长距离成品油管道工程通过矿区地表移动与变形预测分析

郭山峰，王春晖，朱 卉，李文杰，杜红磊

(河南省地质矿产勘查开发局第一地质工程院，河南 郑州 450000)

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。该工程分为兰州－郑州段和郑州－长沙段。兰郑段线路起自兰州首站，途经甘肃、陕西、河南三省，到达郑州分输泵站，全长1 221 km。兰郑段管道工程在河南境内长388.7 km，沿线经过灵宝市、陕县、渑池县、新安县、孟津县、偃师市、巩义市、荥阳市、新密市和新郑市，共计10个县市。其中经过新密市段长度 25.1 km，主要穿越黄土低山丘陵区，局部地段为黄淮冲积平原，自西向东经过陈家窝、东天桥、董家沟、韦沟、王家沟等村镇。管道在白寨镇刘堂村北侧，穿越长景煤矿区之西南部边缘，线路走向126°左右，通过矿区长度2.45 km。

1 新密长景煤矿概况

长景煤矿位于新密市白寨镇刘堂村境内，矿区形状为一不规则多边形，东西长约 2.6 km，南北宽约 1.1 km，面积约2.43 km2。

矿区含煤岩系为石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、下石盒子组地层，含煤地层总厚为246 m，含6个煤组，14层煤，煤层平均总厚度为5.1 m，含煤系数为2.07%。赋存于石炭系太原组的一1煤、山西组的二1煤层为主要可采煤层，可采煤层平均厚3.5 m，可采含煤系数1.42%。

一1煤层赋存于太原组底部，为不稳定煤层，煤层埋深145.0～388.0 m，煤层底板标高为 －140 ～ +60 m，倾角 21°～27°，煤层厚度为 0.38 ～1.27m ，平均 1.07 m，为局部可采煤层。煤层结构较复杂，合1～4层夹矸，夹矸厚度为0.02～3.0 m。煤层中含大量结核状、透镜状及薄层状黄铁矿。煤层直接顶板为L1石灰岩，局部有伪顶，岩性为炭质泥岩或砂质泥岩;煤层底板为铝土质泥岩、铝土岩。区内一1煤层为结构较复杂的不稳定薄煤层。

二1煤层赋存于山西组下部，煤层结构简单，层位较稳定，厚度0.1 ～8.0 m，平均厚 2.5 m，埋深85.0 ～340.0 m，底板标高为 －90～ +125 m，倾角 16°～23°，煤层顶板为中——粗粒砂岩，直接底板为砂质泥岩，间接底板为细粒砂岩。

长景煤矿属小型矿山，设计生产能力15万 t/a，矿井服务年限15.86 a。现状生产同时开采一1煤层和二1煤层，生产实际开采回采率为一1煤层60%，二1煤层55%。属低瓦斯矿井，不易自燃煤层，煤尘有弱爆炸性。一1煤水文地质条件复杂，二1煤矿床水文地质条件中等，矿井正常涌水量38 m3/h，最大涌水量 76 m3/h。

2 地表移动与变形计算

管道工程线路自矿区西南部边缘穿越通过，主要沿黄土塬顶部敷设，地形相对较平坦(仅于刘堂村北侧有两处穿越深切冲沟)，距矿井距离大于135 m，其管道工程安全主要遭受来自于长景煤矿地下开采所引发的地表塌陷和地裂缝威胁，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(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、管道及水工建筑物的允许变形量有关。管道压覆一1煤层长度1 200 m，最小埋藏深度180 m，平均厚度小于1.0 m计算，采深采厚比大于180，同时顶板岩层力学强度高，开采一1煤层对地面变形影响程度小。本次只对开采二1煤层引起的地表移动与变形进行计算分析。

为了预测管道压覆煤层开采所造成的最大地表变形程度，在不考虑一1煤开采影响的情况下，假设充分采动二1煤，依据不同煤层厚度(推测厚度0.9 m和矿区平均厚度2.5 m)的相关地层参数，计算地表最大变形量。

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，结合二1煤埋藏及矿井开采方式等情况。本次地表移动与变形计算采用经验公式法，以规程中距离本区较近(约90 km)的邻区，平顶山八矿 12301观测站 1983～1987年实测参数资料为依据(石炭、二迭系煤层)，计算参数取值详见表1。

把表1数据代入下列公式可求得变形指标最大值、地表移动延续时间、残余移动变形延续时间，计算结果见表2。

表1 预测评估计算参数表

表2 预测评估计算结果表

式中:H为管道压覆二1煤的平均开采深度(m);tgβ为主要影响角正切;M为煤层厚度(m);Q为下沉系数;α为煤层倾角(°);b为水平移动系数;

ΔWj为极限残余下沉值(mm);C为残余下沉时间因子，1/a;Δq为残余下沉系数;K为下沉折减系数，取0.7;t为时间折减系数(1/a)，取0.3;ρ为煤的回采率(%)(生产实际值)。

通过以上预测评估计算结果可以看出，充分采动二1煤层后，采空区上方地表移动变形545 d以后基本结束。在残余移动变形期26～40 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0.9 m时，充分采动后，地表最大下沉量为724.0 mm，最大水平变形量为3.02 mm/m;当二1煤层厚度为2.5 m时，充分采动后，地表最大下沉量为 2 011.1 mm，最大水平变形量为8.39 mm/m。

3 结语

参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》附录三，粉砂质黄土管道允许水平变形值为3.0～6.0 mm/m。依据上述计算结果:当二1煤层厚度为 0.9 m时，充分采动后，地表最大下沉量为 724.0 mm，最大水平变形量为3.02 mm/m，在管道允许水平变形值以内，对管道工程安全的影响小，危险性小;当二1煤层厚度为2.5 m时，充分采动后，地表最大下沉量为2 011.1 mm，最大水平变形量为8.39 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，建议采取预留煤柱保护措施。

［1］雷海英，李文杰等.兰州 －郑州 －长沙成品油管道工程通过新密长景矿区安全性评估报告.2008.