長距離成品油管道工程通過礦區(qū)地表移動(dòng)與變形預(yù)測分析

郭山峰，王春暉，朱 卉，李文杰，杜紅磊

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)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(dòng)脈，是一項(xiàng)關(guān)系國計(jì)民生，具有重大政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境意義的重點(diǎn)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(jīng)甘肅、陜西、河南三省，到達(dá)鄭州分輸泵站，全長1 221 km。蘭鄭段管道工程在河南境內(nèi)長388.7 km，沿線經(jīng)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(jì)10個(gè)縣市。其中經(jīng)過新密市段長度 25.1 km，主要穿越黃土低山丘陵區(qū)，局部地段為黃淮沖積平原，自西向東經(jīng)過陳家窩、東天橋、董家溝、韋溝、王家溝等村鎮(zhèn)。管道在白寨鎮(zhèn)劉堂村北側(cè)，穿越長景煤礦區(qū)之西南部邊緣，線路走向126°左右，通過礦區(qū)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(zhèn)劉堂村境內(nèi)，礦區(qū)形狀為一不規(guī)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(qū)含煤巖系為石炭系上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組地層，含煤地層總厚為246 m，含6個(gè)煤組，14層煤，煤層平均總厚度為5.1 m，含煤系數(shù)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(shù)1.42%。

一1煤層賦存于太原組底部，為不穩(wěn)定煤層，煤層埋深145.0～388.0 m，煤層底板標(biāo)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(jié)構(gòu)較復(fù)雜，合1～4層夾矸，夾矸厚度為0.02～3.0 m。煤層中含大量結(jié)核狀、透鏡狀及薄層狀黃鐵礦。煤層直接頂板為L1石灰?guī)r，局部有偽頂，巖性為炭質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖;煤層底板為鋁土質(zhì)泥巖、鋁土巖。區(qū)內(nèi)一1煤層為結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的不穩(wěn)定薄煤層。

二1煤層賦存于山西組下部，煤層結(jié)構(gòu)簡單，層位較穩(wěn)定，厚度0.1 ～8.0 m，平均厚 2.5 m，埋深85.0 ～340.0 m，底板標(biāo)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(zhì)泥巖，間接底板為細(xì)粒砂巖。

長景煤礦屬小型礦山，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15萬 t/a，礦井服務(wù)年限15.86 a。現(xiàn)狀生產(chǎn)同時(shí)開采一1煤層和二1煤層，生產(chǎn)實(shí)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(zhì)條件復(fù)雜，二1煤礦床水文地質(zhì)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(dòng)與變形計(jì)算

管道工程線路自礦區(qū)西南部邊緣穿越通過，主要沿黃土塬頂部敷設(shè)，地形相對較平坦(僅于劉堂村北側(cè)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(fā)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(qū)的位置關(guān)系、采空區(qū)(開采深度、開采厚度、平面展布形態(tài)、形成時(shí)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(guān)。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(jì)算，采深采厚比大于180，同時(shí)頂板巖層力學(xué)強(qiáng)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(dòng)與變形進(jìn)行計(jì)算分析。

為了預(yù)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(shè)充分采動(dòng)二1煤，依據(jù)不同煤層厚度(推測厚度0.9 m和礦區(qū)平均厚度2.5 m)的相關(guān)地層參數(shù)，計(jì)算地表最大變形量。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，結(jié)合二1煤埋藏及礦井開采方式等情況。本次地表移動(dòng)與變形計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式法，以規(guī)程中距離本區(qū)較近(約90 km)的鄰區(qū)，平頂山八礦 12301觀測站 1983～1987年實(shí)測參數(shù)資料為依據(jù)(石炭、二迭系煤層)，計(jì)算參數(shù)取值詳見表1。

把表1數(shù)據(jù)代入下列公式可求得變形指標(biāo)最大值、地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間、殘余移動(dòng)變形延續(xù)時(shí)間，計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 預(yù)測評估計(jì)算參數(shù)表

表2 預(yù)測評估計(jì)算結(jié)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(shù);α為煤層傾角(°);b為水平移動(dòng)系數(shù);

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

通過以上預(yù)測評估計(jì)算結(jié)果可以看出，充分采動(dòng)二1煤層后，采空區(qū)上方地表移動(dòng)變形545 d以后基本結(jié)束。在殘余移動(dòng)變形期26～40 a內(nèi)，殘余移動(dòng)變形過程仍會(huì)發(fā)生，變形速度緩慢。

當(dāng)二1煤層厚度為0.9 m時(shí)，充分采動(dòng)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(dāng)二1煤層厚度為2.5 m時(shí)，充分采動(dòng)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(jié)語

參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》附錄三，粉砂質(zhì)黃土管道允許水平變形值為3.0～6.0 mm/m。依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果:當(dāng)二1煤層厚度為 0.9 m時(shí)，充分采動(dòng)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(nèi)，對管道工程安全的影響小，危險(xiǎn)性小;當(dāng)二1煤層厚度為2.5 m時(shí)，充分采動(dòng)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(yuǎn)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(xiǎn)性大，建議采取預(yù)留煤柱保護(hù)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(qū)安全性評估報(bào)告.2008.