地下开采诱发地表变形及其对液体管道安全影响的研究

张国来，孙晓鲲，马银阁，张文韬

（1.北京城建房地产开发有限公司，北京 100010；2. 中国矿业大学，北京 100083；3. 北方工业大学土木工程学院，北京 100144）

0 引言

城市地下管线包括供水、排水、天然气、电力以及热力等埋地管线及其保障附属设施，对城市的运行起保障作用［1-7］。地下开采将诱发上覆岩层和地表的移动和变形，有可能导致地表建筑物和埋地管线的破坏，从而影响了城市的运营安全。因而，预判地表变形和破坏范围，模拟不同开采中段对地表的移动和变形的影响，对安全范围进行区划，并及时采取安全防控措施，避免人民生命财产安全受到威胁，对保障矿山开挖具有重要的意义［8-10］。本文结合某中部城市矿山开采工程实例，对地下开采诱发的地表沉降变形区进行了预测、以及对埋地管网及市政设施的安全造成影响进行了分析，以便为类似矿区的安全提供参考。

表1 岩体物理力学性质表

1 数值模拟研究

1.1 工程概况

某矿山为一大型鞍山式沉积变质铁矿床。全区共分大小 17 个矿体，首先开采Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ 号三个矿体，这三个矿体与矿区内的三条断裂带纵横交错，相互关联，相互影响，三条断裂带分别命名为 F1、F2、F3。地层由平均厚度为 60 m 至 170 m 的第四系（主要成分为粉土、黏土、粉质黏土、砂层、砾卵石层及淤泥质粉土）和太古界单塔子群白庙子组构成了地层分布。此次开采的为 -180～-900 m 范围内的矿体，由于矿体埋深较深，为确保施工安全，开采设计分为上下 2 个采区，其中-180～-540 m 范围为上部采区、-540～-900 m 的范围为下部采区。由于该矿山所在地理位置特殊，紧邻滦河，施工难度较大，因此采用上、下采区同时开采，采取分层充填的开采方法。

1.2 地表变形区划

应用 FLAC3D 建立开采的三维模型，矿体倾向为 X 轴，走向为 Y 轴。该模型设计尺寸为走向长度8 000 m、倾向长度为 4 200 m、深度 2 400 m，移动角为 45°；三维模型划分 141 263 个单元，57 870 个节点。以 60 m 为一个中段，20m为一个分段，在 -900 m 处和 -540 m 处同时进行上下采区分层开采，分六步采完，并以 90 % 接顶率进行填充。岩体的物理力学参数如表 1 所示，布置高度及开采次序如表 2 所示。

设置模型位移边界条件为：底面 xz 为固定约束，模型上部边界为自由边界，并且仅考虑自身重力的影响。上、下采区同时开采，采矿方法嗣后充填法。模型示意图如图 1 所示。

表2 布置高度及开采次序

图1 模型示意图

开采诱发地表沉降云图如图 2 所示，开采诱发地表沉降曲线如图 3 所示。沉降云图和沉降曲线表明，随着开采步骤的不断增加，采区边缘地带沉降差值越来越大，并最终形成沉陷盆地。在断裂带 37、63 点处，由于存在断裂，此处产生沉降值的异常变化，在断裂带的边缘区域沉降值衰减快，此次沉降差较大，对地表建筑和市政设施的安全威胁极大。

根据我国有关地表变形破坏范围通常使用倾斜 i、曲率 k 和水平变形 ε 来衡量建筑物的破坏程度，规范规定如表 3 所示。

表3 建筑物破坏与地表变形关系

图2 开采后地表最终沉降云图

图3 地表主剖面沉降曲线

根据标准，划出相应的变形区和破坏区如图 4 所示，据此可以针对不同区域对各类建筑设施、市政基础设施提前制度安全防控措施。

图4 地表变形破坏区区化图

2 地表变形对埋地管道的影响

地下矿体开采后形成的沉降区域，对各种埋地管道等地下附属设施安全运营的影响非常大。主要影响特点表现为管道错断、管道坡度的变化以及在管道承受附加应力后产生的管道接头错动泄漏等现象，极易诱发灾害或灾难，下面以上下水管道为例，分析其影响特点。

2.1 倾斜变形的影响

地表的倾斜变形会引起管道坡度的变化，对于依靠流体自身重力作用的管道，地表倾斜变形会引起流体不畅，流体无法流动，甚至产生局部回流现象，从而导致地下管道失去其功能。对于地表铁路公路的建设危害较大，倾斜变形引起的地表坡度变化使得列车提速困难，严重影响使用效率。

在地下矿产资源开挖研究中，国家规定的标准（下水管道最小管径与最小设计坡度），可作为分析地表沉陷区对地下管网安全运营影响的评估依据，国家规定的下水管道最小管径与最小设计坡度标准如表 4 所示。

表4 下水管道的最小管径和最小设计坡度

2.2 水平变形的影响

水平变形主要表现为拉伸和压缩的影响，正值表示拉伸变形，负值表示压缩变形［11］。水平变形对埋地管线的影响很大，尤其表现在会使得地下管线接头处产生破坏，特别是对焊接管道威胁性更大。该矿区地表建筑物主要为砖混结构民房，抵抗水平变形的能力较差，一旦产生变形，就会严重影响建筑物或构筑物的使用功能，造成破坏，甚至威胁生命财产安全。

2.3 曲率变形的影响

曲率半径可以用来表征埋地管线的弯曲变形情况。由于管道的长细比很大，所以可将管道视为柔性体。地表曲率有正、负曲率之分，在负曲率作用下，构筑物的基础会产生八字形裂缝，在正曲率影响下，基础可能产生倒八字裂缝。

2.4 工程实例分析

工程用管材为 X-65 型钢、壁厚为 7 mm、管径为 300 mm，泊松比为 0.3，埋深 1.5 m，弹性模量为E= 210 GPa，管道埋设在黏土里［12］，土体的屈服位移为0.007 5 m，土容重为 18 kN/m3，土体摩擦角为 30°。管道的计算长度为 20 m，沉陷区域长度为 10 m。通过数值模拟，提取管道的底点、顶点和侧点管道的应力、应变变化数据并进行分析。可以看出，管道靠近沉陷区一侧与远离沉陷区一侧的管段变化是非对称的；在变形与非变形的转折点区域为管道应力和应变最大处，其他区域则影响不大。从图 5 中可以看出位于沉陷一侧管道的最大应力、应变值点距转折点很近，约 4 m。

图5 沿管道底部、顶部及侧部的轴向应力变化

2.5 建筑物保护措施

该矿区地表大部分为砖混结构，针对其特殊的开采方式和复杂的水文地质条件，为确保开采时地表建筑物和构筑物以及地下管网设施不被破坏，避免人民生命财产安全受到威胁，对危险区域采取相应的防护措施。

1）建筑物保护措施。根据数值模拟结果提前确定变形较大的区域，结合砖混结构的特点，提前采取相应的加固措施，根据不同结构确定有针对性的加固方案。

2）开挖变形截断沟。靠近采区一侧开挖一定深度的变形截断沟，减小变形对建筑物的作用，从而减小建筑物的破坏程度。

3）实时监测。上下两个采区同时开采产生的复合叠加作用是近些年来研究的难点和重点，动态监测上覆岩体及地表变形破坏，有效手段之一，根据实时动态监测结果进行相关技术分析，从而完善和修订技术问题。

4）及时充填。上下采区多次重复开采使上覆岩体受到多次重复破坏，及时回填并采用强度较高的回填材料，减少上覆岩体的破坏程度，避免造成采空区尺寸过大易产生冒落。

3 结语

地下开采形成地表沉陷，对地表建筑设施和市政设施产生变形和破坏。本文以某矿山为实例，运用三维数值软件对分层叠加开采诱发地表变形进行了数值模拟研究和变形预测。结论表明，随着开采步骤增加、范围扩大，沉陷区域进一步增大，其所导致的地表沉降堆积形成叠加效应，从而影响矿区周边的建筑物、管道等市政设施，导致了建筑物与管道的变形甚至破坏。然后对变形产生的破坏区进行了区划。在此基础上，研究了地表变形对输送流体的管道影响特点，通过工程实例模拟分析，得出在非均匀变形的转折点区域管道产生应力集中区域，易产生破坏，因此应该强化非均匀变形区的安全防控，避免产生破坏。