采空區(qū)埋地油氣管道變形監(jiān)測(cè)及穩(wěn)定性分析

李正勝

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煤炭科學(xué)研究總院），北京 100013）

煤炭作為我國(guó)主要的能源之一，隨著多年的大規(guī)模、高強(qiáng)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(guó)油氣管道的大量建設(shè)，管道不可避免的需要經(jīng)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(chǎn)的開采是一動(dòng)態(tài)過程，二次擾動(dòng)會(huì)進(jìn)一步引起地面的沉陷，進(jìn)一步威脅管道安全。因此，位移監(jiān)測(cè)成為評(píng)價(jià)分析油氣管道穩(wěn)定性的直觀手段，在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)值計(jì)算從應(yīng)力和位移角度系統(tǒng)分析采空區(qū)管道的塌陷響應(yīng)機(jī)理，全面評(píng)價(jià)“管道－地質(zhì)體”一體化的災(zāi)變過程，對(duì)于保障采空區(qū)埋地油氣管道的安全與運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。

針對(duì)于此，近年來眾多學(xué)者對(duì)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(yíng)等[3]采用ANSYS軟件分析了某采空區(qū)對(duì)地表穩(wěn)定性的影響，研究了采空區(qū)地表變形機(jī)理,并為擬建結(jié)構(gòu)提供了變形的相關(guān)參數(shù)，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(shù)值分析模型，分析頂板的二次沉陷對(duì)管道的影響機(jī)理，吳韶艷[5]等基于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了油氣管道的穩(wěn)定性，并通過FLAC3D軟件對(duì)圍巖體和管道的變形機(jī)理和趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，并討論了產(chǎn)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(dòng)盆地的最大沉降量關(guān)系，以此對(duì)采空區(qū)上方管道的安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。王鴻[7]等對(duì)采空區(qū)地表移動(dòng)對(duì)埋地管線的影響進(jìn)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(dòng)形態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，均為經(jīng)驗(yàn)及理論，未能結(jié)合具體的地質(zhì)、開采方法進(jìn)行研究。Limura S[8]通過管道撓度測(cè)量?jī)x，對(duì)管道的不均勻沉降進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),采用彈性地基梁理論和數(shù)值分析的方法，根據(jù)變形量對(duì)管道的應(yīng)力水平進(jìn)行評(píng)估。在已有研究的基礎(chǔ)上，通過監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對(duì)過采空區(qū)埋地油氣管道的穩(wěn)定性做了進(jìn)一步分析，分析了采空區(qū)影響下的地表運(yùn)動(dòng)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(hù)提供有益的依據(jù)。

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(xiàng)目之一，管道從云南瑞麗市進(jìn)入中國(guó)境內(nèi)，終點(diǎn)到達(dá)廣西貴港市，為我國(guó)油氣進(jìn)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(duì)位置如圖1，管線穿越場(chǎng)區(qū)地貌單元為山前坡地，地形起伏較大，管線北側(cè)場(chǎng)地較平坦，兩側(cè)相對(duì)高差約18 m，場(chǎng)區(qū)高程一般為527～535 m，地層巖性主要為含礫粉質(zhì)黏土、黏土、泥灰?guī)r和石灰?guī)r組成。由于管線的西側(cè)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(xì)巖土勘察的基礎(chǔ)上對(duì)過采空區(qū)的埋地油氣管道的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，揭示“管道－地質(zhì)體”一體化變形演化過程，為油氣管道穿越采空區(qū)的鋪設(shè)、維護(hù)、運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

2 變形監(jiān)測(cè)與穩(wěn)定性分析

圖1 管線穿越采空區(qū)相對(duì)位置

采空區(qū)是在采掘活動(dòng)中，伴隨著開采過程形成的，長(zhǎng)期的開采擾動(dòng)，圍巖體會(huì)在空間和時(shí)間上經(jīng)歷不同程度的損傷演化過程，不同深度的巖體會(huì)有不同程度的移動(dòng)，因此監(jiān)測(cè)不同深度巖體的位移可以較為直觀的對(duì)圍巖體的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，巖體深部多點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)相較于單一的表面位移監(jiān)測(cè)具有一定的超前性[10-12]。采空區(qū)形成以后，頂板巖體會(huì)在采動(dòng)影響下發(fā)生漸進(jìn)失穩(wěn)破壞，并且在時(shí)間上和空間上呈現(xiàn)出較大不可預(yù)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(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失和社會(huì)影響。油氣管道屬于薄壁、柔性、細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)于其支撐體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)十分敏感，處在采空區(qū)上方的埋地油氣管道與相對(duì)巖土地層形成“管道－巖土體”一體化結(jié)構(gòu)，同時(shí)，采空區(qū)頂板巖體伴隨著開采活動(dòng)會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)化的地表沉降，一體化結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力會(huì)發(fā)生較大改變，協(xié)同變形的不均勻性會(huì)產(chǎn)生臨空、擠壓和彎折等，在外力荷載作用下，油氣管道會(huì)產(chǎn)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(cè)采用自行研發(fā)的深部錨固式多點(diǎn)位移計(jì)，通過在頂板巖體不同深度布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)支撐巖體不同深度的巖層位移情況進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)裝置主要包括測(cè)管、測(cè)量盤、銦鋼絲、卡扣和數(shù)據(jù)傳輸裝置5部分組成，采用分布網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)人員可隨時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)閱、顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并具有繪制數(shù)據(jù)曲線、分析評(píng)判等功能[15-16]。

2.1 采空區(qū)頂板變形監(jiān)測(cè)

本次監(jiān)測(cè)工作在管線經(jīng)過的采空區(qū)4個(gè)方向布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。分別在距離巖體表面深20、15、10、5 m處布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體穩(wěn)定性的立體監(jiān)測(cè)，多點(diǎn)位移計(jì)采空區(qū)頂板位移監(jiān)測(cè)布置如圖2。

2.2 采空區(qū)穩(wěn)定性分析

圖2 監(jiān)測(cè)設(shè)備斷面布置圖

圖3 采空區(qū)頂板巖體不同深度位移時(shí)間曲線圖

采空區(qū)頂板巖體不同深度位移時(shí)間曲線如圖3，1#和4#測(cè)點(diǎn)處在山體傾向壓力與采空區(qū)豎向沉降的耦合效應(yīng)綜合影響下，不同深度內(nèi)的巖體內(nèi)都呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變形增大的趨勢(shì)；而2#和3#測(cè)點(diǎn)距山體邊坡較遠(yuǎn)，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(xiàn)象較為明顯。通過監(jiān)測(cè)曲線圖可以看出，頂板巖體損傷呈現(xiàn)出一定的時(shí)空差異性。在時(shí)間上，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的巖層變形呈現(xiàn)漸進(jìn)增大的特點(diǎn)，位移最后都趨于穩(wěn)定，巖體內(nèi)部的損傷經(jīng)歷了“穩(wěn)定—失衡—再穩(wěn)定”的過程，因此管道安裝時(shí)間應(yīng)盡量避開采空區(qū)巖層“活化”時(shí)間段；在空間上，淺部巖體總體上位移較大，深部位移相對(duì)較小，在山體和采空區(qū)綜合影響下，1#和4#測(cè)點(diǎn)的邊巖體位移變化較大，2#和3#測(cè)點(diǎn)巖體內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)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(yīng)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(shù)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(zhì)體”一體化的三維計(jì)算模型，管道采用橫觀各向同性彈性材料本構(gòu)模型和薄殼單元，巖土體采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型和實(shí)體單元。根據(jù)管道穿越采空區(qū)的相對(duì)位置，建立數(shù)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(guān)參數(shù)見表1。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型圖

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)表

不同方向應(yīng)力云圖如圖5。根據(jù)圖5（a）和圖5（b）的位移和應(yīng)力結(jié)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?yàn)楣艿篮蛶r土體協(xié)同變形過程中，管道變形小于巖土體變形，管道對(duì)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(cè)的位移呈現(xiàn)出“啞鈴狀”分布，并且呈現(xiàn)出下大上小的特點(diǎn)，并且水平移動(dòng)的最大值并不位于采空區(qū)中心。

根據(jù)圖5（c）豎向剖面應(yīng)力云圖可以看出，采空區(qū)上覆圍巖體呈現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力釋放過程，拉應(yīng)力破壞區(qū)主要出現(xiàn)在頂?shù)装鍏^(qū)域，是造成煤層頂?shù)装迤屏训孛嫠葜饕W(xué)機(jī)理，拉應(yīng)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(yīng)力跡線拱，靠近管道的地表主要為壓應(yīng)力區(qū)，這也是管道周圍基本穩(wěn)定，沒有產(chǎn)生較大位移的內(nèi)因。

4 討論

圖5 不同方向位移、應(yīng)力云圖

監(jiān)測(cè)采用自行研發(fā)的錨固式多點(diǎn)位移計(jì)在監(jiān)測(cè)采空區(qū)埋地油氣管道變形方面具有便于安裝，對(duì)于管道靜態(tài)平衡擾動(dòng)較小的特點(diǎn)，實(shí)際監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬結(jié)果在位移和最大沉降位置方面非常接近，但數(shù)值模擬結(jié)果均小于實(shí)測(cè)值。其中產(chǎn)生的誤差是由于數(shù)值模擬采用“管道—地質(zhì)體”一體化的三維計(jì)算模型，而實(shí)際測(cè)量中只監(jiān)測(cè)了采空區(qū)頂板巖體變形，數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)于預(yù)測(cè)采空區(qū)變形趨勢(shì)局具有很好的指導(dǎo)意義，能夠反應(yīng)其真實(shí)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(cè)設(shè)備，對(duì)于提高監(jiān)測(cè)和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)精度至關(guān)重要。

5 結(jié)論

1）在采空區(qū)影響下，頂板巖層破壞損傷呈現(xiàn)出一定的時(shí)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(xiàn)象較為明顯。在時(shí)間上，巖體的損傷經(jīng)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(yīng)該時(shí)間上應(yīng)盡量避開采空區(qū)巖層“活化”時(shí)間段，空間上應(yīng)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(xiàn)很強(qiáng)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(cè)的位移呈現(xiàn)出啞鈴狀分布，并且呈現(xiàn)出上大下小的特點(diǎn)，水平移動(dòng)的最大值并不位于采空區(qū)中心，而是偏向山體部位。