汾阳市杨家庄镇采空塌陷对榆济输气管道影响探究

1、汾阳市杨家庄镇采空塌陷对榆济输气管道影响探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中图分类号tu478 文献码b 文章编号 1000-405x (2012) -11-5-21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

2、乐县，山东省的莘县、聊城市、在 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30xl08m3/a (相当于 857. 14x104m3/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©711、 采用d711, x65钢管、设计输气压力为lompa；濮阳-济南段 管径为©610、采用d610, x60钢管、设计输气压力为8mpao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

3、、太原组煤层 厚8. 17m,可采煤层厚度共计11.93mo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30m80m,裂缝宽 0. 1 m0.7m,上下错动0. 1 m0.5m,裂缝深0. 6m1.8m； 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，釆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

4、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

5、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lm 2m,个别5m10m,平台宽度50 m100m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 覆盖整个米空塌陷区，奥陶系的白云质灰岩和石炭系

6、、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. 15go3. 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30m80m,

7、裂缝宽0. 1 m0. 7m,上下 错动0. 1 m0. 5m,裂缝深0. 6m1. 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lo3. 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

8、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、11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

9、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。可釆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. 63o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 （t

10、 max）为 7. im,最大倾斜值（imax）为 0. 065mm/m,最 大曲率值（kmax）为土0. 00089mm/m2 ,最大水平移动值 （2 max）为 2. 13mm,最大水平变形值（e max）为 0. 03mm/m。可见本区段采空区地表变形量为7. im。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）

11、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200350m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500875天，即1.42. 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

12、,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10 mm/m或地表曲率kmax大 于6 mm/m2或地表水平变形£ max大于6 mm/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3 mm/ni或地表曲率0. 2 mm/m2或地表水平变形2 mm/ni的地段。5结论输气管道经过采空塌陷区，存