煤矿长壁开采过程中埋地管道变形破坏研究.pdf

文章编号文章编号1000-8241（（2016））-0-0 煤矿长壁开采过程中埋地管道变形破坏研究 王坤园 1 程国明2 陈剑1 1.中国地质大学（北京） ；2.中国地质环境监测院 摘要摘要 近年来煤矿开采引起的地面塌陷已影响了油气管道的安全运营， 我国对煤矿采空区上方埋地管道的安全性评判标准及 稳定性量化标准尚不成熟， 对长壁开采过程中不同开采阶段引起的管道变形破坏特征尚未研究。 本文用安全系数的概念反映 管道不同部位的应力情况，基于第四强度理论，应用有限差分软件 FLAC3D中的 FISH 语言输出管道的安全系数，进而判断 管道的稳定性， 分析了长壁开采过程中不同开采阶段管道的下沉和安全系数的变化规律。 研究结果为沉陷区埋地管道的监测 和防护提供了理论依据。 关键词关键词埋地管道；长壁开采；变形破坏；FLAC3D 中图分类号文献标识码Adoi 网络出版时间网络出版地址 1 引言 引言 近年来，人们对资源的开采日趋严重，开挖造成的地面沉降和塌陷对埋地管道产生的影响不容忽视， 油气管道的布置很难避开开挖地段[1]，而我国矿产资源开采留下的大量采空区严重制约了油气管道工程的 建设和运营[2,3]。地表变形区的管道可能发生悬空甚至折断，沉陷盆地区的管道可能发生拉伸、压缩、弯曲 等变形破坏，导致油气输送过程中发生泄漏，对管道的安全运营极为不利，不仅造成巨大经济损失，还破 坏周围的生态环境。管道的失稳破坏已经引起技术人员和科研学者的普遍关注。 20 世纪 80 年代国外开始对煤矿采动影响下管道变形和应力分布的规律进行研究[4,5]，我国的相关研究 起步较晚，近年来对管道的研究方法包括概率积分法[6,7]、数值模拟法[8-12]、相似材料物理模拟法及解析法 [13,14]等。Peng S.S 等假定管道的弯曲下沉与地面沉陷同步，利用概率积分法，计算最终沉陷盆地形成后管 道应力分布[4]；杜金龙等将管道按等刚度和等界面周长原则简化为实心梁杆单元，求出管道弯矩分布，并 指出管道的最大弯曲应力和转角将发生在基坑端角部位[8]。王联伟等应用半无限屈服理论，建立管土相互 作用模型，对管道进行应力分析[9]。刘智勇等依据 Ottosen 结构强度理论，提出了用破坏系数的概念判断弯 管结构的薄弱环节[10]。韩冰等运用有限元 ABAQUS 软件分析不同开采条件下管道的变形规律，讨论采用 基于应变和基于应力两种不同理论对采空塌陷区管道失效判据的影响[11]；程国明等用 FLAC3D软件中的壳 单元模拟管道，并结合 TECPLOT，研究了急倾斜煤层开采下管道的可视化应力预警问题[12]；祝琨运用相 似材料物理模拟方法， 研究管道压煤开采时岩层和地表移动的规律以及压煤开采对管道本身产生的影响[13]； 吴韶艳等基于解析法，通过实际管道跨中下沉值反算管道的悬空距离，求出管道变形及轴向应力值估算结 果[14]。然而，现有研究大都集中在煤层充分采动阶段地表变形对管道的危害，迄今对于煤矿长壁开采过程 中，地表从开始移动到剧烈运动过程中不同阶段管道的下沉和应力分布特征尚未研究。了解开采过程中不 同阶段的变形破坏特征，可为埋地管道监测网布置及防护提供理论依据。 本文用安全系数的概念反映管道不同部位的应力情况，进而判断管道的稳定性，基于第四强度理论， 应用有限差分软件 FLAC3D中的 FISH 语言输出管道的安全系数，分析了煤矿长壁开采过程中不同开采阶 段管道的下沉和安全系数的变化规律。 2016-01-15 103956 2 数值模拟 数值模拟 2.1 工程概况及材料参数 工程概况及材料参数 本文以西气东输管道山西段某煤矿为例，地表出露地层主要为黄土覆盖层，平均厚度 10m，下伏新近 系砂页岩组，煤层埋深 166m、平均厚度 5.6m、煤层倾角 3-5，工作面长度约 150m，煤层采用走向长臂采 煤法开采，顶板采用全部冒落法管理。输气管道直径为 1016mm、壁厚 21.0mm、埋深 3.3m，管道的设计 压力 10MPa，目前输送压力 8.3MPa，管道密度 7850kg/m3、弹性模量 2.0341011 Pa ，泊松比 0.3，许用应 力 4.36108Pa。 2006 年 12 月，山西管理处巡护人员最早发现了管道周边出现的数道地裂缝，最大缝宽约 20cm。2007 年 4 月相关单位开始对管道和管道上方地表布置位移、应力应变传感器进行监测，据监测数据显示，2009 年 6 月初管道周边新增数道裂缝，原有裂缝宽度增加。2009 年 8 月 13 日与 2007 年首次测量数据比较，管 道上方地表最大下沉达 2.49m，管道最大下沉达 1.89m。 参考岩石力学参数手册，根据工程地质勘察资料和岩土物理试验，确定计算所采用的岩土体力学材料 参数，如表 1 所示。 表 1 岩土体力学参数 材料名称 密度 kg/m3 体积模量 GPa 剪切模量 GPa 抗拉强度 MPa 内聚力 MPa 内摩擦角 松散层 1640 0.25 0.09 0.1 0.55 22 细砂岩 2530 2.8 1.6 4.0 3.5 33 中砂岩 2560 3.0 2.5 3.2 4.0 30 粉砂岩 2700 4.5 3.0 2.5 3.2 33 泥岩 2250 5.6 4.2 1.5 2.2 27 煤层 1450 3.0 1.5 0.9 2.0 29 石英砂岩 2660 5.7 3.4 3.2 4.0 30 2.2 建立数值模型 建立数值模型 在建立三维数值计算模型时，假定地表和各地层均质且水平层状分布，管道沿水平方向延伸。模型如 图 1 所示，尺寸为 600m400m189m，其中 x 轴方向长 600m，y 轴方向长 400m，z 轴方向长 189m，管 道轴向沿 x 轴方向，与工作面推进方向一致。煤层工作面长 150m，分 7 步开挖进尺，每步进尺 30m，计 算稳定后再进行下一步。岩土体采用 Mohr-Coulomb 本构关系，对模型进行网格剖分时，将管道周围土体 单元剖分的较密，岩土体采用 8 节点的六面体实体单元剖分，剖分出 42640 个实体单元，64517 个节点。 为使管道的模拟更接近实际情况，采用 FLAC3D内置的壳结构单元进行管道的模拟，管道由 7680 个结构单 元和 3856 个节点构成。模型上表面为自由面，下表面为全部约束表面，四周限制水平位移。 图 1 数值计算模型图 3 模拟结果分析 模拟结果分析 3.1 不同开采阶段管道下沉分析 不同开采阶段管道下沉分析 沿轴向在管顶的壳结构单元节点上每隔 5m 布置一个监测点，共 120 个，用于计算中监测、记录管道 的下沉值，根据监测点的数据绘制出不同开采阶段管道的下沉曲线，如图 2。从图 2b管道下沉曲线局部 放大图可以看出，从第 1 步至第 5 步开采，管道的下沉值逐渐增大，相邻开采阶段的最大下沉差也在逐渐 增大，下沉曲线关于各开采阶段采空区中心点对称，最大下沉点位于各开采阶段采空区中心正上方，且沿 着进尺方向向总采空区中心推进，下沉值从最大下沉点向各开采阶段的采空区边界逐渐减小，管道的下沉 基本符合矿山开采沉陷学中地表移动变形的一般规律[15]；图 2a所示，第 6 步开采后，煤层尚未达到充分 采动，而管道下沉曲线却呈现出煤层在超充分采动时主断面内地表下沉曲线所存在的平底区，不再符合开 采沉陷的一般规律了，这是由于管道的变形模量远大于岩土体的变形模量引起的。第 7 步开采完成后，管 道下沉最大点位于采空区中心，下沉值为 1.895m，与实测结果近乎一致，较第 6 步而言平底区范围明显缩 小。 a 下沉曲线 b 下沉曲线局部放大 图 2 管道下沉曲线及局部放大图 3.2 绘制管道安全系数曲线图 绘制管道安全系数曲线图 管道上各质点由弹性状态转变到塑性状态时发生屈服，采用第四强度理论对管道进行强度判断，则管 道的安全系数为  222 122331 [ ] 1 2 S F       1 式中 S F为管道的安全系数；][为管道的许用应力； 1 、 2 、 3 为主应力。 FLAC3D中无法直接输出安全系数，根据1式，通过 FLAC3D中的 FISH 语言，导出管道的安全系数数 据，处理数据并绘制安全系数曲线图。当 FS1，表示该点未破坏屈服面内部；FS1，表示该点已破坏屈 服面外部；FS1，表示该点处于临界状态屈服面上部。 3.3 不同开采阶段管道安全系数分析 不同开采阶段管道安全系数分析 不同开采阶段管道的安全系数曲线如图 3 所示，从图 3b管道安全系数曲线局部放大图可以看出，从 第 1 步至第 5 步开采，管道的安全系数曲线呈漏斗状，出现两个波峰和一个波谷，两个波峰点均位于各开 采阶段采空区外部，波谷点位于管道最大下沉点处，说明管道在最大下沉点处的危险程度较其他部位高。 随着开挖的进行，波谷点的安全系数逐渐减小，相邻开采阶段波谷点的安全系数差值逐渐增大，安全系数 曲线关于各开采阶段采空区中心点对称，到第 5 步开采结束，波谷点的安全系数达到 3.45。前 5 个开采阶 段管道的安全系数曲线变化趋势相同，对应于管道下沉曲线在这 5 个阶段的变化趋势。 从图 3a可知，第 6 步开采完成后，管道各处的安全系数发生突变，安全系数曲线仍然关于各开采阶 段采空区（195m-375m）中心点对称，但出现了三个波峰点和四个波谷点。其中左右两侧的两个波峰点分 别位于采空区边界线上，安全系数为 3.8，中间的一个波峰点位于采空区中心，安全系数为 3.03，虽然最 大下沉点的安全系数较前一步减小了，但该点由波谷点转为波峰点，可见最大下沉点的危险程度较其他部 位有所降低；采空区边界线外侧的两个波谷点的安全系数为 2.70，采空区边界线内侧的两个波谷点的安全 系数为 1.74。此时采空区边界线内侧的安全系数较低，需要重点监测。 第 7 步开采完成后，管道的安全系数曲线变化趋势与第 6 步类似，但管道各部位的安全系数出现了显 著变化， 波峰波谷整体向进尺方向移动， 左右两侧的两个波峰点出现在采空区 （195m-405m） 边界线内侧， 开切眼内侧的安全系数为 2.93，较停采线内侧的安全系数 3.75 小，最大下沉点处的波峰点的安全系数为 1.35，处于相对危险的状态；开切眼和停采线各出现一个波谷点，开切眼处的安全系数已经达到 0.99，处 于危险状态，停采线的安全系数为 1.19，接近于危险状态，采空区内的两个波谷点的安全系数为 0.97，均 处于危险状态。 a 安全系数曲线 b 安全系数曲线局部放大 图 3 管道安全系数曲线及局部放大图 4 结论 结论 （1）本文用安全系数的概念反映管道不同部位的应力情况，进而判断管道的稳定性，基于第四强度 理论，应用有限差分软件 FLAC3D中的 FISH 语言输出管道的安全系数，分析了不同开采阶段管道的下沉 和安全系数的变化规律。数值模拟结果和实测数据吻合，说明了本文数值模拟结果的合理性和适用性。 （2）从第 1 步至第 5 步开采，管道的下沉基本符合矿山开采沉陷学中地表移动变形的一般规律，但 由于管道的变形模量远大于岩土体的变形模量；第 6 步开采后，煤层尚未达到充分采动，而管道下沉曲线 却呈现出煤层在超充分采动时主断面内地表下沉曲线所存在的平底区，不再符合开采沉陷的一般规律；第 7 步开采完成后，管道下沉最大点位于采空区中心，下沉值与实测结果近乎一致，较第 6 步而言平底区范 围明显缩小。 （3）从第 1 步至第 5 步开采，管道的安全系数曲线变化趋势相同，最大下沉点处的危险程度较其他 部位高。 第 6 步开采完成后， 管道各处的安全系数发生突变， 最大下沉点的危险程度较其他部位有所降低， 此时管道安全程度较低的位置位于采空区边界线内侧，安全系数为 1.74，安全系数较低，需要重点监测。 第 7 步开采完成后，最大下沉点的安全系数为 1.35，处于相对危险的状态；开切眼处的安全系数已经达到 0.99，处于危险状态；停采线的安全系数为 1.19，接近于危险状态；采空区内的两个波谷点的安全系数为 0.97，均处于危险状态。 参考文献参考文献 [1] 李丽，程国明，张志鹏，等．开采沉陷区上覆浅埋管道灾害风险评价初探[J]．煤矿开采，2013，18267-70． LI L，CHENG G M，ZHANG Z P，et al．Disaster risk uation of shallow buried pipeline over mining subsidence area[J]．Coal mining Technology，2013，18267-70． [2] 李伟林．忠武输气管道的地质灾害监测[J]．油气储运，2007，26526-29． LI W L．Geological hazards monitoring of Zhongxian-WuhanGasTransmissionPipeline[J]．Oil Gas Storage and Transportation, 2007, 26526-29． [3] 张光华．川气出川管道工程地质灾害刍议[J]．水文地质工程地质，2007，34581-84． ZHANG H．Preliminary discussion on geological hazards along the pipeline project for transferring gas from Sichuan Province to Eastern China[J]．Hydrogeology Engineering Geology，2007，34581-84． [4] PENG S S，LUO Y．Determination of stress field in buried thin pipelines resulting from ground subsidence due to longwall mining[J]．Mining Science and Technology，1988，6 2205-216． [5] LIMURA S．Simplified mechanical model for uating stress in pipeline subject to 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