天然气管道穿越煤矿采空区变形监测技术应用★

李华章 何文刚 罗 伟 李生红

(遵义师范学院工学院，贵州 遵义 563006)

0 引言

随着国内石油和天然气管线和管网的快速发展，有关管线安全监测的方法和技术也在不断提升。目前具有GIS、分布式光纤、光纤温度传感等监测技术(王新等，2020)，有效地提升了天然气管线的监测效率。同时以上监测技术主要是基于温度、流量、声音、应力—应变监测、地表变形等(曲志刚，2007；李伟林，2009；吴有更，2020；陈雁，2020；王新等，2020；孙健等，2012)。管线安全监测实践证明，对管线的应力—应变监测、地表变形监测是较为经济、有效的监测手段，得到了广泛应用。

中缅天然气管道国内段途经沿线属于“三高四活跃”的不良地质作用发育地区，加上地形地貌多样，地质条件复杂，滑坡、崩塌、泥石流、岩溶塌陷和采空区塌陷等地质灾害密布，这些灾害均对管道安全运营构成严重威胁。中缅天然气管道贵州段穿越滴水岩煤矿区，煤矿采空区地质条件复杂，潜在的安全隐患较大，同时该区有关岩土体的变形对管道安全运行的勘察和分析评价工作开展深度不够。为此，通过实时掌握管道附近岩土体变形和管道受力情况，在充分分析滴水岩煤矿采空区变形特征和管道敷设的基础上，开展滴水岩煤矿采空区和管道的监测仪器布置设计，并对GPS监测数据进行深入分析评价，为管道安全监测预警提供参考。

1 工程概况

滴水岩煤矿位于贵阳市花溪区南西直距15 km，燕楼镇旧盘村滴水岩处，矿区面积约2.5 km2(见图1)。该地区属亚热带湿润气候区，雨量适中，年均降雨量约为1 057 mm。矿区地形为中低山溶蚀及侵蚀地貌，相对高差110 m～150 m，地形较陡，坡度为15°～40°，局部成陡崖。矿区位于党武背斜东翼近轴部，总体呈一宽缓的单斜构造，地层总体走向NE～SW，倾角较缓(5°～15°)。滴水岩煤矿含煤岩系为上二叠统龙潭组(P3l)，含煤性较稳定，可采煤层3层，总厚2.8 m，含煤系数2%。

中缅天然气管道穿越滴水岩煤矿矿区北部，大致沿东西方向敷设，管道直径1 016 mm，壁厚21 mm，管道埋深约2 m，采空区影响管道长度约2 400 m。

2 管道应力应变监测设计

根据文献资料分析，常见的监测管道应力—应变手段主要有三种：1)监测管道周围土压力，能间接反映管道受力情况；2)利用应力分析仪等直接监测管道应力大小；3)通过测量应变仪的相对变化量，解算管道应力大小(常立功，2014)。在工程实践中，先利用应力分析仪器测量管道初始应力，再使用应变传感设备等仪器测量管道应变变化情况，最后计算出应力变化。因此，根据上述监测手段，穿越滴水岩采空区段管道应力—应变监测采用振弦式应变仪(如图2所示)进行测量。

应变测量原理：用一根钢弦张拉在两块安装块之间，安装块弧焊在待测管道表面(见图3)，管体发生变形导致两个安装块相对运动，从而引起钢弦张力改变。振弦读数仪与应变仪连接后，读数仪就可以提供必要的电压脉冲去激励并且直接显示振动结果的微应变周期或其他量(刘浩，2012)。在弹性范围内，按胡克定律可以将应变通过计算得出相应的应力，同时依据相关规范的极限阀值来判断管道的安全状态。

根据中缅天然气管道穿越滴水岩煤矿采空区变形特征，在影响管道长度内共设置应力—应变监测点6处，安装18个弧焊型振弦式应变计。具体操作流程(见图4)：监测点位置确定→管道开挖→防腐层剥除→应变计安装→防腐层补强→应变计监测孔保护。

根据煤矿开采情况，以一个月为周期对管道进行应变监测，并及时进行数据解算，绘制出变形曲线图。利用变形曲线，分析管体不同部位变形情况，以及随时间的变化规律。变形明显加快或累计增长达到一定数值时应采取开挖释放应力等措施，以免管体受力过大造成损伤。

3 地表变形监测

地表变形监测是指测量变形体上的监测点相对于其外部的某一(或多个)固定基准点的三维坐标，得出监测点的位移量、方位与变形速率等。根据文献资料分析，目前GPS监测是煤矿采空区地表大地变形监测的主要措施(李洁友，2018)，将GPS监测系统设计为二级，即GPS基准网点和GPS变形监测网。因此，根据滴水岩煤矿采空区的形态特征、变形特征、动力因素以及管道与采空区的位置关系等，结合相关资料和规范对滴水岩煤矿采空区变形监测二级监测网点进行方案设计。

3.1 GPS基准网点

GPS基准网点是地表变形监测的基准，以基准点为固定点，对监测点进行观测，因此基准点的选取要遵循正确、稳定、可靠的原则。GPS基准网点的选取依据以下四点原则(崔鹏艳等，2019)：1)地质条件良好、稳定性强；2)周围区域无障碍物遮挡，便于接收GPS信号；3)尽量远离信号干扰源；4)交通便利等。

基准网点选取之后，在点位上修建GPS观测墩(见图5)，修建的观测墩使其稳定一个月后才可以用于观测使用。此外基准网点附近应布设保护点，起检核和恢复作用。

3.2 GPS变形监测网

监测点是在煤矿采空区塌陷监测区域内的观测点，通过与基准点连接形成变形监测网，作为整体变形监测期间的观测网，因此GPS监测点(如图6所示)的选取需满足以下两点原则：

1)监测点必须与变形体固连在一起，能反映所代表部位的变形，且监测点的埋设要求稳定、长期保存和便于作业等；

2)监测点应根据煤矿采空区的形态特征、变形特征、动力因素以及管道与采空区的位置关系等具体要素来确定点位，且这些点位能真实地反映灾害地质体变形敏感部位。

根据上述GPS监测原则，结合滴水岩煤矿采空区特征，布设2处基准点和14处监测点对煤矿采空区进行变形监测(见图7)。依据GB/T 18314—2009全球定位系统(GPS)测量规范，因监测工作的重复性，按照简捷可靠、先进实用且经济等原则，对长输油气管道GPS监测网采用C级标准，平面误差为±3 mm～6 mm，监测精度为三级。

本工作测量方法属于快速静态测量法。具体操作流程为：将两台GPS安放在基准点上保持静止，另外四台GPS在监测点上有序移动，并且与基准点的GPS构成闭合环进行观测，每次观测1 h～2 h，将监测获取的数据进行解算，得到监测点的三维坐标。通过每次观测数据处理得到的三维坐标的变化量来研究监测点的变形规律。

根据煤矿开采情况，以一个月为周期对采空区进行变形监测，并及时进行数据解算，绘制出变形曲线图，结合管道应力—应变曲线来判断管道风险。

4 宏观地质调查

宏观地质调查法采用人工对常规的地质灾害变形形迹进行追踪调查。该调查法是在变化明显地段设固定点，如标注挡土墙等裂缝位置，标定进行简易测量的标志(见图8)，定期穿越调查路线，了解、掌握地质灾害的变化情况。

本项工作将充分发挥管道巡线员每天巡线的优势，对一些简易观察的地裂缝进行测量，从而缩短信息收集周期。

5 GPS监测结果分析

为监测采空区管道变形发展规律，下面以GPS观测数据为例进行分析(见表1)。根据18次GPS观测结果，在平面位移X，Y和垂直位移H关系曲线如图9所示。

表1 滴水岩煤矿采空区管道段累积位移变化量分析表

从18次GPS观测统计位移量来看，点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，其余所有点的累积位移均比较小。通过统计计算，在平面位移X和Y方向的累积位移量趋于零位移量，而在H方向上具有较大的变化量，这也说明滴水岩煤矿采空区变形在竖直方向上持续变化。

6 结语

依据滴水岩煤矿采空区地质环境分析以及中缅天然气管道敷设特点，本文提出了一套较完善的长距离输气管道采空区变形综合监测设计方案。将管道应力—应变监测和GPS监测技术有机融合，结合宏观地质调查手段，能较好地预测采空区的变形趋势。通过对采空区GPS监测数据分析，发现在垂直(H)方向上具有较明显的变形，符合管道下部采空区岩土体的变形规律，认为本监测设计项目及监测部位较为合理。

本文只是重点对滴水岩煤矿采空区变形位移进行了详细分析，而管道应力—应变数据的可靠性需要后续进一步深入探讨。总之，结合地面变形监测和管线应力应变监测，有效地提升了对滴水岩煤矿采空区整体变形状态的认识，甚至深化了采空区岩土体内部变形情况的理解。该研究可为中缅天然气管线的安全运行提供重要借鉴和参考。