蘭州 -鄭州 -長(zhǎng)沙成品油管道工程通過鄭州三基煤礦區(qū)安全性評(píng)估探討

呂志濤,李文杰

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué),北京 100083;2.河南省地質(zhì)調(diào)查院,河南鄭州 4500001;3.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)工程院 ,河南 駐馬店 463000)

1 工程概況

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司正在建設(shè)的蘭州 -鄭州 -長(zhǎng)沙成品油管道工程,是我國(guó)中部的成品油大動(dòng)脈。是中石油以全新理念建設(shè)的現(xiàn)代化輸油管道,按照“安全第一、環(huán)保優(yōu)先、以人為本、和諧發(fā)展”的原則,在遵守設(shè)計(jì)規(guī)范和國(guó)家各種法律法規(guī)的前提下,更加注重與各段不同地質(zhì)環(huán)境條件下各項(xiàng)評(píng)估成果的結(jié)合。

本工程是一項(xiàng)關(guān)系國(guó)計(jì)民生,具有重大政治、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境意義的重點(diǎn)工程,也是《石油天然氣中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》、《我國(guó)成品油管網(wǎng)布局及“十一五”發(fā)展規(guī)劃》的重要組成部分,對(duì)緩解日益突出的成品油能源供需矛盾,優(yōu)化成品油長(zhǎng)距離運(yùn)輸方式,支援地方工業(yè)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè),實(shí)現(xiàn)西部成品油安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、穩(wěn)定地輸送,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義。

蘭州 -鄭州 -長(zhǎng)沙成品油管道長(zhǎng)輸工程同其他油氣管道長(zhǎng)輸工程一樣,不僅需要經(jīng)過艱苦的選線論證和協(xié)調(diào)工作,而且也面臨著自然的和人為的地質(zhì)災(zāi)害的威脅。目前管道初步埋設(shè)施工工作基本結(jié)束,所經(jīng)過的地質(zhì)條件復(fù)雜地段是影響施工進(jìn)度的最大問題,尤其是煤礦采空區(qū)更是影響工程施工的難點(diǎn)所在,也是管道工程建成運(yùn)營(yíng)過程中構(gòu)成安全隱患的重點(diǎn)區(qū)段。管道工程第十三標(biāo)段通過鄭州三基礦業(yè)有限公司煤礦開采區(qū)就是其中一段。

2 鄭州三基煤礦基本情況

2.1 位置和范圍

鄭州三基礦業(yè)有限公司是由新密市白砦鎮(zhèn)韋溝煤礦2006年 8月改制更名而來(lái),其所屬礦山是由原新密市白砦鎮(zhèn)韋溝煤礦與新密市東方煤礦及擴(kuò)大區(qū)整合而成。位于新密市北東約 15 k m的白砦鎮(zhèn)韋溝村境內(nèi),東北距鄭州市約 20 k m,在三李勘探區(qū)東端,東與新鄭市小喬鄉(xiāng)毗鄰。地理坐標(biāo)東經(jīng)為 113°33′01″～ 113°34′49″,北緯為 34°35′06″～ 34°36′16″。礦區(qū)附近公路縱橫成網(wǎng),交通極為便利。

三基礦區(qū)形狀為一不規(guī)則多邊形,礦區(qū)南北長(zhǎng) 1.40～2.08 k m,東西寬 l.28～2.58 k m,面積 4.80 k m2。

2.2 地層和構(gòu)造

區(qū)內(nèi)局部地段除奧陶系中統(tǒng)馬家溝組(02m)、二疊系上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、石千峰組(P2sh)地層出露外,其余均被新生界地層覆蓋?？碧姐@孔揭露的地層有奧陶系中統(tǒng)馬家溝組,石炭系上統(tǒng)本溪組和太原組,二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組及上統(tǒng)上石盒子組、平頂山組和石千峰組,新近系和第四系。

三基礦區(qū)位于五指嶺白寨背斜東端之南翼,密縣 -新鄭復(fù)向斜之北翼。內(nèi)部有多條斷層,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度為中等。主要發(fā)育斷層有九門溝正斷層、王口斷層、光武陳斷層及陳家斷層。

南部含煤區(qū)位于階梯下降的正斷層區(qū),構(gòu)造形態(tài)為一個(gè)開闊的背斜,軸向呈北西西 -南東東方向,向東傾伏,北翼傾向北北東 -北東,傾角 l 0°～20°,南翼傾向南南東 -南東,傾角 10°左右,東部被斷層錯(cuò)斷。

2.3 水文地質(zhì)條件

本區(qū)因受氣候和地貌因素影響,地表水系不甚發(fā)育,主干為沖溝,均為季節(jié)性河流,雨季有水,枯季干涸。

主要分布奧陶系灰?guī)r含水層。在礦區(qū)北部廣泛出露,由灰色質(zhì)純的灰?guī)r組成,裂隙溶洞較為發(fā)育,溶洞直徑達(dá) 0.10～6.00 m,單位涌水量為 0.003 3 l/s?m,滲透系數(shù)為0.019 6 m/d,水質(zhì)礦化度 0.59 g/L,水質(zhì)類型為 HC O3-C a-Mg型水。該含水層是區(qū)內(nèi)主要含水層,揭露厚度最大達(dá)70.0 m以上,富水性強(qiáng),在露頭處接受大氣降水補(bǔ)給,徑流方向自西北向東南。

2.4 工程地質(zhì)條件

本區(qū)地貌是由黃土構(gòu)成的丘陵崗地區(qū),除個(gè)別殘丘和深切溝谷岸坡為基巖出露外,地表均為第四系沖積黃土分布。黃土為離石黃土,上部淺黃色 -黃褐色,巖性以粉土為主,較疏松,無(wú)搖振反應(yīng),具針孔狀裂隙和垂直裂隙和輕微濕陷性,僅局部可見黃土濕陷和黃土陷穴現(xiàn)象,土石等級(jí)為Ⅱ級(jí);下部為棕色 -棕褐色粉質(zhì)粘土,均一致密,硬塑 -堅(jiān)硬,無(wú)搖振反應(yīng),陡坎均為直立狀,穩(wěn)定性較好,無(wú)濕陷性。

3 礦區(qū)段管道工程安全評(píng)估

煤礦開采所造成的主要不良環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象表現(xiàn)為地面塌陷、矸石山自燃和失穩(wěn)、礦坑廢水污染及煤(粉)塵大氣污染。礦井回采放頂后,可形成采空區(qū)地面塌陷和地裂縫,使地表巖(土)體失穩(wěn),產(chǎn)生崩塌,在塌陷裂縫發(fā)育地段,遇強(qiáng)降雨的情況下可形成滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害。地面塌陷是礦井采掘過程中引發(fā)的最大的環(huán)境地質(zhì)問題。

本評(píng)估區(qū)內(nèi)蘭 -鄭 -長(zhǎng)成品油管道工程線路自礦區(qū)中部穿越通過,地形相對(duì)較平坦,其管道工程安全,主要遭受來(lái)自于三基煤礦南區(qū)未來(lái)地下開采所引發(fā)的地表塌陷和地裂縫威脅,以及由此可能引發(fā)或加劇的黃土陡坎崩塌次生地質(zhì)災(zāi)害的威脅。其危害程度的大小主要與管道線走向和采空區(qū)的位置關(guān)系、采空區(qū)(地質(zhì)構(gòu)造、開采深度、開采厚度、平面展布形態(tài)、形成時(shí)間)引起的地表變形量、管道的允許變形量、溝谷邊坡高度坡度、穩(wěn)定性等因素有關(guān)。

3.1 管道工程安全現(xiàn)狀評(píng)估

物探結(jié)果表明:管道工程通過三基礦區(qū)段無(wú)地下采空區(qū)存在,管道工程實(shí)際壓覆的二 1煤層南部資源儲(chǔ)量區(qū)有兩處斷裂構(gòu)造帶。

三基煤礦現(xiàn)處于有限開采階段,現(xiàn)狀只開采北部?jī)?chǔ)量區(qū),南部?jī)?chǔ)量區(qū)現(xiàn)無(wú)建井。根據(jù)野外礦區(qū)地質(zhì)調(diào)查、資料分析和電測(cè)深法物探解譯成果,劃定三基煤礦開采現(xiàn)狀采空區(qū)三處。

3.1.1 采空區(qū)現(xiàn)狀

三處煤礦現(xiàn)有采空區(qū)主要分布于三基礦區(qū)的北部資源區(qū),分別為原東方煤礦采空區(qū)、原韋溝煤礦采空區(qū)和三基煤礦現(xiàn)采區(qū),均開采二 1煤層,采深 58～250 m,采厚 1.9～4.0 m。采空區(qū)地表面出現(xiàn)局部地面塌陷和較多較寬地面裂縫和房屋裂縫現(xiàn)象,房屋受損較嚴(yán)重 ,房屋裂縫寬度 1～10 c m,居民已搬遷。地面裂縫走向 310°～320°,寬度 0.5～80 c m,深度 0.5～2.0 m,延伸長(zhǎng)度 5～40 m。管道線距此較遠(yuǎn)約900 m。

鄰近礦區(qū)分別位于三基煤礦北區(qū)的北側(cè)和東側(cè),其主采方向?yàn)闁|、北方向,所形成的采空區(qū)距離管道工程更遠(yuǎn)。

3.1.2 現(xiàn)狀評(píng)估

根據(jù)三處采空區(qū)影響現(xiàn)狀和與管道工程的相對(duì)位置關(guān)系表明三基煤礦開采的二 1煤層厚度大,采空區(qū)塌陷對(duì)地面變形影響大,塌陷裂縫明顯,但距離管道線較遠(yuǎn)(約 900 m),距離塌陷移動(dòng)盆地影響范圍大于 740 m(按最大采深 158 m,最大采厚 5.3 m,主要影響角正切 1.71,計(jì)算開采影響半徑為 92 m),管道工程受到的影響小,現(xiàn)狀評(píng)估危險(xiǎn)性小。

鄰近礦區(qū)分別位于三基煤礦北區(qū)的北側(cè)和東側(cè),距離管道工程更遠(yuǎn),對(duì)管道工程影響小,現(xiàn)狀評(píng)估危險(xiǎn)性小。

3.2 管道工程安全預(yù)測(cè)評(píng)估

穿越礦區(qū)的管道工程線路自礦區(qū)中部通過,地形相對(duì)較平坦,管道壓覆南部煤礦資源區(qū)二 1煤層長(zhǎng)度 325 m,且有兩處地下斷裂構(gòu)造帶通過。關(guān)于煤礦未來(lái)開采管道壓覆的該層煤時(shí),對(duì)管道的安全性影響采用定性和定量相結(jié)合的方法,分別進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。

3.2.1 北區(qū)充分采動(dòng)二 1煤層影響預(yù)測(cè)評(píng)估

根據(jù)采空區(qū)現(xiàn)狀安全評(píng)估結(jié)果可知:管道工程線路距離現(xiàn)有北部煤礦資源區(qū)約 900 m,當(dāng)北區(qū)充分采動(dòng)二 1煤層時(shí),距離塌陷移動(dòng)盆地影響范圍大于 640m(開采影響半徑為 92 m),依據(jù)現(xiàn)狀評(píng)估結(jié)果,定性預(yù)測(cè)評(píng)估認(rèn)為:三基煤礦北區(qū)充分采動(dòng)二 1煤層對(duì)管道工程影響小,危險(xiǎn)性小。

鄰近礦區(qū)分別位于三基煤礦北區(qū)的北側(cè)和東側(cè),距離管道工程更遠(yuǎn),對(duì)管道工程影響小,預(yù)測(cè)評(píng)估危險(xiǎn)性小。

3.2.2 南區(qū)充分采動(dòng)二 1煤層影響預(yù)測(cè)評(píng)估

(1)采深采厚比法

依據(jù)蘭 -鄭-長(zhǎng)成品油管道工程安全的重要性和二 1煤層的埋藏產(chǎn)出特征(采深采厚比),參照《規(guī)程》中第 64條國(guó)家一級(jí)鐵路壓煤開采允許采用全部跨落法進(jìn)行試采的規(guī)定進(jìn)行評(píng)估:“薄及中厚煤層的采深與單層采厚比大于或等于150;厚煤層及煤層群的采深與分層采厚比大于或等于200”。

(2)地表移動(dòng)與變形值計(jì)算法

三基礦區(qū)目前的開采階段處于有限開采階段,蘭 -鄭 -長(zhǎng)管道工程通過鄭州三基煤礦礦區(qū)段壓覆的南區(qū)二 1煤層尚未建井開采,為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其未來(lái)開采所造成的最大地表變形程度,及對(duì)管道工程運(yùn)營(yíng)安全性影響的正確評(píng)估和提供可靠依據(jù),在不考慮斷裂帶存在的情況下,定量計(jì)算地表最大下沉量和最大水平變形量。

根據(jù)《規(guī)程》結(jié)合二 1煤層埋藏及礦井開采方式等特點(diǎn)。本次地表移動(dòng)與變形計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)法,引用《規(guī)程》附錄五中距離本區(qū)較近觀測(cè)站地表移動(dòng)實(shí)測(cè)參數(shù)資料(石炭、二疊系煤層),計(jì)算參數(shù)取值考慮安全因素和最不利組合。

預(yù)測(cè)評(píng)估結(jié)果表明,三基煤礦南區(qū)充分采動(dòng)二 1煤層后,采空區(qū)上方地表移動(dòng)變形 926.5 d以后基本結(jié)束。在殘余移動(dòng)變形期 61.6 a內(nèi),殘余移動(dòng)變形過程仍會(huì)發(fā)生,變形速度緩慢。

當(dāng)二 1煤層厚度為 3.4 8m時(shí),充分采動(dòng)后,在未考慮斷裂帶存在的情況下,地表最大下沉量為 2 878.8 mm,最大水平變形量為 6.80 m m/m。

依據(jù)《規(guī)程》附錄三地下輸油管道鋪設(shè)在砂質(zhì)粘土和粘土上允許水平變形值為 2.0 m m/m,極限值為 4.0 m m/m;鋪設(shè)在砂土上允許水平變形值為 3.0 m m/m,極限值為 6.0 mm/m之規(guī)定。本區(qū)地表為粉砂質(zhì)黃土,管道允許水平變形值采用 3.0 mm/m～6.0 m m/m。與計(jì)算的地表最大水平變形量相比較表明:在未考慮斷裂帶存在的情況下,三基煤礦南區(qū)充分采動(dòng)二 1煤層后,地表最大下沉量為 2 878.8 mm,最大水平變形量為 6.80 mm/m,遠(yuǎn)大于管道允許水平變形極限值,對(duì)管道工程安全的影響大,危險(xiǎn)性大;如果再加上地下采煤引起斷裂帶地層滑移而加劇地表變形的影響,無(wú)疑將對(duì)管道工程的安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成重大威脅,危險(xiǎn)性極大。

因此,應(yīng)對(duì)蘭 -鄭 -長(zhǎng)管道工程通過鄭州三基煤礦礦區(qū)段壓覆的南區(qū)二 1煤層開采,采取積極安全的防治對(duì)策措施,以確保礦區(qū)段管道工程的安全運(yùn)營(yíng)。另外需要指出的是:管道工程礦區(qū)段北端沒有資源,也沒有采礦活動(dòng),對(duì)管道工程無(wú)影響;而其南端、三基礦區(qū)范圍以外部分,仍會(huì)有二 1煤層埋藏的可能性,其未來(lái)開采同樣會(huì)對(duì)管道工程安全運(yùn)營(yíng)造成重大影響,危險(xiǎn)性大,應(yīng)引起高度重視。

4 礦區(qū)段管道工程可能遭受其他災(zāi)害分析

蘭 -鄭 -長(zhǎng)管道工程安全除了遭受煤礦地下開采所引發(fā)的地面塌陷和地裂縫威脅以外,也有可能遭受由此引發(fā)或加劇的黃土陡坡崩塌次生地質(zhì)災(zāi)害,以及洪水沖蝕等其他災(zāi)害的威脅。

4.1 調(diào)查區(qū)其他災(zāi)害現(xiàn)狀

4.1.1 崩塌

本區(qū)地貌是由黃土構(gòu)成的丘陵崗地區(qū),除個(gè)別殘丘和深切溝谷岸坡為基巖出露外,地表均為第四系黃土分布。崗丘頂面地形平緩開闊,以農(nóng)田旱地為主,溝谷兩側(cè)階梯狀起伏大,植被發(fā)育,現(xiàn)正逐步建設(shè)營(yíng)造為環(huán)都市生態(tài)涵養(yǎng)林發(fā)展區(qū)。相對(duì)高差 1～25 m,一般 3～12 m,地面標(biāo)高 198～283 m,最大相對(duì)高差可達(dá) 85 m。

黃土為離石黃土,上部淺黃色 -黃褐色,巖性以粉土為主,較疏松,具針孔狀裂隙和垂直裂隙和輕微濕陷性,土石等級(jí)為Ⅱ級(jí);下部為棕色 -棕褐色粉質(zhì)粘土,均一致密,硬塑 -堅(jiān)硬,陡坎均為直立狀,穩(wěn)定性較好,居民老窯洞普遍。僅個(gè)別邊坡后緣發(fā)育有拉張裂隙,在降雨水流強(qiáng)沖蝕等因素影響下,較易形成崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

管道工程從礦區(qū)中部通過,地形相對(duì)較平緩,坡度 3‰左右,管道線僅有 2處穿越深切沖溝,一處距離崩塌陡崖僅有 4～5 m,有遭受深切沖溝溯源侵蝕威脅;另一處管線穿越高陡岸坡(高度 7 m左右),有遭受黃土邊坡崩塌的威脅。

4.1.2 黃土濕陷

本區(qū)離石黃土屬于風(fēng)成原生老黃土,時(shí)代為中更新統(tǒng)(Q P 2),上部 1.5～2.0 m部分土層具輕微濕陷性,為非自重濕陷性黃土,僅局部可見黃土濕陷和黃土陷穴現(xiàn)象。下部土質(zhì)密實(shí),壓縮性低,鍬、鎬挖掘困難,無(wú)濕陷性。管道工程開挖管溝埋填破壞了土層的天然結(jié)構(gòu)狀態(tài),據(jù)黃土地區(qū)經(jīng)驗(yàn),將來(lái)容易發(fā)生黃土濕陷和陷穴災(zāi)害的可能性,應(yīng)注意在邊坡和凹地附近采取防治措施;

4.1.3 洪水沖蝕

本區(qū)屬半干旱大陸性氣候,夏季炎熱多雨,降雨多集中在每年的七、八、九三個(gè)月,平均年降雨量 624.3 m m,日最大降雨量 103.5 m m,地表徑流向溝谷處匯集,對(duì)溝床和岸坡極易形成洪水沖蝕。

4.1.4 煤矸石堆

礦區(qū)煤礦開采的廢渣煤矸石均就地堆積于礦井附近溝谷岸坡之上,形成天然堆積坡度,部分被用于礦區(qū)附近填溝、筑路。固體廢渣已固定堆放于矸石山上,并已進(jìn)行了綠化處理。管道工程距離北區(qū)現(xiàn)采區(qū)大于 900m,遠(yuǎn)離煤矸石堆積區(qū)和礦坑廢水排放區(qū),不受其直接影響;應(yīng)注意三基南區(qū)未來(lái)開采煤矸石堆積的影響。

4.1.5 礦坑廢水

新密是一個(gè)用水相對(duì)缺乏的地區(qū),礦山在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的礦井水由各巷道水溝排入井底水倉(cāng),經(jīng)一次沉淀后,由井下中央泵房泵入平地沉淀池進(jìn)行二次沉淀處理,處理后的礦井水一部分自用作煤場(chǎng)防塵用水,一部分作為附近農(nóng)村的灌溉用水。

4.1.6 煤(粉)塵大氣污染

煤礦生產(chǎn)會(huì)造成大量的粉塵污染,同時(shí)機(jī)械運(yùn)輸揚(yáng)塵更使其污染范圍礦大,在調(diào)查區(qū)內(nèi)也零星分布有人造石子加工場(chǎng)、耐火材料廠等,均形成較嚴(yán)重的大氣污染,空氣質(zhì)量較差。

5 結(jié)語(yǔ)

蘭州 -鄭州 -長(zhǎng)沙成品油管道工程線路自礦區(qū)中部穿越通過,地形相對(duì)較平坦,地形坡度 3‰左右(僅有兩處穿越大沖溝),現(xiàn)狀遠(yuǎn)離煤矸石堆積區(qū)和礦坑廢水排放區(qū),不受其直接影響;其管道工程安全主要遭受來(lái)自于三基煤礦未來(lái)南區(qū)地下開采所引發(fā)的地面塌陷和地裂縫威脅,以及黃土陡坡崩塌地質(zhì)災(zāi)害、洪水沖蝕的威脅。

現(xiàn)有采空區(qū)三處,塌陷移動(dòng)盆地影響范圍,距離管道工程 640～740 m,現(xiàn)狀評(píng)估及預(yù)測(cè)評(píng)估認(rèn)為對(duì)管道工程影響小,危險(xiǎn)性小。鄰近礦區(qū)分別位于三基煤礦北區(qū)的北側(cè)和東側(cè),距離管道工程更遠(yuǎn),對(duì)管道工程影響小,現(xiàn)狀評(píng)估及預(yù)測(cè)評(píng)估危險(xiǎn)性小。管道工程礦區(qū)段北端沒有資源,也沒有采礦活動(dòng),對(duì)管道工程無(wú)影響。

管道工程礦區(qū)段壓覆南區(qū)二 1煤層平面直線長(zhǎng)度 325 m,構(gòu)造復(fù)雜,現(xiàn)尚未建井開采。預(yù)測(cè)的評(píng)估結(jié)果表明未來(lái)開采對(duì)地面變形影響程度遠(yuǎn)大于管道允許水平變形極限值,對(duì)管道工程安全的影響大,危險(xiǎn)性大。管道工程礦區(qū)段南端、三基礦區(qū)范圍以外部分,仍會(huì)有二 1煤層埋藏的可能性,其未來(lái)開采同樣會(huì)對(duì)管道工程安全運(yùn)營(yíng)造成重大影響,危險(xiǎn)性大,應(yīng)引起高度重視。

[1]雷海英,李文杰,等.蘭州 -鄭州 -長(zhǎng)沙成品油管道工程通過鄭州三基煤礦區(qū)安全性評(píng)估報(bào)告,2009.