采空区地表沉降监测对在役管道影响分析

李金文，杨清云，韩桂武，杨文艳

1.国家管网集团山东省公司（山东济南 250101）

2.中国石油天然气管道工程有限公司（河北廊坊 065000）

0 引言

山东地区某成品油长输管道设计压力8.0 MPa，管径219.1 mm，管道采用L245MB 钢级钢管，外防腐采用三层PE。管道附近有当地矿务局计划开采的3308综放工作面，其中管道中线距离计划开采工作面最近位置约316 m。根据矿区的开采计划，3308工作面拟于2021年7月底开始回采，煤层开采深度580.7 m，平均开采厚度8.1 m；根据矿产开采分析报告，回采初期采动影响会对本成品油长输管道造成一定的运营安全风险[1]。

采用概率积分法对管道地表位移进行估算[2-3]，并将估算值作为位移荷载作用到在役管道节点中，采用有限元的方法，对管道在内压、温差和地表沉降组合工况下的应力状态进行数值计算[4]，计算得到管道应力集中发生在弯头部位，最大组合应力值为314 MPa，超过了《输油管道工程设计规范》的管材极限允许极限强度220.5 MPa，如图1 所示,如果不采取任何措施，管道可能处于失效状态[5]。

图1 在役管道有限元计算应力分布图

项目前期开展了开挖应力释放和应力监测等管道保护措施，在管道周边设置了地表位移GNSS监测点3 个用于监测煤矿开采期间的地表变形情况[6]，其中监测点3 距离开挖面最近，监测点1 距离开挖面距离最远，平面布置如图2所示。

图2 管道中线、开采工作面及GNSS监测点布置平面图

根据开采进度工作面每周开采14～19 m，在2021年12月1日，煤矿开采工作面距离管道监测点距离最近，此时开挖工作面距离管道弯头处约316 m，如图3所示。

图3 采完工作面与管道位置关系

1 监测方法选取

管道为线性工程，而煤矿采空区为面状塌陷区。为判定采空区地表沉降对在役管道的影响，推荐采用多种监测方法，通过对场区关键监测点、管道中线及周围区域的总体沉降规律分析，从而对地表变形稳定做出准确结论。工程推荐采用GNSS和InSAR两种监测方法，综合判定地表变形规律，这是由两种监测方法的特点决定的。

1）从精度上，GNSS 测量精度一般能达到±5 mm+0.5×10-6D（D为距离参考点的距离）的精度，InSAR 结果为毫米级甚至是厘米级的精度，采用的GNSS测量精度要高于InSAR监测结果[7-8]。

2）从监测范围上，GNSS 数据仅能针对本位置（精确为一点）的时程曲线；而遥感数据可以从监测平面上总体观测研究区域的特性，对区域的整体变形进行定性和定量分析[9]。

3）从监测频率上，GNSS数据多采用无线传输实时传输，且监测频率可网络调整，可以定制为密集的监测频次，满足变形剧烈区域的监测要求；而In-SAR 监测频率依赖所用数据的监测周期[10-11]，例如哨兵数据的监测周期为12天。

4）从监测时间上，GNSS数据只能在设备安装测试之后才能正常使用，设备一旦毁坏数据将丢失；而InSAR 数据具有很强的可追溯性，可以从监测历史上分析事件过程。

可见两种监测方法各有优势，又各有不足，通过采用两种监测方法结果的比对和判别，从而综合得到场区的地表变形规律。

2 GNSS监测

2.1 沉降监测结果

项目在管道中线附近设置地表位移监测点3个，监测日期自2021 年8 月5 日至2022 年6 月1 日监测的地表沉降值结果，如图4所示。

图4 GNSS监测点累积地表沉降值

2.2 GNSS结果分析

由于3个地表沉降监测点距离管道很近，3个点的监测结果基本代表了管道弯头附近的地表沉降变形情况，数据解析得出如下规律：

1）根据矿上反馈信息，工作面开挖在7 月底开始工作，GNSS 点1～点3 反应出来地表沉降在9 月中旬左右出现第一次剧烈变化，说明在开采初期地表沉降显现滞后于工作面开挖工作，滞后时间约1.5个月。

2）在2021 年12 月1 日煤矿工作面距离管道弯头最近，此时距离监测点距离也是最近的，此时GNSS监测点1～点3开始发生第二次剧烈沉降。

3）随着工作面继续开挖，GNSS 监测点1～点3持续增大，地表出现剧烈的变形阶段，变形周期超过6个月，最大累积沉降值为25～60 mm不等。

4）从不同监测点的变形趋势上看，GNSS点1距离开挖面最远，从沉降绝对值上与GNSS 点2 和点3相比，变形绝对值较小，而且沉降值的收敛性滞后于其他监测点。

3 InSAR监测

本项目所用SAR数据为哨兵数据，时间跨度为2021 年8 月至2022 年5 月，周期为12 天，共23 景。SAR数据中包含了幅度信息和相位信息，本项目利用幅度信息获取了沉降湖的变化，利用相位信息获取了地表形变情况，具体如下。

3.1 沉降湖扩展

基于时序强度影像发现出现沉降湖，并且随着工作面开挖，湖的形态发生明显变化，湖的现场沉降照片如图5所示，形态的时间变化如图6所示。

图5 地面形成沉降湖泊

图6 沉降湖形态变化图

根据图6 所示，沉降湖的外边沿处于3308 开挖面中间位置，且随着工作面的延伸，沉降湖总面积逐渐增大，且边线向东南方向拓展，这与煤矿的开挖方向基本一致。沉降湖的形态变化可代表了整体区域的地表沉降区域的变化形态，表面地表塌陷区域在时间和空间上与地下煤矿工作面的开挖状态是一致的。

3.2 形变结果

本项目采用SBAS 方法对时序数据进行处理得到的累积形变结果，并选取沉降区域及关键点如图7 所示，并在管道中线位置选取关键点1～关键点5 进行分析。分析InSAR 关键点位移时程曲线如图8 所示。基于关键点的时程曲线结果分析，得出如下结论：

图7 沉降区域及关键点选取

图8 InSAR关键点位移时程曲线

1）距离沉降区域最近的关键点3表现出最大的位移值，最大位移值52 mm；其次是关键点两侧的关键点4 和关键点2，最大位移值在25～28 mm；变形量最小的是远离工作面的关键点5和关键点1，最大位移值在15 mm之内。

2）从时间上来看，距离开挖面最近的关键点3在2021年10月初大幅度沉降，这与GNSS监测点数据基本一致；而附近的关键点4 和关键点2 则表现为较平缓的变形；距离工作面较远的关键点1 和关键点5变形随时间变化不明显。

3）关键点1 距离开挖工作面最远，随着时间发展甚至表现为小幅度的地表抬升，可能的原因是由于地下有刚度较大的地层作用，导致距离较远处的地层翘起所致。

4）从关键点2～关键点5的时程曲线看，地表在2022 年4 月初表现出地层的稳定或位移的恢复（向0点位移方向发展），地层渐趋稳定。

4 结论

通过对GNSS 和InSAR 两种监测方法的数据分析和比对，得出如下结论：

1）从上部地表与下部开挖关系上来看，地表监测点的沉降通常滞后于地下开采工作，通常地表沉降滞后下部采空约1.5个月。

2）从空间关系上来看，距离开挖面最近的观测点在2021 年10 月发生最大幅度沉降值（最大值约60 mm），而附近较远的观测点表现为变形平缓。

3）从沉降发展方向来看，地表沉降发生与下部工作面开挖方向是一致的，都为从西北向东南的发展方向，表现为西北侧逐渐稳定，东南侧沉降继续增大。

4）从地表稳定时间来看，在2022 年4 月管道上所有观测点监测值稳定或有很小幅度变化，表明附近地层逐渐稳定，具备下一步施工的条件。

地表沉降作为一种典型的地质灾害形式，只有通过多种监测手段掌握其变形规律，才能为后期管道安全性校核和地貌恢复提供有利的科学依据。