長距離成品油管道工程通過礦區地表移動與變形預測分析

郭山峰，王春暉，朱 卉，李文杰，杜紅磊

(河南省地質礦產勘查開發局第一地質工程院，河南 鄭州 450000)

蘭州－鄭州－長沙成品油管道工程，是我國中部的成品油大動脈，是一項關系國計民生，具有重大政治、經濟、社會和環境意義的重點工程。該工程分為蘭州－鄭州段和鄭州－長沙段。蘭鄭段線路起自蘭州首站，途經甘肅、陜西、河南三省，到達鄭州分輸泵站，全長1 221 km。蘭鄭段管道工程在河南境內長388.7 km，沿線經過靈寶市、陜縣、澠池縣、新安縣、孟津縣、偃師市、鞏義市、滎陽市、新密市和新鄭市，共計10個縣市。其中經過新密市段長度 25.1 km，主要穿越黃土低山丘陵區，局部地段為黃淮沖積平原，自西向東經過陳家窩、東天橋、董家溝、韋溝、王家溝等村鎮。管道在白寨鎮劉堂村北側，穿越長景煤礦區之西南部邊緣，線路走向126°左右，通過礦區長度2.45 km。

1 新密長景煤礦概況

長景煤礦位于新密市白寨鎮劉堂村境內，礦區形狀為一不規則多邊形，東西長約 2.6 km，南北寬約 1.1 km，面積約2.43 km2。

礦區含煤巖系為石炭系上統太原組、二疊系下統山西組、下石盒子組地層，含煤地層總厚為246 m，含6個煤組，14層煤，煤層平均總厚度為5.1 m，含煤系數為2.07%。賦存于石炭系太原組的一1煤、山西組的二1煤層為主要可采煤層，可采煤層平均厚3.5 m，可采含煤系數1.42%。

一1煤層賦存于太原組底部，為不穩定煤層，煤層埋深145.0～388.0 m，煤層底板標高為 －140 ～ +60 m，傾角 21°～27°，煤層厚度為 0.38 ～1.27m ，平均 1.07 m，為局部可采煤層。煤層結構較復雜，合1～4層夾矸，夾矸厚度為0.02～3.0 m。煤層中含大量結核狀、透鏡狀及薄層狀黃鐵礦。煤層直接頂板為L1石灰巖，局部有偽頂，巖性為炭質泥巖或砂質泥巖;煤層底板為鋁土質泥巖、鋁土巖。區內一1煤層為結構較復雜的不穩定薄煤層。

二1煤層賦存于山西組下部，煤層結構簡單，層位較穩定，厚度0.1 ～8.0 m，平均厚 2.5 m，埋深85.0 ～340.0 m，底板標高為 －90～ +125 m，傾角 16°～23°，煤層頂板為中——粗粒砂巖，直接底板為砂質泥巖，間接底板為細粒砂巖。

長景煤礦屬小型礦山，設計生產能力15萬 t/a，礦井服務年限15.86 a。現狀生產同時開采一1煤層和二1煤層，生產實際開采回采率為一1煤層60%，二1煤層55%。屬低瓦斯礦井，不易自燃煤層，煤塵有弱爆炸性。一1煤水文地質條件復雜，二1煤礦床水文地質條件中等，礦井正常涌水量38 m3/h，最大涌水量 76 m3/h。

2 地表移動與變形計算

管道工程線路自礦區西南部邊緣穿越通過，主要沿黃土塬頂部敷設，地形相對較平坦(僅于劉堂村北側有兩處穿越深切沖溝)，距礦井距離大于135 m，其管道工程安全主要遭受來自于長景煤礦地下開采所引發的地表塌陷和地裂縫威脅，其危害程度的大小主要與管道線走向和采空區的位置關系、采空區(開采深度、開采厚度、平面展布形態、形成時間)引起的地表變形量、管道及水工建筑物的允許變形量有關。管道壓覆一1煤層長度1 200 m，最小埋藏深度180 m，平均厚度小于1.0 m計算，采深采厚比大于180，同時頂板巖層力學強度高，開采一1煤層對地面變形影響程度小。本次只對開采二1煤層引起的地表移動與變形進行計算分析。

為了預測管道壓覆煤層開采所造成的最大地表變形程度，在不考慮一1煤開采影響的情況下，假設充分采動二1煤，依據不同煤層厚度(推測厚度0.9 m和礦區平均厚度2.5 m)的相關地層參數，計算地表最大變形量。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，結合二1煤埋藏及礦井開采方式等情況。本次地表移動與變形計算采用經驗公式法，以規程中距離本區較近(約90 km)的鄰區，平頂山八礦 12301觀測站 1983～1987年實測參數資料為依據(石炭、二迭系煤層)，計算參數取值詳見表1。

把表1數據代入下列公式可求得變形指標最大值、地表移動延續時間、殘余移動變形延續時間，計算結果見表2。

表1 預測評估計算參數表

表2 預測評估計算結果表

式中:H為管道壓覆二1煤的平均開采深度(m);tgβ為主要影響角正切;M為煤層厚度(m);Q為下沉系數;α為煤層傾角(°);b為水平移動系數;

ΔWj為極限殘余下沉值(mm);C為殘余下沉時間因子，1/a;Δq為殘余下沉系數;K為下沉折減系數，取0.7;t為時間折減系數(1/a)，取0.3;ρ為煤的回采率(%)(生產實際值)。

通過以上預測評估計算結果可以看出，充分采動二1煤層后，采空區上方地表移動變形545 d以后基本結束。在殘余移動變形期26～40 a內，殘余移動變形過程仍會發生，變形速度緩慢。

當二1煤層厚度為0.9 m時，充分采動后，地表最大下沉量為724.0 mm，最大水平變形量為3.02 mm/m;當二1煤層厚度為2.5 m時，充分采動后，地表最大下沉量為 2 011.1 mm，最大水平變形量為8.39 mm/m。

3 結語

參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》附錄三，粉砂質黃土管道允許水平變形值為3.0～6.0 mm/m。依據上述計算結果:當二1煤層厚度為 0.9 m時，充分采動后，地表最大下沉量為 724.0 mm，最大水平變形量為3.02 mm/m，在管道允許水平變形值以內，對管道工程安全的影響小，危險性小;當二1煤層厚度為2.5 m時，充分采動后，地表最大下沉量為2 011.1 mm，最大水平變形量為8.39 mm/m，遠大于管道允許水平變形極限值，對管道工程安全的影響大，危險性大，建議采取預留煤柱保護措施。

［1］雷海英，李文杰等.蘭州 －鄭州 －長沙成品油管道工程通過新密長景礦區安全性評估報告.2008.