浅埋管线受开采沉陷影响的相似材料模型实验研究_蔡音飞.pdf

浅埋管线受开采沉陷影响的相似材料模型实验研究 蔡音飞1,2, 戴华阳2 1． 太原理工大学 矿业工程学院, 山西 太原 030024; 2． 中国矿业大学 北京 地球科学与测绘工程学院, 北京 100083 [摘 要] 西气东输管线某段通过蒿峪煤矿开采区, 受到开采沉陷影响。 结合现场条件, 通过 相似材料模型设计和实验, 模拟了地表沉陷的动态过程和沉陷对浅埋管线的影响过程, 揭示了管线沉 陷与地表沉陷分布形态相似, 时间同步, 但数值偏小的规律。 模拟证实了管线受沉陷后弯管部位存在 应力集中现象。 实验表明, 通过地表开挖卸载可使管线应力释放, 产生明显回弹, 改善其受力状态。 研究扩展了模型实验在管线沉陷方面的应用, 对于管线的保护和维修有现实的指导意义。 [关键词] 浅埋管线; 开采沉陷; 相似材料模型实验; 地表与管线下沉差; 应力释放 [中图分类号] TD327 [文献标识码] A [文章编号] 1006-6225 2016 02-0053-04 Experimental Studying of Similar Material Model of Shallow Buried Pipeline under Mining Subsidence CAI Yin-fei1,2, DAI Hua-yang 2 1． Mining Engineering College, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2． Geosciences and Surveying Engineering College, China University of Mining mining subsidence; similar material model experiment; subsidence difference of surface and pipeline; stress release [收稿日期] 2015-08-19[DOI] 10． 13532/ j． cnki． cn11-3677/ td． 2016． 02． 015 [作者简介] 蔡音飞 1983-, 男, 浙江嘉兴人, 土木工程-地质工程博士, 主要研究方向为矿山开采沉陷、 “三下” 采煤和结构力学的理 论和应用。 [引用格式] 蔡音飞, 戴华阳 ． 浅埋管线受开采沉陷影响的相似材料模型实验研究 [J] ． 煤矿开采, 2016, 21 2 53-56． 浅埋输油 气 管线下采煤没有包含在传统 的 “三下” 建筑物、 水体、 铁路 开采[1]范畴 内。 但随着我国西气东输工程的开展, 管线经过采 空区或者管线下开采的问题逐渐显现。 仅西气东输 管线一期工程在途径的山西、 山东、 陕西、 宁夏 4 个省区就涉及 8 个主要矿区, 受到 76 个矿井开采 形成的部分采空区的影响[2]。 因此, 矿山开采对 管线的影响研究也日益得到重视, 现场变形监 测[3]、 数值模拟[4-7]和相似材料模型实验[8]均被 应用于管线受沉陷影响的研究。 若干学者进一步从 力学 的 角 度 分 析 受 影 响 管 线 的 应 力、 应 变 情 况[7,9-12]。 有些研究还尝试对管线的安全性进行评 估[2,13], 或者对拟开采区域进行调整设计[6,14], 以 保护经过的管线。 相似材料模型实验被广泛应用于开采沉陷等问 题的研究中, 但针对受开采影响的管线而设计的模 型实验很少。 文献 [8] 用低碳钢材质的钢管作为 管线的相似材料, 强度偏大, 造成管线与地表的最 大下沉差达到 1． 5m 左右 实地, 本文认为该数 值是过估的。 本文以通过蒿峪煤矿采空区的西气东输管线 EM090 - EM092 段为研究对象, 以相似材料模型 实验为工具, 研究管线沉降与地表沉降的关系, 并 模拟沉陷区管线保护措施之一的弯管部位应力释放 的过程。 1 地质开采条件 西气东输管线 EM090 - EM092 段位于山西省 晋城市阳城县境内, 受蒿峪煤矿开采影响。 研究区 地处太行山南段西侧, 地貌区划为侵蚀山地, 以低 35 第 21 卷 第 2 期 总第 129 期 2016 年 4 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol． 21No． 2 Series No． 129 April 2016 ChaoXing 山丘陵为主。 蒿峪煤矿井田范围全部被第四系黄土覆盖, 井 田赋存地层由老到新为 奥陶系中统峰峰组、 石炭 系中统本溪组、 上统太原组、 二叠系下统山西组、 下统石盒子组、 二叠系上统上石盒子组、 第四系中 上更新统。 蒿峪煤矿所开采的 3 号煤层位于山西组下部, 为近水平煤层, 厚度 5． 40 5． 94m, 平均 5． 66m, 分布稳定。 3 号煤层上覆岩层和底板的厚度和主要 岩性参数见表 1。 采区上方覆岩总厚度约 150m, 包括约 15m 厚的松散层。 表 1 原型与模型的层厚及主要岩性参数 岩层 原型 厚度/ m 体积力/ kN m -3 抗压强 度/ MPa 模型 厚度/ mm 体积力/ kN m -3 抗压强 度/ MPa 松散层15--100-- 砂质泥岩 0 8425． 0550 56016． 000． 237 中粒砂岩 43 6623． 051287 440 14． 720． 219 中细砂岩25． 527． 05617017． 280． 241 泥、 砂岩1525． 04310016． 000． 185 煤层5． 513． 79378． 770． 039 底板1522． 04010014． 080． 172 蒿峪煤矿为村办煤矿, 已于 2007 年 4 月停采。 已知西气东输管线 EM090 - EM092 段经过该矿开 采沉陷区, 管线的平均埋深为2m。 现场观测[3]证 明, 该地段沉陷已稳定。 本文将通过模型实验的方 法研究开采沉陷对管线造成的影响及其规律。 2 相似材料模型实验设计 2． 1 模型设计 本实验采用的模型架尺寸为 4200mm250mm 1800mm 长, 宽, 高; 几何 al、 密度 ar、 应力 aσ、 时 间 at相 似 常 数 分 别 为 1 ∶ 150, 0． 64, 0． 0043, 0． 082, 计算方法如下 al l m/ lp 1/150 1 ar r m/ rp 0． 64 2 aσ a r/ al 0． 0043 3 atal 0． 0824 式中, lm为模型长度; lp为原型长度; rm为模型 密度; rp为原型密度。 根据上述相似常数和表 1 所列原型的尺寸和岩 性, 可以计算模型的尺寸和岩性, 也列于表 1。 模 型设计见图 1, 布设好未开采的模型照片见图 2。 根据各个层位的岩性参数, 模型的相似材料的配比 如表 2 所示。 2． 2 测点、 管线布置 实验在覆岩和地表共布置 8 条横向观测线, 见 图 1 模型设计和测点布置 不含管线测点 图 2 开采前模型照片 表 2 模型各层相似材料配比 岩层 配比号 合计 ∶ 灰 ∶ 膏 总重/ kg备注 松散层--仅散沙 砂质泥岩8 ∶ 7 ∶ 3483． 6 中粒砂岩9 ∶ 8 ∶ 2725． 4 中细砂岩8 ∶ 7 ∶ 3285． 6 泥、 砂岩10 ∶ 8 ∶ 2168． 0 煤层10 ∶ 8 ∶ 261． 6 底板7 ∶ 5 ∶ 5168． 0 水为总 重的 4 图 1、 图 2。 最上一条观测线尽可能贴近模型上缘 铺设, 作为地表观测线; 其余 7 条观测线为岩层内 部观测线。 测点标志为具有十字丝的圆, 铺设测点 时用大头钉将测点标志钉在模型上, 观测时瞄准标 志上十字丝的中心读数。 管线布置于模型松散层中, 地表以下 15mm 合实地 2m 左右, 下文无特殊说明均指模型尺 寸。 考虑在实地的大尺度上, 管线可以承受一定 程度的弯曲变形[15], 实验采用塑料软管模拟管线, 并在其中填充编织物和细铁丝 铁丝沿管长方向 布置 适当增加其硬度。 管线上布置观测线 1 条, 测点为箍在管线上的细铁丝, 向上竖直立起, 并在 铁丝上部穿有测点标志, 见图 3。 管线测点观测时 需瞄准细铁丝的顶端读数, 其上的测点标志由于不 固定, 仅起辅助瞄准作用, 非观测目标。 2． 3 开采设计 实验设计总开采长度为 2000mm, 开切眼位于 距模型左侧800mm 处。 考虑55的影响角, 预计开 采影响范围的水平长度为 3456mm, 小于模型范围 参见图 1。 模型采用全部垮落法处理顶板, 每 500mm 为 45 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing 图 3 管线与其测点照片 表土已移去 1 个开采阶段, 共 4 个阶段。 每次采完 1 个阶段, 需稳定一段时间, 然后再观测覆岩、 地表、 管线的 移动变形情况。 各开采阶段内, 如有明显岩移变化 时, 也需进行记录和观测。 3 实验结果与讨论 3． 1 “三带” 的形成与发展 当模型开采到 300mm 时, 直接顶首次出现少 量垮落; 500mm 开采后, 垮落带高度 170mm, 垮 落带顶部宽度 310mm, 地表无可见变形。 当模型开采到 700mm 时, 裂缝带首次明显地 出现在上覆岩层中; 当模型开采到 900mm 时, “三 带” 均可在模型中被观察到, 裂缝带与垮落带分 界开始模糊, 地表变形明显。 其后, 随着开采的继续, “三带” 逐渐向模型 开采前进方向发展; 全部 2000mm 开采结束后, 模 型形态如图 4 所示。 图 4 模型全部开采后的岩移形态 开采至 2000mm 3． 2 地表与管线下沉 实验中, 采用经纬仪观测法, 观测位置和控制 点固定。 得到的测点数据 水平角、 竖直角 经 过几何变换[16]获得测点在模型平面中的坐标, 然 后可通过计算某次观测与初始模型的坐标差值得到 测点的移动变形量。 模型第一阶段 500mm 开采后, 观测到的 地表最大下沉为 0． 7mm。 此时, 地表所有测点的 下沉曲线沿横坐标轴呈波动状, 并考虑实验采用观 测方法的理论精度为 0． 14mm[16], 可以认为沉陷在 当前尚未发展到地表。 当模型开采至第二阶段 1000mm 时, 地表 变形明显, 最大下沉达到 14． 7mm, 合下 沉 率 0． 40; 当模型开采至第三阶段 1500mm 时, 地 表最大下沉达到 16． 1mm, 合下沉率 0． 44, 已接近 最终的最大下沉数值。 模型继续开采直到最终的 2000mm, 地表和管 线的下沉曲线向开采前进方向发展, 下沉值也逐渐 变大, 如图 5 和表 3 所示。 开采到 2000mm 时, 地 表下沉曲线底部出现平底, 可认为基本达到充分下 沉。 根据实验结果, 当地下沉系数大致为 0． 5。 由 于倾斜地表的影响, 下沉曲线偏向地表下山一侧, 符合非水平地表对沉陷的一般影响规律[17]。 图 5 各开采阶段地表、 管线下沉曲线 表 3 管线、 地表下沉数据 开采阶 段/ mm 管线最大 下沉/ mm 地表最大 下沉/ mm 地表 下沉率 点均下沉 差值/ mm 0 5000． 60． 70． 02- 500 100012． 614． 70． 400． 58 1000 150015． 716． 10． 440． 61 1500 200017． 317． 40． 470． 91 注 点均下沉差由开采范围内的管线、 地表下沉数据计算, 取 绝对值。 理论上, 越靠近采空区的观测线下沉值应该越 大[18]。 据此可以推论, 管线的下沉应大于地表的 下沉。 考虑到本实验中管线埋藏很浅 接近地 表, 其下沉值应与地表一致或略大。 但实际分析 各阶段管线与地表下沉曲线的对比图 图 5 可 见, 管线的下沉一般比地表下沉要小。 这就意味 着, 管线自身有维持原形态, 对沉陷有一定的抵抗 能力。 各开采阶段, 管线与地表点均下沉的差值列 于表 3。 由于开采影响范围外两侧的管线与地表的 下沉值应该是一样的 均为 0, 所以在求取管线 与地表的下沉的差值时, 只考虑开采范围内的数 据。 由表 3 中点均下沉差值的变化可知, 管线与地 表的下沉差异随着开采的进行逐渐变大。 观察模型上表面发现, 除常规应出现的垂直开 采前进方向的裂缝外, 还出现了平行开采方向 即管线铺设方向 的裂缝, 见图 6。 表明管线下 沉小于地表下沉, 造成了一定程度的相对隆起, 从 55 蔡音飞等 浅埋管线受开采沉陷影响的相似材料模型实验研究2016 年第 2 期 ChaoXing 而形成裂缝。 由表 3 可知, 管线与地表的点均下沉 差小于 1mm, 也就是说, 理论上应该存在于模型 上的隆起很细微, 直接观测并不明显。 但沿管线方 向裂缝的存在从侧面证明了地表相对隆起的事实。 图 6 沿管线方向 即开采方向 裂缝 由图 5 可知, 虽然管线下沉较地表稍小, 但曲 线形态基本相似, 而且随开采的发展趋势在时间上 是基本同步的。 所以在现场监测时, 当直接监测管 线的沉陷有难度时, 可以由管线附近地表监测数据 代替浅埋管线的沉陷情况。 3． 3 管线应力释放 蒿峪煤矿上方输气管线在 2007 年、 2009 年曾 经 2 次对受沉陷影响的弯管部位采取分段逐步开挖 的方式进行全采空影响段的应力释放[19]。 本实验 在模型实验中模拟该过程,定性验证应力释放过程。 在模型全部开采 至 2000mm 结束并等待下 沉稳定后, 尽量移去管线上方表土, 等待一段时间 后, 再对管线测点进行测量, 得到管线卸去表土载 荷、 应力释放后的下沉曲线, 如图 7 所示 表土 移除操作有不确定性, 无法保证管线完全不移动, 所以图 7 中卸载后的管线下沉曲线比卸载前的曲线 波动稍大。 可以看到, 管线在卸载后, 明显向上 回弹。 开采范围内, 该曲线与开采至 2000mm 时管 线的下沉曲线的点均下沉差值为 1． 82mm 合现场 约 270mm。 可以认为, 模型实验中, 管线的回弹 比例和其所使用的相似材料的性质十分相关, 故此 处数据仅代表实验条件下结果。 图 7 开采至 2000mm 时地表、 管线下沉曲线 及管线卸载后下沉曲线 在现场, 如果应力释放后, 管线仍未回弹到理 想的位置, 还可采取人为反向干预管道标高 即 局部管段实施 “抬管” 作业 的方式确保管道处 于受控状态[19]。 4 结 论 1 采用相似模型实验, 使用塑料软管充填 编织物和细铁丝作为受开采影响的浅埋管线的相似 材料, 模拟了该管线的开采沉陷过程和卸载回弹现 象, 很好地反映了现场管线的实际采动影响过程。 2 分析了采动管线沉陷与地表沉陷分布形 态相似、 时间同步的特征, 揭示了管线沉陷数值较 地表数值偏小的规律。 因此, 在工作中可以由管线 上方的地表监测数据反映浅埋管线的沉陷情况。 3 实验表明, 在沉陷发生后, 可通过挖开 表土, 释放管线应力使管线回弹。 地面开挖措施有 利于沉陷区管线的保护。 [参考文献] [1] 国家煤炭工业局 ． 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程 [M] ． 北京 煤炭工业出版社, 2000． [2] 李 丽, 程国明, 张志鹏, 等 ． 开采沉陷区上覆浅埋管线灾 害风险评价初探 [J] ． 煤矿开采, 2013, 18 2 67-70． [3] 彭 桢, 戴华阳, 蔡音飞 ． 采动影响下天然气管线变形监测 方法研究 [J] ． 矿山测量, 2013 4 85-87． [4] 程国明, 李文鹏, 郭占峰 ． 输气管道下急倾斜煤层开采应力 分布规律 [J] ． 煤矿开采, 2010, 15 4 29-31． [5] 程国明, 张志鹏 ． 急倾斜煤层开采地表及浅埋管道变形特征 [J] ． 煤矿开采, 2011, 16 5 33-35． [6] 张和生 ． 山区地下开采引起地表变形对长输气管线的影响研 究 [D] ． 太原 太原理工大学, 2013． [7] 刘统族 ． 煤矿长壁开采条件下浅埋管线变形机理研究 [D] ． 北京 中国地质大学 北京, 2014． [8] 祝 琨 ． 管道压煤开采的相似材料模拟实验研究 [J] ． 煤矿 开采, 2010, 15 2 41-43． [9] PENG S, LUO Y． Determination of stress field in buried thin pipe- lines resulting from ground subsidence due to longwall mining [J]. Mining Science and Technology, 1988, 6 2 205-216． [10] KLAR A, MARSHALL A M． Shell versus beam representation of pipes in the uation of tunneling effects on pipelines [J]. Tun- nelling and Underground Space Technology, 2008, 23 4 431- 437． [11] KLAR A, MARSHALL A M, SOGA K, et al． Tunneling effects on jointed pipelines [J] ． Canadian Geotechnical Journal, 2008, 45 1 131-139． [12] 王晓霖, 帅 健, 张建强 ． 开采沉陷区埋地管道力学反应分 析 [J] ． 岩土力学, 2011, 32 11 3373-3378． [13] 万继涛, 胡松涛, 韩祥银, 等 ． 地下矿产开采对天然气管道 工程的安全影响评价 [J] ． 山东国土资源, 2008, 24 6 35-37．下转 94 页 65 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing 成果相比差异较小。 最大相差约 18mm, 平均差值 约 3mm, 差值中误差约 9mm, 基本满足开采沉陷 监测对高程测量的精度要求。 3 滤波后的 CORS RTK 测量与水准测量高 程相比, 差值在 7mm 以内 的 点 有 21 个, 占 46． 7; 差值在10mm 以内的点约占 70 以上; 差值在15mm 以内的点有 44 个, 占 97． 7; 极少 出现差值超过15mm 的情况。 这说明滤波后的 CORS RTK 高程测量具有较好的稳定性和可靠性。 4 结 论 在 “地表移动自动化监测系统研究” 项目中, 为提高实时数据采集终端系统采用 CORS RTK 测量 模式获得的各测点空间位置 特别是高程 信息 的精度和可靠性, 结合开采沉陷监测的特点, 建立 了 Kalman 滤波算法, 对 CORS RTK 测量获得的测 点空间位置序列进行进一步处理。 研究区的实测数 据表明, 对 CORS RTK 测量成果采用 Kalman 滤波 算法后, 其平面位置精度和高程位置精度得到了大 幅度地提升 约为常规 CORS RTK 测量的 4 倍, 同时精度分布更为均匀, 即滤波后各点的测量成果 更为稳定和可靠, 这就为获得稳定的正常高提供了 依据。 对于开采沉陷监测, 为确定移动变形边界, 要 求平面点位相对中误差不超过14mm, 边界部分 最弱点高程中误差不超过7． 1mm。 对于本试验而 言, 滤波后的 CORS RTK 测量的平面位置精度平均 不超过2． 5mm, 最大不超过5． 0mm, 完全满足 开采沉陷监测对平面位置测量的精度要求; 滤波后 的 CORS RTK 高程测量, 与水准测量高程相比, 高 程差值的中误差为8． 4mm, 与7． 1mm 相接近。 若为确定正确的移动变形边界, 该种算法还需要进 一步改进; 但对于沉陷区的非边界区域测量, 滤波 后的 CORS RTK 高程测量仍可以获得良好的监测成 果, 这就为高效、 快速采集移动变形信息提供了技 术保障。 影响滤波后的 CORS RTK 高程测量精度的因素 主要有 CORS RTK 测量本身的精度 平面和高 程、 天线相位中心偏差、 测区高程 似大地水准 面 拟合模型的精度、 观测条件等, 特别是前两 种因素, 这是后续改进中需要考虑的主要因素。 [参考文献] [1] 何国清, 杨 伦, 凌赓娣, 等 ． 矿山开采沉陷学 [M] ． 徐 州 中国矿业大学出版社, 1991． [2] 余学祥, 秦永洋, 孙兴平, 等 ． 相邻工作面综合地表移动观 测站的设计与连接测量 [ J] ． 大连大学学报, 2008, 29 6 74-79． [3] 余学祥, 秦永洋, 孙兴平, 等 ． 顾桥煤矿 11-2 煤综采面地表 移动变形基本特征分析 [J] ． 矿山测量, 2009 12 8-12． [4] 余学祥, 邓蓉蓉, 张美微, 等 ． 基于似单差法的井筒沉降监 测试验与结果分析 [J] ． 合肥工业大学学报 自然科学版, 2012, 35 6 804-808． [5] 蒋法文, 刘可胜, 杭玉付, 等 ． 煤矿开采沉陷自动化监测实 时数据采集终端系统研究 [J] ． 矿山测量, 2014 5 93- 97． [6] 马洪滨, 孙 军, 周海壮, 等 ． 鞍山市连续运行参考站系统 建设与定位精度分析 [J] ． 导航定位学报, 2013, 1 1 89-95． [7] 吴文坛, 田 挚, 李 哲, 等． 河北 CORS 在大比例尺倾斜航 空摄影测量中的应用 [J] ． 测绘通报, 2013 2 63-66． [8] 余学祥, 吕伟才 ． GPS 监测网动态数据处理抗差 Kalman 滤波 模型 [J] ． 中国矿业大学学报, 2000, 29 6 553-557． [9] 余学祥, 吕伟才 ． 抗差卡尔曼滤波模型及其在 GPS 监测网中 的应用 [J] ． 测绘学报, 2001, 30 1 27-31． [10] 吕伟才, 徐绍铨 ． Kalman 滤波在似单差方法中的应用 [J] ． 测绘通报, 2006 3 14-17． [11] 吕伟才, 徐绍铨, 余学祥 ． 似单差数据处理方法及其在矿区 变形监测中的应用研究 [J] ． 工程勘察, 2004 6 45- 48． [12] L Weicai, Xu Shaoquan． Kalman． Filtering Algorithm Research for the Deation Ination Series of the Similar Single-Differ- ence Model [J] ． Journal of China University of Mining and Tech- nology, 2004, 14 2 189-194．[责任编辑 李 青] ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 上接 56 页 [14] 戴华阳, 廖孟光, 王继林, 等 ． 采动影响区浅埋输气管道调 整技术与应用设计 [J] ． 煤矿开采, 2013, 18 5 69- 72． [15] 冯 伟, 么惠全 ． 采空塌陷区管道成灾机理分析及工程防治 措施 [J] ． 水文地质工程地质, 2010, 37 3 112-115． [16] 刘吉波, 戴华阳, 阎跃观, 等 ． 相似材料模型实验两个控制 点经纬仪观测法及其精度分析 [J] ． 矿山测量, 2008 1 77-79． [17] CAI Y, VERDEL T, DECK O． On the topography influence on subsidence due to horizontal underground mining using the influ- ence function [J] ． Computers and Geotechnics, 2014, 61 328-340． [18] DAI H, LIAN X, LIU J, et al． Model study of deation in- duced by fully mechanized caving below a thick loess layer [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2010, 47 6 1027-1033． [19] 么惠全, 冯 伟 ． 抬管技术在通过采空区管道的应用 [J] ． 油气储运, 2011, 30 6 449-452． [责任编辑 邹正立] 49 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing