天然氣管道穿越煤礦采空區變形監測技術應用★

李華章 何文剛 羅 偉 李生紅

(遵義師范學院工學院，貴州 遵義 563006)

0 引言

隨著國內石油和天然氣管線和管網的快速發展，有關管線安全監測的方法和技術也在不斷提升。目前具有GIS、分布式光纖、光纖溫度傳感等監測技術(王新等，2020)，有效地提升了天然氣管線的監測效率。同時以上監測技術主要是基于溫度、流量、聲音、應力—應變監測、地表變形等(曲志剛，2007；李偉林，2009；吳有更，2020；陳雁，2020；王新等，2020；孫健等，2012)。管線安全監測實踐證明，對管線的應力—應變監測、地表變形監測是較為經濟、有效的監測手段，得到了廣泛應用。

中緬天然氣管道國內段途經沿線屬于“三高四活躍”的不良地質作用發育地區，加上地形地貌多樣，地質條件復雜，滑坡、崩塌、泥石流、巖溶塌陷和采空區塌陷等地質災害密布，這些災害均對管道安全運營構成嚴重威脅。中緬天然氣管道貴州段穿越滴水巖煤礦區，煤礦采空區地質條件復雜，潛在的安全隱患較大，同時該區有關巖土體的變形對管道安全運行的勘察和分析評價工作開展深度不夠。為此，通過實時掌握管道附近巖土體變形和管道受力情況，在充分分析滴水巖煤礦采空區變形特征和管道敷設的基礎上，開展滴水巖煤礦采空區和管道的監測儀器布置設計，并對GPS監測數據進行深入分析評價，為管道安全監測預警提供參考。

1 工程概況

滴水巖煤礦位于貴陽市花溪區南西直距15 km，燕樓鎮舊盤村滴水巖處，礦區面積約2.5 km2(見圖1)。該地區屬亞熱帶濕潤氣候區，雨量適中，年均降雨量約為1 057 mm。礦區地形為中低山溶蝕及侵蝕地貌，相對高差110 m～150 m，地形較陡，坡度為15°～40°，局部成陡崖。礦區位于黨武背斜東翼近軸部，總體呈一寬緩的單斜構造，地層總體走向NE～SW，傾角較緩(5°～15°)。滴水巖煤礦含煤巖系為上二疊統龍潭組(P3l)，含煤性較穩定，可采煤層3層，總厚2.8 m，含煤系數2%。

中緬天然氣管道穿越滴水巖煤礦礦區北部，大致沿東西方向敷設，管道直徑1 016 mm，壁厚21 mm，管道埋深約2 m，采空區影響管道長度約2 400 m。

2 管道應力應變監測設計

根據文獻資料分析，常見的監測管道應力—應變手段主要有三種：1)監測管道周圍土壓力，能間接反映管道受力情況；2)利用應力分析儀等直接監測管道應力大?。?)通過測量應變儀的相對變化量，解算管道應力大小(常立功，2014)。在工程實踐中，先利用應力分析儀器測量管道初始應力，再使用應變傳感設備等儀器測量管道應變變化情況，最后計算出應力變化。因此，根據上述監測手段，穿越滴水巖采空區段管道應力—應變監測采用振弦式應變儀(如圖2所示)進行測量。

應變測量原理：用一根鋼弦張拉在兩塊安裝塊之間，安裝塊弧焊在待測管道表面(見圖3)，管體發生變形導致兩個安裝塊相對運動，從而引起鋼弦張力改變。振弦讀數儀與應變儀連接后，讀數儀就可以提供必要的電壓脈沖去激勵并且直接顯示振動結果的微應變周期或其他量(劉浩，2012)。在彈性范圍內，按胡克定律可以將應變通過計算得出相應的應力，同時依據相關規范的極限閥值來判斷管道的安全狀態。

根據中緬天然氣管道穿越滴水巖煤礦采空區變形特征，在影響管道長度內共設置應力—應變監測點6處，安裝18個弧焊型振弦式應變計。具體操作流程(見圖4)：監測點位置確定→管道開挖→防腐層剝除→應變計安裝→防腐層補強→應變計監測孔保護。

根據煤礦開采情況，以一個月為周期對管道進行應變監測，并及時進行數據解算，繪制出變形曲線圖。利用變形曲線，分析管體不同部位變形情況，以及隨時間的變化規律。變形明顯加快或累計增長達到一定數值時應采取開挖釋放應力等措施，以免管體受力過大造成損傷。

3 地表變形監測

地表變形監測是指測量變形體上的監測點相對于其外部的某一(或多個)固定基準點的三維坐標，得出監測點的位移量、方位與變形速率等。根據文獻資料分析，目前GPS監測是煤礦采空區地表大地變形監測的主要措施(李潔友，2018)，將GPS監測系統設計為二級，即GPS基準網點和GPS變形監測網。因此，根據滴水巖煤礦采空區的形態特征、變形特征、動力因素以及管道與采空區的位置關系等，結合相關資料和規范對滴水巖煤礦采空區變形監測二級監測網點進行方案設計。

3.1 GPS基準網點

GPS基準網點是地表變形監測的基準，以基準點為固定點，對監測點進行觀測，因此基準點的選取要遵循正確、穩定、可靠的原則。GPS基準網點的選取依據以下四點原則(崔鵬艷等，2019)：1)地質條件良好、穩定性強；2)周圍區域無障礙物遮擋，便于接收GPS信號；3)盡量遠離信號干擾源；4)交通便利等。

基準網點選取之后，在點位上修建GPS觀測墩(見圖5)，修建的觀測墩使其穩定一個月后才可以用于觀測使用。此外基準網點附近應布設保護點，起檢核和恢復作用。

3.2 GPS變形監測網

監測點是在煤礦采空區塌陷監測區域內的觀測點，通過與基準點連接形成變形監測網，作為整體變形監測期間的觀測網，因此GPS監測點(如圖6所示)的選取需滿足以下兩點原則：

1)監測點必須與變形體固連在一起，能反映所代表部位的變形，且監測點的埋設要求穩定、長期保存和便于作業等；

2)監測點應根據煤礦采空區的形態特征、變形特征、動力因素以及管道與采空區的位置關系等具體要素來確定點位，且這些點位能真實地反映災害地質體變形敏感部位。

根據上述GPS監測原則，結合滴水巖煤礦采空區特征，布設2處基準點和14處監測點對煤礦采空區進行變形監測(見圖7)。依據GB/T 18314—2009全球定位系統(GPS)測量規范，因監測工作的重復性，按照簡捷可靠、先進實用且經濟等原則，對長輸油氣管道GPS監測網采用C級標準，平面誤差為±3 mm～6 mm，監測精度為三級。

本工作測量方法屬于快速靜態測量法。具體操作流程為：將兩臺GPS安放在基準點上保持靜止，另外四臺GPS在監測點上有序移動，并且與基準點的GPS構成閉合環進行觀測，每次觀測1 h～2 h，將監測獲取的數據進行解算，得到監測點的三維坐標。通過每次觀測數據處理得到的三維坐標的變化量來研究監測點的變形規律。

根據煤礦開采情況，以一個月為周期對采空區進行變形監測，并及時進行數據解算，繪制出變形曲線圖，結合管道應力—應變曲線來判斷管道風險。

4 宏觀地質調查

宏觀地質調查法采用人工對常規的地質災害變形形跡進行追蹤調查。該調查法是在變化明顯地段設固定點，如標注擋土墻等裂縫位置，標定進行簡易測量的標志(見圖8)，定期穿越調查路線，了解、掌握地質災害的變化情況。

本項工作將充分發揮管道巡線員每天巡線的優勢，對一些簡易觀察的地裂縫進行測量，從而縮短信息收集周期。

5 GPS監測結果分析

為監測采空區管道變形發展規律，下面以GPS觀測數據為例進行分析(見表1)。根據18次GPS觀測結果，在平面位移X，Y和垂直位移H關系曲線如圖9所示。

表1 滴水巖煤礦采空區管道段累積位移變化量分析表

從18次GPS觀測統計位移量來看，點SX2-1(ΔX=15 mm，ΔY=26 mm)和SX2-2(ΔX=29 mm，ΔY=23 mm)平面位移稍大，SX2-1(ΔH=-21 mm)和SX2-3(ΔH=-42 mm)垂直位移稍大，其余所有點的累積位移均比較小。通過統計計算，在平面位移X和Y方向的累積位移量趨于零位移量，而在H方向上具有較大的變化量，這也說明滴水巖煤礦采空區變形在豎直方向上持續變化。

6 結語

依據滴水巖煤礦采空區地質環境分析以及中緬天然氣管道敷設特點，本文提出了一套較完善的長距離輸氣管道采空區變形綜合監測設計方案。將管道應力—應變監測和GPS監測技術有機融合，結合宏觀地質調查手段，能較好地預測采空區的變形趨勢。通過對采空區GPS監測數據分析，發現在垂直(H)方向上具有較明顯的變形，符合管道下部采空區巖土體的變形規律，認為本監測設計項目及監測部位較為合理。

本文只是重點對滴水巖煤礦采空區變形位移進行了詳細分析，而管道應力—應變數據的可靠性需要后續進一步深入探討?？傊?，結合地面變形監測和管線應力應變監測，有效地提升了對滴水巖煤礦采空區整體變形狀態的認識，甚至深化了采空區巖土體內部變形情況的理解。該研究可為中緬天然氣管線的安全運行提供重要借鑒和參考。