李正勝

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京 100013）

煤炭作為我國主要的能源之一，隨著多年的大規(guī)模、高強度開采，開采區(qū)域遺留下了很多礦洞、巷道和礦柱。近年來，隨著我國油氣管道的大量建設，管道不可避免的需要經過煤礦采空區(qū)，此種情況日益增加，給管道的安全帶來了極大影響[1-2]。地下礦產的開采是一動態(tài)過程，二次擾動會進一步引起地面的沉陷，進一步威脅管道安全。因此，位移監(jiān)測成為評價分析油氣管道穩(wěn)定性的直觀手段，在此基礎上，通過數值計算從應力和位移角度系統分析采空區(qū)管道的塌陷響應機理，全面評價“管道－地質體”一體化的災變過程，對于保障采空區(qū)埋地油氣管道的安全與運營至關重要。

針對于此，近年來眾多學者對采空區(qū)埋地油氣管道的穩(wěn)定性問題開展了大量的研究，吳兆營等[3]采用ANSYS軟件分析了某采空區(qū)對地表穩(wěn)定性的影響，研究了采空區(qū)地表變形機理,并為擬建結構提供了變形的相關參數，史永霞[4]等基于三向土彈簧理論和管土接觸理論，通過建立數值分析模型，分析頂板的二次沉陷對管道的影響機理，吳韶艷[5]等基于現場監(jiān)測數據分析了油氣管道的穩(wěn)定性，并通過FLAC3D軟件對圍巖體和管道的變形機理和趨勢進行了預測分析，并討論了產生誤差的原因?？禈穂6]等分析了急傾斜煤采空區(qū)上部管道的最大允許沉降量與地表移動盆地的最大沉降量關系，以此對采空區(qū)上方管道的安全性進行了評價分析。王鴻[7]等對采空區(qū)地表移動對埋地管線的影響進行了初步研究，初步判定管線的安全狀態(tài)，但僅從理論上的移動形態(tài)進行了計算，均為經驗及理論，未能結合具體的地質、開采方法進行研究。Limura S[8]通過管道撓度測量儀，對管道的不均勻沉降進行連續(xù)監(jiān)測,采用彈性地基梁理論和數值分析的方法，根據變形量對管道的應力水平進行評估。在已有研究的基礎上，通過監(jiān)測與數值模擬相結合的方式對過采空區(qū)埋地油氣管道的穩(wěn)定性做了進一步分析，分析了采空區(qū)影響下的地表運動特征和管道豎向位移和水平位移的變化規(guī)律，為油氣管道穿越采空區(qū)的安全防護提供有益的依據。

1 工程背景

中緬天然氣管道是規(guī)劃的“十一五”期間重大管道項目之一，管道從云南瑞麗市進入中國境內，終點到達廣西貴港市，為我國油氣進口的西南戰(zhàn)略通道[9]。管道通過的荔波縣立化鎮(zhèn)，需穿越荔波縣立化鎮(zhèn)平寨村的平寨煤礦遺留采空區(qū)，采空區(qū)與管線相對位置如圖1，管線穿越場區(qū)地貌單元為山前坡地，地形起伏較大，管線北側場地較平坦，兩側相對高差約18 m，場區(qū)高程一般為527～535 m，地層巖性主要為含礫粉質黏土、黏土、泥灰?guī)r和石灰?guī)r組成。由于管線的西側為山體邊坡，線路繞行過程中，管線的中下部需跨越采空區(qū)，因此需要在詳細巖土勘察的基礎上對過采空區(qū)的埋地油氣管道的變形進行監(jiān)測，揭示“管道－地質體”一體化變形演化過程，為油氣管道穿越采空區(qū)的鋪設、維護、運營提供科學依據。

2 變形監(jiān)測與穩(wěn)定性分析

圖1 管線穿越采空區(qū)相對位置

采空區(qū)是在采掘活動中，伴隨著開采過程形成的，長期的開采擾動，圍巖體會在空間和時間上經歷不同程度的損傷演化過程，不同深度的巖體會有不同程度的移動，因此監(jiān)測不同深度巖體的位移可以較為直觀的對圍巖體的穩(wěn)定狀態(tài)進行評估，巖體深部多點位移監(jiān)測相較于單一的表面位移監(jiān)測具有一定的超前性[10-12]。采空區(qū)形成以后，頂板巖體會在采動影響下發(fā)生漸進失穩(wěn)破壞，并且在時間上和空間上呈現出較大不可預知性，其上的埋地油氣管道一旦隨之失穩(wěn)破壞必將造成較為嚴重的財產損失和社會影響。油氣管道屬于薄壁、柔性、細長結構，對于其支撐體的動態(tài)響應十分敏感，處在采空區(qū)上方的埋地油氣管道與相對巖土地層形成“管道－巖土體”一體化結構，同時，采空區(qū)頂板巖體伴隨著開采活動會出現動態(tài)化的地表沉降，一體化結構內的應力會發(fā)生較大改變，協同變形的不均勻性會產生臨空、擠壓和彎折等，在外力荷載作用下，油氣管道會產生破裂，從而發(fā)生油氣泄露等重大安全事件[13-14]。本次監(jiān)測采用自行研發(fā)的深部錨固式多點位移計，通過在頂板巖體不同深度布置測點，對支撐巖體不同深度的巖層位移情況進行實時、連續(xù)監(jiān)測。監(jiān)測裝置主要包括測管、測量盤、銦鋼絲、卡扣和數據傳輸裝置5部分組成，采用分布網絡測量系統傳輸數據，實現連續(xù)、實時、自動化數據采集、存儲數據。監(jiān)測人員可隨時從數據庫中調閱、顯示監(jiān)測數據，并具有繪制數據曲線、分析評判等功能[15-16]。

2.1 采空區(qū)頂板變形監(jiān)測

本次監(jiān)測工作在管線經過的采空區(qū)4個方向布置監(jiān)測點。分別在距離巖體表面深20、15、10、5 m處布設4個監(jiān)測點，實現對巖體穩(wěn)定性的立體監(jiān)測，多點位移計采空區(qū)頂板位移監(jiān)測布置如圖2。

2.2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

圖2 監(jiān)測設備斷面布置圖

圖3 采空區(qū)頂板巖體不同深度位移時間曲線圖

采空區(qū)頂板巖體不同深度位移時間曲線如圖3，1#和4#測點處在山體傾向壓力與采空區(qū)豎向沉降的耦合效應綜合影響下，不同深度內的巖體內都呈現動態(tài)變形增大的趨勢；而2#和3#測點距山體邊坡較遠，在采空區(qū)影響下，頂板表面巖層位移較大，而深部巖體位移較小，離層現象較為明顯。通過監(jiān)測曲線圖可以看出，頂板巖體損傷呈現出一定的時空差異性。在時間上，所有監(jiān)測點的巖層變形呈現漸進增大的特點，位移最后都趨于穩(wěn)定，巖體內部的損傷經歷了“穩(wěn)定—失衡—再穩(wěn)定”的過程，因此管道安裝時間應盡量避開采空區(qū)巖層“活化”時間段；在空間上，淺部巖體總體上位移較大，深部位移相對較小，在山體和采空區(qū)綜合影響下，1#和4#測點的邊巖體位移變化較大，2#和3#測點巖體內部各測點位移變化差異較大，深部巖體已趨于穩(wěn)定，表層巖體位移明顯，因此此段管道安裝應盡量避開邊坡較陡區(qū)域以及填土和軟弱地基層。

3 管道穩(wěn)定性數值分析

采空區(qū)和管道為管—巖土相互作用，并且為三向受力，因此，采用“管道—地質體”一體化的三維計算模型，管道采用橫觀各向同性彈性材料本構模型和薄殼單元，巖土體采用摩爾庫倫本構模型和實體單元。根據管道穿越采空區(qū)的相對位置，建立數值模型如圖4，圖形尺寸為200 m×100 m×150 m,建模所需管道的相關參數見表1。

圖4 數值計算模型圖

表1 數值模擬計算參數表

不同方向應力云圖如圖5。根據圖5（a）和圖5（b）的位移和應力結果可以看出，因采空區(qū)影響地表形成的塌陷盆地的范圍比采空區(qū)范圍略大，形狀基本一致。地表下沉最大值恰位于采空區(qū)中心，為“倒盆型”，管道上方的土體變形小于其他部位，這是因為管道和巖土體協同變形過程中，管道變形小于巖土體變形，管道對所在部位巖土變形具有一定的支撐作用。在管道走向方向，采空區(qū)兩側的位移呈現出“啞鈴狀”分布，并且呈現出下大上小的特點，并且水平移動的最大值并不位于采空區(qū)中心。

根據圖5（c）豎向剖面應力云圖可以看出，采空區(qū)上覆圍巖體呈現較為明顯的應力釋放過程，拉應力破壞區(qū)主要出現在頂底板區(qū)域，是造成煤層頂底板破裂地面塌陷主要力學機理，拉應力集中區(qū)位于管道豎向的頂板上部中間地帶，形成明顯的等值應力跡線拱，靠近管道的地表主要為壓應力區(qū)，這也是管道周圍基本穩(wěn)定，沒有產生較大位移的內因。

4 討論

圖5 不同方向位移、應力云圖

監(jiān)測采用自行研發(fā)的錨固式多點位移計在監(jiān)測采空區(qū)埋地油氣管道變形方面具有便于安裝，對于管道靜態(tài)平衡擾動較小的特點，實際監(jiān)測值與數值模擬結果在位移和最大沉降位置方面非常接近，但數值模擬結果均小于實測值。其中產生的誤差是由于數值模擬采用“管道—地質體”一體化的三維計算模型，而實際測量中只監(jiān)測了采空區(qū)頂板巖體變形，數值模擬結果對于預測采空區(qū)變形趨勢局具有很好的指導意義，能夠反應其真實變形過程，但略偏于不安全，如何研發(fā)“管道—巖體一體化”監(jiān)測設備，對于提高監(jiān)測和穩(wěn)定性評價精度至關重要。

5 結論

1）在采空區(qū)影響下，頂板巖層破壞損傷呈現出一定的時空差異性，在空間上，表面巖層位移較大，而深部巖體位移較小，離層現象較為明顯。在時間上，巖體的損傷經歷了“穩(wěn)定—失衡—再穩(wěn)定”的過程，因此采空區(qū)上方的管道安裝應該時間上應盡量避開采空區(qū)巖層“活化”時間段，空間上應避開邊坡較陡區(qū)域以及填土和軟弱地基層。

2）采空區(qū)埋地油氣管道變形呈現很強的規(guī)律性。在傾向上，采空區(qū)影響地表形成的塌陷盆地的范圍比采空區(qū)范圍略大，形狀為凹型盆狀，地表下沉最大值恰位于采空區(qū)中心，管道上方的土體變形小于其他部位；在管道走向方向，采空區(qū)兩側的位移呈現出啞鈴狀分布，并且呈現出上大下小的特點，水平移動的最大值并不位于采空區(qū)中心，而是偏向山體部位。