地下開(kāi)采誘發(fā)地表變形及其對(duì)液體管道安全影響的研究

張國(guó)來(lái)，孫曉鯤，馬銀閣，張文韜

（1.北京城建房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100010；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京 100083；3. 北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144）

0 引言

城市地下管線包括供水、排水、天然氣、電力以及熱力等埋地管線及其保障附屬設(shè)施，對(duì)城市的運(yùn)行起保障作用［1-7］。地下開(kāi)采將誘發(fā)上覆巖層和地表的移動(dòng)和變形，有可能導(dǎo)致地表建筑物和埋地管線的破壞，從而影響了城市的運(yùn)營(yíng)安全。因而，預(yù)判地表變形和破壞范圍，模擬不同開(kāi)采中段對(duì)地表的移動(dòng)和變形的影響，對(duì)安全范圍進(jìn)行區(qū)劃，并及時(shí)采取安全防控措施，避免人民生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅，對(duì)保障礦山開(kāi)挖具有重要的意義［8-10］。本文結(jié)合某中部城市礦山開(kāi)采工程實(shí)例，對(duì)地下開(kāi)采誘發(fā)的地表沉降變形區(qū)進(jìn)行了預(yù)測(cè)、以及對(duì)埋地管網(wǎng)及市政設(shè)施的安全造成影響進(jìn)行了分析，以便為類似礦區(qū)的安全提供參考。

表1 巖體物理力學(xué)性質(zhì)表

1 數(shù)值模擬研究

1.1 工程概況

某礦山為一大型鞍山式沉積變質(zhì)鐵礦床。全區(qū)共分大小 17 個(gè)礦體，首先開(kāi)采Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ 號(hào)三個(gè)礦體，這三個(gè)礦體與礦區(qū)內(nèi)的三條斷裂帶縱橫交錯(cuò)，相互關(guān)聯(lián)，相互影響，三條斷裂帶分別命名為 F1、F2、F3。地層由平均厚度為 60 m 至 170 m 的第四系（主要成分為粉土、黏土、粉質(zhì)黏土、砂層、礫卵石層及淤泥質(zhì)粉土）和太古界單塔子群白廟子組構(gòu)成了地層分布。此次開(kāi)采的為 -180～-900 m 范圍內(nèi)的礦體，由于礦體埋深較深，為確保施工安全，開(kāi)采設(shè)計(jì)分為上下 2 個(gè)采區(qū)，其中-180～-540 m 范圍為上部采區(qū)、-540～-900 m 的范圍為下部采區(qū)。由于該礦山所在地理位置特殊，緊鄰灤河，施工難度較大，因此采用上、下采區(qū)同時(shí)開(kāi)采，采取分層充填的開(kāi)采方法。

1.2 地表變形區(qū)劃

應(yīng)用 FLAC3D 建立開(kāi)采的三維模型，礦體傾向?yàn)?X 軸，走向?yàn)?Y 軸。該模型設(shè)計(jì)尺寸為走向長(zhǎng)度8 000 m、傾向長(zhǎng)度為 4 200 m、深度 2 400 m，移動(dòng)角為 45°；三維模型劃分 141 263 個(gè)單元，57 870 個(gè)節(jié)點(diǎn)。以 60 m 為一個(gè)中段，20m為一個(gè)分段，在 -900 m 處和 -540 m 處同時(shí)進(jìn)行上下采區(qū)分層開(kāi)采，分六步采完，并以 90 % 接頂率進(jìn)行填充。巖體的物理力學(xué)參數(shù)如表 1 所示，布置高度及開(kāi)采次序如表 2 所示。

設(shè)置模型位移邊界條件為：底面 xz 為固定約束，模型上部邊界為自由邊界，并且僅考慮自身重力的影響。上、下采區(qū)同時(shí)開(kāi)采，采礦方法嗣后充填法。模型示意圖如圖 1 所示。

表2 布置高度及開(kāi)采次序

圖1 模型示意圖

開(kāi)采誘發(fā)地表沉降云圖如圖 2 所示，開(kāi)采誘發(fā)地表沉降曲線如圖 3 所示。沉降云圖和沉降曲線表明，隨著開(kāi)采步驟的不斷增加，采區(qū)邊緣地帶沉降差值越來(lái)越大，并最終形成沉陷盆地。在斷裂帶 37、63 點(diǎn)處，由于存在斷裂，此處產(chǎn)生沉降值的異常變化，在斷裂帶的邊緣區(qū)域沉降值衰減快，此次沉降差較大，對(duì)地表建筑和市政設(shè)施的安全威脅極大。

根據(jù)我國(guó)有關(guān)地表變形破壞范圍通常使用傾斜 i、曲率 k 和水平變形 ε 來(lái)衡量建筑物的破壞程度，規(guī)范規(guī)定如表 3 所示。

表3 建筑物破壞與地表變形關(guān)系

圖2 開(kāi)采后地表最終沉降云圖

圖3 地表主剖面沉降曲線

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，劃出相應(yīng)的變形區(qū)和破壞區(qū)如圖 4 所示，據(jù)此可以針對(duì)不同區(qū)域?qū)Ω黝惤ㄖO(shè)施、市政基礎(chǔ)設(shè)施提前制度安全防控措施。

圖4 地表變形破壞區(qū)區(qū)化圖

2 地表變形對(duì)埋地管道的影響

地下礦體開(kāi)采后形成的沉降區(qū)域，對(duì)各種埋地管道等地下附屬設(shè)施安全運(yùn)營(yíng)的影響非常大。主要影響特點(diǎn)表現(xiàn)為管道錯(cuò)斷、管道坡度的變化以及在管道承受附加應(yīng)力后產(chǎn)生的管道接頭錯(cuò)動(dòng)泄漏等現(xiàn)象，極易誘發(fā)災(zāi)害或?yàn)?zāi)難，下面以上下水管道為例，分析其影響特點(diǎn)。

2.1 傾斜變形的影響

地表的傾斜變形會(huì)引起管道坡度的變化，對(duì)于依靠流體自身重力作用的管道，地表傾斜變形會(huì)引起流體不暢，流體無(wú)法流動(dòng)，甚至產(chǎn)生局部回流現(xiàn)象，從而導(dǎo)致地下管道失去其功能。對(duì)于地表鐵路公路的建設(shè)危害較大，傾斜變形引起的地表坡度變化使得列車(chē)提速困難，嚴(yán)重影響使用效率。

在地下礦產(chǎn)資源開(kāi)挖研究中，國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)（下水管道最小管徑與最小設(shè)計(jì)坡度），可作為分析地表沉陷區(qū)對(duì)地下管網(wǎng)安全運(yùn)營(yíng)影響的評(píng)估依據(jù)，國(guó)家規(guī)定的下水管道最小管徑與最小設(shè)計(jì)坡度標(biāo)準(zhǔn)如表 4 所示。

表4 下水管道的最小管徑和最小設(shè)計(jì)坡度

2.2 水平變形的影響

水平變形主要表現(xiàn)為拉伸和壓縮的影響，正值表示拉伸變形，負(fù)值表示壓縮變形［11］。水平變形對(duì)埋地管線的影響很大，尤其表現(xiàn)在會(huì)使得地下管線接頭處產(chǎn)生破壞，特別是對(duì)焊接管道威脅性更大。該礦區(qū)地表建筑物主要為磚混結(jié)構(gòu)民房，抵抗水平變形的能力較差，一旦產(chǎn)生變形，就會(huì)嚴(yán)重影響建筑物或構(gòu)筑物的使用功能，造成破壞，甚至威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。

2.3 曲率變形的影響

曲率半徑可以用來(lái)表征埋地管線的彎曲變形情況。由于管道的長(zhǎng)細(xì)比很大，所以可將管道視為柔性體。地表曲率有正、負(fù)曲率之分，在負(fù)曲率作用下，構(gòu)筑物的基礎(chǔ)會(huì)產(chǎn)生八字形裂縫，在正曲率影響下，基礎(chǔ)可能產(chǎn)生倒八字裂縫。

2.4 工程實(shí)例分析

工程用管材為 X-65 型鋼、壁厚為 7 mm、管徑為 300 mm，泊松比為 0.3，埋深 1.5 m，彈性模量為E= 210 GPa，管道埋設(shè)在黏土里［12］，土體的屈服位移為0.007 5 m，土容重為 18 kN/m3，土體摩擦角為 30°。管道的計(jì)算長(zhǎng)度為 20 m，沉陷區(qū)域長(zhǎng)度為 10 m。通過(guò)數(shù)值模擬，提取管道的底點(diǎn)、頂點(diǎn)和側(cè)點(diǎn)管道的應(yīng)力、應(yīng)變變化數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。可以看出，管道靠近沉陷區(qū)一側(cè)與遠(yuǎn)離沉陷區(qū)一側(cè)的管段變化是非對(duì)稱的；在變形與非變形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)區(qū)域?yàn)楣艿缿?yīng)力和應(yīng)變最大處，其他區(qū)域則影響不大。從圖 5 中可以看出位于沉陷一側(cè)管道的最大應(yīng)力、應(yīng)變值點(diǎn)距轉(zhuǎn)折點(diǎn)很近，約 4 m。

圖5 沿管道底部、頂部及側(cè)部的軸向應(yīng)力變化

2.5 建筑物保護(hù)措施

該礦區(qū)地表大部分為磚混結(jié)構(gòu)，針對(duì)其特殊的開(kāi)采方式和復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，為確保開(kāi)采時(shí)地表建筑物和構(gòu)筑物以及地下管網(wǎng)設(shè)施不被破壞，避免人民生命財(cái)產(chǎn)安全受到威脅，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

1）建筑物保護(hù)措施。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果提前確定變形較大的區(qū)域，結(jié)合磚混結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提前采取相應(yīng)的加固措施，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)確定有針對(duì)性的加固方案。

2）開(kāi)挖變形截?cái)鄿?。靠近采區(qū)一側(cè)開(kāi)挖一定深度的變形截?cái)鄿?，減小變形對(duì)建筑物的作用，從而減小建筑物的破壞程度。

3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。上下兩個(gè)采區(qū)同時(shí)開(kāi)采產(chǎn)生的復(fù)合疊加作用是近些年來(lái)研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)上覆巖體及地表變形破壞，有效手段之一，根據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)技術(shù)分析，從而完善和修訂技術(shù)問(wèn)題。

4）及時(shí)充填。上下采區(qū)多次重復(fù)開(kāi)采使上覆巖體受到多次重復(fù)破壞，及時(shí)回填并采用強(qiáng)度較高的回填材料，減少上覆巖體的破壞程度，避免造成采空區(qū)尺寸過(guò)大易產(chǎn)生冒落。

3 結(jié)語(yǔ)

地下開(kāi)采形成地表沉陷，對(duì)地表建筑設(shè)施和市政設(shè)施產(chǎn)生變形和破壞。本文以某礦山為實(shí)例，運(yùn)用三維數(shù)值軟件對(duì)分層疊加開(kāi)采誘發(fā)地表變形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究和變形預(yù)測(cè)。結(jié)論表明，隨著開(kāi)采步驟增加、范圍擴(kuò)大，沉陷區(qū)域進(jìn)一步增大，其所導(dǎo)致的地表沉降堆積形成疊加效應(yīng)，從而影響礦區(qū)周邊的建筑物、管道等市政設(shè)施，導(dǎo)致了建筑物與管道的變形甚至破壞。然后對(duì)變形產(chǎn)生的破壞區(qū)進(jìn)行了區(qū)劃。在此基礎(chǔ)上，研究了地表變形對(duì)輸送流體的管道影響特點(diǎn)，通過(guò)工程實(shí)例模擬分析，得出在非均勻變形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)區(qū)域管道產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，易產(chǎn)生破壞，因此應(yīng)該強(qiáng)化非均勻變形區(qū)的安全防控，避免產(chǎn)生破壞。