长输管道在煤矿开采过程中的抬升作业.pdf

2020 年第 9 期2020 年 9 月 长输管道是煤层气资源输送的主要方式，通常采 用埋地方式铺设，其力学状态受周围环境及地质灾害 影响明显。由于地理原因，山西省作为中国煤炭资源 大省，省内多处管道处于开采的煤层上方，面临因煤 矿采空区沉降而引发的沉降风险。采空塌陷造成地表 差异性开裂、沉陷，地裂缝发育，在管道及上覆土层 重力作用下，管道承受拉、弯、剪、压等复杂的作用 力，特别是在管道弯头部位容易造成应力集中，极易 造成管道应力应变超越设计极限发生破坏，对管道正 常使用造成极大威胁[1]。对于煤矿采空区范围内的长输 管道，必须采取有效的干预措施进行保护，防止管道 发生事故。以往一般在管道沉降完毕后，再进行管道 的整体分批次抬升[2]，该方法存在采面沉降过大时，容 易造成管道材料超过弹性应力极限的不足，给管道的 后期运行带来一定的风险。此次保护在煤层开采过程 中就进行分批次抬升，根据沉降情况制订合理的保护 措施和抬管计划，使管道拉伸处于弹性范围内，以便 确保管道后续运行的安全。 1管道保护方法 1.1现场情况 晋煤机关末站长治苏店煤层气输气管道 （以下 简称“晋长线” ） 工程位于山西省晋城市和长治市境内， 输气管道起点位于晋城市北石店镇晋煤机关末站，管道 终点位于长治市苏店镇苏店村东的长治末站。主管线长 为 79.75 km，管径为 D508 mm，壁厚 7.1 mm，设计压 力 4.5 MPa，所用钢管材质为 L415，目前冬季运行压力 为 0.45 MPa。晋长线管道作为晋城与长治地区煤层气 供应的主管道，肩负着将晋城地区抽采的煤层气向晋 城市、长治市供应的重任。 晋长线管道与司马煤矿 1215 工作面存在交叉情况。 司马煤矿开采煤层为 3 号煤层，煤层平均厚度为 6.62 m， 开采方法为综采放顶煤一次采全高。1215 工作面与晋 长线管道交叉长度 214.5 m，受影响管道预计 600 m 之 余。该采面于 2018 年 1 月 20 日开始回采，到 11 月基 本过渡到稳定期。采面回采方向为自东向西。 1.2保护方法 为有效确保管道的安全运行，在采面回采前对所影 响的管道进行大开挖作业，开挖作业完毕后利用智能 RTK 设备对管道的位置及高度进行测量定位。随后在回 采过程中根据采面开采情况定期对管道沉降进行测量， 根据每次测量结果判断研究后再进行抬管作业。 由于管道开挖长度达 300 m 左右，管道直径为 DN508 mm，开挖长度远远大于管道直径长度，已经超 过了 6 倍以上，这样管道在沉降过程中产生的切应力将 远远小于正应力，同时采面沉降所产生的塌陷基本上是 收稿日期2020-04-03 第一作者简介王智伟，1983年生，男，河南范县人，2011年毕业 于东北石油大学化工过程机械专业，硕士，工程师。 长输管道在煤矿开采过程中的抬升作业 王智伟，崔勋杰，朱云伟，王兰兰 （ 山西省国新能源发展集团有限公司，山西 太原 030000 ） 摘要 为有效确保煤层气长输管道在煤矿采面开采过程中的运行安全，需要对煤矿开采过程中采面内长输管道进行 抬升。以开采前的管道位置情况为基础，在煤矿开采过程中对煤层气长输管道进行实时监测，一旦管道沉降达到前期预 设值，就对管道进行一次整体抬升作业，使之恢复至开采前的高度。通过该方法有效保证了煤层气长输管道的平稳运 行，防止管道由于沉降而产生的断裂、泄漏等事故，为今后山西地区长输管道在采空区的治理提供了一定的实践经验和 理论数据。 关键词 长输管道；抬管作业；煤矿采空区；多次抬升 中图分类号 TD82文献标志码 A文章编号 2095-0802-202009-0186-04 Lifting Operation of Long-distance Pipeline during Coal Mining WANG Zhiwei, CUI Xunjie, ZHU Yunwei, WANG Lanlan Shanxi Provincial Guoxin Energy Development Group Co., Ltd., Taiyuan 030000, Shanxi, China Abstract In order to effectively ensure the safe operation of long-distance coal-bed gas pipeline in the process of coal mining, it is necessary to lift the long-distance pipeline in the mining face. Based on the position of the pipeline before mining, real-time monitoring of the long-distance coal-bed gas pipeline is carried out in the process of coal mining. Once the pipeline settlement reaches the preset value in the early stage, an integral lifting operation is carried out for the pipeline to recover to the height before mining. Through this , the smooth operation of the long-distance pipeline of coal-bed gas is effectively ensured, and the fracture and leakage accidents caused by the pipeline settlement are prevented, which provides certain practical experience and theoretical data for the treatment of long-distance pipeline in goaf in Shanxi Area in the future. Key words long-distance pipeline; pipeline lifting operation; goaf of coal mine; multiple uplifting （总第 180 期） 实践运用 186 2020 年第 9 期2020 年 9 月 一个圆弧。 根据 GB 502512015 输气管道工程设计规范 中 4.3.15 的规定，管道弹性铺设的曲率半径根据公式 1计算 R≥3 600 1-cos琢 2 琢4 D2 3 姨 ，1 式1中，R 为管道弹性弯曲曲率半径，m；琢 为管道的 转角，毅；D 为钢管外径，cm。 其中，管道的转角取 GB 502512015 输气管道 工程设计规范 4.3.16 中管道对接最大偏差 3毅为最大转 角，计算得到管道的曲率半径为 800 m。以曲率半径为 800 m 计算，50 m 内管道沉降最多为 0.39 m，为保证 管道安全，在管道发生最大沉降超过 0.3 m 就进行管道 抬升，防止因沉降造成管道泄漏。 1.3实施过程 1.3.1前期工作 在 1215 工作面影响区域的管线埋深一般在 1.5～ 2.0 m 之间。影响区域如图 1 所示。 图 11215 工作面影响的管道区域 为有效保证管道处于安全运行状态，在开采前对 涉及的 600 m 管线进行大开挖，将管道表面完全露出。 管道大开挖后的情况如图 2 所示。 图 2管道大开挖后的情况 1.3.2确认采集点 根据现场实际情况，以 15 m 左右为间隔设定一个 监测点，具体监测图形如图 3 所示。管道上每个监测 点旁边土坑上方设置一个地表沉降监测点，以便观察 地表具体沉降情况。 1.3.3测量情况 在采面开采前 （ 2018 年 1 月 13 日 ） 先对管道初始 位置进行了一次测量，测量管线的各点高度曲线图如 图 4 所示。 2018 年 1 月 13 日至 2 月 6 日，采面自东向西每日 推进 6 m，2 月 6 日距离晋长线约 120 m，在此期间， 每 2耀3 d 测量一次，其中，8耀11 号点处于采面中心， 下降速度较快，累计达到了 15 cm。为防止春节期间下 降过快，导致管道发生断裂，于 2 月 6 日对管道进行了 一次抬管作业，平均抬高约 20 cm。 2018 年2 月 6 日至 3 月 31 日，采面平均每日推进 不到 3 m，管道沉降速度开始放缓，在此期间每 5 d 左 右测量一次。 2018 年 4 月 1 日至 5 月 29 日，由于开采中遇到断 层，采面基本处于停采状态，在此期间每 10 d 左右进 行一次测量。 2018 年 6 月开始至 10 月初，整个采面处于停工状 态，在 10 月 5 日开始进行回采，在此期间每 5 d 左右 进行一次测量，由于下沉量过大，于 10 月 29 日再次进 行第二次抬管作业。 1.3.4抬管方式 以前采用的抬管方式为利用浅埋输气管道抗采动 变形调整装置[3]来进行管道抬升，虽然能达到很好的效 果，但是需要在管道下方设立支座，造成开挖宽度大， 修建时间长，造价相对较高。同时该采面采高为 6 m， 地上的下沉量远远大于可调节的范围，因此不适用于 本次采面过高的情况。此次抬管作业采用的是龙门架 搭配手动葫芦进行抬升。在每个监测点旁 20 cm 范围 内设置一个龙门架，防止吊带与监测点重合，妨碍测 量。龙门架上安装手动葫芦，为防止导链对管道造成 损害，通过吊带对管道进行捆绑。在进行抬管作业的 1215工作面 3耀34.管道的所有布点，在虚线以上的点沉降量不大。 图 3监测点布置图 王智伟， 等 长输管道在煤矿开采过程中的抬升作业 187 2020 年第 9 期2020 年 9 月 为防止管道抬升后由于重力产生下沉，抬升完毕 后在管道下方每隔 5 m 架设一组枕木，然后对管道下 方进行土方回填和压实，如图 6 所示。 图 6管道下方架设枕木 2管道抬升情况 在采面回采塌陷的活跃期间 （2018 年 1 月至 5 月） ，位移最大的 8耀11 号点的管道位置数据变化如图 7耀10 所示 （ 包括 2018 年 2 月 6 日进行抬管作业 ） 。 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 8号点 1月13日 2月2日 2月22日 3月14日 4月3日 4月23日 5月13日 日期 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 9号点 1月13日 2月2日 2月22日 3月14日 4月3日 4月23日 5月13日 日期 图 89 号点位置变化 1月13日 2月2日 2月22日 3月14日 4月3日 4月23日 5月13日 日期 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 10号点 图 910 号点位置变化 图 78 号点位置变化 图 4首次监测点高度数据图 过程中，为消除局部升高过快对管道产生的影响，将 所有抬升点以 5 个点为一组，每次抬升一组，抬升高 度不超过 5 cm，使管道均匀抬升。抬升示意图如图 5 所示。 图 5架设抬管设备 188 2020 年第 9 期2020 年 9 月 （上接 183 页） c 由于相邻 12410 工作面是备采采面，具备正常 通风条件，该瓦斯治理技术与传统的“UL”型尾巷抽 采方式并不冲突，可在同类型工作面上隅角瓦斯治理 中推广应用。 参考文献 ［1］ 祝文建， 景小键.采空区漏风规律及上隅角瓦斯治理的应用研 究 ［J］ .山东煤炭科技， 2013， 411 184. ［2］ 林柏泉， 周世宁， 张仁贵.U 形通风工作面采空区上隅角瓦斯 治理技术 ［J］ .煤炭学报， 1997， 225 509-513. ［3］ 赵少华， 王见， 王玉良.利用尾巷治理工作面上隅角瓦斯积 聚 ［J］ .矿业安全与环保， 2000， 273 22. ［4］ 王迪.采煤工作面上隅角瓦斯治理方法 ［J］ .煤炭技术， 2019， 3811 121-122. ［5］ 魏引尚， 王奕博， 贾玉泉， 等.基于治风理念的穿壁钻孔抽采措 施探讨 ［J］ .陕西煤炭， 20205 91-94. （ 责任编辑高志凤 ） 从监测点的位移坐标可以看出，此次抬管作业在 一定程度上缓解了管道的下沉，保证了管道的安全运 行，在 2018 年 2 月 6 日抬升后，管道虽然有一定程度 的下沉，但是相对于 2 月 6 日前的最大下沉量仍有一 定的差距。 2018 年 10 月再次进行回采，至 11 月基本稳定期 间的管道沉降图如图 11耀14 所示 （2018 年 10 月 29 日 进行第二次抬管 ） 。 通过两次抬管可以看出，在采面开采期间管道累 计下沉 0.3 m 左右，但是管道相对于原始高度下沉量始 终保持在 0.15 m 范围以内，管道的拉伸变形远远低于 塑性形变的极限值，此次采空区抬管有效地缓解了管 道的应力变形，保证了管道的平稳运行。 3结语 对煤矿采空区的管道进行全过程的数据监测，可 以及时发现管道的沉降情况，提前发现塌陷对管道的 影响，及时对管道进行抬升，保证管道在不停输情况 下的安全运行。通过此次抬管作业的数据结果可以看 出，抬管作业使管道在采空区塌陷后，基本恢复至原 始状态。同时此次作业积累了管道抬升的经验，特别 是在整体抬升管道过程中提供了实践资料，为今后管 道抬升的理论研究提供了实例。 参考文献 ［1］ 郭文朋， 李艳军， 于萍萍.采动塌陷区天然气输送管道沉降防 治技术研究 ［J］ .能源与节能， 20189 2-5. ［2］ 郭文朋， 杜彩霞.煤矿采空区输气管道不停输抬管技术应用 ［J］ . 能源技术与管理， 2019， 441 7-9. ［3］ 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， 185 69-72. （ 责任编辑刘晓芳 ） 图 1011 号点位置变化 1月13日 2月2日 2月22日 3月14日 4月3日 4月23日 5月13日 日期 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 11号点 10月5日 日期 10月12日10月19日10月26日 11月2日11月9日 9号点 0.75 0.70 0.65 0.60 图 129 号点变化 10月5日10月12日10月19日10月26日 11月2日11月9日 0.80 0.75 0.70 0.65 10号点 日期 图 1310 号点变化 图 1411 号点变化 0.85 0.80 0.75 0.70 10月5日10月19日11月2日 日期 11号点 王智伟， 等 长输管道在煤矿开采过程中的抬升作业 0.70 0.65 0.60 0.55 10月5日10月12日10月19日10月26日11月2日11月9日 8号点 日期 图 118 号点变化 189