1、隧道下伏采空区移动盆地综合探测和评 价技术应用 张玉东 中煤科工集团重庆研究院有限公司 摘 要： 针对隧道下伏采空区移动盆地发育规律及采空区沉降对隧道稳定性的影响问题, 运用地面瞬变电磁法、地面钻孔、钻孔 CT等综合勘探技术探测出隧道下伏采空 区分布范围和充填程度, 并对下伏采空区沉降规律进行数值模拟分析, 利用概 率积分法评价了采空区移动盆地目前的稳定性及对隧道的影响范围。结果表明, 隧道下伏采空区移动盆地已基本稳定, 其影响范围内区域需进行改造治理。 关键词： 采空区; 移动盆地; 隧道; 移动角; 沉降; 作者简介：张玉东 (1984) , 男, 河北邯郸人, 硕士, 现从事水文地质、矿
2、山 水害防治等方面的研究工作。 基金：中煤科工集团重庆研究院重点项目 (2015ZDXM) Application of detection and evaluation to movement basin of old workings under tunnel Zhang Yudong Chongqing Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group; Abstract： According to development range of the movement basin and impact on
3、tunnel stability, the surface transient electromagnetic method, ground drilling, drilling CT and other comprehensive exploration technologywere used to detect the distribution area and filling degree of mined out area under the tunnel, Numerical simulation analysis of subsidence law of mined out are
4、a was also carried out.Stability and influence sphere of the movement basin was evaluated by numerical simulation of stability and probability integral method.The results show that the stability of movement basin under tunnel is a stable type and it must be reinforced in influence sphere of movement
5、 basin. Keyword： old goaf; moving basin; tunnel; displacement angle; settlement; 引用格式:张玉东.隧道下伏采空区移动盆地综合探测和评价技术应用J.能源 与环保, 2017, 39 (11) :115-118, 125. Zhang Yudong.Application of detection and evaluation to movement basin of old workings under tunnelJ.China Energy and Environmental Protection, 2017,
6、 39 (11) :115-118, 125. 0 引言 近年来, 新建铁路项目逐渐增多, 通过采空区地区也较多1, 由于铁路尤其高 速铁路对沉降盆地稳定性要求较高, 因而对采空区范围的探测及移动盆地评价 非常重要, 对工程投资和安全运营影响巨大。 经过几十年的努力, 我国众多学者 在采空区探测技术和沉陷研究理论和方法取得了很大发展, 但是对于古空区及 急倾斜煤层采空区对隧道的影响研究较少2-8。东泉隧道位于重庆市渝北区统 景镇, DK100+930DK101+000 隧道穿过T3xj 煤系地层, 可能遇到老煤窑采空区。 该段T3xj煤层中, 开采煤层主要为大连煤层, 采厚60 cm左右, 煤
7、层倾角61。 根据周边老煤窑调查分析, 预计隧道穿过采空区段煤层开采底界标高最低在 +200 m左右。 1 老空区综合勘查技术 1.1 瞬变电磁勘探技术 瞬变电磁法作为此次勘探工作的主要技术手段之一, 沿线路方向布置瞬变电磁 测线, 测点点距 10m, 共布置测线5条 (图 1) 。共探测出7个赋水异常区和 4 个赋水强异常区。从物探推断采空区范围来分析, 采空区在L2线开采标高范围 较小 (+180+300 m) , 而在R1线的开采标高范围最大 (+120+300 m) , 各测 线煤层采空标高范围有变化, 最小开采标高不稳定, 最大开采标高一般+300 m。 图1 隧道通过段物探成果 F
8、ig.1 Geophysical exploration results of tunnel 下载原图 图1中横坐标为线路里程;黑色虚线为物探推断地层界线。红色粗实线圈闭区域 为物探推断解释赋水强异常区域或岩层裂隙发育、破碎段;洋红色粗实线圈闭区 域为物探推断解释赋水异常区域或岩层裂隙较发育、较破碎段;黑色粗实线为物 探推断解释煤层采空区, 顺煤层物探成果如图 2所示。 图2 顺煤层物探成果 Fig.2 Geophysical exploration results of parallel to coal seam 下载原图 1.2 钻探技术 为验证物探工程圈定采空区及其他异常区, 查明采空区
9、分布关系及与隧道的相 互空间关系, 查明采空区充填程度, 在采空区段共施工 3个采空区勘查钻孔, 均发现采空区。 1.3 钻孔 CT 技术 钻孔CT 成果如图3 所示。 图3 钻孔 CT成果Fig.3 CT results by drilling 下载原图 采用钻探CT技术探测钻孔内及钻孔间裂隙发育情况, 可知BDZ-11-DQS-1孔的 +215+238 m与BDZ-11-DQS-2孔的+190+200 m 处呈现低阻异常, 异常区基本与 地层倾向一致, 说明此处岩层较为破碎, 富水性较好, 与钻探成果及地质资料 分析成果符合, 钻孔揭露采空区情况见表 1。 表1 钻孔揭露采空区情况 Tab
10、.1 Old workings by drilling hole 下载原 表 1.4 采空区范围综合分析 利用钻探成果与钻孔 CT法分析可知, 在标高+296.53+190.67 m处为采空区破 坏段, 比地面调查结果 (隧道穿过采空区段煤层开采底界标高最低在+200 m左 右) 约低 10 m;瞬变电磁成果探测煤层开采底界标高最低在+160 m。根据调查, 该地区老窑采煤主要以平硐运输为主, 未发现斜井或竖井开拓, 隧道附近地表 标高最低为御临河附近, 约为+180 m。因此本隧道附近老窑窑口标高及采煤标高 推测高于+180 m, 由此推测物探成果推测的采空区最低标高不符合本地区老窑 开采实
11、际情况。 综上所述, 该隧道附近采空区底界以钻探成果为主, 为+190.67 m。 2 采空区沉陷盆地影响评价 由于铁路穿越部位不仅具有连续性区域移动盆地沉陷, 同时也具有不均匀性和 无规律的漏斗状陷坑的突然下沉, 因而在铁路稳定评价中, 不能仅简单计算残 余下沉量, 还应重点防治不均匀塌陷。 2.1 数值模拟分析 为模拟采空区开挖沉降对隧道的影响, 采用 ANSYS有限元软件模拟采空区开挖 后对隧道的影响9-21, 由图4、图 5位移云图可以看出, 只考虑地应力作用下, 在煤层未开挖前, 其 X、Y方向的最大值分别为 0.029 2, 0.506 5 m;在煤层开 挖后, 其 X、Y方向的最
12、大值分别为 0.058 0, 0.575 6 m。对比发现, 煤层开挖 后沉降发生了显著变化。提取隧道轴线方向的模拟数据对比图 (图6) 可以看出, 煤层开采后, 对隧道影响沉陷最大在隧道和煤层交接处, 最大值为 0.159 4 m。 图4 X 方向位移云图 Fig.4 Displacement nephogram of X direction 下 载原图 图5 Y 方向位移云图 Fig.5 Displacement nephogram of Y direction 下 载原图 图6 隧道开挖前后沉降对比 Fig.6 Ground settlement contrast nephogram o
13、f before and after excavating tunnel 下载原图 2.2 沉降盆地稳定性评价 采空区稳定性评价一般由地面下沉量 W、倾斜 i、水平变形S三个指标进行分析 评价。 由于老空区开采年限久远, 采空区沉降大部分已完成, 此次采用概率积分 法对采空区充分采动条件下剩余沉降及倾斜进行计算: 式中, Ws为充分采动条件下地表剩余下沉值;is为剩余倾斜量;为剩余水平变形 量;q为充分采动条件下的下沉系数;M为煤层法向开采厚度;为煤层倾角;r为 主要影响半径;b为水平移动系数;n为剩余沉降系数。 综合TB100012005铁路路基设计规范及 TB10002.52005铁路桥涵
14、地基 和基础设计规范 , 根据有关规定综合确定采空区稳定性评价标准, 以最不利因 素判定 (表2) 。 表2 移动盆地稳定性评价 Tab.2 Stability evaluation of movement basin 下载原表 综上所述, 该隧道下采空区沉陷盆地已基本稳定。 3 隧道下采空区沉陷治理 通过上述计算可知, 采空区盆地已稳定, 但是采空区沉降盆地影响范围内由于 岩层变形破碎, 仍然是影响隧道安全运营的关键层, 因此必须对其进行加固改 造。根据相关规程可知, 走向移动角=75, 上山移动角=56, 下山移动 角=47。则据此计算结果见表3。 表3 采空区移动盆地参数 Tab.3 P
15、arameters of movement basin 下载原 表 据此计算, 该隧道下采空区沉陷影响范围为 DK100+805.70DK100+996.30。采空 区沉陷注浆改造范围为煤层底板标高+190.67+273.00 m (图7) ;注浆改造宽度 为煤层底板标高+190.67 m (DK100+900) 处宽度为隧道两侧各 57.26 m (图8) , 向上宽度逐渐减少, 至煤层底板标高+273 m (DK100+955.6) 时, 隧道直接穿过 采空区, 注浆宽度为隧道两侧各 10 m, 作为隧道保护层。 图7 隧道下采空区沉陷范围剖面 Fig.7 Settlement range
16、 profile under tunnel 下载原图 图8 隧道下采空区沉陷注浆改造平面 Fig.8 Grouting strengthening planar graph under tunnel 下载原图 4 结语 采用地面瞬变电磁法、钻探和钻孔 CT综合勘探技术, 分析了东泉隧道段下部采 空区分布范围及其发育情况;利用数值模拟技术和理论计算出采空区移动盆地的 剩余沉降参数, 证明采空区盆地已经基本稳定, 自然条件下无残余沉降, 但应 注意人工荷载条件下可能产生的变形或局部塌陷。 计算得出隧道底板下采空区的 治理改造范围, 能够为隧道后期施工设计及运营阶段安全提供指导意义。 参考文献 1彭
17、永良.铁路路基下伏多层大型采空区治理关键技术研究D.成都:西南交通 大学, 2013. 2郭广礼, 邓喀中, 谭志祥, 等.深部老采区残余沉降预计方法及其应用J. 辽宁工程技术大学学报, 2002, 21 (1) :1-3. 3余学义, 施文刚.地表剩余沉陷的预计方法J.西安科技大学学报, 1996 (1) :1-4. 4王磊, 郭广礼, 查剑锋, 等, 老采空区地表残余沉降预计与应用J.矿业安 全与工程, 2011 (2) :283-287. 5栾长青.采空区的沉陷机理及地表变形破坏的时空预测研究D.西安:长安大 学, 2005. 6吴盛才, 贺跃光, 徐鹏.概率积分法预计高速公路采空区地表
18、变形J.安全 与环境工程, 2010, 17 (5) :119-122. 7陈元非, 王磊, 查剑锋.矿山开采沉陷预计与分析J.煤矿安全, 2017, 48 (1) :99-102. 8崔志盛, 赵凯, 龚建伍.公路隧道下伏采空区施工影响数值模拟分析J.探 矿工程 (岩土钻掘工程) , 2011, 38 (7) :76-79. 9王树仁, 张海清, 慎乃齐, 等.下伏采空区桥隧工程变形及受力响应特征分 析J.岩石力学与工程学报, 2009, 28 (6) :1144-1151. 10李森林, 马博恒, 葛玉祥, 等.下伏采空区隧道整体稳定性的三维有限元数 值模拟分析J.土工基础, 2015,
19、29 (5) :42-45. 11符亚鹏, 方勇, 崔戈, 等.小规模下伏薄煤层采空区倾角对隧道开挖稳定性 的影响研究J.现代隧道技术, 2016, 53 (4) :70-76. 12山西省交通规划勘察设计院.JTG/T D31-032011采空区公路设计与施工技 术细则S.北京:人民交通出版社, 2011. 13何国清.矿山开采沉陷学M.徐州:中国矿业大学出版社, 1994. 14煤炭工业部.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程M. 北京:煤炭工业出版社, 1986. 15中华人民共和国铁道部.铁路工程不良地质勘察规程M.北京:中国铁道出 版社, 2012. 16童立元, 刘松
20、玉, 邱钰, 等.高速公路下伏采空区问题国内外研究现状及进 展J.岩石力学与工程学报, 2004, 23 (7) :1198-1202. 17郭广礼.老采空区上方建筑地基变形机理及其控制M.徐州:中国矿业大学 出版社, 2001. 18张宏贞, 邓喀中, 谭志祥.老采空区残余移动变形分区研究J.矿山压力与 顶板管理, 2005, 22 (2) :32-34. 19汪吉林, 丁陈建, 张云.老采空区地基变形对地面建筑影响的数值分析J. 采矿与安全工程学报, 2008, 25 (4) :476-480. 20李晓红, 姜德义, 刘春, 等.公路隧道穿越采空区治理技术研究J.岩土力 学, 2005, 26 (6) :910-914. 21胡海峰, 郝兵元, 康立勋.高等级公路下煤矿采空区注浆处治效果分析J. 西安科技大学学报, 2008, 28 (2) :270-273.
