礦山爆破產生地震波作用下理地天然氣管道的安全性評估及防震設計

摘要 天然氣管道是燃氣輸送的重要載體，也是燃氣企業的重要財產之一。天然氣氣管道的規劃、維護和安全運行，直接關系到燃氣企業的生產能否順利進行。由石油天然氣工業的基礎性地位所決定，油氣管道也與公共利益緊密相關。但礦山爆破過程中，炸藥在巖石中爆炸時釋放出的巨大能量會產生地震波，地震波的強弱會對埋地天然氣管道產生影響。因此，本文在對爆破震動原理分析的基礎上，探討了礦山爆破產生的地震波對天然氣管道的影響，并對防震設計提出了一些建議。

關鍵字 礦山爆破；天然氣管道；防震設計

露天礦的爆破工作是采礦過程中不可缺少的重要環節之一。炸藥在巖石中爆炸時釋放出的巨大能量，隨著傳播距離的增加，逐漸衰減為地震波而引起介質質點的強烈振動。生產爆破地震效應對爆區地下的天然氣管道設施有不同程度的影響及破壞作用，如埋地天然氣管道出現裂縫。為了加強安全防范措施，應對采場周圍埋地天然氣管道所受爆破影響進行分析，以指導礦山的爆破工作，最大可能地降低爆破震動對埋地天然氣管道的破壞，保證礦山安全生產的順利進行。

一、礦山爆破產生的地震波原理作用

(一)爆破震動原理

炸藥在原巖中爆炸時，在彈性變形區內引起巖石質點的振動，這種引起巖石質點發生振動的彈性波就是地震波。地震波的能量占炸藥爆炸時釋放總能量的很小一部分，其百分率隨巖石性質不同而異，在干土中約為2％-3％，濕土中約為5％-6％，水中約為20％，巖石中約為2％~6％。地震波有體波和面波，體波分為縱波(P波)和橫波(S波)。縱波的特點是周期短、振幅小，橫波的特點是周期長、振幅大。體波在傳播途中，遇到地面、巖層層理和節理時，均會發生反射和折射。面波只限于沿介質表面或分界面傳播，它分為洛夫波(L波)和瑞利波(R波)，在地震破壞中起很大的作用。

(二)爆破震動測試

為了研究爆破地震效應的破壞規律，找出減小爆破振動的措施，對爆破地震效應進行系統的測試是非常必要的。爆破地震效應觀測的方法有宏觀調查和儀器觀測兩種。宏觀調查是指爆破前后，在爆破區以內和儀器觀測點附近選擇有代表性的建筑物及專門設置的某些器物進行觀測、描述和記錄，用對比的方法了解爆破后的破壞情況；儀器觀測是利用非電量電測法原理，對爆破工作和建筑物進行監測，測量儀器由傳感器、測振儀和記錄裝置組成。這兩種方法結合使用，效果較好。根據目前國內的情況，對危險的建筑物要實現長期不間斷的監測工作，對破壞程度不大的建筑物要進行定期的測試工作。目前，國內采取的主要監測手段是測定爆破地震波振速的大小以及加速度、頻率、波延時間等。振速V是藥量Q和距離R的函數。根據實測的數據確定K、a值，然后計算出建筑物所達到的最大振速。通過實測數據進行理論分析，以便了解哪些因素對建筑物的影響較大。

二、地震波對埋地管道的影響

一般情況下，對地下管道按以下3種地質情況進行研究：在均勻介質中、非均勻介質中和跨越斷層區。孫建剛等以管道在均勻介質中為模型，進行了動力反應分析。經過計算發現： (1)對于軟弱土，流速對頻率、內力有一定影響，對于堅硬土幾乎沒有影響。(2)即使對于軟弱土，在一定流速范圍內，流速對橫向彎曲振動的頻率、相對位移、內力影響也不大。(3)土質條件對內力影響較大，土質越差，反差越大，可達幾十倍。

王世圣等根據地震波在地表層傳播時的不同特征，分析和研究了地震波引起的土壤變形對埋地管道的作用，指出：由于管道的重量相對于夾裹其土壤的重量要小得多，再者由于土壤的限制，管道的振動難以被放大，計算時可以忽略作用在埋地管道上的慣性力，最后給出了埋地管道強度的簡化計算方法。馮啟民等對跨越斷層的埋地管道進行了屈曲計算，發現：在大位移斷層運動作用下，埋地管道存在明顯的非線性效應，斷層類型、管道埋深等因素不能忽略。地震激勵的空間相關性會使管道產生過高的隨機應力，帥建等將實際地震地面運動看作平穩隨機過程，研究了埋地管道的非平穩隨機響應，考慮地面運動的相關性，導出了軸向和橫向振動響應的相關函數和功率譜密度函數的解析表達式。侯忠良等利用地震行波作用下埋地管線三維反應計算方法，以土彈簧模擬管一土之間的相互作用，按場地和地震條件擬合地震位移時程并將其作為輸入，考慮管道與周圍土體的相對位移和地震作用的最不利入射方向，按埋地管道的真實三維模型求解管道的地震響應。郭恩棟等采用有限單元法，將管線模擬成粱單元，將土體模擬成彈簧單元，并同時考慮其非線性特征，求解了在斷裂位移和連續漸變位移作用下管土彈簧系統的動力平衡方程和振動響應。薛景宏等考慮了管一土之間的相互作用及管一內流之間的耦聯作用，研究了埋地管線在橫向傳遞的剪切波和軸向傳遞的壓縮波作用下的動力響應，并利用有限元方法對運動方程進行了求解，研究了土壤特性的改變對埋地管線地震響應的影響。張進國等針對地震作用下的埋地管道縱向振動微分方程，利用加權余量法計算了地震作用時管道的縱向運動位移響應。周晶等利用水下振動臺研究了海底懸跨管線在地震作用下的動力反應。孫政策等針對海底管線抗震設計中存在的問題，分析了海底管線的實際鋪設環境，研究了地震條件下海底管線和地層的相互作用，給出了地震條件下管一土之間約束狀態的判斷準則。

三、埋地天然氣管道的防震設計

天然氣管道的使用期限都長達幾十年甚至上百年，在其服役過程中由于環境荷載作用、疲勞效應、腐蝕效應和材料老化等不利因素的影響，嚴重削弱了系統的抗震能力。對于這些系統檢測困難，不能實時地把握元件累積損傷的狀況、繼續使用的可靠度。評估現有或建設中的埋地生命線系統抗震能力的一個有效手段，是加強對其智能監測，以確保適時發現薄弱環節。

我國學者經過多年研究，總結出天然氣管道遭遇地震波時的抗震措施：(1)淺埋；(2)提高管材的延性；(3)正確選擇管道穿越地質斷層的位置；(4)提高管子的壁厚；(5)回填土應采用較低摩擦系數的砂或砂礫石；(6)設置一定數目的彎頭。

景悅等和李長升等進行了地震作用下5種工況的砂土液化實驗分析。為防止管道上浮，可以采取以下幾種措施：(1)將地下管道固定埋置在非液化層的樁或地錨上；(2)采用混凝土涂料來加重管體以平衡浮力；(3)沿砂化地域在管道上設置平衡物。

四、結語

埋地天然氣管道的抗震研究在今日依然是一個熱點。今后的研究工作將主要集中在以下幾個方面：(1)進一步完善理論模型。主要表現在地震激勵的選取(是否考慮地震隨機激勵的非平穩性)、管道模型的選取(管道按梁還是殼模型計算)和管一土之間接觸作用的簡化問題(要考慮管或土的非線性)；(2)現代輸氣管道壓力大、流速高，考慮管土內流在地震作用下的耦合振動問題是今后研究的重點；(3)進一步開發適用于不同地質條件及不同流體介質的管道地震反應分析軟件；(4)地震多發區管道的智能監測問題研究，特別是應用光纖傳感技術對埋地管道進行地震或日常狀態下的功能狀況監測。