摘要　天然气管道是燃气输送的重要载体，也是燃气企业的重要财产之一。天然气气管道的规划、维护和安全运行，直接关系到燃气企业的生产能否顺利进行。由石油天然气工业的基础性地位所决定，油气管道也与公共利益紧密相关。但矿山爆破过程中，炸药在岩石中爆炸时释放出的巨大能量会产生地震波，地震波的强弱会对埋地天然气管道产生影响。因此，本文在对爆破震动原理分析的基础上，探讨了矿山爆破产生的地震波对天然气管道的影响，并对防震设计提出了一些建议。
　　关键字　矿山爆破；天然气管道；防震设计
　　
　　露天矿的爆破工作是采矿过程中不可缺少的重要环节之一。炸药在岩石中爆炸时释放出的巨大能量，随着传播距离的增加，逐渐衰减为地震波而引起介质质点的强烈振动。生产爆破地震效应对爆区地下的天然气管道设施有不同程度的影响及破坏作用，如埋地天然气管道出现裂缝。为了加强安全防范措施，应对采场周围埋地天然气管道所受爆破影响进行分析，以指导矿山的爆破工作，最大可能地降低爆破震动对埋地天然气管道的破坏，保证矿山安全生产的顺利进行。
　　
　　一、矿山爆破产生的地震波原理作用
　　
　　(一)爆破震动原理
　　炸药在原岩中爆炸时，在弹性变形区内引起岩石质点的振动，这种引起岩石质点发生振动的弹性波就是地震波。地震波的能量占炸药爆炸时释放总能量的很小一部分，其百分率随岩石性质不同而异，在干土中约为2％-3％，湿土中约为5％-6％，水中约为20％，岩石中约为2％~6％。地震波有体波和面波，体波分为纵波(P波)和横波(S波)。纵波的特点是周期短、振幅小，横波的特点是周期长、振幅大。体波在传播途中，遇到地面、岩层层理和节理时，均会发生反射和折射。面波只限于沿介质表面或分界面传播，它分为洛夫波(L波)和瑞利波(R波)，在地震破坏中起很大的作用。
　　
　　(二)爆破震动测试
　　为了研究爆破地震效应的破坏规律，找出减小爆破振动的措施，对爆破地震效应进行系统的测试是非常必要的。爆破地震效应观测的方法有宏观调查和仪器观测两种。宏观调查是指爆破前后，在爆破区以内和仪器观测点附近选择有代表性的建筑物及专门设置的某些器物进行观测、描述和记录，用对比的方法了解爆破后的破坏情况；仪器观测是利用非电量电测法原理，对爆破工作和建筑物进行监测，测量仪器由传感器、测振仪和记录装置组成。这两种方法结合使用，效果较好。根据目前国内的情况，对危险的建筑物要实现长期不间断的监测工作，对破坏程度不大的建筑物要进行定期的测试工作。目前，国内采取的主要监测手段是测定爆破地震波振速的大小以及加速度、频率、波延时间等。振速V是药量Q和距离R的函数。根据实测的数据确定K、a值，然后计算出建筑物所达到的最大振速。通过实测数据进行理论分析，以便了解哪些因素对建筑物的影响较大。
　　
　　二、地震波对埋地管道的影响
　　
　　一般情况下，对地下管道按以下3种地质情况进行研究：在均匀介质中、非均匀介质中和跨越断层区。孙建刚等以管道在均匀介质中为模型，进行了动力反应分析。经过计算发现： (1)对于软弱土，流速对频率、内力有一定影响，对于坚硬土几乎没有影响。(2)即使对于软弱土，在一定流速范围内，流速对横向弯曲振动的频率、相对位移、内力影响也不大。(3)土质条件对内力影响较大，土质越差，反差越大，可达几十倍。
　　王世圣等根据地震波在地表层传播时的不同特征，分析和研究了地震波引起的土壤变形对埋地管道的作用，指出：由于管道的重量相对于夹裹其土壤的重量要小得多，再者由于土壤的限制，管道的振动难以被放大，计算时可以忽略作用在埋地管道上的惯性力，最后给出了埋地管道强度的简化计算方法。冯启民等对跨越断层的埋地管道进行了屈曲计算，发现：在大位移断层运动作用下，埋地管道存在明显的非线性效应，断层类型、管道埋深等因素不能忽略。地震激励的空间相关性会使管道产生过高的随机应力，帅建等将实际地震地面运动看作平稳随机过程，研究了埋地管道的非平稳随机响应，考虑地面运动的相关性，导出了轴向和横向振动响应的相关函数和功率谱密度函数的解析表达式。侯忠良等利用地震行波作用下埋地管线三维反应计算方法，以土弹簧模拟管一土之间的相互作用，按场地和地震条件拟合地震位移时程并将其作为输入，考虑管道与周围土体的相对位移和地震作用的最不利入射方向，按埋地管道的真实三维模型求解管道的地震响应。郭恩栋等采用有限单元法，将管线模拟成粱单元，将土体模拟成弹簧单元，并同时考虑其非线性特征，求解了在断裂位移和连续渐变位移作用下管土弹簧系统的动力平衡方程和振动响应。薛景宏等考虑了管一土之间的相互作用及管一内流之间的耦联作用，研究了埋地管线在横向传递的剪切波和轴向传递的压缩波作用下的动力响应，并利用有限元方法对运动方程进行了求解，研究了土壤特性的改变对埋地管线地震响应的影响。张进国等针对地震作用下的埋地管道纵向振动微分方程，利用加权余量法计算了地震作用时管道的纵向运动位移响应。周晶等利用水下振动台研究了海底悬跨管线在地震作用下的动力反应。孙政策等针对海底管线抗震设计中存在的问题，分析了海底管线的实际铺设环境，研究了地震条件下海底管线和地层的相互作用，给出了地震条件下管一土之间约束状态的判断准则。
　　
　　三、埋地天然气管道的防震设计
　　
　　天然气管道的使用期限都长达几十年甚至上百年，在其服役过程中由于环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀效应和材料老化等不利因素的影响，严重削弱了系统的抗震能力。对于这些系统检测困难，不能实时地把握元件累积损伤的状况、继续使用的可靠度。评估现有或建设中的埋地生命线系统抗震能力的一个有效手段，是加强对其智能监测，以确保适时发现薄弱环节。
　　我国学者经过多年研究，总结出天然气管道遭遇地震波时的抗震措施：(1)浅埋；(2)提高管材的延性；(3)正确选择管道穿越地质断层的位置；(4)提高管子的壁厚；(5)回填土应采用较低摩擦系数的砂或砂砾石；(6)设置一定数目的弯头。
　　景悦等和李长升等进行了地震作用下5种工况的砂土液化实验分析。为防止管道上浮，可以采取以下几种措施：(1)将地下管道固定埋置在非液化层的桩或地锚上；(2)采用混凝土涂料来加重管体以平衡浮力；(3)沿砂化地域在管道上设置平衡物。
　　
　　四、结语
　　
　　埋地天然气管道的抗震研究在今日依然是一个热点。今后的研究工作将主要集中在以下几个方面：(1)进一步完善理论模型。主要表现在地震激励的选取(是否考虑地震随机激励的非平稳性)、管道模型的选取(管道按梁还是壳模型计算)和管一土之间接触作用的简化问题(要考虑管或土的非线性)；(2)现代输气管道压力大、流速高，考虑管土内流在地震作用下的耦合振动问题是今后研究的重点；(3)进一步开发适用于不同地质条件及不同流体介质的管道地震反应分析软件；(4)地震多发区管道的智能监测问题研究，特别是应用光纤传感技术对埋地管道进行地震或日常状态下的功能状况监测。