韓桂武1 沈飛軍2 黃志強(qiáng)2

1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司； 2.西氣東輸公司

摘要：采空區(qū)沉降地質(zhì)災(zāi)害影響在役管道的安全運(yùn)行。由于采空區(qū)位于地下，不易探明其災(zāi)害特征，往往影響后期有效治理。以某在役天然氣管道為例，采用資料分析、INSAR分析和物探方法等多種手段，嘗試對(duì)其下部石膏礦采空區(qū)的理論空間、探測(cè)尺寸、產(chǎn)生沉降時(shí)間和范圍進(jìn)行分析探討，以全面掌握采空區(qū)發(fā)生空間和影響范圍，便于后期對(duì)災(zāi)害采取針對(duì)性治理措施。

關(guān)鍵詞：油氣管道；采空區(qū)；地層沉降；INSAR；地質(zhì)物探

華中地區(qū)某天然氣管道于2004年11月投產(chǎn)運(yùn)行，管徑406 mm，管壁6.4 mm，管材X52（L360），設(shè)計(jì)壓力6.3 MPa。管道在荊門掇刀區(qū)途經(jīng)白廟榮興石膏礦采空影響區(qū)，采空區(qū)位于管道東側(cè)，呈現(xiàn)自北向南的狹長(zhǎng)不規(guī)則形狀。該礦于2018年上半年停產(chǎn)。

2018年11月，白廟街發(fā)生房屋沉降塌陷導(dǎo)致村民死亡，塌陷處距離管道約500 m。2020年7月現(xiàn)場(chǎng)安裝管道應(yīng)變和地表位移GNSS監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。2021年4月26日管道應(yīng)變監(jiān)測(cè)X3、X4位置藍(lán)色預(yù)警，主要表現(xiàn)為管道壓應(yīng)力超標(biāo)；其中最大地表位移點(diǎn)水平位移值470.54 mm，垂直沉降515.50 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，在管道兩側(cè)均出現(xiàn)拉裂縫（圖 1）。

圖 1 管道軸線出現(xiàn)多條拉裂縫 (黃色為管道中線）

1  資料分析

根據(jù)《榮興石膏礦地質(zhì)勘察報(bào)告》（湖北煤炭地質(zhì)125隊(duì)，2003年1月）對(duì)礦區(qū)的地質(zhì)描述，礦區(qū)地層從上至下為第四系、下第三系夾馬槽組、白堊系上統(tǒng)跑馬崗組等。其中第四系為殘坡積物、沖積物，由黃灰色黏土、粉砂質(zhì)黏土等構(gòu)成，厚度小于10 m。下第三系夾馬槽組由層狀粉砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖等構(gòu)成，揭露厚度為8.66 m～32.58 m。白堊系上統(tǒng)跑馬崗組分層包括上層泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖厚度0～14.36 m；中層泥巖或斑狀含膏泥巖厚度3.11 m～11.11 m；下層石膏層（X）厚度10.80 m ～14.9 m。

其中石膏層（X）位于下第三系夾馬槽組底界以下約10 m左右，為主要開(kāi)采礦層，平均厚度12.65 m。據(jù)此對(duì)巖層厚度推算得出，石膏層（X）開(kāi)采深度在地表以下約28 m～68 m之間。

本區(qū)礦石抗壓強(qiáng)度小于30 MPa，為較軟巖，礦床頂板性質(zhì)不能作為理想的礦體頂板，根據(jù)石膏礦經(jīng)驗(yàn)，礦山設(shè)計(jì)采用頂部1.5 m石膏巖作為直接頂板的設(shè)計(jì)方案。由此判斷本礦場(chǎng)開(kāi)采礦床平均厚度為11.15 m。

2  技術(shù)分析及監(jiān)測(cè)

2.1  InSAR分析

InSAR技術(shù)綜合了雷達(dá)遙感成像與電磁波干涉，SAR影像中包含幅度信息和相位信息，在同一位置對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行兩次觀測(cè)可得到兩幅SAR影像，將兩幅對(duì)應(yīng)像素相位差分干涉處理可得到干涉圖。對(duì)管道周邊沉降區(qū)分別采用了D-InSAR和PS-InSAR兩種數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)得到的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到礦區(qū)的主要沉降區(qū)域和沉降時(shí)間演變。

2.2  D-InSAR技術(shù)

采用D-InSAR技術(shù)，相鄰影像差分干涉處理獲得了13對(duì)干涉對(duì)，結(jié)果顯示2020年11月—2021年2月初時(shí)間段的干涉相位圖無(wú)形變特征，其中20210114—20210126（圖 2-a）和20210126—20210207（圖 2-b）期間干涉圖顯示測(cè)區(qū)內(nèi)無(wú)形變痕跡； 20210207—20210219（圖 2-c）干涉圖開(kāi)始在C1采空區(qū)顯露形變特征；至20210219—20210303（圖 2-d）干涉圖形變特征逐漸明顯。20210303—20210315期間無(wú)形變相位；20210315—20210327期間干涉圖的相同區(qū)域再次出現(xiàn)形變相位。2月地表初次顯現(xiàn)明顯形變，與當(dāng)?shù)厝嗣枋龅牡缆方舆B塌陷時(shí)間和塌陷程度相吻合，3月下旬地表出現(xiàn)緩慢下沉，部分原因可能是雨水增加引起的。

圖 2 D-InSAR的差分干涉相位圖（部分）

2.3  PS-InSAR技術(shù)

PS-InSAR技術(shù)是傳統(tǒng)D-InSAR技術(shù)的延伸和拓展，基于地面上穩(wěn)定性強(qiáng)并在較長(zhǎng)時(shí)間保持高相干性的PS點(diǎn)（如巖石、道路和金屬標(biāo)志等）建模，分離出形變和各種誤差相位，從而降低時(shí)空失相干的影響。PS-InSAR技術(shù)通過(guò)選取高質(zhì)量的PS點(diǎn)，構(gòu)建Delaunay三角網(wǎng)，沿網(wǎng)邊線差分，根據(jù)多景干涉圖構(gòu)建差分方程組來(lái)解算線性速率和高程誤差，根據(jù)大氣特征改正大氣誤差，之后求解非線性速率，得到準(zhǔn)確速率。采用PS-InSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)了研究區(qū)內(nèi)的地表形變分布，如圖 3所示。根據(jù)PS點(diǎn)的分布特性，找到了采空區(qū)3個(gè)較明顯的形變區(qū)，這與探明的C1～C3地表沉降區(qū)域是相吻合的。但由于本次使用歐洲委員會(huì)（EC）投資、歐洲航天局(ESA)研制的Sentinel-1A衛(wèi)星升軌影像數(shù)據(jù)處理獲得的時(shí)間序列差分干涉圖在形變處的相位色系雜亂無(wú)規(guī)律，非條紋清晰、均勻分布，此種情況可勾勒形變范圍，而無(wú)法精確計(jì)算形變速率。

圖 3 礦區(qū)地表塌陷區(qū)與PS-InSAR時(shí)序分析結(jié)果對(duì)比

3  物探勘察

為查明礦區(qū)地下采空區(qū)位置及規(guī)模，采用高密度電阻率法和微動(dòng)探測(cè)法兩種物探手段，布置5條測(cè)線，布線總長(zhǎng)度3120 m。

3.1  高密度電阻率法

高密度電阻率法是采用高密度布點(diǎn)進(jìn)行地電斷面測(cè)量的一種物探勘探方法�；�本原理與普通電阻率法相同，集中了電剖面法和電測(cè)深法的特點(diǎn)。電法探測(cè)是通過(guò)向地下供電、根據(jù)探測(cè)的地下電場(chǎng)分布狀況、確定地下地層情況的一種物探方法。由于地下各種地層的電阻率存在較大差異，隨著地層的變化使地下電阻率在空間范圍內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，人工供電形成的電場(chǎng)分布狀態(tài)即發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)地下人工電場(chǎng)的變化特征，可以確定地下不同地層的空間分布狀態(tài)。工程采用WGMD-9超級(jí)高密度電法系統(tǒng)，野外觀測(cè)采用α排列（溫納裝置AMNB），電極距8 m～10 m，電極排列方式如圖 4所示。

圖 4 高密度電法α排列示意圖

管道附近共完成5條高密度電法剖面（分別為W1、W2、W3、W4和W5測(cè)線），可探測(cè)有效深度根據(jù)剖面長(zhǎng)短而定。依據(jù)高密度電法反演成果圖，對(duì)礦區(qū)采空區(qū)進(jìn)行分析。以W1測(cè)線為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘推測(cè)采空區(qū)范圍在里程120 m～200 m和390 m～600 m之間。里程170 m～220 m標(biāo)高22 m～40 m存在視電阻率值小于15 Ω·m區(qū)域，推測(cè)該位置為采空區(qū)，采空區(qū)頂板位置大約在標(biāo)高40 m處。同理，里程485 m～590 m標(biāo)高14 m～44 m地層視電阻率值小于15 Ω·m，推測(cè)該位置為采空區(qū)，采空區(qū)頂板位置大約在標(biāo)高44 m處（圖 5）。

圖 5 W1測(cè)線地電斷面（紅圈為推斷采空區(qū)）

3.2  微動(dòng)探測(cè)法

微動(dòng)勘探基于地球表面無(wú)論何時(shí)何地都存在著的脈動(dòng)，采用臺(tái)陣方法（SPAC法）接收微動(dòng)信息，從中提取瑞利面波的頻散特性，通過(guò)對(duì)頻散曲線進(jìn)行反演獲得地層的橫波速度，以此推斷地殼淺部的橫波速度結(jié)構(gòu)。

采用IGU-BD3C-5三分量寬頻智能地震檢波器，本次野外觀測(cè)選用“L”形排列，排列由10個(gè)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成。由于被動(dòng)源面波的震源位置未知，數(shù)據(jù)處理時(shí)假設(shè)波動(dòng)的主要能量是面波，且以平面波的形式經(jīng)過(guò)排列，所以在采集數(shù)據(jù)時(shí)人員不要在排列附近隨意走動(dòng)，也要盡量避開(kāi)排列附近的強(qiáng)震源，否則其產(chǎn)生的震動(dòng)將不同程度地破壞平面波的前提假設(shè)，其產(chǎn)生的體波（縱、橫波）也可能對(duì)頻散提取產(chǎn)生影響。

管道附近W1、W2、W3測(cè)線共完成40個(gè)微動(dòng)測(cè)點(diǎn)，依據(jù)橫波速度反演成果圖，以W1測(cè)線成果為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘推測(cè)采空區(qū)范圍在里程390 m～600 m之間。里程433 m～460 m標(biāo)高22 m～46 m位置，在860 m/s～1000 m/s波速等值線背景下，該處地層波速值在680 m/s～800 m/s，推測(cè)該位置是采空區(qū)，同理，里程485 m～590 m標(biāo)高14 m～44 m位置推測(cè)為采空區(qū)（圖 6）。

圖 5 W1測(cè)線地電斷面（紅圈為推斷采空區(qū)）

3.3  物探結(jié)果匯總

通過(guò)布置5條高密度電法測(cè)線和40個(gè)微動(dòng)測(cè)試點(diǎn)，經(jīng)過(guò)處理和分析，局部地段存在視橫波速度低速帶、電阻率低阻帶等異常，以此推測(cè)場(chǎng)區(qū)13處物探異常點(diǎn)為采空區(qū)位置，如表 1所示。

表 1 物探異常點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

4  結(jié)論

本文采用地質(zhì)資料分析、InSAR監(jiān)測(cè)及物探勘察等手段，較精準(zhǔn)的確定了影響在役管道安全的石膏礦地下采空區(qū)的地表沉降范圍和地下采空區(qū)空間，得出以下主要結(jié)論。

（1）結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)情況，采空區(qū)頂板為下第三系夾馬槽組和白堊系上統(tǒng)跑馬崗組革集亞組地層，巖性以紫紅色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，部分區(qū)域夾淺灰色細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖。采空區(qū)頂板礦巖較松軟，局部地區(qū)有滲水現(xiàn)象，地表存在地裂縫，出現(xiàn)上述情況的采空區(qū)頂板完整性較差。

（2）通過(guò)高密度電法和微動(dòng)面波勘探結(jié)果可知，整個(gè)工區(qū)存在13處物探異常點(diǎn)，推測(cè)大部分采空區(qū)厚度為8 m～24 m，考慮石膏礦局部地下水軟化坍塌等情況，結(jié)論與勘察報(bào)告資料分析的膏層厚度為10.8 m～14.9 m基本吻合。

（3）InSAR遙感分析表明，近期的地表沉降開(kāi)始于2021年2月，并在2～3月出現(xiàn)了顯現(xiàn)形變，地表沉降整體區(qū)域可通過(guò)PS-InSAR技術(shù)進(jìn)行較準(zhǔn)確圈定。

作者簡(jiǎn)介：韓桂武，1977年生，工學(xué)博士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事管道應(yīng)力分析、巖土工程、地災(zāi)設(shè)計(jì)等相關(guān)工作。聯(lián)系方式：15081677911，hanguiwu@cnpc.com.cn。