韓桂武1 沈飛軍2 黃志強2

1.中國石油天然氣管道工程有限公司； 2.西氣東輸公司

 

摘要：采空區沉降地質災害影響在役管道的安全運行。由于采空區位于地下，不易探明其災害特征，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，嘗試對其下部石膏礦采空區的理論空間、探測尺寸、產生沉降時間和范圍進行分析探討，以全面掌握采空區發生空間和影響范圍，便于后期對災害采取針對性治理措施。

關鍵詞：油氣管道；采空區；地層沉降；INSAR；地質物探

 

華中地區某天然氣管道于2004年11月投產運行，管徑406 mm，管壁6.4 mm，管材X52（L360），設計壓力6.3 MPa。管道在荊門掇刀區途經白廟榮興石膏礦采空影響區，采空區位于管道東側，呈現自北向南的狹長不規則形狀。該礦于2018年上半年停產。

2018年11月，白廟街發生房屋沉降塌陷導致村民死亡，塌陷處距離管道約500 m。2020年7月現場安裝管道應變和地表位移GNSS監測預警系統。2021年4月26日管道應變監測X3、X4位置藍色預警，主要表現為管道壓應力超標；其中最大地表位移點水平位移值470.54 mm，垂直沉降515.50 mm。根據現場勘察，在管道兩側均出現拉裂縫（圖 1）。

圖 1 管道軸線出現多條拉裂縫 (黃色為管道中線）

1  資料分析

根據《榮興石膏礦地質勘察報告》（湖北煤炭地質125隊，2003年1月）對礦區的地質描述，礦區地層從上至下為第四系、下第三系夾馬槽組、白堊系上統跑馬崗組等。其中第四系為殘坡積物、沖積物，由黃灰色黏土、粉砂質黏土等構成，厚度小于10 m。下第三系夾馬槽組由層狀粉砂巖、細砂巖、泥質粉砂巖、長石石英砂巖等構成，揭露厚度為8.66 m～32.58 m。白堊系上統跑馬崗組分層包括上層泥質粉砂巖、粉砂質泥巖厚度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，為主要開采礦層，平均厚度12.65 m。據此對巖層厚度推算得出，石膏層（X）開采深度在地表以下約28 m～68 m之間。

本區礦石抗壓強度小于30 MPa，為較軟巖，礦床頂板性質不能作為理想的礦體頂板，根據石膏礦經驗，礦山設計采用頂部1.5 m石膏巖作為直接頂板的設計方案。由此判斷本礦場開采礦床平均厚度為11.15 m。

2  技術分析及監測

2.1  InSAR分析

InSAR技術綜合了雷達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，在同一位置對同一目標進行兩次觀測可得到兩幅SAR影像，將兩幅對應像素相位差分干涉處理可得到干涉圖。對管道周邊沉降區分別采用了D-InSAR和PS-InSAR兩種數據分析技術，對得到的影像數據進行分析處理，得到礦區的主要沉降區域和沉降時間演變。

2.2  D-InSAR技術

采用D-InSAR技術，相鄰影像差分干涉處理獲得了13對干涉對，結果顯示2020年11月—2021年2月初時間段的干涉相位圖無形變特征，其中20210114—20210126（圖 2-a）和20210126—20210207（圖 2-b）期間干涉圖顯示測區內無形變痕跡； 20210207—20210219（圖 2-c）干涉圖開始在C1采空區顯露形變特征；至20210219—20210303（圖 2-d）干涉圖形變特征逐漸明顯。20210303—20210315期間無形變相位；20210315—20210327期間干涉圖的相同區域再次出現形變相位。2月地表初次顯現明顯形變，與當地人描述的道路接連塌陷時間和塌陷程度相吻合，3月下旬地表出現緩慢下沉，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

PS-InSAR技術是傳統D-InSAR技術的延伸和拓展，基于地面上穩定性強并在較長時間保持高相干性的PS點（如巖石、道路和金屬標志等）建模，分離出形變和各種誤差相位，從而降低時空失相干的影響。PS-InSAR技術通過選取高質量的PS點，構建Delaunay三角網，沿網邊線差分，根據多景干涉圖構建差分方程組來解算線性速率和高程誤差，根據大氣特征改正大氣誤差，之后求解非線性速率，得到準確速率。采用PS-InSAR技術監測了研究區內的地表形變分布，如圖 3所示。根據PS點的分布特性，找到了采空區3個較明顯的形變區，這與探明的C1～C3地表沉降區域是相吻合的。但由于本次使用歐洲委員會（EC）投資、歐洲航天局(ESA)研制的Sentinel-1A衛星升軌影像數據處理獲得的時間序列差分干涉圖在形變處的相位色系雜亂無規律，非條紋清晰、均勻分布，此種情況可勾勒形變范圍，而無法精確計算形變速率。

圖 3 礦區地表塌陷區與PS-InSAR時序分析結果對比

3  物探勘察

為查明礦區地下采空區位置及規模，采用高密度電阻率法和微動探測法兩種物探手段，布置5條測線，布線總長度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進行地電斷面測量的一種物探勘探方法。基本原理與普通電阻率法相同，集中了電剖面法和電測深法的特點。電法探測是通過向地下供電、根據探測的地下電場分布狀況、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產生相應的變化，人工供電形成的電場分布狀態即發生相應的變化，根據地下人工電場的變化特征，可以確定地下不同地層的空間分布狀態。工程采用WGMD-9超級高密度電法系統，野外觀測采用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測線），可探測有效深度根據剖面長短而定。依據高密度電法反演成果圖，對礦區采空區進行分析。以W1測線為例，根據現場踏勘推測采空區范圍在里程120 m～200 m和390 m～600 m之間。里程170 m～220 m標高22 m～40 m存在視電阻率值小于15 Ω·m區域，推測該位置為采空區，采空區頂板位置大約在標高40 m處。同理，里程485 m～590 m標高14 m～44 m地層視電阻率值小于15 Ω·m，推測該位置為采空區，采空區頂板位置大約在標高44 m處（圖 5）。

圖 5 W1測線地電斷面（紅圈為推斷采空區）

3.2  微動探測法

微動勘探基于地球表面無論何時何地都存在著的脈動，采用臺陣方法（SPAC法）接收微動信息，從中提取瑞利面波的頻散特性，通過對頻散曲線進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構。

采用IGU-BD3C-5三分量寬頻智能地震檢波器，本次野外觀測選用“L”形排列，排列由10個測點構成。由于被動源面波的震源位置未知，數據處理時假設波動的主要能量是面波，且以平面波的形式經過排列，所以在采集數據時人員不要在排列附近隨意走動，也要盡量避開排列附近的強震源，否則其產生的震動將不同程度地破壞平面波的前提假設，其產生的體波（縱、橫波）也可能對頻散提取產生影響。

管道附近W1、W2、W3測線共完成40個微動測點，依據橫波速度反演成果圖，以W1測線成果為例，根據現場踏勘推測采空區范圍在里程390 m～600 m之間。里程433 m～460 m標高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，推測該位置是采空區，同理，里程485 m～590 m標高14 m～44 m位置推測為采空區（圖 6）。

圖 5 W1測線地電斷面（紅圈為推斷采空區）

3.3  物探結果匯總

通過布置5條高密度電法測線和40個微動測試點，經過處理和分析，局部地段存在視橫波速度低速帶、電阻率低阻帶等異常，以此推測場區13處物探異常點為采空區位置，如表 1所示。

表 1 物探異常點統計表

4  結論

本文采用地質資料分析、InSAR監測及物探勘察等手段，較精準的確定了影響在役管道安全的石膏礦地下采空區的地表沉降范圍和地下采空區空間，得出以下主要結論。

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

（2）通過高密度電法和微動面波勘探結果可知，整個工區存在13處物探異常點，推測大部分采空區厚度為8 m～24 m，考慮石膏礦局部地下水軟化坍塌等情況，結論與勘察報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，近期的地表沉降開始于2021年2月，并在2～3月出現了顯現形變，地表沉降整體區域可通過PS-InSAR技術進行較準確圈定。

作者簡介：韓桂武，1977年生，工學博士，高級工程師，現從事管道應力分析、巖土工程、地災設計等相關工作。聯系方式：15081677911，hanguiwu@cnpc.com.cn。