楊本偉 , 陳 相, 林 志 , 楊紅運(yùn) , 鄭恩樹(shù), 趙天偉
(1. 中鐵建重慶投資集團(tuán)有限公司, 重慶 400700; 2. 重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院, 重慶 404100; 3. 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 重慶 400074; 4. 重慶鐵發(fā)建新高速公路有限公司, 重慶 400711)
在國(guó)家交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略背景下,我國(guó)高速公路建設(shè)發(fā)展迅速,據(jù)國(guó)家交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2019年底高速公路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)1.426×105km,公路隧道運(yùn)營(yíng)里程達(dá)1.9×104km,我國(guó)建成的隧道總長(zhǎng)度和總數(shù)量均居世界第一。目前新建隧道工程仍如火如荼,且工程建設(shè)中不可避免地會(huì)穿越瓦斯、巖溶、采空區(qū)等特殊圍巖地區(qū),工程建設(shè)難度隨之增加。在眾多災(zāi)害中,瓦斯災(zāi)害是隧道建設(shè)中的主要地質(zhì)災(zāi)害之一[1]。在隧道開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中,瓦斯災(zāi)害主要表現(xiàn)為瓦斯燃燒、瓦斯爆炸、煤層瓦斯突出等,因此,需要采取特殊的工程措施保障隧道施工安全。在瓦斯地層中修建隧道,我國(guó)也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),已累計(jì)修建90余條瓦斯隧道。例如: 玉京山隧道進(jìn)口工區(qū)C5煤層為瓦斯突出煤層,采用穿層網(wǎng)格預(yù)抽法進(jìn)行消突,實(shí)現(xiàn)瓦斯抽放[2];法爾隧道穿越煤層段屬于煤與瓦斯突出高風(fēng)險(xiǎn)隧道,按照“區(qū)域措施先行、局部措施補(bǔ)充、區(qū)域措施優(yōu)先”的原則,設(shè)計(jì)了防治煤與瓦斯突出方案[3];張小林等[4]針對(duì)成都地鐵龍泉山隧道瓦斯賦存與設(shè)防等級(jí)的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià),提出了瓦斯災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)防決策依據(jù)。
在修建瓦斯隧道過(guò)程中,因瓦斯災(zāi)害產(chǎn)生的事故是極其慘重的,例如: 紫坪鋪隧道右線(xiàn)施工過(guò)程中發(fā)生了嚴(yán)重的瓦斯爆炸事故(2005年12月22日),造成60多人傷亡(其中死亡44人),經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)2 000萬(wàn)元[5];意大利Great Apennine隧道施工過(guò)程中因瓦斯爆炸事故造成97人傷亡。
現(xiàn)代工程中常常面臨多物理場(chǎng)和多相耦合問(wèn)題。隨著對(duì)瓦斯流動(dòng)機(jī)制的深入研究,發(fā)現(xiàn)初始應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等對(duì)瓦斯遷移流動(dòng)有顯著影響,認(rèn)為瓦斯在巖層中流動(dòng)涉及熱流固(THM)多物理場(chǎng)耦合,因此,建立發(fā)展多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)的瓦斯流動(dòng)理論是國(guó)內(nèi)外學(xué)者競(jìng)相研究的熱點(diǎn)[6-11]?;趲r體氣固耦合的相互作用理論,發(fā)展使用多孔介質(zhì)力學(xué)來(lái)描述含裂隙巖體中瓦斯流動(dòng)多相耦合作用及其數(shù)值分析方法(PDE),是認(rèn)識(shí)煤/巖層內(nèi)瓦斯運(yùn)移機(jī)制的重要途徑[12-16]。
目前對(duì)瓦斯的研究主要集中于采礦領(lǐng)域,隧道方面瓦斯研究主要集中在通風(fēng)方向,而對(duì)瓦斯遷移規(guī)律研究較少。為此,本文基于熱流固耦合作用模擬不同條件下瓦斯遷移機(jī)制。
瓦斯是煤變質(zhì)作用產(chǎn)生的烴類(lèi)氣體的總稱(chēng),一般以CH4為主,通過(guò)對(duì)煤巖瓦斯測(cè)定可知,瓦斯在煤巖中主要有3種賦存形態(tài),即游離、吸附與吸收[17-18]。通常,10%~20%為游離;80%~90%為吸附,吸附主要存在于煤巖孔隙表面;吸收狀態(tài)已經(jīng)與分子結(jié)合形成固溶體,占比極少,對(duì)隧道施工的影響可以忽略。相關(guān)研究表明,巖體中瓦斯遷移通常由煤多孔介質(zhì)孔隙/裂隙結(jié)構(gòu)相互作用完成,其一是煤基質(zhì)表面吸附瓦斯向圍巖節(jié)理裂隙中擴(kuò)散,其二是賦存于瓦斯氣體發(fā)生層流運(yùn)移。
一般而言,在穩(wěn)定、封閉性好的地層中,瓦斯氣體分子運(yùn)動(dòng)較為緩慢,有利于瓦斯封存(如泥巖和頁(yè)巖);而在節(jié)理裂隙發(fā)育的地層構(gòu)造容易產(chǎn)生瓦斯?jié)B出,特別是人類(lèi)活動(dòng)的影響,如煤層開(kāi)挖、地下工程施工會(huì)急劇改變圍巖應(yīng)力場(chǎng),破壞煤巖的平衡狀態(tài),發(fā)生氣體擴(kuò)散,臨空面產(chǎn)生壓力梯度差條件下使得瓦斯吸附解吸后,通過(guò)裂隙擴(kuò)散到開(kāi)放空間,發(fā)生瓦斯災(zāi)害。瓦斯?jié)B出的必要條件是臨空面產(chǎn)生較大的壓力梯度,破壞了原有瓦斯吸附平衡,導(dǎo)致大量的吸附瓦斯解吸形成游離瓦斯自由滲出產(chǎn)生新的平衡(瓦斯?jié)B出遷移循環(huán)過(guò)程見(jiàn)圖1),最終瓦斯不斷在隧道空間滲出聚集,形成高風(fēng)險(xiǎn)瓦斯工區(qū)。由于瓦斯密度輕,會(huì)在拱頂部位大量聚集,若監(jiān)測(cè)不及時(shí),施工過(guò)程通風(fēng)不良,極易發(fā)生瓦斯爆炸。瓦斯災(zāi)害事故中,瓦斯?jié)B出誘因占比較大。
圖1 瓦斯?jié)B出遷移循環(huán)過(guò)程
然而,巖體開(kāi)挖后瓦斯?jié)B流是一個(gè)極其復(fù)雜的熱流固耦合作用過(guò)程,即是溫度、滲流和應(yīng)力的耦合,耦合作用機(jī)制見(jiàn)圖2。圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化會(huì)導(dǎo)致巖體孔隙率、滲透率改變,開(kāi)挖后的臨空面形成壓力梯度,從而導(dǎo)致吸附的瓦斯解吸,變?yōu)橛坞x態(tài)釋放,形成熱對(duì)流影響溫度場(chǎng),溫度場(chǎng)的變化產(chǎn)生溫度應(yīng)力進(jìn)而作用于應(yīng)力場(chǎng),相互耦合循環(huán)作用。
圖2 瓦斯熱流固耦合作用機(jī)制
巖體、煤的孔隙發(fā)育情況用孔隙率來(lái)表示,孔隙率直接影響瓦斯在巖體中的解吸與運(yùn)移特性。考慮到熱流固耦合,孔隙率表達(dá)式中考慮溫度T、滲流場(chǎng)瓦斯壓力p及應(yīng)力場(chǎng)中的應(yīng)變參數(shù)。巖體孔隙率表達(dá)式為
(1)
式中:β為巖體孔隙率;φ0為初始孔隙率;εv為體積應(yīng)變; Δp為瓦斯壓力變化值;ks為骨架體積模量;γ為巖體密度; ΔT為溫度變化值。
滲透率方程通過(guò)溫度、應(yīng)變、瓦斯壓力與溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)耦合。煤巖體滲透率表達(dá)式為
(2)
式中:k為滲透率;k0為初始滲透率。
因此,瓦斯煤滲流耦合方程可表示為
(3)
式中:p為瓦斯壓力;t為瓦斯吸附解吸時(shí)間;a、b、c為瓦斯在煤層中單獨(dú)吸附時(shí)的吸附常數(shù); ?為微分算子;μ為氣體黏度;h為煤的高度;Qs為單位體積煤的瓦斯含量;R為摩爾氣體常數(shù);T為溫度;M為摩爾質(zhì)量。
由于瓦斯的吸附解吸和滲流過(guò)程是一個(gè)非等溫過(guò)程,在煤/巖體開(kāi)挖后將引起地層溫度場(chǎng)的改變,通常將瓦斯吸附解吸作為熱源考慮[19]。微分方程為
(4)
式中:η為煤體導(dǎo)熱系數(shù);q為瓦斯?jié)B流速度;Q為瓦斯含量;ρ為巖體密度;Cv為常壓熱容;T0為初始溫度;Vm為摩爾體積。
綜合考慮地應(yīng)力、瓦斯壓力及溫度應(yīng)力后,熱流固耦合本構(gòu)方程可表示為
(5)
式中:G、λ為拉梅常數(shù);εij為應(yīng)變;δij為Kronecker系數(shù)。
應(yīng)力場(chǎng)控制方程為
(6)
式中:ui,jj、uj,ji為位移張量;p,i為瓦斯壓力;Fi為外荷載;ν為泊松比。
應(yīng)力場(chǎng)控制方程可展開(kāi)為:
(7)
其中:
(8)
(9)
(10)
式(7)—(10)中:A、B為系數(shù);g為重力加速度;u、v、w分別為笛卡爾坐標(biāo)系x、y、z方向的位移分量。
最后,通過(guò)在特定初始值與邊界條件下,求解偏微分方程組,研究孔隙率、滲透率和壓力隨時(shí)間的變化。
石柱至黔江高速公路(簡(jiǎn)稱(chēng)石黔高速公路)七曜山隧道進(jìn)口位于重慶市石柱縣三匯鄉(xiāng)苦草壩境內(nèi)(高龍洞煤礦北側(cè)坡腳),出口位于重慶市石柱縣龍?zhí)多l(xiāng)楊家河壩境內(nèi)。隧道左線(xiàn)全長(zhǎng)5 378 m,右線(xiàn)全長(zhǎng)5 400 m,最大埋深約661 m,屬特長(zhǎng)隧道。
隧址區(qū)煤系地層為P3w1,可采煤層為其底部K1煤層。根據(jù)調(diào)查,隧址區(qū)有2條采煤巷道: 高龍洞煤礦采煤巷道1為老巷道,空間位置位于隧道洞頂200 m,預(yù)計(jì)對(duì)新建隧道工程影響較??;采煤巷道2的空間位置位于隧道洞頂45 m以上,但尚未到達(dá)煤層,未進(jìn)行煤礦開(kāi)采。隧道穿越二疊系上統(tǒng)吳家坪組頁(yè)巖含煤線(xiàn),隧道近正交穿越礦產(chǎn)中部,為瓦斯區(qū),縱斷面見(jiàn)圖3。根據(jù)勘察報(bào)告,隧道穿煤段落及瓦斯段落情況見(jiàn)表1。
隧道出口段左右線(xiàn)掌子面超前鉆孔內(nèi)溢出氣體主要由甲烷(CH4)、氧氣(O2)和氮?dú)?N2)構(gòu)成,并含有少量的乙烷(C2H6)和二氧化碳(CO2),為典型的瓦斯氣體,氣樣成分測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)TB 10120—2019《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定: 鐵路隧道勘測(cè)與施工過(guò)程中,通過(guò)地質(zhì)勘探或施工檢測(cè)表明隧道內(nèi)存在瓦斯,該隧道應(yīng)定為瓦斯隧道[20]。依據(jù)《石黔高速公路七曜山隧道出口段施工溢出氣體成分檢測(cè)及來(lái)源分析和等級(jí)劃分報(bào)告》可知,檢測(cè)段落測(cè)得絕對(duì)瓦斯涌出量在0.99~2.10 m3/min,屬于高瓦斯區(qū)。因此,開(kāi)展了該地層條件下隧道施工過(guò)程中瓦斯遷移規(guī)律研究工作。
圖3 隧道穿煤段落縱斷面圖
表1 隧道穿煤段落及瓦斯段落情況
表2 氣樣成分測(cè)定結(jié)果
模型建立時(shí)考慮多種工況: 1)為了說(shuō)明模型中考慮的幾何模型變化,引入?yún)?shù)l(隧道掌子面距煤層最近的距離,未揭露時(shí)為正,揭露時(shí)為負(fù)),考慮工況為+50、+30、+10、-10 m; 2)瓦斯壓力工況為2.5、1.5、1.0、0.5 MPa。
模型四周為零流量紐曼邊界;隧道開(kāi)挖面及支護(hù)段為狄利克雷邊界條件;固體力學(xué)邊界中,底部為固定約束,其余為輥支撐,隧道周邊為自由邊界;頂部豎向圍巖壓力為2.5 MPa。幾何模型見(jiàn)圖4。巖體采用多孔材料,分析模型中主要物理參數(shù)取值見(jiàn)表3,計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為100 h。采用多物理場(chǎng)分析軟件COMSOL Multiphysics求解系數(shù)式偏微分方程(PDE)。
p1為煤層瓦斯壓力; p2為圍巖瓦斯壓力。
表3 主要物理參數(shù)取值
2.3.1 瓦斯壓力場(chǎng)分析
由于隧道開(kāi)挖引起圍巖的擾動(dòng),巖層的應(yīng)力狀態(tài)也隨之改變,最終形成一個(gè)松動(dòng)塑性區(qū),塑性區(qū)的形成會(huì)改變圍巖的孔隙率,同時(shí)也會(huì)改變瓦斯的孔隙壓力,進(jìn)而影響其流動(dòng)速率。為了研究隧道揭露煤層后掌子面前方瓦斯壓力場(chǎng)分布特性及瓦斯解吸滲透特性,選取隧道掌子面仰拱前方5 m作為監(jiān)測(cè)線(xiàn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為0.5 m。隧道正前方瓦斯壓力分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。分析圖5可知: 1)隨著隧道開(kāi)挖揭露煤層,瓦斯邊界條件發(fā)生改變,形成新的流通邊界,瓦斯快速涌入隧道內(nèi)部空間,伴隨時(shí)間的推移,監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力整體出現(xiàn)降低; 2)不同深度監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力存在較大差異,距掌子面越遠(yuǎn)瓦斯壓力降低速度越慢,掌子面處瓦斯壓力降低速度最快,前10 h內(nèi)瓦斯壓力快速降低,20 h后達(dá)到平衡。圖6為沿工作面走向瓦斯壓力分布曲線(xiàn)圖。由圖6可知,在掌子面前3 m內(nèi)瓦斯壓力降低幅度最大(可達(dá)1.2 MPa),表明這個(gè)區(qū)域是卸壓區(qū),圍巖變形大,圍巖應(yīng)力變化大,在施工階段容易發(fā)生瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn),掌子面可能會(huì)發(fā)生坍塌破環(huán)。
圖5 隧道正前方瓦斯壓力隨時(shí)間分布曲線(xiàn)
圖6 沿工作面走向瓦斯壓力分布曲線(xiàn)
不同時(shí)刻瓦斯壓力變化切面圖見(jiàn)圖7。由圖7可知: 1)瓦斯從煤層的高壓區(qū)向低壓區(qū)流動(dòng),由于模型四周為零流量邊界,掌子面為狄利克雷邊界,隨著掌子面開(kāi)挖,瓦斯不斷解吸涌入隧道,整個(gè)煤層的瓦斯壓力逐漸擴(kuò)散降低,瓦斯壓力變化最快的是掌子面處,該范圍內(nèi)掌子面形成卸壓區(qū); 2)隨著時(shí)間的增長(zhǎng),隧道周邊瓦斯壓力場(chǎng)逐漸降低,最終達(dá)到平衡。
(a) 1 h
(b) 5 h
(a) 24 h
(b) 100 h
2.3.2 巖體孔隙率變化特性分析
對(duì)于含瓦斯煤層,孔隙壓力的變化會(huì)影響煤層本身孔隙介質(zhì)應(yīng)力的變化。由于孔隙介質(zhì)應(yīng)力的變化,會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙率、滲透率發(fā)生改變。孔隙率變化分布圖見(jiàn)圖8。由圖8可知,煤層與隧道拱頂區(qū)域是孔隙率變化最大的位置。圖9為掌子面仰拱前方5 m內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)孔隙率隨時(shí)間分布曲線(xiàn),結(jié)合圖5可知,相同位置的瓦斯壓力變化與孔隙率變化具有相同趨勢(shì)??紫堵收w呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì),在前10 h內(nèi)降低幅度最大,隨后降低梯度逐漸變小,在10 h左右孔隙率趨于穩(wěn)定。孔隙率降低變化量隨著距掌子面越遠(yuǎn)變化值越低,達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也隨之增長(zhǎng)。
(a) 初始時(shí)刻孔隙率
(b) 最終時(shí)刻孔隙率
圖9 隧道正前方孔隙率隨時(shí)間分布曲線(xiàn)
2.3.3 瓦斯壓力梯度分析
瓦斯壓力梯度變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。由圖10可知: 1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯壓力梯度在前1 h內(nèi)快速升高,主要是臨空面瓦斯壓力突然釋放,滲透壓力差大,形成瓦斯?jié)B流開(kāi)放區(qū),進(jìn)而產(chǎn)生大量的瓦斯遷移; 2)瓦斯壓力梯度在1~20 h快速降低,表面瓦斯流動(dòng)速率降低也會(huì)伴隨著瓦斯壓力的降低,曲線(xiàn)斜率也逐漸降低,表面瓦斯流動(dòng)速度變緩,瓦斯壓力梯度隨著掌子面開(kāi)挖暴露時(shí)間的增加而出現(xiàn)降低; 3)瓦斯壓力梯度在40 h后趨于穩(wěn)定,同時(shí)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最終壓力梯度變化值相差較小。壓力梯度的變化符合瓦斯壓力變化情況,在前20 h內(nèi)變化較劇烈,也符合煤層“三帶”分布規(guī)律。因此,在掌子面揭露煤層后,前期瓦斯壓力變化速度快,在前20 h內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)最高。
圖10 瓦斯壓力梯度變化曲線(xiàn)
2.3.4 不同初始條件下瓦斯壓力運(yùn)移特性分析
為了掌握隧道掘進(jìn)過(guò)程中距煤層不同距離時(shí)掌子面瓦斯壓力變化特性,選取隧道斷面距煤層最近距離10、30、50 m作為研究變量,監(jiān)測(cè)隧道仰拱位置瓦斯壓力變化特性。距煤層不同距離時(shí)瓦斯壓力變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖11。由圖11可知,在未揭露煤層段施工時(shí),掌子面前方瓦斯壓力較小,在前15 h內(nèi)瓦斯壓力降低較快,不同距離下瓦斯壓力變化趨勢(shì)相同,隨著距煤層距離的增加,最終瓦斯壓力穩(wěn)定值呈相反變化趨勢(shì),在40 h后趨于穩(wěn)定。同時(shí),為了厘清煤層不同初始?jí)毫l件下瓦斯?jié)B流變化情況,設(shè)定0.5、1.0、1.5、2.5 MPa初始條件進(jìn)行分析,監(jiān)測(cè)線(xiàn)位于仰拱前方10 m,提取瓦斯解吸運(yùn)移100 h后該監(jiān)測(cè)線(xiàn)上瓦斯壓力變化。不同初始?jí)毫l件下瓦斯壓力變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖12。由圖12可知: 1)隨著距掌子面距離的增加,瓦斯壓力逐漸增加,在前2 m范圍內(nèi)變化最快; 2)初始瓦斯壓力越大,瓦斯壓力場(chǎng)隨距離衰減就越慢,反之,初始瓦斯壓力場(chǎng)越小,需要達(dá)到平衡的距離就越短,達(dá)到平衡的時(shí)間也越短。
圖11 距煤層不同距離時(shí)瓦斯壓力變化曲線(xiàn)
圖12 不同初始?jí)毫l件下瓦斯壓力變化曲線(xiàn)
1)基于多物理場(chǎng)耦合作用機(jī)制,推導(dǎo)了瓦斯?jié)B透熱流固耦合模型,通過(guò)多工況分析研究了揭煤后瓦斯遷移特性。由于隧道開(kāi)挖引起圍巖的擾動(dòng),巖層的應(yīng)力狀態(tài)也隨之改變,最終形成一個(gè)松動(dòng)塑性區(qū),塑性區(qū)的形成會(huì)改變圍巖的孔隙率,同時(shí)也會(huì)改變瓦斯的孔隙壓力,進(jìn)而影響其流動(dòng)速率。
2)距掌子面越遠(yuǎn)瓦斯壓力降低速度越慢,其中掌子面處瓦斯壓力降低最快,壓力場(chǎng)在20 h后達(dá)到平衡,距離掌子面越遠(yuǎn)瓦斯壓力達(dá)到平衡的時(shí)間也越長(zhǎng)。在掌子面前3 m內(nèi)瓦斯壓力降低幅度最大(可達(dá)1.2 MPa),即該區(qū)域是卸壓區(qū),圍巖變形大,圍巖應(yīng)力變化大,施工階段容易發(fā)生瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn),掌子面可能會(huì)發(fā)生坍塌破環(huán)。
3)對(duì)于含瓦斯煤層,孔隙壓力的變化會(huì)影響煤層本身孔隙介質(zhì)應(yīng)力的變化。由于孔隙介質(zhì)應(yīng)力的變化,會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙率、滲透率發(fā)生改變。相同位置的瓦斯壓力變化與孔隙率變化具有相同趨勢(shì)??紫堵收w呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì),在前10 h內(nèi)降低幅度最大,隨后降低梯度逐漸變小??紫堵式档妥兓侩S著距掌子面越遠(yuǎn)變化值越低,達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也隨之增長(zhǎng)。
4)當(dāng)隧道未掘進(jìn)煤層時(shí),掌子面前方瓦斯壓力較小,在前15 h內(nèi)瓦斯壓力降低較快,不同距離下瓦斯壓力變化趨勢(shì)相同,隨著距煤層距離的增加,最終瓦斯壓力穩(wěn)定值呈相反變化趨勢(shì),在40 h后趨于穩(wěn)定。
5)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看,在采取多項(xiàng)綜合措施后未發(fā)生瓦斯災(zāi)害,但在仰拱底部存在多點(diǎn)瓦斯溢出口,且施工期間一直在溢出,需要注意該溢出口的處理,特別是要加強(qiáng)襯砌防水,保障隧道運(yùn)營(yíng)期不受瓦斯災(zāi)害的影響。
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