隧道煤与瓦斯突出气-固藕合数值模拟研究分析

隧道煤与瓦斯突出气-固藕合数值模拟研究分析

丁永超1

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆  400041)

摘要：由于大断面隧道掌子面前方预留岩柱的影响，本文使用comsol软件建立了气-固藕合模型，研究了大断面隧道揭煤过程中的应力变化、塑性变形、以及煤层中的瓦斯压力梯度变化等。为类似或其他穿煤隧道在施工提供了有效参考。

1引言

国内外学者对隧道预留岩柱厚度的研究有很多，宋士钊[1-2]认为石门揭煤的突出原理是由于，开挖的巷道在靠近煤层时，应力集中的峰值会渐渐到达巷道前方的煤层中，导致煤层中的应力加大。谭学术[3]对石门揭煤进行了光弹性物理模型试验。唐春安[4]利用RFPA 2D对石门揭煤时倾斜煤层的突出进行了数值模拟。蒋承林[5]在球壳失稳的原理基础上确定了石门揭煤情况下的瓦斯突出预测指标。高魁[6]揭示了石门揭煤时发生煤层突出的原理，并提出构造软煤的控制预裂爆破消突技术。

2数值模型的建立

2.1 煤层和岩体边界设定

层和岩体模型的边界条件有两部分组成既；位移边界条件和应力边界条件。对于模型底部设置固定约束，模型四周设置为辊支撑用以约束横向位移，内部设置为自由边界。模型上部设置一个补充应力边界荷载，用来弥补数值模型和实际工程中的应力差值。

2.2 几何模型建立

本文几何模型设置为，模型宽150m，高70m，隧道开挖跨度为9.47m，开挖步长设置为4m。

2.3 模型参数的确定

在本次数值模拟模型中，物理力学基本参数，如弹性模量、体积模量、密度、泊松比、粘聚力和内摩擦角，用于计算岩体、煤层以及瓦斯气体的物理性质。通过实际的依托工程隧道的地质勘探资料，以及相关论文的研究所得。

2.4 模拟工况的确定

对于工程依托隧道来说，实际的地质情况比较复杂，根据前期的地勘资料，围岩级主要为Ⅴ级围岩，各个瓦斯压力分别选取0.74MPa、4MPa，隧道跨度分别选取7.5m、9.75m、的隧道进行模拟计算。本次数值模拟中选择三个影响隧道开挖掌子面前方与瓦斯煤层间预留岩柱厚度的因素，用以分析不同因素对预留岩柱稳定性和厚度和影响。

3模型计算结果分析

3.1 应力变化分析

当隧道开挖时会对周围岩体造成扰动，同时由于地应力的影响，开挖的掌子面附近周围的围岩会产生较为明显的应力集中现象，其集中应力数值是围岩原始应力的3倍左右，围岩的集中应力影响范围主要出现在工作面的正前方7m以内，其应力集中的影响范围为从掌子面一端到前方7m范围内均受到集中应力的影响。且在掌子面附近隧道的拱顶和拱脚出产生的集中应力更大，明显高于其他地方的应力，拱顶和拱脚的集中应力是其他地方集中应力的0.2-0.3倍左右，且随着离掌子面的距离越大，所受的集中应力影响越小。

   随着隧道继续的向前开挖，此时隧    道开挖到10m时。隧道前方因为开挖造成扰动的影响范围逐渐变大，应力集中的影响范围也渐渐扩大，隧道前方掌子面的拱顶和仰拱在隧道开挖后成了自由边界，原来的应力平衡被打破，出现卸压。在掌子面附近隧道的拱顶和拱脚处产生的集中应力更大，明显高于其他地方的应力，拱顶和拱脚的集中应力是其他地方集中应力的2-3倍左右。

3.2 塑性应变分析

  当隧道开挖到24m时，前方预留岩墙厚度为18m时，掌子面前方开始出现塑性变形区域，由于集中应力在拱顶处的数值高于其他位置，故塑性变形区也先在拱顶处产生，且塑性破坏区会随着掌子面的向前推进，逐渐扩展到预留岩墙的整个区域。从而造成预留岩墙破坏，引起煤层发生煤与瓦斯突出。

  当开挖到34m时，隧道拱顶的塑性破坏区开始向着拱腰和拱脚移动，拱顶的塑性破坏区的塑性变形值为，拱腰的塑性变形值为，拱脚的塑性变形值为。同时拱脚的塑性变形区域开始向着煤层瓦斯地层扩大，此时如果继续向前开挖很可能导致塑性区贯穿煤层而发生煤与瓦斯突出灾害。

  综上所述，我们发现在隧道揭煤开挖的过程中，隧道周围围岩变形主要有三个阶段，隧道开挖后对周围围岩产生扰动，从而产生部分变形位移；当开挖接近断面时，隧道围岩变形速率加快；当开挖到达断面时，隧道变形速率达到最快，围岩发生较大位移变形；最终当隧道开挖远离断面时，周围围岩变形趋势逐渐稳定。

3.3 瓦斯压力变化分析

   为了研究隧道在开挖过程中煤层瓦斯压力变化，本文选取开挖36m后，在10h内瓦斯压力变化云图如1所示。

(1) 2h后瓦斯压力图

（3）10h后瓦斯压力图

图1开挖后瓦斯压力变化云图

由图可知，瓦斯压力的变化，随着隧道的开挖掘进，瓦斯边界发生变化，出现新的边界条件，允许瓦斯从煤层孔隙中向隧道内部空间渗流，并且随着时间的发展煤层的瓦斯压力出现整体降低的情况。

4 总结

   1）隧道周围围岩变形主要有三个阶段，隧道开挖后对周围围岩产生扰动，从而产生部分变形位移；当开挖接近断面时，隧道围岩变形速率加快；当开挖到达断面时，隧道变形速率达到最快，围岩发生较大位移变形；最终当隧道开挖远离断面时，周围围岩变形趋势逐渐稳定。

   2）对于掌子面前方不同距离上的监测点，到掌子面距离越近的监测点，瓦斯压力下降速度也越快，其在开挖后的前5个小时内迅速下降，在最后两个实际内下降倒最低，并达到一个新的瓦斯压力平衡。

参考文献：

[1] 宋士钊.石门揭煤开突出危险煤层的几个问题[C]全国煤矿安全科学学术会议论文,1979,5.

[2] 宋士钊.我国煤和瓦斯突出研究工作的主要成果及近期的主要任务[C].煤与瓦斯突出机理和预测预报第三次科研工作及学术交流会议论文选集，1983,5.

[3] 谭学术,鲜学福.石门巷道中动力现象的变弹模光弹性实验研究及预防[M].重庆:重庆出版社,1986,12.

[4] 唐春安,刘红元.石门揭煤突出过程的数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2002，21(10):1467-1472.

[5] 蒋承林.石门揭煤条件下动力现象的三分类预测研究[J].煤炭学报,1997,22(4):406-409.

[6] 李宗福,周声才,龙建明,等.石门揭穿严重突出危险煤层防突技术研究[J].煤炭科学技术，2011,39(9):37-39.