采空区长输管道的安全保护

采用反向干预法对变形管道进行恢复

　　在我国西气东输工程中，长输管道通过矿山开采区，安全问题较为突出。以山西省为例，由于全省地质环境复杂，分布着大小不同的各类矿山，大部分存在重复开采的情况。矿山开采易引发地表的移动与变形、地面塌陷、地裂缝、采动滑移等次生地质灾害，对长输管道的安全威胁严重，甚至会导致管道破裂、爆炸、输气中断等危及国家财产和人民群众生命的事故。此外，管道途经地区多为山区，一旦发生事故，抢修工作难以及时有效开展，易造成事故进一步扩大。由于矿山采空区段对管道危害性较大，如何通过有效的管理和控制措施降低管道安全风险，成为管道保护工作的重中之重。

明确管理重点

　　做好管道保护工作，首先需要及时、准确地掌握所辖区段的管道情况，评估各管段风险大小，确定管道保护重点，按照轻重缓急的原则进行治理，应着重开展5个方面的工作。

　　1.管道沿线数据信息采集

　　掌握准确、全面的管道沿线信息是开展管道保护工作的前提。加强管道线路巡护工作，做好管道沿线数据信息的采集整理，首先要坚持日常巡线制度，包括所巡管段内地质、地貌特征，沿线煤矿信息，矿山开采动向，煤矿开采区附近是否异常，如是否出现地裂缝、滑塌、水位下降、树木线杆歪斜、动物惊恐等现象。此外，还要及时建立和更新沿线煤矿和采空区资料，对收集的信息进行整理分析。资料应包括矿井法人、名称和经营性质、矿井类型、地理位置、规划规模、开采年限、目前开采状况、井口距管道的垂直距离、采空区距管道的垂直距离等。

　　其次，根据地质灾害评估报告等资料、现场调研及日常巡线掌握的情况，全面梳理所辖管段采空区状况，开展对采空区地表稳定性的评价，按照评价结果划分采空区风险等级，根据风险等级的不同，制定相应的应急预案。

　　2.对重点管段和异常情况进行监测

　　管道保护工作应注重点面结合，突出对重点管段和异常情况的监督检查力度，尤其是加强对采空区沉陷变形的监测。目前常用的测量方法有裂缝测量法、地锚应力测量法、全站仪测程法、管道弹性应变法等多种。其中前两种方法主要是根据地表变化情况预测对管线应力的影响，而后两种方法则可对管道本体应力情况进行测量。

　　最简单且易操作的方法是裂缝测量法，即：在裂缝两侧打桩，使其连线的方向平行于滑动方向，量出两桩间距变化，这一变化代表了采空区的发展态势。此种方法精确度较低，跟踪时效性差，适合地表变形初期，一般可由巡线员完成。若条件允许，也可委托专业勘察测量单位对采空区地表进行连续监测，对诱发沉降的裂缝关键点位移进行观测。此外，推荐对管道本体增设应变片进行监测，并与GB50251-2003《输气管道工程设计规范》、SY/T 0450-2004《输油(气)钢质管道抗震设计规范》等规定的设计允许值进行比对，此种测量方法已在西气东输管道保护实践中得到应用，并取得良好的效果。

　　3.完善风险较大的采空区技术档案

　　治理方案要依靠全面正确的数据资料。在实际工作中，数据收集的工作量较大，难以面面俱到，但风险较高的采空区还是应该尽量收集资料并建立技术档案，包括煤矿名称、企业性质;各个工作面回采开始、结束的时间;明确详细的开采方案，包括正常情况下每天回采速度、采煤方法(综采、高档普采、普采、房柱式等)、工作面的布置方法(倾斜、走向)、顶班管理方法、下一个工作面准备何时开采;分层开采时，上下分层的开采错距是多少;煤层底板等高线图;采空区形成时间、回采时间;煤层深度、采空深度即是否放顶、采空区顶部距地表深度等等。

　　4.聘请专家制定管道治理方案

　　管道采空区治理较为复杂，应聘请有关专家选择并确定最佳治理方案。治理方法直接关系到造价、工期和管道安全等问题，是治理成功与否的关键。要做到有的放矢，在选择采空区治理方法时，应遵循在技术上可行、经济上合理，又能确保管道安全的原则。要详细调查地形、煤矿的相关资料，认真研究和确定采空区的类型及沉陷发展阶段，综合考虑各种方案。

　　5.建立管道保护机制

　　管道保护机制是管道安全的有力保障，取得地方政府的支持，停止管道保护措施实施过程中的煤矿开采，是管道保护措施能否顺利实施的条件。因此矿方要与地方政府，安监、国土、防汛、河道、武警部队等部门建立长效管道保护机制，并做好以下工作：

　　在管道下方预留设保安煤柱保护管道安全;建立信息员制度，在市、县两级安监部门委、沿线煤矿和煤矿所在村选派信息员，收集矿山开采信息;加强对非法矿井的监视，与地方执法部门共同打击乱采乱挖、非法开采;建立管线与煤矿相对关系的查询与应急系统，加强管道保护的宣传，取得管道沿线人民群众的支持理解，增加信息获得渠道。

完善治理方法

　　采空区的变化是动态的，它的治理是一项难题，尤其对于天然气管道来说是一个新的课题。当管道下伏采空区出现塌陷情况，管道安全存在风险隐患。管道受力接近或达到临界值时，应对该段管线的下伏采空区进行治理，采空区治理方法主要有非注浆法和注浆法。

　　1.非注浆方法及其适用范围

　　非注浆方法一是开挖回填释放应力方法。该方法对因沉陷形成地裂缝的管沟采空区进行开挖，并适当使管道悬空，释放因沉陷造成的管道上存在的应力后，对管道下方土壤加以夯实，挤密土壤，使密实土托住管道。查明了管道与塌陷的关系后，在管沟周边填置耐腐蚀的稻草或塑料泡沫，同时留有变形区间，以适应管道的继续变形，然后覆土。对于发生在雨季前的沉陷，应在雨前用塑料薄膜进行覆盖，严禁雨水灌入裂缝，造成坡体整体失稳。此种方法适用于韧性好、允许变形量较大的管道，而对于本体硬度较大的管道治理效果不明显。

　　二是压覆减载释放压力法。如果采空区沉陷地表表形移动较为复杂，有时3个方向均发生较大幅度的移动，甚至会发生水平方向诸如滑坡等巨大幅度的移动。这种情况多为地表坡度较大，采空区塌陷诱发边坡失稳，已经形成多道环形裂缝，且发展迅速，坡体移动方向与管道近于垂直，已对管道形成侧向推压。应采取清除管道上方的土体的措施，如果条件允许，还要对滑坡体坡脚实施反压，因此，此种方法主要用于边坡失稳(滑坡)引起的情况。

　　三是管道反向干预法，是基于采空区不断沉陷、不断治理而提出的。该方法是干预幅度最大、效果最优的变形控制措施，主要在基于变形监测结果，预测管道综合变形将趋近甚至超过管道最大容许值时，必须采取的主动措施之一。其关键是在管沟开挖、管道露出情况下，运用牵引、举升等强力手段，给管道以变形移动相反的作用力，强制使管道恢复变形移动前的位置，从而减少或消除管道变形应力。但管道反向干预措施仅适用于采空区顶板在较长时间内缓慢变形的情况，当地表沉降处于急剧变化期，因时间原因则难以实施管道反向干预。

　　四是干砌方法。干砌方法是在采矿后形成的空洞内，用灰岩或砂岩等片石人工回填砌筑，砌体与洞顶板紧密接触，使堆砌物起到支撑顶板作用，从而保证采空区上方覆岩的稳定性。该方法主要适用于矿层开采后未完全塌落、空间较大的采空区，且应具备采空区内通风良好、易于人工作业、材料运输等施工条件，主要用于治理管道下方的采空塌陷区。

　　五是浆砌方法。这种方法的适用条件与干砌方法基本上相同，它要求堆砌物具有较高的整体强度。该方法主要用于治理有固定墩、稳管设施、场站、阀室较重要部位的采空塌陷区。

　　上述前3种方法为推荐使用的方法，而干砌和浆砌方法需要在管道下方进行人工作业，鉴于采空区地质条件的不确定性，存在塌方的可能，施工风险大，因此不建议使用后2种方法。

　　2.注浆方法及其适用范围

　　注浆法是用人工的方法向地基土颗粒的空隙、土层界面或岩层的空隙(溶洞、溶隙、裂隙、空隙)或采空区的垮落带和裂隙带里，注入具有充填、胶结性能的浆液材料，以便硬化后增加其强度或降低渗透性，可起到提高管沟承载力、防止地表下沉、防止滑坡等作用，但此种方法费用造价较高。

　　上述几种施工方法分别适用于不同地质条件和不同时期的采空区。但是，有时在同一个采空区(空洞)内，各个地段的顶板岩石性质、埋藏深度、冒落及其对采空区充填程度也有不同，有的顶板未冒落，采空区未被充填，有的半充填，有的全部被充填。这样采空区的不同部位就具有两种或两种以上不同的施工条件，因此在不同地段、不同条件、不同时期，就需要采用不同的施工方法。对同一个采空区，由于其各地段的地质、采矿及工程地质条件的差异，可能采用两种或两种以上的施工方法。此外，治理后还应该进行长期监测、加强巡护等，关注矿山开采情况，与地方安监局沟通，建立定期汇报、特殊情况特殊处理机制。

　　编辑 杨 璇