采动地表移动变形对长输管道影响评价研究.pdf

万方数据 万方数据 论文题目采动地表移动变形对长输管道影响评价研究 工程领域矿业工程 硕 士 生穆驰签名 指导教师余学义校内签名 陶志勇校外签名 摘要 长距离管道输送（简称长输管道）是线性构筑物，油气长输管道即不但连续输送距 离长，而且具有特殊的安全要求。油气长输管道作为一种连续快速的油气输送方式近年 来在我国快速发展， 长输管道敷设通过矿区已开采沉陷区和未开采区已经成为长输管道 必须研究解决的重要难题之一，论文针对未开采区已经敷设管道条件下，开采引起地表 移动变形破坏对管道影响进行评价研究。 在分析采动地表沉陷盆地特征和地表移动变形基本规律的基础上， 将地表移动变形 损坏形式划分为地表连续移动变形、非连续移动变形和随机移动变形破坏三种类型，结 合油气长输管道线性构筑物受力力学特性和采动影响下地表变形基本特征， 借鉴已有研 究成果的基础上，给出了地表下沉量与沉陷区管道相对关系，地表移动变形过程管道受 力分析和管道最大下沉量计算方法。 在分析影响地表移动变形主要因素及长输管道力学特征的基础上， 结合沉陷区灾害 发生机理，建立了煤矿沉陷区油气长输管道安全评价指标体系，构建了评价管道安全可 靠性的模糊综合评价模型和管道安全评判指标，结合陕京管道工程实例，运用模糊综合 评价模型， 结合沉陷区管道受力和最大下沉量计算结果对比检验， 确定管道的安全等级。 关 键 词长输管道；充分采动；地表移动变形；预计模型；安全评价 研究类型应用研究 万方数据 Subject Mining surface movement deation research on uation of the effects of long-distance pipeline pecialtyMining Engineering NameMu ChiSignature Instructor Yu XueyiSignature Tao ZhiyongSignature ABSTRACT The pipeline transport in long distance hereinafter referred to as long-distance pipeline is a linear structures, such as the oil-gas long-distance pipeline, and it not only continuously conveys oil and gas with long distance, but also has the special safety requirements. In recent years, the petroleum long-distance pipeline is having much rapid development as a way of oil-gas convey with rapidly and continuously. And it is one of the most important issues that we must solve right now that laying the long-distance pipeline through the mining subsidence area and the virgin zone. This paper that aims at the virgin zone laying the long-distance pipeline, researches the uation effect on the pipeline that the surface movement and deation caused by the mining. On the basic of the analysis of the characteristics of the mining surface subsidence basin and the basic rule of the surface movement and deation, we will divide the damaged s of the surface movement and deation into persistent, non-persistent and stochastic. And we will combine the mechanical character of the oil-gas long-distance pipeline’s linear structures and the surface deation under the influence of the mining. Then on the basic of the existing research findings, we will provide the relative relation of the surface subsidence length and the pipeline in the subsidence areas, and the that the force analysis when the pipeline can stand the most sink and the most sink length of the pipeline. On the basic of the main element which effects the surface movement and deation and the mechanical characteristics of the long-distance pipeline, combining the reason which the disaster happens in the subsidence area, we set up the safety uation index system which is used in the oil-gas long-distance pipeline in the mining subsidence area, and build the comprehensive fuzzy appraisal model which is used to uate the pipeline’s safe 万方数据 reliability and the safety uation index. Then, we combine the pipeline engineering of the Shanxi-Beijing, which is a practical example. And we use the comprehensive fuzzy appraisal model to confirm the safety degree of the pipeline, combining the comparison of results inspection which is caused by the pipeline stress in the subsidence area and the most sink length. Key words long-distance pipeline, full subsidence, surface movement and deation, prediction model, risk assessment ThesisApplication Study 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 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...........................................................................................................1 1.2 地表移动变形国内外研究现状..................................................................................2 1.2.1 地表移动变形理论研究现状...........................................................................2 1.2.2 地表移动变形模拟研究现状...........................................................................4 1.2.3 长输管道风险评价研究现状...........................................................................5 1.3 研究的主要内容..........................................................................................................5 1.4 研究方案和技术路线..................................................................................................6 2 采动沉陷破坏类型及影响因素.............................................................................................8 2.1 采动地表沉陷破坏类型..............................................................................................8 2.1.1 地表非连续移动变形破坏...............................................................................8 2.1.2 地表连续移动变形破坏...................................................................................9 2.1.3 地表突发性随机灾变破坏.............................................................................10 2.2 影响采动地表移动变形主要因素............................................................................11 2.2.1 采矿因素.........................................................................................................11 2.2.2 地质因素.........................................................................................................13 2.3 本章小结....................................................................................................................14 3 管道在采动影响下变形和受力特征...................................................................................15 3.1 采动地表移动变形的基本特征................................................................................15 3.1.1 地表下沉盆地演化规律.................................................................................15 3.1.2 地表下沉盆地任一点移动变形.....................................................................17 3.2 开采沉陷区管道与地表相对变形关系....................................................................19 3.3 管道允许的最大下沉量及管道受力分析................................................................20 3.3.1 管道允许的最大下沉量.................................................................................20 3.3.2 管道受力分析.................................................................................................22 3.4 本章小结....................................................................................................................25 4 煤矿沉陷区管道安全评价体系建立...................................................................................26 4.1 安全评价方法............................................................................................................26 4.2 安全评价体系建立的基本原则................................................................................27 4.3 安全评价过程............................................................................................................29 万方数据 目 录 II 4.4 管道安全模糊综合评价模型研究............................................................................29 4.4.1 模糊综合评价模型建立过程.........................................................................29 4.4.2 模糊综合评价矩阵确定.................................................................................30 4.4.3 模糊向量单值化法.........................................................................................31 4.4.4 评价因素权重计算.........................................................................................31 4.4.5 指标权重计算.................................................................................................32 4.5 安全评价体系内容....................................................................................................32 4.5.1 环境地质因素评价体系.................................................................................33 4.5.2 采矿因素评价体系.........................................................................................35 4.5.3 管道因素评价体系.........................................................................................37 4.5.4 灾害活动评价体系.........................................................................................39 4.6 煤矿沉陷区管道安全评价体系建立........................................................................39 4.7 管道安全评价标准....................................................................................................42 4.8 本章小结....................................................................................................................42 5 工程实例...............................................................................................................................43 5.1 勘查区概况................................................................................................................43 5.1.1 勘查区交通位置.............................................................................................43 5.1.2 勘查区自然地理.............................................................................................44 5.1.3 勘查区矿井现状及周围采矿情况.................................................................44 5.2 管道概况....................................................................................................................45 5.2.1 管道在勘查区位置概况.................................................................................45 5.2.2 管道设计概况.................................................................................................46 5.2.3 管道穿越地段覆岩以及煤层赋存特征.........................................................47 5.3 地表沉陷预计............................................................................................................49 5.3.1 地面沉陷预计分带及模型概化.....................................................................49 5.3.2 参数选取.........................................................................................................50 5.3.3 沉陷预计.........................................................................................................53 5.3.4 地表沉陷预计安全评价.................................................................................53 5.4 管道最大下沉量与应力计算....................................................................................55 5.4.1 管道最大下沉量计算.....................................................................................55 5.4.2 管道轴向应力核算.........................................................................................56 5.5 管道安全评价............................................................................................................57 5.6 管道安全等级确定....................................................................................................59 5.7 安全对策....................................................................................................................59 万方数据 目 录 III 5.8 本章小结....................................................................................................................60 6 结论与展望...........................................................................................................................61 6.1 结论............................................................................................................................61 6.2 展望............................................................................................................................61 致谢...........................................................................................................................................62 参考文献...................................................................................................................................63 附录...........................................................................................................................................67 万方数据 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 西气东输管道途经甘肃、宁夏、陕西、山西、河南、山东、安徽、江苏，西起新疆 东至上海。仅在山西，山东，陕西，宁夏等几个省的管道就受到 8 个矿区开采影响，管 道穿越矿区的总长度为 887.494km。其中，在山西的三大煤田霍西煤田、河东煤田、 沁水煤田中，管道穿越沁水煤田、霍溪煤田、河东煤田的长度分别为 152.2 公里、36.3 公里、105.5 公里，总长度为 323km，天然气管道总长 548km，油气管道受采动影响有 8 个矿区；途经宁夏中卫上下沿线矿山 4 个煤矿，2 个铜矿，本段煤矿影响管线长度为 1.605km；途经陕北侏罗纪煤田海测滩矿区，管道受采动影响的矿区有 8 个，影响管道 的长度约为 16.5km。 近年来随着工业和经济快速发展的需要，我国对石油天然气的需求量日益增大，促 使了我国管道建设的蓬勃发展。管道运输己经成为除公路、水路、铁路与水运以外的第 五大交通运输方式[1]。且随着石油天然气工业的发展，管道运输的作用也将日益增强。 经过多年的建设，我国已铺设油气管道的总里程数己经达到了 12 万公里，其中天然气 管道长度约为 5 万公里，已经形成我国南方和北方的能源输送线。而我国是以煤炭资源 为基础能源的国家，且我国煤矿分布广泛，随着煤炭资源的不断开发和开采，我国因煤 矿开采矿区的塌陷面积也在不断扩大。 我国西气东输管道有相当一部分经过矿区的管道， 由于地面沉降的威胁，管道通过煤矿区域受采动安全影响，地表移动变形对长输管道变 形影响研究已成为迫切需要解决的重大科学问题[2]。 地下开采将会引起管道上方应力被重新分配，这将导致管道顶部岩土下沉，直至达 到新的平衡。这个过程会引起地面破损，如裂缝，塌陷坑等。在这个过程中，管道将随 着地表的下沉而下沉，当管道变形量达到最大值时，管道将不再沉降，这时管道的下沉 量和应力将变大，严重时会导致管道悬空甚至产生破管的现象[3]。为了确保开采区管道 的安全运行，同时减少管道故障造成的经济损失、环境破坏和对附近居民的危害，对因 煤矿采动影响的管道进行安全评价极为必要。 1.1.2 研究意义 目前， 我国长输管道工程量正在增加， 截至2016年， 中国长输管道的管线长度为10.3 104km，预计到2016年，管道总长度将达到20104公里。随着西气东输管道等重点项 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 目的开展，管道工程的建设呈快速发展态势。大量管道通过煤矿区和沉降区上方是不可 避免的，部分管道还跨越矿区，使矿区的合理布局受到了很大的限制。矿区上方管道压 煤现象使煤矿的可持续发展受到了严重的阻碍，同时对管道的安全运行构成威胁[4]。 及时的把握煤矿井下采矿的具体情况和采动影响情况， 对通过煤矿开采区域的天然 气管道有很大影响。根据影响采矿地质因素，预测了沿天然气管道的煤矿井下采矿的地 表移动变形，给出了沿管线地表的移动变形值[5]。同时考虑分析其他影响因素，综合评 价煤矿沉陷区对天然气管道的危害性[6]。煤矿沉陷区管道安全评价研究的主要内容是煤 矿开采对天然气管道造成的地表移动变形影响，为了避免事故的发生，应该在管道损坏 之前找到问题，并及时作出解决方案[7]。对项目的设计和施工，管道的维护和安全运行 具有一定的指导意义。 地下开采和露天开采是采煤的两大方式，而在我国，地下采煤生产量占总产煤量的 90。井下采煤对地表移动变形的破坏是渐变和连续的[8]，其引起地表移动变形是渐变 的，而在时间上具有一定的延续性。目前，无论在国内外研究的各种课题中，煤矿沉陷 区长输管道影响风险评价都是一个新课题，没有系统的研究成果。本文研究了因采动造 成的地表移动变形规律及其对长途管道的风险影响因素， 并对长途管道的影响程度进行 了安全评价。 综合上述基本情况， 将运用概率积分法， 对煤矿开采引起的地表移动变形进行预计。 根据预计结果可以对井下煤矿开采引起地表移动变形的程度和范围进行了解， 同时为地 表建（构）筑物是否受采动影响提供判断依据。西气东输管道通过煤矿沉陷区引起的移 动变形量的预测，不仅确保西气东输管道的正常运行，而且对煤炭资源的合理开采进行 规划，避免资源浪费，具有现实意义。本文研究的内容和方法也为国内外铁路、公路等 线性结构风险评价研究提供了理论依据，在实际工程中具有一定的应用价值。依据合理 开发利用土地资源的政策，对煤矿沉陷区进行治理，对促进经济发展和环境治理也起到 重要的作用。 1.2 地表移动变形国内外研究现状 1.2.1 地表移动变形理论研究现状 针对井下开采引起的地表移动变形的研究已经进行了近半个世纪， 目前已经形成了 以矿山沉降为代表的一整套理论与方法。 1938 年， 比利时工程师---哥诺在研究列日城下 开采基础上提出了“垂直理论”；Gonot 在哥诺实际数据分析上的基础之上，提出了法 线的理论， 根据法线理论来确定地表移动变形影响范围[9]； 1985 年，法国研究者 Peiaoer 提出了“拱形理论”[10]；1934 年，波兰研究者 Littvinshen 将随机介质理论引入到采矿 沉陷领域的研究中，将采矿沉陷理论研究提升到新的阶段[11]。1964 年，我国研究者刘宝 万方数据 1 绪论 3 臣和廖国华将这种研究方法引入我国。经过多年的精心研究，逐渐形成了概率积分法， 该理论研究方法在采矿沉陷对地表移动变形领域具有一定的指导意义。 但概率积分法是 在数据的分析预期参数基础上运行的，另一方面，概率积分法的提出并没有考虑到其采 矿造成的岩石移动和变形的影响规律。为此许多学者从岩石的本质出发，结合前者研究 的理论，建立了托盘理论、关键层理论和岩石理论，使得采矿沉降理论研究更加完善。 1995 年， 钱鸣高院士第一次提出了关键层理论， 并提出了该区域的上覆岩层存在关 键层。并建立了关键层的评价标准，将关键层理论和采场矿压研究有机地结合起来，提 供了统一的思路和方法。随后许家林讨论了关键层对地表裂隙形成的影响，并对覆岩主 关键层对采场上覆岩层冒落和断裂形成规律进行系统的研究[12]。 2010 年， 朱卫兵研究了浅层煤层重复开采关键层结构失稳的机理， 并对浅层煤层的 关键层进行了分类。形成了完整的关键层理论，对采动引起的地表移动变形进行了深入 研究[13]。 2012 年， 邹友峰、 郭文兵研究了在厚松散层开采条件下地表移动变形与采动程度的 关系。提出了应将松散层与基岩作为开采深度的不同介质作为评定采动程度的标准，为 矿区厚松散层下“三下”采煤提供了科学依据[14,15]。 2014 年， 康建荣根据山区测量数据， 分析研究了开采地表裂缝形成的四个阶段及其 形成机制，揭示了井下采矿对山区地表移动和变形的影响[16]。研究采矿影响下山区地表 破坏机理与规律，对山区地表移动变形的研究具有重大意义。 迄今为止，国内外学者通过分析大量现场实测数据，逐渐掌握采矿引起地表下沉移 动的基本规律。利用力学观点建立众多弹性、弹塑性等力学模型来解释岩移规律，进而 研究地表移动规律。 大量的地表沉陷预计模型被提出来， 并在我国矿区得到证明和运用。 目前主要的沉陷预计理论有三大类型 1影响函数法，它的理论基础就是格林函数。这是从经验拟合参数向理论计算模型 逐渐转化的方法。典型的影响函数法有巴尔斯、扎恩、克诺特、刘宝琛等预计理论模 型。 2经验方法，根据众多的观测资料，确定出该地区地质采矿条件下的地表下沉移动 盆地剖面线上的沉陷规律。从而为相邻或者相近条件下矿区进行预计提供借鉴。典型的 有英国煤田法、被前苏联应用的负指数数学函数法、何国清提出的威布尔函数分布法 等。 3理论模型法，是以力学模型以及弹塑性模型为基础构建的预计方法，该模型法对 地表移动变形力学模型的建立起到了关键作用。 主要有以萨武斯托维奇为典型的固体理 论、以李特维尼为典型的随机介质理论、有限元、边界元等。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 1.2.2 地表移动变形模拟研究现状 煤矿井下开采中地表移动变形模拟研究可以分为数值模拟和相似材料模拟两类[17]。 我国第一个相似材料模式实验在北京矿业学院开展， 也是我国首次运用相似材料模 拟实验研究煤矿开采引起的覆岩移动变形。 80 年代后， 许多大学建立了类似材料模拟实 验室开展研究工作，取得了很多研究成果。