兰州 -郑州 -长沙成品油管道工程通过郑州三基煤矿区安全性评估探讨

吕志涛,李文杰

(1.中国地质大学,北京 100083;2.河南省地质调查院,河南郑州 4500001;3.河南省地质矿产勘查开发局第一地质工程院 ,河南 驻马店 463000)

1 工程概况

中国石油天然气管道工程有限公司正在建设的兰州 -郑州 -长沙成品油管道工程,是我国中部的成品油大动脉。是中石油以全新理念建设的现代化输油管道,按照“安全第一、环保优先、以人为本、和谐发展”的原则,在遵守设计规范和国家各种法律法规的前提下,更加注重与各段不同地质环境条件下各项评估成果的结合。

本工程是一项关系国计民生,具有重大政治、经济、社会和环境意义的重点工程,也是《石油天然气中长期发展规划》、《我国成品油管网布局及“十一五”发展规划》的重要组成部分,对缓解日益突出的成品油能源供需矛盾,优化成品油长距离运输方式,支援地方工业发展与经济建设,实现西部成品油安全、经济、环保、稳定地输送,具有十分重要的现实意义和战略意义。

兰州 -郑州 -长沙成品油管道长输工程同其他油气管道长输工程一样,不仅需要经过艰苦的选线论证和协调工作,而且也面临着自然的和人为的地质灾害的威胁。目前管道初步埋设施工工作基本结束,所经过的地质条件复杂地段是影响施工进度的最大问题,尤其是煤矿采空区更是影响工程施工的难点所在,也是管道工程建成运营过程中构成安全隐患的重点区段。管道工程第十三标段通过郑州三基矿业有限公司煤矿开采区就是其中一段。

2 郑州三基煤矿基本情况

2.1 位置和范围

郑州三基矿业有限公司是由新密市白砦镇韦沟煤矿2006年 8月改制更名而来,其所属矿山是由原新密市白砦镇韦沟煤矿与新密市东方煤矿及扩大区整合而成。位于新密市北东约 15 k m的白砦镇韦沟村境内,东北距郑州市约 20 k m,在三李勘探区东端,东与新郑市小乔乡毗邻。地理坐标东经为 113°33′01″～ 113°34′49″,北纬为 34°35′06″～ 34°36′16″。矿区附近公路纵横成网,交通极为便利。

三基矿区形状为一不规则多边形,矿区南北长 1.40～2.08 k m,东西宽 l.28～2.58 k m,面积 4.80 k m2。

2.2 地层和构造

区内局部地段除奥陶系中统马家沟组(02m)、二叠系上统上石盒子组(P2s)、石千峰组(P2sh)地层出露外,其余均被新生界地层覆盖。勘探钻孔揭露的地层有奥陶系中统马家沟组,石炭系上统本溪组和太原组,二叠系下统山西组、下石盒子组及上统上石盒子组、平顶山组和石千峰组,新近系和第四系。

三基矿区位于五指岭白寨背斜东端之南翼,密县 -新郑复向斜之北翼。内部有多条断层,地质构造复杂程度为中等。主要发育断层有九门沟正断层、王口断层、光武陈断层及陈家断层。

南部含煤区位于阶梯下降的正断层区,构造形态为一个开阔的背斜,轴向呈北西西 -南东东方向,向东倾伏,北翼倾向北北东 -北东,倾角 l 0°～20°,南翼倾向南南东 -南东,倾角 10°左右,东部被断层错断。

2.3 水文地质条件

本区因受气候和地貌因素影响,地表水系不甚发育,主干为冲沟,均为季节性河流,雨季有水,枯季干涸。

主要分布奥陶系灰岩含水层。在矿区北部广泛出露,由灰色质纯的灰岩组成,裂隙溶洞较为发育,溶洞直径达 0.10～6.00 m,单位涌水量为 0.003 3 l/s◦m,渗透系数为0.019 6 m/d,水质矿化度 0.59 g/L,水质类型为 HC O3-C a-Mg型水。该含水层是区内主要含水层,揭露厚度最大达70.0 m以上,富水性强,在露头处接受大气降水补给,径流方向自西北向东南。

2.4 工程地质条件

本区地貌是由黄土构成的丘陵岗地区,除个别残丘和深切沟谷岸坡为基岩出露外,地表均为第四系冲积黄土分布。黄土为离石黄土,上部浅黄色 -黄褐色,岩性以粉土为主,较疏松,无摇振反应,具针孔状裂隙和垂直裂隙和轻微湿陷性,仅局部可见黄土湿陷和黄土陷穴现象,土石等级为Ⅱ级;下部为棕色 -棕褐色粉质粘土,均一致密,硬塑 -坚硬,无摇振反应,陡坎均为直立状,稳定性较好,无湿陷性。

3 矿区段管道工程安全评估

煤矿开采所造成的主要不良环境地质现象表现为地面塌陷、矸石山自燃和失稳、矿坑废水污染及煤(粉)尘大气污染。矿井回采放顶后,可形成采空区地面塌陷和地裂缝,使地表岩(土)体失稳,产生崩塌,在塌陷裂缝发育地段,遇强降雨的情况下可形成滑坡、泥石流等次生地质灾害。地面塌陷是矿井采掘过程中引发的最大的环境地质问题。

本评估区内兰 -郑 -长成品油管道工程线路自矿区中部穿越通过,地形相对较平坦,其管道工程安全,主要遭受来自于三基煤矿南区未来地下开采所引发的地表塌陷和地裂缝威胁,以及由此可能引发或加剧的黄土陡坎崩塌次生地质灾害的威胁。其危害程度的大小主要与管道线走向和采空区的位置关系、采空区(地质构造、开采深度、开采厚度、平面展布形态、形成时间)引起的地表变形量、管道的允许变形量、沟谷边坡高度坡度、稳定性等因素有关。

3.1 管道工程安全现状评估

物探结果表明:管道工程通过三基矿区段无地下采空区存在,管道工程实际压覆的二 1煤层南部资源储量区有两处断裂构造带。

三基煤矿现处于有限开采阶段,现状只开采北部储量区,南部储量区现无建井。根据野外矿区地质调查、资料分析和电測深法物探解译成果,划定三基煤矿开采现状采空区三处。

3.1.1 采空区现状

三处煤矿现有采空区主要分布于三基矿区的北部资源区,分别为原东方煤矿采空区、原韦沟煤矿采空区和三基煤矿现采区,均开采二 1煤层,采深 58～250 m,采厚 1.9～4.0 m。采空区地表面出现局部地面塌陷和较多较宽地面裂缝和房屋裂缝现象,房屋受损较严重 ,房屋裂缝宽度 1～10 c m,居民已搬迁。地面裂缝走向 310°～320°,宽度 0.5～80 c m,深度 0.5～2.0 m,延伸长度 5～40 m。管道线距此较远约900 m。

邻近矿区分别位于三基煤矿北区的北侧和东侧,其主采方向为东、北方向,所形成的采空区距离管道工程更远。

3.1.2 现状评估

根据三处采空区影响现状和与管道工程的相对位置关系表明三基煤矿开采的二 1煤层厚度大,采空区塌陷对地面变形影响大,塌陷裂缝明显,但距离管道线较远(约 900 m),距离塌陷移动盆地影响范围大于 740 m(按最大采深 158 m,最大采厚 5.3 m,主要影响角正切 1.71,计算开采影响半径为 92 m),管道工程受到的影响小,现状评估危险性小。

邻近矿区分别位于三基煤矿北区的北侧和东侧,距离管道工程更远,对管道工程影响小,现状评估危险性小。

3.2 管道工程安全预测评估

穿越矿区的管道工程线路自矿区中部通过,地形相对较平坦,管道压覆南部煤矿资源区二 1煤层长度 325 m,且有两处地下断裂构造带通过。关于煤矿未来开采管道压覆的该层煤时,对管道的安全性影响采用定性和定量相结合的方法,分别进行预测评估。

3.2.1 北区充分采动二 1煤层影响预测评估

根据采空区现状安全评估结果可知:管道工程线路距离现有北部煤矿资源区约 900 m,当北区充分采动二 1煤层时,距离塌陷移动盆地影响范围大于 640m(开采影响半径为 92 m),依据现状评估结果,定性预测评估认为:三基煤矿北区充分采动二 1煤层对管道工程影响小,危险性小。

邻近矿区分别位于三基煤矿北区的北侧和东侧,距离管道工程更远,对管道工程影响小,预测评估危险性小。

3.2.2 南区充分采动二 1煤层影响预测评估

(1)采深采厚比法

依据兰 -郑-长成品油管道工程安全的重要性和二 1煤层的埋藏产出特征(采深采厚比),参照《规程》中第 64条国家一级铁路压煤开采允许采用全部跨落法进行试采的规定进行评估:“薄及中厚煤层的采深与单层采厚比大于或等于150;厚煤层及煤层群的采深与分层采厚比大于或等于200”。

(2)地表移动与变形值计算法

三基矿区目前的开采阶段处于有限开采阶段,兰 -郑 -长管道工程通过郑州三基煤矿矿区段压覆的南区二 1煤层尚未建井开采,为了准确预测其未来开采所造成的最大地表变形程度,及对管道工程运营安全性影响的正确评估和提供可靠依据,在不考虑断裂带存在的情况下,定量计算地表最大下沉量和最大水平变形量。

根据《规程》结合二 1煤层埋藏及矿井开采方式等特点。本次地表移动与变形计算采用经验公式预测法,引用《规程》附录五中距离本区较近观测站地表移动实测参数资料(石炭、二叠系煤层),计算参数取值考虑安全因素和最不利组合。

预测评估结果表明,三基煤矿南区充分采动二 1煤层后,采空区上方地表移动变形 926.5 d以后基本结束。在残余移动变形期 61.6 a内,残余移动变形过程仍会发生,变形速度缓慢。

当二 1煤层厚度为 3.4 8m时,充分采动后,在未考虑断裂带存在的情况下,地表最大下沉量为 2 878.8 mm,最大水平变形量为 6.80 m m/m。

依据《规程》附录三地下输油管道铺设在砂质粘土和粘土上允许水平变形值为 2.0 m m/m,极限值为 4.0 m m/m;铺设在砂土上允许水平变形值为 3.0 m m/m,极限值为 6.0 mm/m之规定。本区地表为粉砂质黄土,管道允许水平变形值采用 3.0 mm/m～6.0 m m/m。与计算的地表最大水平变形量相比较表明:在未考虑断裂带存在的情况下,三基煤矿南区充分采动二 1煤层后,地表最大下沉量为 2 878.8 mm,最大水平变形量为 6.80 mm/m,远大于管道允许水平变形极限值,对管道工程安全的影响大,危险性大;如果再加上地下采煤引起断裂带地层滑移而加剧地表变形的影响,无疑将对管道工程的安全运营构成重大威胁,危险性极大。

因此,应对兰 -郑 -长管道工程通过郑州三基煤矿矿区段压覆的南区二 1煤层开采,采取积极安全的防治对策措施,以确保矿区段管道工程的安全运营。另外需要指出的是:管道工程矿区段北端没有资源,也没有采矿活动,对管道工程无影响;而其南端、三基矿区范围以外部分,仍会有二 1煤层埋藏的可能性,其未来开采同样会对管道工程安全运营造成重大影响,危险性大,应引起高度重视。

4 矿区段管道工程可能遭受其他灾害分析

兰 -郑 -长管道工程安全除了遭受煤矿地下开采所引发的地面塌陷和地裂缝威胁以外,也有可能遭受由此引发或加剧的黄土陡坡崩塌次生地质灾害,以及洪水冲蚀等其他灾害的威胁。

4.1 调查区其他灾害现状

4.1.1 崩塌

本区地貌是由黄土构成的丘陵岗地区,除个别残丘和深切沟谷岸坡为基岩出露外,地表均为第四系黄土分布。岗丘顶面地形平缓开阔,以农田旱地为主,沟谷两侧阶梯状起伏大,植被发育,现正逐步建设营造为环都市生态涵养林发展区。相对高差 1～25 m,一般 3～12 m,地面标高 198～283 m,最大相对高差可达 85 m。

黄土为离石黄土,上部浅黄色 -黄褐色,岩性以粉土为主,较疏松,具针孔状裂隙和垂直裂隙和轻微湿陷性,土石等级为Ⅱ级;下部为棕色 -棕褐色粉质粘土,均一致密,硬塑 -坚硬,陡坎均为直立状,稳定性较好,居民老窑洞普遍。仅个别边坡后缘发育有拉张裂隙,在降雨水流强冲蚀等因素影响下,较易形成崩塌地质灾害。

管道工程从矿区中部通过,地形相对较平缓,坡度 3‰左右,管道线仅有 2处穿越深切冲沟,一处距离崩塌陡崖仅有 4～5 m,有遭受深切冲沟溯源侵蚀威胁;另一处管线穿越高陡岸坡(高度 7 m左右),有遭受黄土边坡崩塌的威胁。

4.1.2 黄土湿陷

本区离石黄土属于风成原生老黄土,时代为中更新统(Q P 2),上部 1.5～2.0 m部分土层具轻微湿陷性,为非自重湿陷性黄土,仅局部可见黄土湿陷和黄土陷穴现象。下部土质密实,压缩性低,锹、镐挖掘困难,无湿陷性。管道工程开挖管沟埋填破坏了土层的天然结构状态,据黄土地区经验,将来容易发生黄土湿陷和陷穴灾害的可能性,应注意在边坡和凹地附近采取防治措施;

4.1.3 洪水冲蚀

本区属半干旱大陆性气候,夏季炎热多雨,降雨多集中在每年的七、八、九三个月,平均年降雨量 624.3 m m,日最大降雨量 103.5 m m,地表径流向沟谷处汇集,对沟床和岸坡极易形成洪水冲蚀。

4.1.4 煤矸石堆

矿区煤矿开采的废渣煤矸石均就地堆积于矿井附近沟谷岸坡之上,形成天然堆积坡度,部分被用于矿区附近填沟、筑路。固体废渣已固定堆放于矸石山上,并已进行了绿化处理。管道工程距离北区现采区大于 900m,远离煤矸石堆积区和矿坑废水排放区,不受其直接影响;应注意三基南区未来开采煤矸石堆积的影响。

4.1.5 矿坑废水

新密是一个用水相对缺乏的地区,矿山在生产过程中产生的矿井水由各巷道水沟排入井底水仓,经一次沉淀后,由井下中央泵房泵入平地沉淀池进行二次沉淀处理,处理后的矿井水一部分自用作煤场防尘用水,一部分作为附近农村的灌溉用水。

4.1.6 煤(粉)尘大气污染

煤矿生产会造成大量的粉尘污染,同时机械运输扬尘更使其污染范围矿大,在调查区内也零星分布有人造石子加工场、耐火材料厂等,均形成较严重的大气污染,空气质量较差。

5 结语

兰州 -郑州 -长沙成品油管道工程线路自矿区中部穿越通过,地形相对较平坦,地形坡度 3‰左右(仅有两处穿越大冲沟),现状远离煤矸石堆积区和矿坑废水排放区,不受其直接影响;其管道工程安全主要遭受来自于三基煤矿未来南区地下开采所引发的地面塌陷和地裂缝威胁,以及黄土陡坡崩塌地质灾害、洪水冲蚀的威胁。

现有采空区三处,塌陷移动盆地影响范围,距离管道工程 640～740 m,现状评估及预测评估认为对管道工程影响小,危险性小。邻近矿区分别位于三基煤矿北区的北侧和东侧,距离管道工程更远,对管道工程影响小,现状评估及预测评估危险性小。管道工程矿区段北端没有资源,也没有采矿活动,对管道工程无影响。

管道工程矿区段压覆南区二 1煤层平面直线长度 325 m,构造复杂,现尚未建井开采。预测的评估结果表明未来开采对地面变形影响程度远大于管道允许水平变形极限值,对管道工程安全的影响大,危险性大。管道工程矿区段南端、三基矿区范围以外部分,仍会有二 1煤层埋藏的可能性,其未来开采同样会对管道工程安全运营造成重大影响,危险性大,应引起高度重视。

[1]雷海英,李文杰,等.兰州 -郑州 -长沙成品油管道工程通过郑州三基煤矿区安全性评估报告,2009.