采空區地表沉降監測對在役管道影響分析

李金文，楊清云，韓桂武，楊文艷

1.國家管網集團山東省公司（山東濟南 250101）

2.中國石油天然氣管道工程有限公司（河北廊坊 065000）

0 引言

山東地區某成品油長輸管道設計壓力8.0 MPa，管徑219.1 mm，管道采用L245MB 鋼級鋼管，外防腐采用三層PE。管道附近有當地礦務局計劃開采的3308綜放工作面，其中管道中線距離計劃開采工作面最近位置約316 m。根據礦區的開采計劃，3308工作面擬于2021年7月底開始回采，煤層開采深度580.7 m，平均開采厚度8.1 m；根據礦產開采分析報告，回采初期采動影響會對本成品油長輸管道造成一定的運營安全風險[1]。

采用概率積分法對管道地表位移進行估算[2-3]，并將估算值作為位移荷載作用到在役管道節點中，采用有限元的方法，對管道在內壓、溫差和地表沉降組合工況下的應力狀態進行數值計算[4]，計算得到管道應力集中發生在彎頭部位，最大組合應力值為314 MPa，超過了《輸油管道工程設計規范》的管材極限允許極限強度220.5 MPa，如圖1 所示,如果不采取任何措施，管道可能處于失效狀態[5]。

圖1 在役管道有限元計算應力分布圖

項目前期開展了開挖應力釋放和應力監測等管道保護措施，在管道周邊設置了地表位移GNSS監測點3 個用于監測煤礦開采期間的地表變形情況[6]，其中監測點3 距離開挖面最近，監測點1 距離開挖面距離最遠，平面布置如圖2所示。

圖2 管道中線、開采工作面及GNSS監測點布置平面圖

根據開采進度工作面每周開采14～19 m，在2021年12月1日，煤礦開采工作面距離管道監測點距離最近，此時開挖工作面距離管道彎頭處約316 m，如圖3所示。

圖3 采完工作面與管道位置關系

1 監測方法選取

管道為線性工程，而煤礦采空區為面狀塌陷區。為判定采空區地表沉降對在役管道的影響，推薦采用多種監測方法，通過對場區關鍵監測點、管道中線及周圍區域的總體沉降規律分析，從而對地表變形穩定做出準確結論。工程推薦采用GNSS和InSAR兩種監測方法，綜合判定地表變形規律，這是由兩種監測方法的特點決定的。

1）從精度上，GNSS 測量精度一般能達到±5 mm+0.5×10-6D（D為距離參考點的距離）的精度，InSAR 結果為毫米級甚至是厘米級的精度，采用的GNSS測量精度要高于InSAR監測結果[7-8]。

2）從監測范圍上，GNSS 數據僅能針對本位置（精確為一點）的時程曲線；而遙感數據可以從監測平面上總體觀測研究區域的特性，對區域的整體變形進行定性和定量分析[9]。

3）從監測頻率上，GNSS數據多采用無線傳輸實時傳輸，且監測頻率可網絡調整，可以定制為密集的監測頻次，滿足變形劇烈區域的監測要求；而In-SAR 監測頻率依賴所用數據的監測周期[10-11]，例如哨兵數據的監測周期為12天。

4）從監測時間上，GNSS數據只能在設備安裝測試之后才能正常使用，設備一旦毀壞數據將丟失；而InSAR 數據具有很強的可追溯性，可以從監測歷史上分析事件過程。

可見兩種監測方法各有優勢，又各有不足，通過采用兩種監測方法結果的比對和判別，從而綜合得到場區的地表變形規律。

2 GNSS監測

2.1 沉降監測結果

項目在管道中線附近設置地表位移監測點3個，監測日期自2021 年8 月5 日至2022 年6 月1 日監測的地表沉降值結果，如圖4所示。

圖4 GNSS監測點累積地表沉降值

2.2 GNSS結果分析

由于3個地表沉降監測點距離管道很近，3個點的監測結果基本代表了管道彎頭附近的地表沉降變形情況，數據解析得出如下規律：

1）根據礦上反饋信息，工作面開挖在7 月底開始工作，GNSS 點1～點3 反應出來地表沉降在9 月中旬左右出現第一次劇烈變化，說明在開采初期地表沉降顯現滯后于工作面開挖工作，滯后時間約1.5個月。

2）在2021 年12 月1 日煤礦工作面距離管道彎頭最近，此時距離監測點距離也是最近的，此時GNSS監測點1～點3開始發生第二次劇烈沉降。

3）隨著工作面繼續開挖，GNSS 監測點1～點3持續增大，地表出現劇烈的變形階段，變形周期超過6個月，最大累積沉降值為25～60 mm不等。

4）從不同監測點的變形趨勢上看，GNSS點1距離開挖面最遠，從沉降絕對值上與GNSS 點2 和點3相比，變形絕對值較小，而且沉降值的收斂性滯后于其他監測點。

3 InSAR監測

本項目所用SAR數據為哨兵數據，時間跨度為2021 年8 月至2022 年5 月，周期為12 天，共23 景。SAR數據中包含了幅度信息和相位信息，本項目利用幅度信息獲取了沉降湖的變化，利用相位信息獲取了地表形變情況，具體如下。

3.1 沉降湖擴展

基于時序強度影像發現出現沉降湖，并且隨著工作面開挖，湖的形態發生明顯變化，湖的現場沉降照片如圖5所示，形態的時間變化如圖6所示。

圖5 地面形成沉降湖泊

圖6 沉降湖形態變化圖

根據圖6 所示，沉降湖的外邊沿處于3308 開挖面中間位置，且隨著工作面的延伸，沉降湖總面積逐漸增大，且邊線向東南方向拓展，這與煤礦的開挖方向基本一致。沉降湖的形態變化可代表了整體區域的地表沉降區域的變化形態，表面地表塌陷區域在時間和空間上與地下煤礦工作面的開挖狀態是一致的。

3.2 形變結果

本項目采用SBAS 方法對時序數據進行處理得到的累積形變結果，并選取沉降區域及關鍵點如圖7 所示，并在管道中線位置選取關鍵點1～關鍵點5 進行分析。分析InSAR 關鍵點位移時程曲線如圖8 所示。基于關鍵點的時程曲線結果分析，得出如下結論：

圖7 沉降區域及關鍵點選取

圖8 InSAR關鍵點位移時程曲線

1）距離沉降區域最近的關鍵點3表現出最大的位移值，最大位移值52 mm；其次是關鍵點兩側的關鍵點4 和關鍵點2，最大位移值在25～28 mm；變形量最小的是遠離工作面的關鍵點5和關鍵點1，最大位移值在15 mm之內。

2）從時間上來看，距離開挖面最近的關鍵點3在2021年10月初大幅度沉降，這與GNSS監測點數據基本一致；而附近的關鍵點4 和關鍵點2 則表現為較平緩的變形；距離工作面較遠的關鍵點1 和關鍵點5變形隨時間變化不明顯。

3）關鍵點1 距離開挖工作面最遠，隨著時間發展甚至表現為小幅度的地表抬升，可能的原因是由于地下有剛度較大的地層作用，導致距離較遠處的地層翹起所致。

4）從關鍵點2～關鍵點5的時程曲線看，地表在2022 年4 月初表現出地層的穩定或位移的恢復（向0點位移方向發展），地層漸趨穩定。

4 結論

通過對GNSS 和InSAR 兩種監測方法的數據分析和比對，得出如下結論：

1）從上部地表與下部開挖關系上來看，地表監測點的沉降通常滯后于地下開采工作，通常地表沉降滯后下部采空約1.5個月。

2）從空間關系上來看，距離開挖面最近的觀測點在2021 年10 月發生最大幅度沉降值（最大值約60 mm），而附近較遠的觀測點表現為變形平緩。

3）從沉降發展方向來看，地表沉降發生與下部工作面開挖方向是一致的，都為從西北向東南的發展方向，表現為西北側逐漸穩定，東南側沉降繼續增大。

4）從地表穩定時間來看，在2022 年4 月管道上所有觀測點監測值穩定或有很小幅度變化，表明附近地層逐漸穩定，具備下一步施工的條件。

地表沉降作為一種典型的地質災害形式，只有通過多種監測手段掌握其變形規律，才能為后期管道安全性校核和地貌恢復提供有利的科學依據。