采空區(qū)地表沉降監(jiān)測對在役管道影響分析

李金文，楊清云，韓桂武，楊文艷

1.國家管網(wǎng)集團山東省公司（山東濟南 250101）

2.中國石油天然氣管道工程有限公司（河北廊坊 065000）

0 引言

山東地區(qū)某成品油長輸管道設(shè)計壓力8.0 MPa，管徑219.1 mm，管道采用L245MB 鋼級鋼管，外防腐采用三層PE。管道附近有當?shù)氐V務(wù)局計劃開采的3308綜放工作面，其中管道中線距離計劃開采工作面最近位置約316 m。根據(jù)礦區(qū)的開采計劃，3308工作面擬于2021年7月底開始回采，煤層開采深度580.7 m，平均開采厚度8.1 m；根據(jù)礦產(chǎn)開采分析報告，回采初期采動影響會對本成品油長輸管道造成一定的運營安全風險[1]。

采用概率積分法對管道地表位移進行估算[2-3]，并將估算值作為位移荷載作用到在役管道節(jié)點中，采用有限元的方法，對管道在內(nèi)壓、溫差和地表沉降組合工況下的應(yīng)力狀態(tài)進行數(shù)值計算[4]，計算得到管道應(yīng)力集中發(fā)生在彎頭部位，最大組合應(yīng)力值為314 MPa，超過了《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》的管材極限允許極限強度220.5 MPa，如圖1 所示,如果不采取任何措施，管道可能處于失效狀態(tài)[5]。

圖1 在役管道有限元計算應(yīng)力分布圖

項目前期開展了開挖應(yīng)力釋放和應(yīng)力監(jiān)測等管道保護措施，在管道周邊設(shè)置了地表位移GNSS監(jiān)測點3 個用于監(jiān)測煤礦開采期間的地表變形情況[6]，其中監(jiān)測點3 距離開挖面最近，監(jiān)測點1 距離開挖面距離最遠，平面布置如圖2所示。

圖2 管道中線、開采工作面及GNSS監(jiān)測點布置平面圖

根據(jù)開采進度工作面每周開采14～19 m，在2021年12月1日，煤礦開采工作面距離管道監(jiān)測點距離最近，此時開挖工作面距離管道彎頭處約316 m，如圖3所示。

圖3 采完工作面與管道位置關(guān)系

1 監(jiān)測方法選取

管道為線性工程，而煤礦采空區(qū)為面狀塌陷區(qū)。為判定采空區(qū)地表沉降對在役管道的影響，推薦采用多種監(jiān)測方法，通過對場區(qū)關(guān)鍵監(jiān)測點、管道中線及周圍區(qū)域的總體沉降規(guī)律分析，從而對地表變形穩(wěn)定做出準確結(jié)論。工程推薦采用GNSS和InSAR兩種監(jiān)測方法，綜合判定地表變形規(guī)律，這是由兩種監(jiān)測方法的特點決定的。

1）從精度上，GNSS 測量精度一般能達到±5 mm+0.5×10-6D（D為距離參考點的距離）的精度，InSAR 結(jié)果為毫米級甚至是厘米級的精度，采用的GNSS測量精度要高于InSAR監(jiān)測結(jié)果[7-8]。

2）從監(jiān)測范圍上，GNSS 數(shù)據(jù)僅能針對本位置（精確為一點）的時程曲線；而遙感數(shù)據(jù)可以從監(jiān)測平面上總體觀測研究區(qū)域的特性，對區(qū)域的整體變形進行定性和定量分析[9]。

3）從監(jiān)測頻率上，GNSS數(shù)據(jù)多采用無線傳輸實時傳輸，且監(jiān)測頻率可網(wǎng)絡(luò)調(diào)整，可以定制為密集的監(jiān)測頻次，滿足變形劇烈區(qū)域的監(jiān)測要求；而In-SAR 監(jiān)測頻率依賴所用數(shù)據(jù)的監(jiān)測周期[10-11]，例如哨兵數(shù)據(jù)的監(jiān)測周期為12天。

4）從監(jiān)測時間上，GNSS數(shù)據(jù)只能在設(shè)備安裝測試之后才能正常使用，設(shè)備一旦毀壞數(shù)據(jù)將丟失；而InSAR 數(shù)據(jù)具有很強的可追溯性，可以從監(jiān)測歷史上分析事件過程。

可見兩種監(jiān)測方法各有優(yōu)勢，又各有不足，通過采用兩種監(jiān)測方法結(jié)果的比對和判別，從而綜合得到場區(qū)的地表變形規(guī)律。

2 GNSS監(jiān)測

2.1 沉降監(jiān)測結(jié)果

項目在管道中線附近設(shè)置地表位移監(jiān)測點3個，監(jiān)測日期自2021 年8 月5 日至2022 年6 月1 日監(jiān)測的地表沉降值結(jié)果，如圖4所示。

圖4 GNSS監(jiān)測點累積地表沉降值

2.2 GNSS結(jié)果分析

由于3個地表沉降監(jiān)測點距離管道很近，3個點的監(jiān)測結(jié)果基本代表了管道彎頭附近的地表沉降變形情況，數(shù)據(jù)解析得出如下規(guī)律：

1）根據(jù)礦上反饋信息，工作面開挖在7 月底開始工作，GNSS 點1～點3 反應(yīng)出來地表沉降在9 月中旬左右出現(xiàn)第一次劇烈變化，說明在開采初期地表沉降顯現(xiàn)滯后于工作面開挖工作，滯后時間約1.5個月。

2）在2021 年12 月1 日煤礦工作面距離管道彎頭最近，此時距離監(jiān)測點距離也是最近的，此時GNSS監(jiān)測點1～點3開始發(fā)生第二次劇烈沉降。

3）隨著工作面繼續(xù)開挖，GNSS 監(jiān)測點1～點3持續(xù)增大，地表出現(xiàn)劇烈的變形階段，變形周期超過6個月，最大累積沉降值為25～60 mm不等。

4）從不同監(jiān)測點的變形趨勢上看，GNSS點1距離開挖面最遠，從沉降絕對值上與GNSS 點2 和點3相比，變形絕對值較小，而且沉降值的收斂性滯后于其他監(jiān)測點。

3 InSAR監(jiān)測

本項目所用SAR數(shù)據(jù)為哨兵數(shù)據(jù)，時間跨度為2021 年8 月至2022 年5 月，周期為12 天，共23 景。SAR數(shù)據(jù)中包含了幅度信息和相位信息，本項目利用幅度信息獲取了沉降湖的變化，利用相位信息獲取了地表形變情況，具體如下。

3.1 沉降湖擴展

基于時序強度影像發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)沉降湖，并且隨著工作面開挖，湖的形態(tài)發(fā)生明顯變化，湖的現(xiàn)場沉降照片如圖5所示，形態(tài)的時間變化如圖6所示。

圖5 地面形成沉降湖泊

圖6 沉降湖形態(tài)變化圖

根據(jù)圖6 所示，沉降湖的外邊沿處于3308 開挖面中間位置，且隨著工作面的延伸，沉降湖總面積逐漸增大，且邊線向東南方向拓展，這與煤礦的開挖方向基本一致。沉降湖的形態(tài)變化可代表了整體區(qū)域的地表沉降區(qū)域的變化形態(tài)，表面地表塌陷區(qū)域在時間和空間上與地下煤礦工作面的開挖狀態(tài)是一致的。

3.2 形變結(jié)果

本項目采用SBAS 方法對時序數(shù)據(jù)進行處理得到的累積形變結(jié)果，并選取沉降區(qū)域及關(guān)鍵點如圖7 所示，并在管道中線位置選取關(guān)鍵點1～關(guān)鍵點5 進行分析。分析InSAR 關(guān)鍵點位移時程曲線如圖8 所示?；陉P(guān)鍵點的時程曲線結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：

圖7 沉降區(qū)域及關(guān)鍵點選取

圖8 InSAR關(guān)鍵點位移時程曲線

1）距離沉降區(qū)域最近的關(guān)鍵點3表現(xiàn)出最大的位移值，最大位移值52 mm；其次是關(guān)鍵點兩側(cè)的關(guān)鍵點4 和關(guān)鍵點2，最大位移值在25～28 mm；變形量最小的是遠離工作面的關(guān)鍵點5和關(guān)鍵點1，最大位移值在15 mm之內(nèi)。

2）從時間上來看，距離開挖面最近的關(guān)鍵點3在2021年10月初大幅度沉降，這與GNSS監(jiān)測點數(shù)據(jù)基本一致；而附近的關(guān)鍵點4 和關(guān)鍵點2 則表現(xiàn)為較平緩的變形；距離工作面較遠的關(guān)鍵點1 和關(guān)鍵點5變形隨時間變化不明顯。

3）關(guān)鍵點1 距離開挖工作面最遠，隨著時間發(fā)展甚至表現(xiàn)為小幅度的地表抬升，可能的原因是由于地下有剛度較大的地層作用，導致距離較遠處的地層翹起所致。

4）從關(guān)鍵點2～關(guān)鍵點5的時程曲線看，地表在2022 年4 月初表現(xiàn)出地層的穩(wěn)定或位移的恢復(fù)（向0點位移方向發(fā)展），地層漸趨穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過對GNSS 和InSAR 兩種監(jiān)測方法的數(shù)據(jù)分析和比對，得出如下結(jié)論：

1）從上部地表與下部開挖關(guān)系上來看，地表監(jiān)測點的沉降通常滯后于地下開采工作，通常地表沉降滯后下部采空約1.5個月。

2）從空間關(guān)系上來看，距離開挖面最近的觀測點在2021 年10 月發(fā)生最大幅度沉降值（最大值約60 mm），而附近較遠的觀測點表現(xiàn)為變形平緩。

3）從沉降發(fā)展方向來看，地表沉降發(fā)生與下部工作面開挖方向是一致的，都為從西北向東南的發(fā)展方向，表現(xiàn)為西北側(cè)逐漸穩(wěn)定，東南側(cè)沉降繼續(xù)增大。

4）從地表穩(wěn)定時間來看，在2022 年4 月管道上所有觀測點監(jiān)測值穩(wěn)定或有很小幅度變化，表明附近地層逐漸穩(wěn)定，具備下一步施工的條件。

地表沉降作為一種典型的地質(zhì)災(zāi)害形式，只有通過多種監(jiān)測手段掌握其變形規(guī)律，才能為后期管道安全性校核和地貌恢復(fù)提供有利的科學依據(jù)。