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煤系地层隧道施工瓦斯爆炸与采空区失稳的风险识别

文档作者：晏启祥王璐石段景川耿萍文档来源：西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室		点击数：	更新时间： 2020年12月17日
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- 隧道／地下工程·
煤系地层隧道施工瓦斯爆炸与采空区
失稳的风险识别
晏启祥，王璐石，段景川，耿 萍
(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都610031)
摘要：在对沪昆高速公路煤系地层某隧道线路沿线煤层和采空区分布位置、分布规模综合分析的基础上，将该隧
道瓦斯爆炸和采空区失稳界定为施工典型风险，其中采空区失稳以不均匀沉降和上覆顶部塌陷为主。采用层次分
析法，分别对隧道瓦斯爆炸和采空区失稳进行了风险因素识别。其中：瓦斯爆炸包括煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含
量、地质构造、施工通风以及施工组织管理等1O项三级因素；采空区失稳包括采空区距隧道距离、采空区大小、超
前地质预报、超前支护等7项二级因素。研究表明：煤层瓦斯含量，施工通风和组织管理对瓦斯爆炸风险影响较
大，而采空区距隧道距离、采空区大小对采空区失稳风险影响较大。
关键词：煤系地层；隧道施工； 瓦斯爆炸；采空区失稳；风险因素识别
中圈分类号：U458 文献标识码：A 文章编号：1004—2954(2013)03—0080—05
Risk Identification of Gas Explosion and Goaf Instability Induced by
Tunnel C0nstructiOn in Coal M easure Strata
YAN Qi—xiang，WANG Lu—shi，DUAN Jing—chuan，GENG Ping
(MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 61003 1，China)
Abstract：Based on comprehensive analysis for distribution locations and distribution scales of both the
coal seam and goaf zone along a highway tunnel line with coal measure strata in Shanghai—Kunming
Highway，the gas explosion and the goaf instability were confirmed as the typical risks in tunnel
construction，and then the goaf instability mainly shows up as uneven settlement and top collapse． By
using analytic hierarchy process，the risk factors of both the gas explosion and goaf instability were
identified respectively． The identification result reveals that， the gas explosion contains 1 0 factors
belonging to the third class，such as the gas pressure of coal seam ，gas content of coal seam ，geological
structure， construction ventilation， construction organization management etc； while goaf instability
contains 7 factors belonging to the second class，such as the distance from the goaf to the tunnel，size of
goaf，geological prediction，advance support etc． This study also reveals that，the gas content of coal
seam ， construction ventilation and the organization management have a greater influence on gas
explosion，while the distance from the goaf to the tunnel，the size of the goaf have a greater influence on
goaf instability．
Key words：coal measure strata；tunnel construction；gas explosion；goaf instability；risk factor identifi—
cat on
1 概述
近年来，我国公路隧道建设势头迅猛，有很多隧道
穿越煤系地层。在煤系地层中进行隧道施工，通常会
收稿日期：2012—07—28；修回日期：2012—08—28
基金项目：教育部新世纪人才支持项目(NCET一11—0713)；中央高校基
本科研业务费专题项目(SWJTU11ZT33)与创新项目(SWJTU11CX016)
作者简介：晏启祥(1971一)，男，副教授，博士，E-mail：837455759@
qq·COB 。
80
面对揭煤施工风险、瓦斯爆炸风险、采空区失稳风险、
围岩大变形风险、塌方风险以及边仰坡失稳风险
等 。其中，尤以瓦斯爆炸与采空区塌陷风险最为
典型。近年来，针对煤系地层隧道施工过程中出现的
瓦斯风险和采空区风险，国内开展了大量研究工作，如
陈炳祥 结合渝怀铁路金洞隧道进口瓦斯煤系地层
施工技术，总结了隧道瓦斯工区设置等级、煤层位置确
定、瓦斯突出危险性预测及判别、防突技术与措施、石
铁道标准设计RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(03)
晏启祥，王璐石，段景川，等一煤系地层隧道施工瓦斯爆炸与采空区失稳的风险识别
门揭煤等施工要点；徐建平 等也针对蛟岭瓦斯隧道
具体特点提出了施工防治措施；李生杰 根据乌鞘岭
隧道穿越煤系地层的特点，开展了施工通风设计，获得
了乌鞘岭隧道通风机的指标要求；宋南涛 研究了采
空区不同大小尺寸和离隧道顶部不同距离对隧道施工
安全性的影响，建立了采空区与隧道安全性之间的关
系；李治国 针对巴彭公路铁山隧道采空区，开展了
采空区顶板变形及破坏机理分析，并提出了采空区治
理技术；李晓红等 对西山坪隧道初期支护条件下
隧道左线穿煤及采空区围岩的变形特征以及采空区围
岩的位移和应力特性进行了施工动态有限元数值模拟
分析，并根据分析结果提出了采空区处治措施。诸如
以上的大量研究工作基本都是基于瓦斯和采空区分布
状态确定的情况下进行的。由于瓦斯和采空区风险的
不确定性和复杂性，基于风险识别和风险评估的煤系
地层施工典型风险对于隧道施工实施风险管理、降低、
观察和控制风险同样具有重要意义 。煤系地层隧
道施工典型风险因素的识别就是要研究施工过程中瓦
斯爆炸与采空区塌陷的风险本质及其随机性规律，并
通过风险评估，掌握煤系地层施工瓦斯风险和采空区
风险的严重程度，分析导致此类风险的主要因素，从而
为瓦斯和采空区等不良工程地质隧道施工制定施工预
案和施工处治措施提供科学依据。
沪昆高速公路某隧道为双向6车道连拱隧道，隧
道起讫桩号为K4+150～K4+430，全长280 m，最大埋
深约为79 m。隧址区为背斜构造山地，地势较高，地
表水不发育，仅在雨季于冲沟中形成短暂水流。区内
地下水沿背斜轴及两翼展开，属基岩裂隙水，主要赋存
在基岩节理裂隙带内。
隧道区内上覆地层为第四系残坡积层(Qel+d1)，
下伏三叠系下统夜郎组沙堡湾段(T1s)泥岩、二叠系
上统长兴组(P2c)燧石灰岩、龙潭组(P21)泥质粉砂
岩、泥岩、砂岩、硅质岩、灰岩及煤层。其中，煤系地层
主要含有5层煤，1号煤层厚2～3 m，2号厚1～2 in，
3号和4号厚0～1 II1，5号厚0～0．5 m，煤层地段隧道
顶板埋深3O～55 m。根据地勘资料，该隧道为瓦斯
隧道。
隧道煤层和采空区分布见图1。从图1可知：隧
道轴部无煤层及采空区分布，而两翼隧道进出口地段
有煤层(1号、2号)和大量煤洞存在。大部分采空区
为民采小煤窑，煤矿采掘自20世纪30年代起，至
2002年陆续停止开采。隧道进、出口附近可见废弃煤
洞约50个，掘进巷道长多为50—200 113，宽1．5～
3．0 m，高2～5 m，分布密集；废弃煤洞多为私采，开采
方向杂乱，开采巷道基本未进行处理。煤层开采相互
连接、贯通，于地下形成了较大面积的采空区；采空区
铁道标准设计RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(03)
交相叠置，埋深10～60 m。
l 40o
舂 o
扯叵
l 30o
· 隧道／地下工程·
图1 隧道煤层与采空区分布纵断面示意
2 隧道瓦斯风险分析
该隧道穿越煤系地层地段，瓦斯分布随着隧道埋
深、围岩等级及煤层分布不同而变化。根据该隧道进
出洞口段埋深、围岩等级、特殊地质构造及煤层分布可
将瓦斯对隧道的影响划分为2段。
(1)K4+150～K4+225段，长75 m，该段为隧道进
口段，隧道顶板埋深30．67～55．54 m。洞身围岩为泥
质粉砂岩、泥岩、砂岩、硅质岩和灰岩及1号、2号煤
层，煤层厚2～3 m，为主采煤层，围岩为Ⅵ 级，如图
2所示。
81
／ 2 ==、图
-
隧道／地下工程· 晏启祥，王璐石，段景川，等一煤系地层隧道施工瓦斯爆炸与采空区失稳的风险识别
由于隧道进口段和出口段都将穿越2号及1号煤
层，在隧道掘进穿越煤层时，瓦斯将以缓慢涌出的形式
向隧道释放，造成隧道内瓦斯浓度增大，由于瓦斯比空
气轻，从围岩裂隙渗漏出的瓦斯多聚集在隧道顶部工
作台面附近，形成瓦斯积聚区，但在隧道掘进工程中，
往往由于风机较工作面较远或漏风问题，新鲜风流达
不到工作面，造成涡流，不能稀释和带走隧道顶部的瓦
斯，使得瓦斯浓度增大，易达到《煤矿安全规程》所规
定的上限1．5％ 。此时当瓦斯达到一定的压力、温度
条件时，有可能发生瓦斯爆炸。
清镇
端洞口桩号
4号煤层
l隧道洞口
3 隧道采空区风险分析 4 煤系地层隧道施工典型风险源识别
采空区主要分布在隧道进口及出口段，大部分采
空区为民采小煤窑，隧道进、出口附近可见废弃煤洞约
50个，煤层开采相互连接、贯通，于地下形成了较大面
积的采空区；采空区交相叠置，埋深10～60 m。采空
区有上覆采空区、侧壁旁采空区、下伏采空区。上覆采
空区离隧道的距离10～15 m，下伏采空区离隧道的距
离10～20 m，侧壁采空区距离隧道在3～20 m。
(1)隧道进口段，隧道的顶板埋深30～55 nl，沿煤
层走向，斜交隧道轴线分布有众多废弃煤洞，直径2～
5 m，深30～120 m。洞口进口段煤洞和采空区纵剖面
如图4所示。
进一口端洞口桩号 l煤层 l ／
4号煤层 l 2号煤层
图4 隧道进口段采空区纵剖面
(2)隧道出口段长约62 m，隧道的顶板埋深23～
48 m，沿煤层走向，斜交隧道轴线分布有众多废弃煤
洞，直径2～4 in，深20～110 m。洞口出口段煤洞和采
空区的纵剖面如图5所示。
隧道在进口段和出口段，上覆采空区离隧道的距
离小于30 m，侧壁采空区离隧道的距离在隧道开挖的
影响范围内(小于3倍洞径)，下伏采空区的断面也较
大。在煤系地层中开凿采煤巷道，势必造成地层地应
力场的改变，形成采空区。当隧道周围采空区受到隧
道开挖扰动时，采空区将发生不均匀沉降，导致上覆采
空区底板和下覆采空区顶板塌落，威胁隧道施工安全，
所以隧道采空区的稳定性存在较大的风险。
煤系地层隧道施工典型风险源识别可采用层次分
析法。层次分析法能把定性因素定量化，并能在一定
程度上检验和减少主观影响，使评价更趋科学。该方
法对同层风险因素实施两两比较，形成判断矩阵，从而
计算同层风险因素的相对权重。其评估方法如下。
(1)确定判断矩阵
首先明确分析问题，划分和选定有关风险因素，然
后建立风险因素分层结构，假设同层共有n个因素
， ，
⋯
，M ，将n个因素中 和 ，任意两个因素
进行比较，使用比例标度q ，反映二者的相对重要性，
比例标度的含义参见表1。若 与 ，相比得q 则
与 相比的判断为q， =1／q 从而可以得到1个
nxn的判断矩阵M=(q )⋯ 。
表1 标度及其含义
因素间关系
表示M 与M 相比，M 与 同等重要
表示 与 相比， 比M 稍微重要
表示』lf 与M．相比，M 比 明显重要
表示M 与 ，相比，M 比M 强烈重要
表示 与M 相比， 比M．极端重要
2、4、6、8为上述相邻判断的中值
(2)计算矩阵 特征值及特征向量
运用数学工具计算矩阵式MW=Y⋯ 的特征值
Y⋯ 和特征向量 ， 各分量即对应n个因素的权重。
(3)一致性检验
因为判断矩阵 采用两两比较获得，未必满足等
式qijq =q 因此，为了衡量由于 矩阵不相容所造
成的Ymax和 误差，需要采用一个一致性指标C，进行
检验。
CI= —_ (1)
当CI：0时，表明判断完全一致，通常认为CI<
0．1时判断就基本成立。
根据该隧道瓦斯和采空区风险分析，可基本判断
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晏启祥，王璐石，段景川，等一煤系地层隧道施工瓦斯爆炸与采空区失稳的风险识别
隧道施工的典型风险为瓦斯爆炸和采空区失稳。利用
上述层次结构模型可分别建立各个层次的比较矩阵，
并用MATHEMATIC求解，计算各个比较矩阵的权值。
A—Bi层重要度排序见表2，表中重要度排序统计数据
来自专家判断，下同。
表2 A—Bi层重要度识别
得该矩阵的最大特征值A⋯ =2，求得特征值对应
归一化特征向量W =[0．666 7 0．333 3】 。
4．1 瓦斯爆炸风险识别
能够诱发或者直接导致隧道瓦斯爆炸的因素很
多，除了自然因素以及隧道的地质情况之外，还有勘察
设计因素和施工因素等。瓦斯爆炸的根本原因是由于
瓦斯隧道在开挖过程中，瓦斯压力被释放，遇到明火或
高温发生爆炸。如果支护结构不密封或者通风风量选
择不当，就有可能导致瓦斯爆炸的发生。结合国内外
隧道施工经验，分析可能引起该隧道发生瓦斯爆炸的
基本事件，可得出瓦斯爆炸风险的风险源主要是瓦斯
状态、施工因素和人员因素，Bi—c层重要度排序见
表3。
表3 Bi—C层重要度排序
得该矩阵的最大特征值A⋯ =3，求得特征值对应
归一化的特征向量
= 『0．571 4 0．285 7 0．142 9
代入一致性指标公式得
CI=(A⋯ 一n)／(12—1)=(3—3)／(3—1)=0，而
CR=CI／RI=0／0．52=0<0．1，因此，矩阵满足一致性
判断。
由计算结果得瓦斯风险因素的第二层风险源排序
为：瓦斯状态>施工因素>人员因素。
Ci—D层重要度排序需根据Ci与Di之间的相互
关系分别列出。其中B1一ci排序见表4。
表4 B1一Ci层重要度排序
瓦斯状态 一。i 地质D构2 嚣虿 鬈薹
DI 一一 形式D3涌出量D4 D5
煤层瓦斯压力D1 1
地质构造D2 1／2
煤层瓦斯涌出形式D3 1／3
煤层相对瓦斯涌出量D4 2
煤层瓦斯含量D5 3
1／2
1／3
1／4
l
2
1／3
1／4
l／5
1／2
l
铁道标准设计RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(03)
· 隧道／地下工程·
由表4得该矩阵的最大特征值A⋯ =5．068 1，求
得特征值对应归一化的特征向量
WB1=
『0．159 9 0．097 3 0．061 8 0．262 5 0．418 5]
代人一致性指标公式得
CI=(A⋯ 一n)／(n一1)=(5．068 1—5)／
(5—1)=0．017 025
而CR=CI／RI=0．O17 025／1．12=0．015 2<0．1，因此，
矩阵满足一致性判断。
由计算结果得瓦斯风险因素的第三层B1风险源
排序为：煤层瓦斯含量>煤层相对瓦斯涌出量>煤层瓦
斯压力>地质构造>煤层瓦斯涌出形式。
C2一Di排序见表5。
表5 (32一Di层重要度排序
得该矩阵的最大特征值A⋯ =3．009 2，求得特征
值对应归一化的特征向量
W 2=[0．539 6 0．297 0 0．163 4]
代入一致性指标公式得
CI=(A⋯ 一n)／(n一1)=(3．009 2—3)／(3—1)=
0．004 6。而CR=CI／RI=0．004 6／0．52=0．008 85<
0．1成立，因此，矩阵满足一致性判断。
由计算结果得瓦斯风险因素的第三层B2风险源
排序为：施工通风>安全监测>瓦斯抽放。
c3一Di层重要度排序见表6。
表6 G3一Di层重要度排序
得该矩阵的最大特征值A⋯ =2，求得特征值对应
归一化的特征向量
W =[0．200 0 0．800 0]
由计算结果得瓦斯风险的第三层B3风险源排序
为：组织管理>职工文化素质。
4．2 采空区失稳风险识别
隧道施工中对采空区的影响主要体现在隧道上部
采空区顶板的稳定性和下覆采空区的稳定性2个方
面。隧道穿越上覆采空区，隧道的开挖引起周围应力
场的变化，进而引起上覆采空区周围应力场的变化，最
终导致上覆采空区底板塌落影响隧道施工。隧道下部
存在采空区不仅受到隧道开挖的影响，此外采空区的
存在也影响了隧道的基底承载力，引起下伏采空区顶
板塌落，发生不均匀沉降，进而导致隧道底板板变形，
83
·
隧道／地下工程· 晏启祥，王璐石，段景川，等一煤系地层隧道施工瓦斯爆炸与采空区失稳的风险识别
甚至塌落。隧道开挖对采空区稳定性的主要影响因素
是采空区状态和施工因素，采空区状态又分地质构造、
采空区距隧道距离、采空区大小3个因素，施工因素分
超前地质预报、开挖预处理方案、开挖方法以及超前支
护等4个因素，B2一ci重要性排序见表7。
表7 B2一Ci重要性排序
得该矩阵的最大特征值A⋯ =2，求得特征值对应
归一化的特征向量
1VB2：[0．25 0．75]
由计算结果得采空区风险因素的第二层风险源排
序为：施工因素>采空区状态。
C1一D．排序见表8。
表8 (31一Di层重要度排序
得该矩阵的最大特征值A⋯ =3．018 3，求得特征
值对应归一化的特征向量
W 。：[0．136 5 0．625 0 0．238 5]
代人一致性指标公式得
CI=(A⋯ 一n)／(n一1)=(3．018 3—3)／(3—1)=
0．009 15，而CR=C／／尺，=0．009 15／0．52=0．017 6<
0．1成立，因此，矩阵满足一致性判断。
由计算结果得采空区状态风险因素的第三层
C1风险源排序为：采空区距隧道距离>采空区大小>
地质构造。
C2一Di排序见表9。
表9 (32一Di层重要度排序
得该矩阵的最大特征值A⋯=4．259 9，求得特征
值对应归一化的特征向量
c2= [0．192 8 0．113 5 0．255 2 0．438 5]
代人一致性指标公式得
CI=(A⋯ 一n)／(n一1)=(4．259 9—4)／(4—1)=
0．086 6，而CR=CI／RI=0．086 6／0．89=0．097 3<
0．1成立，因此，矩阵满足一致性判断。
84
由计算结果得采空区状态风险因素的第三层
C2风险源排序为：超前支护>开挖方法>超前地质预
报>预处理方案。
4．3 煤系地层隧道施工风险权值
综合各个比较矩阵，建立了每一指标相对于总目
标的权值，如图6所示。
5 结语
采空区状态
C1
f0 251
地质构造Dl fO 159 91
『煤层瓦斯相对涌出量D2(o．097 3)1
= = = = = = = = = = = = = = = = = = = =
1 星垦堑 堂 苎 !!： !! J
—
— —
rl 1f 施工通风D1 f0 539 611
． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．
匡 叵二二
L 磊 — —
I 三 些耋垦 ! 兰 J
L — — —
地质构造DI (0 136 5)
r【墨——兰— 里堕— ——里—堕— ———————! _、j
—
l
． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．：．．．．．．．．．．，．．．．．．．
， 【超前地质预报D1 (o192 8、
r
施工因素1 I预处理方案D2 (0．113 51
C2 卜< f开挖方法D3 (0．
(O 75) J 255 2)
、I超前支护D4 (0．438 5)
图6 煤系隧道施工风险权值图
以沪昆高速公路某煤系地层隧道为例，对其进行
了瓦斯爆炸风险和采空区失稳风险的分析，分析了该
隧道煤层和采空区地质分布状态，规模及其对隧道施
工的影响，得出该隧道施工过程中的典型风险是瓦斯
爆炸和采空区失稳。根据层次分析法，将诱发瓦斯爆
炸的风险因素分解为瓦斯状态、施工因素以及人员因
素三大类，并识别了三类风险因素各自的下一级风险
源，其中瓦斯状态包括煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量、
地质构造、煤层相对瓦斯涌出量、煤层瓦斯涌出形式；
施工因素包括施工通风、安全监测以及瓦斯抽放；人员
因素包括组织管理和职工文化素质。上述三类因素中
权重最大的因素分别为煤层瓦斯含量，施工通风和组
织管理。采空区稳定性风险的风险源只设置了两级指
标，主要包括：地质构造、采空区距隧道距离、采空区大
小、超前地质预报、预处理方案、超前支护、隧道开挖方
法等，其中采空区距隧道距离影响最大。
铁道标准设计RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(03)
菡 圄
· 隧道／地下工程·
深圳地铁5号线暗挖段风化花岗岩的组构特征分析
李 涛 ，刘继强 ，尹文平
(1． 北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2． 中铁南方投资发展有限公司，广东深圳518055)
摘 要：室内采用颗粒分析试验、压汞试验、比表面及孔隙度分析仪、x射线衍射和荧光光谱仪、透射和扫描电子显
微镜等多种仪器和方法对取自深圳地铁5号线暗挖段地层的典型风化花岗岩试样进行分析，获得试样的颗粒组成
与级配、孔隙组成及分布、化学元素及矿物组成、微观结构特征等信息，同时对这些组构特征与风化花岗岩工程特
性的关系作了简要探讨。研究成果有助于深入了解深圳地区风化花岗岩的工程特性及预测和控制地铁隧道开挖
时引起的地层变形和地表沉降。
关键词：矿物成分；孔径；微观结构；风化花岗岩；工程性质
中图分类号：TU452 文献标识码：A 文章编号：1004—2954(2013)03—0085—04
Feature Analysis on Rock Fabric of W eathered Granite in
Undermining Section of Shenzhen M etro Line 5
LI Tao ，LIU ji—qiang ，YIN Wen—ping
(1．School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；
2．Nanfang Investment and Development Co．，Ltd．，CRECG，Shenzhen 518055，China)
Abstract：By means of the specific surface and porosity analyzer，the X·ray diffractometer，the X—ray
fluorescence spectrometer，the transmission electron microscope(TEM)，and with the screen analysis
test and the mercury intrusion porosimetry，the weathered granite samples taken from the undermining
section of Shenzhen Metro Line 5 were analyzed in laboratory ． Thus the granulometric composition and
graduation， pore constitution and distribution， chemical elements， mineral contents， microstructure
characteristics of the typical specimens were obtained．Afterwards，the relationship between those features
of rock fabric obtained and engineering properties of weathered granite was briefly discussed． The
research results can help to understand engineering properties of weathered granite in Shenzhen district as
well as to predict and control ground deformations and ground settlements induced by the excavation of
metro tunne1．
Key words：mineral content；pore radius；microstructure；weathered granite；engineering properties
收稿日期：2012一O7—27；修回日期：2012—09—21
基金项目：国家自然科学基金项目(编号50878019)
作者简介：李涛(1960一)，男，教授，博士，E-mail：taolit@ bjtu
edu1．cn。
1 概述
深圳全区面积约50％ 的地区分布着燕山期侵人
参考文献：
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