡度（渗　透坡降）。　１．２断层、陷落柱等特殊地质构造影响　特殊地质构造一般为褶皱、断层、陷落柱、破碎　方为一煤矿采空区，距离隧道洞顶的最短距离分别为　１３６ｍ和１９０ｍ。　１　采空区下隧道安全稳定性影响因素　分析　依据岩土工程学理论，结合南吕梁山隧道与　上覆采空区的位置关系，分析了二者的相互影响　机理，确定了影响采空区下隧道安全稳定性的因　素如下：　１．１采空区承压水影响　带等。南吕梁山隧址区西侧为吕梁山坡的紫荆山断　裂，东侧为霍山断裂。隧道通过地段受近东西向构造　应力影响，褶皱、断层发育，形成吕梁山复式向斜、紫　荆山断裂带、罗云山断裂带及其次生构造。　隧道区域有数条大断层及次生断裂，隧道通过　地段褶皱发育、褶皱内岩体变形扭曲，次级小构造及　裂隙、节理密集带发育，隧道围岩整体性较差。褶皱　形成的构造应力对隧道围岩的稳定性构成影响；断　由于回采工作面上覆岩层垮落下沉，接近或揭　露了某些含水层，含水层的水在地压和贯通裂隙作　用下涌人回采工作面，形成采空区承压水　。在　ＤＫ３１３＋７００一ＤＫ３１３＋８５０段，ＤＫ３１５＋７５０一Ｄｋ３１６　层不仅是地下水渗流的天然通道，而且提供了其他　水源补给的条件。南吕梁山隧道地质资料显示，断层　贯穿隧道及上覆采空区，隧道围岩在断层范围内整　体强度和稳定性较差，在地下水补给源充分和上覆　采空区承压水的条件下，极易发生高压突水危险等　地质灾害，也可能发生隧道塌落等严重事故。为此，　＋７００段，隧道正洞上方存在多个采空区。采空区积　水使隧道上方形成危害很大的承压水现象，它会直　收稿日期：２０１０—１０—２９　作者简介：赵晨（１９８５一）男，山西阳泉人，在读硕士研究生，从事采矿工程研究　３ｌ　山西煤炭ＳＨＡＮＸｌ　ＣＯＡＬ　第３１卷第２期　必须高度重视，运用地质力学理论进行分析研究。　１．３隧道（巷道）开挖影响　依据弹塑性理论，隧道开挖会导致围岩产生应　力重新分布，进入塑性或破坏状态。假设双向等压　应力场内圆形隧道，开挖围岩产生的塑性区二次应　力场分布为塑性区和弹性区，见图ｌ［３＿。　／‘　／　．二Ｊ　Ｒ　。、’　Ｔ　｝ｌ＼　“　ｃ　＼　＝　／＼　＋　●，●●＋Ｐ●＋｝＋　ｆ一原始应力；　ｒ切向应力；ｆ，，一径向应力；ｐｒ支护阻力；　口一巷道半径；　一塑性区半径；Ａ—破裂区；Ｂ一塑性区；ｃ＿＿弹　性区；口一原岩应力区　图１　隧道开挖围岩二次应力分布状态　分析可知，隧道开挖后，围岩会形成破裂区，塑　性区，弹性区，原岩应力区。其中最大应力为双向等　压孔周边的切向应力。最大应力集中系数为２，且与　孔的大小无关。切向应力　的计算式为：　．　．　２ｓｉｎｃｏ　（ｐｉ＋ｃ＋ｃｔｇ（ｐ）篙　（　）　一ｃ×ｃＩ　・（２）　切向应力的影响半径为尺＝、／乏石　５ｒ。其中ｒ为隧　道假设成圆孔时的半径。　若隧道与巷道相邻，巷道围岩的二次应力场的　分布范围会影响到隧道，导致隧道周边围岩出现叠　加高塑性区，将会严重影响隧道围岩的自身强度和　自撑能力，隧道可能出现拱顶塌落、底鼓、洞身压缩　严重变形等事故。　１．４上覆采空区影响　根据采矿学和矿压控制基本理论，回采工作面　在推进过程中及回采结束后，工作面周围会形成动　态或静态支承压力，工作面底板形成变形压缩带和　变形恢复带，导致底板大范围内形成应力集中，围　岩破碎变形。底板围岩变形分布规律，见图２　。　根据莫尔库伦强度准则：Ｔ＝Ｏｒｔｇｆ＋ｃ．　式中：ｃ，厂分别为岩石的内聚力和内摩擦角。由此可　以得出底板任意点的破坏依据［５１：　Ｏｒｘ＋Ｏｒｙ１・ｔｇ￣ｏ＋ｃ　，＿＝二二＿≤丁一．　（３）　Ｘ／ｔｇ２￣＋１　３２　盯丌１Ｔ　丁『　＼　。＼　一　、　、　＼　，。　、　、　＼。　位　／，　、＼｜　　ｌＩ　／　ｔ　Ｉ　Ｉ　＿●一　１　／　＼．　／．　、　、　／　５０　４０　３０　２０　ｌ０　０一ｌ０—２０—３０—４０—５Ｕ　距煤壁距离／ｍ　图２采空区底板围岩变形规律　根据此公式，结合ｍａｔｌａｂ软件编写程序，就可　得出底板围岩应力分布图，从而得出底板围岩破坏　深度。如果隧道处于影响范围内，将会导致隧道围　岩强度降低，难以形成有效支撑应力，隧道洞身遭　到破坏，致使隧道出现塌落等严重后果。　２采空区下隧道安全岩柱稳定性评价　分析　２．１防水岩柱单因子评价法　考虑煤层采空区承压水的影响，安全防水岩柱　的最小高度应该大于导水裂隙带（隧道围岩破裂　带）的高度与保护层厚度之和｜６１。防水岩柱高度的经　验公式为［７１：　Ｈ＝ｈ＋ｓ＋ａ．　（４）　式中：Ｈ为防水岩柱高度，ｎｌ；ｈ为隧道破裂带高度　（导水裂隙带高度），ｍ；ｓ为保护层厚度，ｍ；ａ为表面　裂隙带深度，ＩＴＩ。　根据岩石爆破力学［８１，确定ｈ＝ｋｗ　、／　ｎ）．　式中：ｈ为地基系数；ｋｗ为单个最危险药包的最小　抵抗线；　为相应药包爆破指数的函数。综合考虑　以上两种措施，隧道破裂高度取２　ｍ。　保护层厚度的经验公式为：　．，　—　—　ｓ＝１．５　＝３５　ｍ．　（５）　｛　式中：ｈ　为水头高度，１ＴＩ，根据南吕梁山隧道勘测的　数据，取８０ｍ水头；　为坑道宽度，ｉｎ，取７ｍ；ｆ为普　氏强度，查表或取样试验即可获得。　强风化带厚度≥５　Ｉｌｌ时，表面裂隙带厚度按强　风化带厚度取值；强风化带厚度＜５　ｎｌ时，表面裂隙　带厚度按５　ｍ计算。　根据以上资料取值，隧道防水岩柱高度确定为　Ｈ＝３５＋２＋５＝４２　ｉｎ。要保证隧道不受突水突泥隐患的　影响，就必须留设合理的防水岩柱高度。　第３１卷第２期　２Ｏ１１年２月　山西煤炭ＳＨＡＮＸｌ　ＣＣｌＡＬ　ＶＯＩ．３１　ＮＯ．２　Ｆｅｂ，２０１１　２．２综合指标多因子评价法　３　结论　１）煤矿下隧道的安全稳定性影响因素有：采空　区承压水；特殊地质构造；巷道开挖的影响；采空区　的影响；隧道开挖的影响。　当上述影响因素存在且影响到隧道时，要对所　有影响因素进行分析，采用综合指标多因子评价　法。采空区下隧道安全稳定性的综合指标多因子评　价条件为：　≥ｍａｘ［ｍａｘ【ｒ上，ｂ，Ｃ】＋Ｒ＋『２ｌ，ｈ２］．　式中：　为隧道上覆安全岩柱的设计高度；０为上覆　２）隧道安全稳定性的评价方法有防水岩柱单因　子评价法和综合指标多因子评价法。单因子评价法　是依据实际情况，针对上覆防水岩柱进行评价；综合　指标多因子评价法是考虑所有影响因素得出一个综　合评价条件，即Ｈ￣＞ｍａｘ［ｍａｘ［Ⅱ，ｂ，Ｃ］＋尺＋厅　，ｈ　］．　３）通过隧道安全稳定性的评价，得出了南吕梁　山铁路隧道与采空区之间的安全煤柱高度计算值。　在此范围外隧道将不受上覆煤矿采空区及地质构　采空区承压水影响值；ｂ为上覆巷道开挖围岩二次　应力场影响值；ｃ为上覆采空区底板破碎带影响值；　Ｒ为隧道开挖围岩二次应力场的影响值；ｈ　为中间　留设安全岩柱高度，一般取８　ｎｌ～１５　Ｉｌｌ；ｈ　为隧道上　覆防水岩柱高度，一般取４０　ｍ～６０　ｍ。　判断准则为：如果隧道与上覆采空区之间垂直　高度【刎≥Ｈ，则表明隧道的安全稳定性基本没有受　到影响；如果［刎＜Ｈ，说明隧道可能会受到采空区　或特殊地质构造的影响。　造的影响。合理的安全岩柱高度对隧道的安全稳定　性起着至关重要的作用。　参考文献　［１］关宝树．隧道工程施工要点集［Ｍ】．北京：人民交通出版社，２００３．　ｆ２］魏可忠．矿井水文地质［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，１９９１．　［３】鲁岩，邹喜正，崔道品．围岩破碎圈的理论分析与实践【ＪＩ．辽宁工程技术大学学报，２００７，２６（２）：２１９－２２１．　　１４】钱呜高，石平五　矿山压力与岩层控Ｓｑ［Ｍ］．中国矿业大学出版社，２００４：１９４—２０２．　ｆ５】朱术云，姜振泉，姚普，等．采场底板岩层应力的解析法计算及应用ｌＪ１．采矿与安全工程学报，２００７，２４（２）：１９１—１９４．　【６］桂和荣．防水煤（岩）柱合理设计的应力分析计算法ｆＭ］．北京：煤炭工业出版社，１９９７：７９—８３．　［７］白峰青，姜兴阁，蒋勤明．断层防水煤（岩）柱设计的可靠度方法【Ｊ１．辽宁工程技术大学学报（自然科学版），２０００，１９（４）：３５６—３５８　ｆ８】刘再华，解德，王元汉．工程断裂力学［Ｍ１．武汉：华中理工大学出版社，１９９６：６３—６６．　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ　Ｐｉｌｌａｒｓ　ｕｎｄｅｒ　Ａｂａｎｄｏｎｅｄ　Ａｒｅａｓ　ＺＨＡＯ　Ｃｈｅｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｚｈａｏ－ｑｉａｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　Ｓｈａｎｘｉ，０３００２４）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ，ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｔｉａｌ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｐｉｌｌａｒ，ａｎａｌｙｚｅｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋｓ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌｓ，　ｉｎｆｌｕｅｎｔｉａｌ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｃｏｎｆｉｎｅｄ　ａｑｕｉｆｅｒ　ｉｎ　ａｂａｎｄｏｎｅｄ　ａｒｅａｓ　ｔｏ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｅｅｕｒｉｔｖ　ｐｉｌｌａｒｓ　ａｎｄ　ｓｔｒａｔａ　ｂｅｈａｖｉ０ｒｓ．　ａｎｄ　ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ　ｔｈｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｐｉｌｌａｒ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｉｓ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｆｏｒ　ｓｔａ—　ｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｐａｓｓ　ｔｕｎｎｅｌ；ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｐｉｌｌａｒ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　编辑：徐树文　３３