采空沉陷区天然气管道的危险性评价.pdf

论文题目采空沉陷区天然气管道的危险性评价 专 业采矿工程 硕 士 生王金东 （签名） 指导教师余学义 （签名） 摘要 近年来随着对天然气资源的大量需求，以及环境保护迫切需要，我国天然气管道工 程的建设也进入一个高峰期，天然气资源以管道输送为主，输送管道是大范围延伸分布 的线性工程，其不可避免地要通过一些煤矿采空沉陷区和地质构造复杂区域。煤矿采空 沉陷区的地表移动变形必然对在建和在役天然气管道产生一定的影响或危害。 研究煤矿 采空沉陷区天然气管道的危险性评价，对于保障天然气管道安全正常运营，降低管道铺 设、维护成本，充分利用地下矿产资源均具有重要的意义。 论文以西气东输二线位于恒发煤矿采空区的DD245DD246段输气管道工程为研究背 景，结合开采引起地表移动变形破坏规律及管道结构特征，在分析适合不同采矿地质条 件下地表移动变形的基础上，划分了相应的地表移动变形预计模型。通过对影响地表移 动变形主要因素的分析，根据采空沉陷区的类型和特征按开采深度与开采厚度之比、开 采方法、顶板管理方法、采空沉陷区形成时间等采矿地质条件对采空沉陷区的稳定性进 行分类。应用层次分析法建立以开采方法、采空沉陷区形成时间、覆岩岩性、开采深厚 比、水平变形、曲率半径、倾斜、下沉值及采空区类型为主要指标的评价体系，依据评 价体系划分不同危险性等级，同时针对不同危险性等级采取相应的处置措施。论文结合 西气东输二线输气管线宁陕支线进行实例论证， 表明恒发煤矿采空沉陷区天然气管道的 危险性评价的结果与实际影响情况相吻合，同时给出了处置办法。 关 键 词采空沉陷区；天然气管道；地表移动变形；危险性评价体系；预计模型 研究类型应用研究 本文得到陕西省教育厅重点实验室科学研究计划项目2010JS020 和 陕西省自然科学 基金（2011JY005）资助 Subject The risk uation of the natural gas pipeline pass through gob subsidence Specialty Mining Engineering Name Wang jindong （ （Signature） ） Instructor Yu xueyi （ （Signature） ） Abstract With the high demand for natural gas resources, as well as an urgent need for environmental protection in recent years, the construction of the natural gas pipeline project has also entered a peak period in china, natural gas resources transport by pipeline, transmission pipeline engineering is extending the distribution a wide range of linear, its is not available to avoid through the coal mining subsidence and tectonic complex region. Mined subsidence of ground movement and deation inevitable in service natural gas pipeline or under construction produce a certain impact or harm. Study coal gob the subsidence gas pipeline risk assessment for normal operation to protect the safety of natural gas pipelines, reducing the pipe-laying, maintenance costs, and full use of underground mineral resources are of great significance. Paper to the Second West-East gas pipeline Hengfa coal mining area DD245 ～ DD246 gas pipeline project as research background, combined with mining-induced ground movement and deation failure regularity and piping structural characteristics, surface movement and deation analysis suitable for different mining geological conditions divided on the basis of the corresponding surface movement and deation prediction model. Through the analysis of the impact of ground movement and deation of the main factors, according to the type and characteristics of the mined subsidence depth of mining and mining thickness ratio, mining s, roof management , mined subsidence ed time and other mining geological conditions of mined area stability classified. Mining , gob subsidence ed, overlying rocks in deep mining ratio, horizontal deation, the radius of curvature, inclined, type as the main indicator of the sinking value of the mined-out area uation system using analytic hierarchy process, according to the uation the system is divided into different risk levels, and take the appropriate measures to deal with different risk levels. The paper combines the Second West-East gas pipeline the line Ningshan Extension examples, we demonstrate that David Carse, coal mining the empty subsidence gas pipeline risk assessment results and the actual impact of consistent and disposal options. Key words Gob subsidence; Natural gas pipeline；Surface movement deation; Risk uation system; Prediction model Thesis Application study This thesis was supported by Shaanxi Provincial Department of Education Key Laboratory of Research ProgramNo.2010JS020 and the Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province of ChinaNo.2011JY005 目 录 I 目 录 录 1 绪论绪论 .................................................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义选题背景及研究意义 ....................................................................................................................................... 1 1.1.1选题背景 ............................................................................................................................................... 1 1.1.2研究意义 ............................................................................................................................................... 2 1.2.本论文研究领域国内外的研究动态及发展趋势本论文研究领域国内外的研究动态及发展趋势 ........................................................................................... 2 1.2.1国外研究现状 ....................................................................................................................................... 2 1.2.2国内研究现状 ....................................................................................................................................... 3 1.2.3采空沉陷区铁路及公路危险性评价的研究现状 ................................................................................ 5 1.3.本论文研究的主要内容 ............................................................................................................................... 6 1.4.论文采取的研究方案及技术路线 ............................................................................................................... 6 2 地表移动变形预计模型地表移动变形预计模型 ................................................................................................................................... 8 2.1 水平煤层水平地表的预计模型 ................................................................................................................... 8 2.2 山区地表移动变形预计模型 ...................................................................................................................... 11 2.2.1山区坡体自身的稳定性评价 .............................................................................................................. 11 2.2.2 采动山区地表移动变形预计模型 ..................................................................................................... 12 2.3 倾斜地表水平煤层的沉陷模型 ................................................................................................................. 12 2.4 倾斜煤层水平地表移动变形预计模型 ..................................................................................................... 15 2.5 本章小结 .................................................................................................................................................... 17 3 管道的变形计算及主要影响因素分析管道的变形计算及主要影响因素分析 ......................................................................................................... 18 3.1 影响地表移动变形的主要因素 ................................................................................................................. 18 3.1.1采矿条件 ............................................................................................................................................. 18 3.1.2地质条件 ............................................................................................................................................. 21 3.1.3时间因素 ............................................................................................................................................. 24 3.2 煤矿开采形成采空沉陷区类型的划分 ..................................................................................................... 25 3.2.1按煤矿采空沉陷区形成与停采的时间划分 ...................................................................................... 25 3.2.2按开采方法划分 ................................................................................................................................. 26 3.2.3按采深厚比划分 ................................................................................................................................. 27 3.3 采空沉陷区地表变形对天然气管道变形的影晌 ..................................................................................... 29 3.3.1 天然气管道的特性 .................................................................................................................................. 29 目录 II 3.3.2采空沉陷区地表变形与管道变形的关系 .......................................................................................... 29 3.3.3采空沉陷区地表管道允许最大变形量 .............................................................................................. 31 3.4 本章小结 .................................................................................................................................................... 34 4 采空沉陷区管道的危险性评价体系采空沉陷区管道的危险性评价体系 ............................................................................................................. 36 4.1 危险性评价体系的构建 ............................................................................................................................. 36 4.1.1危险性评价指标 ................................................................................................................................. 36 4.1.2各危险性评价指标的权重值 ............................................................................................................. 37 4.1.3危险性等级的划分 ............................................................................................................................. 39 4.2 天然气管道下采空沉陷区的处置 ............................................................................................................. 41 4.2.1采空沉陷区的处置原则 ..................................................................................................................... 41 4.2.2天然气管道下伏采空沉陷区处置方法 .............................................................................................. 42 4.3 本章小结 .................................................................................................................................................... 42 5 工程实例工程实例 ........................................................................................................................................................ 44 5.1 工程概况 .................................................................................................................................................... 44 5.2 天气管道的危险性评价 ............................................................................................................................. 47 5.2.1现场实际情况 ..................................................................................................................................... 47 5.2.2地表管道处的最大变形量计算.......................................................................................................... 48 5.2.3天然气管道危险性判定 ..................................................................................................................... 50 5.2.4工程处置 ............................................................................................................................................. 50 5.3本章小结 ................................................................................................................................................ 50 6 结论结论 ................................................................................................................................................................ 51 6.1结论 ........................................................................................................................................................ 51 6.2展望 ........................................................................................................................................................ 51 致谢致谢 ...................................................................................................................................................................... 52 参考文献参考文献 .............................................................................................................................................................. 53 附附 录录 .................................................................................................................................................................... 57 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 由于宁陕管理处接到陕西巡护公司汇报，位于子长黑山寺 DD245-DD246 处，管道穿 越崾岘顶部伴行路出现裂缝， 周围山体伴有不同程度的裂缝。 管理处立即进行现场监测， 并邀请相关方面的专家对灾害点进行了评价，并形成的主要意见有灾害点现状是管道 右侧坡体出现环形裂缝，裂缝延伸至管道左侧伴行路边缘，裂缝走向南偏东，环形裂缝 南侧穿过管道，沿崾岘浆砌石护坡北侧边缘延伸至沟底，崾岘底部排水渠坍塌，环形裂 缝北侧穿过管道，顺管道右侧坡面延伸。变形成因经现场调查，专家认为管道上方地表 变形是由子长县恒发煤矿采空沉陷区塌陷所致。 对管道的危害目前是管道上方地表已产 生明显的下沉和水平位移，推测管道已受到土体的剪切和推动，结合采空沉陷区形成的 裂缝和该地区黄土的特性，在降雨作用下易导致边坡失稳形成滑坡，进而对管道形成更 大的威胁。 近年来随着对天然气资源的需求加大， 我国同样加大了对天然气资源的开发、 利用， 为了将这些能源运送到需要的地方去，管道输送是重要的手段之一 [1]，我国会有一个长 输管道讯速发展的时期。从上个世纪中期开始进入高峰期，在今后的一段时间里将形成 东南西北相互贯通的管道网络。地下的煤炭资源被采出后会形成较大范围的采空沉陷 区。地下煤炭资源被采出后，开采过程中会遗留下采空区、巷道和残留矿柱，由于上覆 岩层松软、 支护强度不够等因素， 上覆岩层在重力的作用下会发生离层、 弯曲或者冒落， 可能导致顶板塌陷或者冒落，形成地面二次沉陷，严重时出现地面拉裂或塌陷，所有这 些地表移动变形破坏范围， 统称为采空沉陷区。 采空沉陷区主要形成条件有顶板岩性特、 开采、采高、地质构造、征矿层条件等。由于采空沉陷区内地表沉陷引发地裂缝、地面 塌陷等灾害发生时，不但毁坏农田，破坏自然景观，还会对沉陷区中天然气管线造成破 坏，甚至导致发生重大的安全事故 [2～5]。 天然气管道由于其延伸长度大，再加上输送的物质具有易燃易爆及有毒等特性，其 与下伏采空沉陷区的相互影响给采空沉陷区天然气管道建设带来了特殊的困难。 在工程 建设中一般应尽量避开，但煤矿采空沉陷区往往是分布广泛，因此不可避免地受到采空 沉陷区的影响。相应地会给天然气管道的施工和使用带来风险和潜在危害，还可能造成 天然气管道爆裂、泄漏事故，造成一定的经济损失，给社会造成极大的影响。 所以 ，西气东输宁陕管理处请西安科技大学根据现场实际情况和煤矿开采情况， 西安科技大学硕士学位论文 2 提出采空沉陷区沉降曲线、沉降量、沉降时间和对影响区域的移动变形进行预测，并对 煤矿继续开采进一步对管道造成的影响，山体如何变化形成相关的风险性做相关研究。 1.1.2 研究意义 研究煤矿采空沉陷区天然气管道的危险性评价， 不仅对保证天然气管道在设计使用 年限内安全运营有着重要的理论意义， 而且对今后天然气管道如何合理安全地穿越采空 沉陷区，充分利用地下矿产资源均有普遍的指导意义。 当天然气管道经由煤矿采空沉陷区边缘或穿越煤矿采空沉陷区时， 必须及时地掌握 煤矿地下开采的具体情况及采动影响情况。根据采矿地质条件，对煤矿地下开采在天然 气管道沿线所引起的地表移动和变形进行预计，给出管道沿线地表移动变形值。同时考 虑并分析其它影响因素，综合评价煤矿采空沉陷区对天然气管道的危害程度。煤矿采空 沉陷区天然气管道的危险性评价主要是研究煤矿采空沉陷区引起的地表移动变形对天 然气管道的影响，在未引起损坏和造成事故之前，及时发现问题并做出处理，对工程项 目设计、施工、维护和安全运营都有一定的指导意义 [6～8] 。 天然气管道下伏煤矿采空沉陷区的危险性评价， 无论国内外， 都是一个较新的领域， 没有系统的研究成果。 研究天然气管道下伏采空沉陷区引起地表的移动破坏规律及其对 天然气管道的危险性，评价采空沉陷区对天然气管道的影响程度，论证在天然气管道下 如何开采能够最大限度地利用矿产资源， 不仅对保证天然气管道在设计使用年限内安全 运营有着重要的理论意义，而且对今后天然气管道如何合理安全地穿越采空沉陷区，充 分利用地下矿产资源均有普遍的指导意义，最终实现安全、经济、可靠的目的。 目前国内外专门在管道工程通过采空沉陷区危险性评价方面的研究不多， 本论文在 掌握煤矿采空沉陷区对天然气管道的损害规律和特点的基础上， 提出采空沉陷区天然气 管道的危险性评价体系，划分危险等级，并提出合理的治理方法。为国内外铁路、高速 公路等线性构筑物的危险性评价研究也提供一定的理论依据， 并在实际工程中具有一定 的应用价值。对采空沉陷区的治理、土地资源的合理开发利用，促进经济和环境建设与 发展同样具有重要意义。 1.2.本论文研究领域国内外的研究动态及发展趋势 1.2.1 国外研究现状 采空沉陷区对天然气输送管道的影响实质上是指地下矿产在开采过程中， 由于塌陷 而产生的一系列问题，也就是开采损害问题。所以，对于采矿区对天然气输送管道的影 响的研究本质是开采损害对管道及类似的线性工程影响的研究。 现在就开采损害国外的 研究现状在此作一些介绍 [9～15]。 1 绪论 3 从十五世纪到十九世纪末是开采沉陷理论的萌芽阶段，最主要的是早在十五世纪， 比利时曾有一项法令列日城下采煤时，深度小于 100m 的不准开采。1825 年和 1839 年比利时组成专家组两次对列日城受开采影响而引起的损坏进行调查， 形成了开采传播 “垂线理论”假设的原形，1858 年，比利时专家哥诺（Gonot）利用观测资料，给出了 “法线理论” ，认为利用层面法线可以确定采空沉陷区开采影响范围的上下边界；1885 年，法国学者法约尔（Fayol）利用研究模型，提出了 “拱形理论”的开采沉陷理论 ； 此后德国专家依琴斯凯（Jicinsky，1876）提出了“二等分线理论” ；豪斯（Hausse， 18851887）创立了三带分布于采空沉陷区上方的沉陷模式，即在采空区上方最先形成 梯形的裂隙带和冒落带，高度为开采厚的 3050 倍，冒、裂带的上方则为弯曲下沉带。 所有这些理论主要是用来确定开采损害范围的，其中有些理论一直沿用至今，比如确定 破坏极限角的方法。这些初期的理论给开采损害预计理论的发展奠定了基础。 从十九世纪末到二十世纪初，是沉陷理论发展的初级阶段。在这个时期，欧洲的工 业大发展，对矿产资源的需求量大幅度增加，许多大工业中心都是围绕矿区形成的，因 此沉陷理论研究也逐步深入，开始了对开采地表下沉和变形规律研究，由克诺泰一布德 雷克作为代表而创建的几何积分理论。 二十世纪初至现在，是理论大幅度发展的阶段。其理论研究蓬勃发展，建立了许多 系统的理论，从不同的思考角度出发，形成了各种地表移动和变形的预计方法。这些方 法按适用方法的基础分为理论模型法、分布函数法、经验方法三大类。其中极具代表 性的是四十年代，以苏联专家学者沙武斯托维奇和阿维尔申作为代表提出了连续介质 理论；五十年代，波兰专家学者李特威尼申（J．Litwinisyn）院士作为代表提出了随 机介质理论，他利用严密的数学理论把岩体视为非连续介质从而提出了随机介质理论， 很有效的促进了岩土位移工作的开展。 1.2.2 国内研究现状 六十年代初，我国学者廖国华、刘宝琛以随机介质理论作为基础成功解决了地表移 动的平面预计的问题， 近三十年来， 又顺利地解决了在露天开采中移动变形的预计问题、 覆岩内部移动规律的预计、地表移动预计的空