汾阳市杨家庄镇采空塌陷对榆济输气管道影响研究

汾阳市杨家庄镇采空塌陷对榆济输气管道影响研究[摘要]分析了霍西煤田汾孝矿区杨家庄镇采空区对榆济输气管道的不利
影响，通过研究工程区地质及采空区现状，计算出采空区对工程的影响程度，并对场地适宜性作出合理评价，可为其他类似工程提供借鉴。

[关键字]煤矿采空区地面塌陷地表变形值
1工程概况
榆林-濮阳-济南输气管道工程主干线起自陕西省榆林市，自西向东途经陕西省榆阳区、佳县，山西省临县、方山县、离石区、汾阳县、文水县、平遥县、祁县、武乡县、泌县、襄垣县、黎城县、潞城县、平顺县，河南省林县、安阳县、内黄县、清丰县，南乐县，山东省的莘县、聊城市、茌平县、禹城县、齐河县，共4省，共8个地市，26个县区。

榆林-济南输气管道工程设计输量为30x108m3/a （相当于857.14×104m3/d），整个输气管道主管道平面距离941.63km，支线管道35.07km。

榆林-濮阳段管径为φ711、采用D711，X65钢管、设计输气压力为10MPa；濮阳-济南段管径为φ610、采用D610，X60钢管、设计输气压力为8MPa。

榆济管道线路直接压覆霍西煤田汾孝矿区，线路压覆煤层长度约500m，区段煤层平均埋深270m，煤层顶板多为泥岩和砂质泥岩，可采煤层山西组煤层厚3.76m、太原组煤层厚8.17m，可采煤层厚度共计11.93m。

霍西煤田汾孝矿区位于汾阳靳家庄村，因采矿引起的地面塌陷。

地面出现大量裂缝，地裂缝多呈东西走向，裂缝延伸长度30m～80m，裂缝宽0.1m～0.7m，上下错动0.1m～0.5m，裂缝深0.6m～1.8m；地面塌陷长约310m，宽约120m，影响面积约达80000m2，煤矿采空区问题严重，对输气管道工程产生不利影响。

2煤矿采空区的破坏机理及对线路的影响
煤层大面积开采后，采空区上方岩层原有的平衡状态被打破，产生冒落、断裂和弯曲等变形和破坏，影响到地表，形成地表移动盆地，伴随移动盆地形成的同时，地表产生下沉裂缝、倾斜、水平位移等一系列变形现象。

煤矿采空区具有隐蔽性、复杂性、突发性和长期性的特点，当采空塌陷直接作用到管道时，地层变形产生的地表移动和塌陷，会导致管道受到拉、压、剪、扭、弯等荷载的作用，从而使管体极易遭受破坏。

采空区引起的地表移动和变形，对输气建筑物的影响主要是地表塌陷和不均匀沉陷引起的垂直变形和水平拉伸，或压缩变形对线路地基和管线的破坏。

油气管道在煤矿采空区敷设，管道附近地表出现下沉、裂缝时，应立即开展调查工作，收集煤矿资料、管道附近地质资料，进行沉陷监测，初步判别采空区沉陷对管道造成的影响。

3工程区煤田地质及采空区现状
3.1地质环境条件
采空塌陷区位于汾阳市杨家庄镇靳家庄村（地理坐标：北纬37°14′36″，东经111°39′06″），国道G307和G20青银高速（汾军高速）之间，距离汾阳市约15km，交通条件好。

采空塌陷区属冲积平原地貌，地面高程为875m左右，地形起伏不大，地势较平坦，地势总体呈西北高东南低，地面坡度5°～10°。

采空塌陷区地面呈阶坎状，阶坎高1m～2m，个别5m～10m，平台宽度50m～100m不等。

采空塌陷区主要为旱地，种植玉米、花椒树等经济作物。

采空塌陷区出露地层为第四系黄土及奥陶系的白云质灰岩和石炭系、二叠系砂岩、砂质泥岩及泥岩。

第四系黄土覆盖整个采空塌陷区，奥陶系的白云质灰岩和石炭系、二叠系砂泥岩未出露。

采空塌陷区属山西陆台构造单元，呈南北走向的穹隆地块，由西向东逐渐昂起，并附带局部陷落。

区内断层不发育，地质构造简单。

采空塌陷区地震活动性较弱，根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）和《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），汾阳市抗震设防烈度为7度区，地震加速度0.15g。

3.2塌陷基本特征
采空塌陷区位于榆济管线南侧，其最近处离天然气管道15m。

根据皮尺测量，目前沉降塌陷区长约310m，宽约120.6m，中心处在近几年连续沉降深度达到约1.0m，呈现出低洼地貌。

沉降塌陷区中发育众多的地裂缝。

地裂缝多呈东西走向，裂缝延伸长度30m～80m，裂缝宽0.1m～0.7m，上下错动0.1m～0.5m，裂缝深0.6m～1.8m （照片1）。

该段榆济天然气管道管沟处局部亦出现了轻微的沉降，其沿管沟沉降，呈条带状，沉降深度约0.05m，管沟处未出现明显的地裂缝。

管沟沉降主要由黄土湿陷性所引起。

因为黄土以粉粒和亲水弱的矿物为主，具有大孔结构，天然含水量小，具有粘粒的强结合水连结和盐分的胶结连结，在干燥时可以承担一定荷重而变形不大，但浸湿后，土粒连结显著减弱，引起土结构破坏产生湿陷性变形。

采空塌陷区范围及裂缝主要分布范围见图1。

3.3形成机制
矿区上覆第四系黄土，下伏奥陶、寒武系的白云质灰岩和薄层页岩。

该采空塌陷的形成机制如下：
由于煤矿开采，在地下形成纵横交错大小不一的巷道，导致上覆地层应力平衡状态失衡，当上部土体本身自重超过岩体的支撑力时，应力获得释放，在地表形成大量的地裂缝及小型沉降，加之黄土本就具有大孔隙及湿陷性，在自重湿陷性的作用下形成大量沉降，甚至形成落水洞，并逐步发展扩大，形成采空塌陷区。

综上所述，采空塌陷主要是由人类开采煤矿引起的地质灾害，并受区内降雨（暴雨或长期降雨）和强烈的人类工程活动的影响。

4危险性评估与预测
4.1发展趋势
评价采空区引起地表变形对输水线路破坏程度，应以地表变形的倾斜、曲率及水平变形值来评价。

霍西煤田汾孝矿区煤层平均埋深270m，煤层顶板多为泥岩和砂质泥岩，可采煤层山西组煤层厚3.76m、太原组煤层厚8.17m，可采煤层厚度共计11.93m。

可采煤层埋深情况进行采深与采厚比计算，本区煤层开采时，深厚比为22.63。

国内外采矿经验认为：当采深与采厚比小于30时，煤采出一定面积后，会引起岩层移动并波及到地表，其地表沉陷和变形在空间上和时间上都有明显的不连续特征，地表变形剧烈，煤矿采空区上方常形成较大的裂缝或塌陷坑。

对比经验公式，本矿可采煤层开采后，采空区将影响到地表，全矿区采动影响范围内地表变形较剧烈，将会形成较大的裂缝或塌陷坑。

根据《工程地质手册》第四版，煤矿采空区地表变形预测采用下式计算：
将已知量代入上述各式，预测矿区采空区最大下沉值（ηmax）为7.1m，最大倾斜值（imax）为0.065mm/m，最大曲率值（kmax）为±0.00089mm/m2，最大水平移动值（ξmax）为2.13mm，最大水平变形值（εmax）为0.03mm/m。

可见本区段采空区地表变形量为7.1m。

预测随着杨家庄煤矿开发、开采，煤矿采空区地质灾害对管道线路有较大影响，预测该区段煤矿采空以后地质灾害危险性大。

开采引起的地表移动，其移动速度是由零逐渐增大，达到一定值后，又逐渐缩小趋于零。

由于本区无岩移实测资料，因此地表移动的延续时间（T）用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（国家煤炭工业局制定）提供的下式进行估算，公式如下：
T=2.5H0（d）
式中：H0为工作面平均采深（m）
矿区内可采煤层埋深介于200～350m之间，将数据代入上述计算公式计算得，矿区内可采煤层开采后，引起的地表移动时间为500～875天，即1.4～2.4
年。

依据本式计算的仅是主要变形阶段（初始期和活跃期）影响时间，其残余变形还会延长较长时间，采煤引发的地面裂缝、地面塌陷地质灾害具有长期灾害效应。

山西境内许多地区地下煤层开采后，经10年左右时间，地面仍在变形开裂，造成附近村庄耕地受损、水源破坏，房屋裂缝、坍塌。

4.2稳定性分析评价
根据该采空塌陷的基本特征和形成的主导因素综合分析，该采空塌陷区目前稳定性较差，在暴雨及人类工程活动等各种不利因素的作用下，塌陷范围极有可能继续扩大，进而危害到榆济天然气管道的安全运行。

该采空塌陷一旦继续扩大，将威胁到长约300m的榆济天然气管道，将会造成一定巨大的经济损失和不良的社会影响，其经济损失初步估算可达500万元以上，因此，该采空塌陷的潜在危害程度大。

采空区输气管道场地的规划应遵循以下原则：
不适宜输气管道场地：在开采过程中可能出现非连续变形的地段；地表移动处于活跃阶段的地段；采空区有冒顶可能地段；地表倾斜Tmax大于10mm/m 或地表曲率kmax大于6mm/m2或地表水平变形εmax大于6mm/m的地段。

适宜输气管道地段：已充分采动，无重复开采的老采空区地表移动盆地的中间区；地表变形值不可能高于地表倾斜3mm/m或地表曲率0.2mm/m2或地表水平变形2mm/m的地段。

5结论
输气管道经过采空塌陷区，存在诸多不确定因素，工程安全性短期内尚难定论。

对位于采空区范围的线路，应掌握采空区地质构造、采空现状、塌陷规律，寻求合理可行的处理方案，并需要施工中长期的试验及施工结束后的观测，以保证工程的安全及压力管线的正常使用。

为此，必须做好以下工作：设立监测点及监测网络，派专人进行日常性地面位移监测，在汛期加强监测；进行地质勘察，并根据勘察资料，采取适当的措施对榆济天然气管道进行保护。