韩桂武1 沈飞军2 黄志强2

1.中国石油天然气管道工程有限公司； 2.西气东输公司

 

摘要：采空区沉降地质灾害影响在役管道的安全运行。由于采空区位于地下，不易探明其灾害特征，往往影响后期有效治理。以某在役天然气管道为例，采用资料分析、INSAR分析和物探方法等多种手段，尝试对其下部石膏矿采空区的理论空间、探测尺寸、产生沉降时间和范围进行分析探讨，以全面掌握采空区发生空间和影响范围，便于后期对灾害采取针对性治理措施。

关键词：油气管道；采空区；地层沉降；INSAR；地质物探

 

华中地区某天然气管道于2004年11月投产运行，管径406 mm，管壁6.4 mm，管材X52（L360），设计压力6.3 MPa。管道在荆门掇刀区途经白庙荣兴石膏矿采空影响区，采空区位于管道东侧，呈现自北向南的狭长不规则形状。该矿于2018年上半年停产。

2018年11月，白庙街发生房屋沉降塌陷导致村民死亡，塌陷处距离管道约500 m。2020年7月现场安装管道应变和地表位移GNSS监测预警系统。2021年4月26日管道应变监测X3、X4位置蓝色预警，主要表现为管道压应力超标；其中最大地表位移点水平位移值470.54 mm，垂直沉降515.50 mm。根据现场勘察，在管道两侧均出现拉裂缝（图 1）。

图 1 管道轴线出现多条拉裂缝 (黄色为管道中线）

1  资料分析

根据《荣兴石膏矿地质勘察报告》（湖北煤炭地质125队，2003年1月）对矿区的地质描述，矿区地层从上至下为第四系、下第三系夹马槽组、白垩系上统跑马岗组等。其中第四系为残坡积物、冲积物，由黄灰色黏土、粉砂质黏土等构成，厚度小于10 m。下第三系夹马槽组由层状粉砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩、长石石英砂岩等构成，揭露厚度为8.66 m～32.58 m。白垩系上统跑马岗组分层包括上层泥质粉砂岩、粉砂质泥岩厚度0～14.36 m；中层泥岩或斑状含膏泥岩厚度3.11 m～11.11 m；下层石膏层（X）厚度10.80 m ～14.9 m。

其中石膏层（X）位于下第三系夹马槽组底界以下约10 m左右，为主要开采矿层，平均厚度12.65 m。据此对岩层厚度推算得出，石膏层（X）开采深度在地表以下约28 m～68 m之间。

本区矿石抗压强度小于30 MPa，为较软岩，矿床顶板性质不能作为理想的矿体顶板，根据石膏矿经验，矿山设计采用顶部1.5 m石膏岩作为直接顶板的设计方案。由此判断本矿场开采矿床平均厚度为11.15 m。

2  技术分析及监测

2.1  InSAR分析

InSAR技术综合了雷达遥感成像与电磁波干涉，SAR影像中包含幅度信息和相位信息，在同一位置对同一目标进行两次观测可得到两幅SAR影像，将两幅对应像素相位差分干涉处理可得到干涉图。对管道周边沉降区分别采用了D-InSAR和PS-InSAR两种数据分析技术，对得到的影像数据进行分析处理，得到矿区的主要沉降区域和沉降时间演变。

2.2  D-InSAR技术

采用D-InSAR技术，相邻影像差分干涉处理获得了13对干涉对，结果显示2020年11月—2021年2月初时间段的干涉相位图无形变特征，其中20210114—20210126（图 2-a）和20210126—20210207（图 2-b）期间干涉图显示测区内无形变痕迹； 20210207—20210219（图 2-c）干涉图开始在C1采空区显露形变特征；至20210219—20210303（图 2-d）干涉图形变特征逐渐明显。20210303—20210315期间无形变相位；20210315—20210327期间干涉图的相同区域再次出现形变相位。2月地表初次显现明显形变，与当地人描述的道路接连塌陷时间和塌陷程度相吻合，3月下旬地表出现缓慢下沉，部分原因可能是雨水增加引起的。

图 2 D-InSAR的差分干涉相位图（部分）

2.3  PS-InSAR技术

PS-InSAR技术是传统D-InSAR技术的延伸和拓展，基于地面上稳定性强并在较长时间保持高相干性的PS点（如岩石、道路和金属标志等）建模，分离出形变和各种误差相位，从而降低时空失相干的影响。PS-InSAR技术通过选取高质量的PS点，构建Delaunay三角网，沿网边线差分，根据多景干涉图构建差分方程组来解算线性速率和高程误差，根据大气特征改正大气误差，之后求解非线性速率，得到准确速率。采用PS-InSAR技术监测了研究区内的地表形变分布，如图 3所示。根据PS点的分布特性，找到了采空区3个较明显的形变区，这与探明的C1～C3地表沉降区域是相吻合的。但由于本次使用欧洲委员会（EC）投资、欧洲航天局(ESA)研制的Sentinel-1A卫星升轨影像数据处理获得的时间序列差分干涉图在形变处的相位色系杂乱无规律，非条纹清晰、均匀分布，此种情况可勾勒形变范围，而无法精确计算形变速率。

图 3 矿区地表塌陷区与PS-InSAR时序分析结果对比

3  物探勘察

为查明矿区地下采空区位置及规模，采用高密度电阻率法和微动探测法两种物探手段，布置5条测线，布线总长度3120 m。

3.1  高密度电阻率法

高密度电阻率法是采用高密度布点进行地电断面测量的一种物探勘探方法。基本原理与普通电阻率法相同，集中了电剖面法和电测深法的特点。电法探测是通过向地下供电、根据探测的地下电场分布状况、确定地下地层情况的一种物探方法。由于地下各种地层的电阻率存在较大差异，随着地层的变化使地下电阻率在空间范围内产生相应的变化，人工供电形成的电场分布状态即发生相应的变化，根据地下人工电场的变化特征，可以确定地下不同地层的空间分布状态。工程采用WGMD-9超级高密度电法系统，野外观测采用α排列（温纳装置AMNB），电极距8 m～10 m，电极排列方式如图 4所示。

图 4 高密度电法α排列示意图

管道附近共完成5条高密度电法剖面（分别为W1、W2、W3、W4和W5测线），可探测有效深度根据剖面长短而定。依据高密度电法反演成果图，对矿区采空区进行分析。以W1测线为例，根据现场踏勘推测采空区范围在里程120 m～200 m和390 m～600 m之间。里程170 m～220 m标高22 m～40 m存在视电阻率值小于15 Ω·m区域，推测该位置为采空区，采空区顶板位置大约在标高40 m处。同理，里程485 m～590 m标高14 m～44 m地层视电阻率值小于15 Ω·m，推测该位置为采空区，采空区顶板位置大约在标高44 m处（图 5）。

图 5 W1测线地电断面（红圈为推断采空区）

3.2  微动探测法

微动勘探基于地球表面无论何时何地都存在着的脉动，采用台阵方法（SPAC法）接收微动信息，从中提取瑞利面波的频散特性，通过对频散曲线进行反演获得地层的横波速度，以此推断地壳浅部的横波速度结构。

采用IGU-BD3C-5三分量宽频智能地震检波器，本次野外观测选用“L”形排列，排列由10个测点构成。由于被动源面波的震源位置未知，数据处理时假设波动的主要能量是面波，且以平面波的形式经过排列，所以在采集数据时人员不要在排列附近随意走动，也要尽量避开排列附近的强震源，否则其产生的震动将不同程度地破坏平面波的前提假设，其产生的体波（纵、横波）也可能对频散提取产生影响。

管道附近W1、W2、W3测线共完成40个微动测点，依据横波速度反演成果图，以W1测线成果为例，根据现场踏勘推测采空区范围在里程390 m～600 m之间。里程433 m～460 m标高22 m～46 m位置，在860 m/s～1000 m/s波速等值线背景下，该处地层波速值在680 m/s～800 m/s，推测该位置是采空区，同理，里程485 m～590 m标高14 m～44 m位置推测为采空区（图 6）。

图 5 W1测线地电断面（红圈为推断采空区）

3.3  物探结果汇总

通过布置5条高密度电法测线和40个微动测试点，经过处理和分析，局部地段存在视横波速度低速带、电阻率低阻带等异常，以此推测场区13处物探异常点为采空区位置，如表 1所示。

表 1 物探异常点统计表

4  结论

本文采用地质资料分析、InSAR监测及物探勘察等手段，较精准的确定了影响在役管道安全的石膏矿地下采空区的地表沉降范围和地下采空区空间，得出以下主要结论。

（1）结合矿区地质情况，采空区顶板为下第三系夹马槽组和白垩系上统跑马岗组革集亚组地层，岩性以紫红色粉砂岩、泥质粉砂岩为主，部分区域夹浅灰色细粒长石石英砂岩。采空区顶板矿岩较松软，局部地区有渗水现象，地表存在地裂缝，出现上述情况的采空区顶板完整性较差。

（2）通过高密度电法和微动面波勘探结果可知，整个工区存在13处物探异常点，推测大部分采空区厚度为8 m～24 m，考虑石膏矿局部地下水软化坍塌等情况，结论与勘察报告资料分析的膏层厚度为10.8 m～14.9 m基本吻合。

（3）InSAR遥感分析表明，近期的地表沉降开始于2021年2月，并在2～3月出现了显现形变，地表沉降整体区域可通过PS-InSAR技术进行较准确圈定。

作者简介：韩桂武，1977年生，工学博士，高级工程师，现从事管道应力分析、岩土工程、地灾设计等相关工作。联系方式：15081677911，hanguiwu@cnpc.com.cn。