冯伟;么惠全
【摘 要】由地下采空造成地面突然塌陷而构成对管道工程的危害是最严重的管道地质灾害之一.通过对地下采空产生的地表移动和变形对管道的影响和损害的讨论,分析了采空塌陷对管道的危害特征.在分析矿区地表移动与覆岩的破坏规律和采场采动影响下覆岩破坏规律的基础上,研究了采空塌陷区管道成灾机理及影响因素.然后提出了采空区输气管道安全保护措施,对采空塌陷区的油气管道完整性管理工作具有指导意义. 【期刊名称】《水文地质工程地质》510669
【年(卷),期】2010(037)003
北京百泰克
【总页数】4页(P112-115)
【关键词】地表移动;采空塌陷;油气管道;成灾机理
【作 者】冯伟;么惠全
【作者单位】中国石油西气东输管道公司,上海,200122;中国石油西气东输管道公司,上海,200122
【正文语种】中 文
【中图分类】P642.26;TE832.9;TU478
采空塌陷是由地下矿产资源开采引起地面移动和变形的一种地表破坏形式，多见于矿山特别是煤矿地区。当开采地下矿层时，其矿区上覆岩层的天然平衡状态被破坏，矿层的上覆岩体会在其自重力和上覆岩层压力的作用下形成冒落带;虽然在冒落带之上的覆岩有冒落带岩块的支撑和自身所具有的强度，但仍会发生下沉和弯曲，并在一定范围内由其自重和上覆岩层的压力产生裂缝与断裂而形成裂缝带。当冒落带及上覆岩层的下沉和弯曲逐渐增大并以整体移动的形式而延续至地表时，便在该处地表形成了各点向采空区中心方向移动的周围高中央低的下沉盆地［1］。管道通过采空区的安全完整性管理中，仅靠煤柱留设不能有效处理地下开采与管道安全保护之间的矛盾，而且影响矿产资源的安全有效开采，随矿区地表移动变形面积的逐步扩大管道安全影响范围还会进一步加大，难以及时掌握管道安全状态。地下采挖对地表的影响可以分为垂直方向的移动变形、水平方向的移动变形以及
剪切变形三类［1～2］。对于管道而言，不同性质的地表移动变形，对管道本体和其附属设施的影响程度各不相同。
采空塌陷对管道的危害按照受力特点可分为拉伸变形、压缩变形、剪切变形、弯曲变形。对于管道工程而言，按照危害对象分为管道附属设施(建构筑物)损害和管道本体损害。业内通常采用下沉、倾斜、曲率、水平变形和扭曲等5个指标量化地表移动和变形特性，根据这5个指标判断采空灾害对管道和附属设施的危害程度。
随着地表产生的移动和变形，采空塌陷破坏了建(构)筑物与地基之间的原有平衡状态。伴随着这种平衡状态的重新建立，必然使建(构)筑物结构内部应力重新分布，造成建(构)筑物发生变形，变形严重时将导致建(构)筑物破坏。而地表下沉、倾斜、弯曲、水平变形(拉伸或压缩)等对管道的影响和损害也不同，具体是:USB重定向
(1)地表下沉对管道工程的影响和损害主要表现在:①盆地内中央部位各点的下沉速率一般是均匀的，但下沉量较大、地下水埋藏深度小时，可能造成管道附属设施内长期积水或过度潮湿，影响附属设施的强度，危害其正常使用;②在沉降区与非沉降区之间，必然出现沉降差异，特别是当下沉量较大且下沉发生突然时，所产生的塌陷将造成管道水工保护设施、
伴行路或工艺站场设施地基基础的损毁，进而对管道造成危害。
(2)地表倾斜。当采空塌陷导致地表发生倾斜后，其上的建(构)筑物也随之发生歪斜，威胁建(构)筑物的正常使用。特别是基础底面积小而高耸的塔形结构物(如放空管线)，对这种地表倾斜所带来的危害尤为敏感。
(3)地表弯曲。因采空塌陷导致地表产生弯曲变形时，可使建筑物基础底部出现瞬时局部悬空，使建筑物原来的受力体系发生变化，严重时导致建(构)筑物出现裂隙、变形直至倒塌破坏。
(4)地表水平变形(拉伸或压缩)。采空塌陷导致地表水平变形时，往往造成地表岩土体破裂，出现地裂缝、局部鼓胀凸起。对于地裂缝而言，既可出现拉应力产生的拉裂缝，也可出现剪切力产生的成组剪切裂缝(变形点平移错动)。这些现象对管道及其附属设施的危害极大，并且地下采空引起的地表应力场变化所产生的地表移动和变形时间较长，管道的灾害影响与防治难度更大。
分析地表移动和变形对管道附属设施的影响和损害，根据具体情况，宜考虑地表扭曲和附
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属设施扭转的关系、附属设施基础和地基水平变形的关系以及地下采空诱发的地裂缝灾害。
地面垂直位移、水平位移等变化速度决定了通过采空区管道的危害程度，当位移变化较大，管道可能发生拉伸或压缩等形式的破坏，进一步引发裂纹、管内介质泄露、燃爆等严重灾害事故。当地表发生非连续性的突发塌陷或开裂移动变形破坏时，会直接导致管道剪切损坏、管内介质泄露、爆管等灾害发生。
在采动充分、地表移动结束后，地表移动和变形对埋地管道的危害可按地表移动盆地分为中间区、内边缘区和外边缘区等3个区域(图1)［1］。
(1)外边缘区的管道拉裂与沉降变形区
外边缘区产生拉伸变形，地表拉裂缝一般产生于这个区域。在靠近内边缘区，会出现少量的地表下沉。因此埋设在该区域平行长轴开采方向附近的管道将与外边缘区的岩土体共同受拉，以至于在管道的拉应力集中处产生变形，如受预应力的弯头、弯管或存在焊接缺陷的焊缝，甚至失效。
埋设在该区域与地表移动盆地开采方向斜交的管道不但要承受拉应力，也承受剪切应力。而埋设在该区域与地表移动盆地近乎垂直开采方向的管道则更容易遭受剪(切)力的破坏。
(2)内边缘区的管道局部鼓胀与扭曲变形区
当外边缘区存在拉应力使得地表出现拉裂缝时，内边缘区会因为受压产生压缩变形，这种压缩变形一般不出现明显的裂缝，但在地表局部可能会出现鼓胀，并且随着地表局部鼓胀的出现，这个区域埋设的管道会因受压发生变形，首先会表现出防腐补口带卷边、折皱、隆起，严重时管体发生变形、皱褶;同时由于内边缘区的下沉值要比外边缘区大，可能造成管道长距离悬空或者变形(图2)，其破坏力仍不可忽视。
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(3)中间区的管道大沉降与塌陷悬空变形区
中间区位于采空区正上方，地表下沉均匀，地面平坦，一般不出现裂缝，地表下沉值最大。这个区域也是发生地表采空塌陷的主要区域，管道经过此区域危害最大。由于地表发生大沉降或塌陷，管道极易悬空，可能会随地表自重和上覆岩土荷载发生弯曲变形，乃至失效(图3)。
尼龙包胶线埋设在采空影响区内的管道，因地下采空造成地表岩土受拉或受压，或是产生大沉降、塌陷，特别是地表沉陷引起的山体滑坡(边坡失稳)、坍塌、崩塌等地质灾害都将对管道的安全运营产生危害，直至管道失效、附属设施破坏。地表移动变形、地表沉陷引起的管道水平变形、曲率、倾斜应按管道最危险(或不利)的地表移动盆地的主断面有关参数计算，即按剩余的极限移动变形值分析采空区沉降、地表位移对管道的安全影响，这样不但简单方便，而且安全可靠性高。
对通过采空区的管道工程可采取直接穿越，利用油气管道是“柔性”的线性工程特点，实施相应工程处理方法，以及结构跨越的综合防范措施，但采空塌陷区管道工程防治措施的选择和工程方案设计必须是建立在地表破坏的防范和地表塌陷的预测与防治基础上，查清管道安全范围内采空塌陷区的空间分布及动态变化特征，掌握采空区地面塌陷的成因与影响因素，从而提出削减采空区地表沉陷与扭曲对油气管道危害的有效措施。
油气管道周边物质分布状态随其埋设方式、覆盖方式、回填物和工艺而改变，处于不同的受力状态，地表变形对管道的安全影响程度也不同，并且管道是否运营供气，内部压力等安全影响对通过采空区的管道处理方式也不同。如:沟渠埋设方式和良好的管沟深度、宽度
、回填材料等工法将给管道受力释放应力变形创造有利条件，对通过采空区或潜在采空区(矿藏区)的油气管道，应根据其建设阶段与在役阶段提出不同的处理措施。
(1)建设阶段的油气管道直接穿越采空区的处理方法
布设油气管道应遵循尽量绕避采空塌陷区(潜在采空塌陷区)的设计原则，但在无法实现绕避的情况下，对途经采空塌陷区的油气管道应采取有效的工程措施。当拟建管道通过潜在采空区(矿藏区)时，应尽量减少在采空区可能影响稳定的边坡上敷设。当管道必须在坡体上敷设时，应尽量远离斜坡(避免采空沉陷引起的边坡失稳影响管道安全)，并根据坡高预测采空区影响边坡稳定范围。在坡脚敷设时，应考虑采空下陷、斜坡失稳覆土对管道的影响，确需通过，应查明采空上覆岩层的稳定性，预测现采矿区和未来采矿区的地表移动、变形特征和规律性，判定管道通过的适宜性。主要有以下几种措施提高通过潜在采空区(矿藏区)的管道抗风险能力:一是在通过潜在采空区的管材使用大应变钢管，增加管道承受变形和扭曲允许能力;二是增加管沟宽度、地表下沟渠或自动补偿设施埋设管道方式，使得管道受到采空沉降影响时能够自由“移动”，及时自动释放约束力;三是使用密度小的介质回填管沟，减少管道上方覆盖物重量;四是在满足规范［3］埋深要求的前提下，减少埋深;五是
在通过潜在采空区的管段安装地表位移监测和管道应力应变监测系统，掌握管道受采空沉降影响，及时判断管道的安全状态。
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