趙樓煤礦管道敷設(shè)分析研究

郭文龍，李 麗，李 健，李春鋒

1中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國(guó)石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司，河北 廊坊

1.引言

礦區(qū)地下采空部分出現(xiàn)的塌陷會(huì)引起不同程度的地表變形，當(dāng)管道在這些地區(qū)敷設(shè)時(shí)，變形地表會(huì)引發(fā)管道產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致管道塑性變形直至破裂，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為解決這一難題，管道建設(shè)者從管道本身可接受的應(yīng)力應(yīng)變水平出發(fā)，評(píng)估未來(lái)可能的地表變形對(duì)管道安全運(yùn)營(yíng)的危害程度，進(jìn)而采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，確保管道的安全運(yùn)營(yíng)。在日照-東明原油管道工程設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中，模擬了趙樓煤礦礦區(qū)未來(lái)可能發(fā)生的沉陷及地表變形，研究了管道應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)及敷設(shè)方式，提出了相應(yīng)的工程措施。

2.趙樓煤礦的開(kāi)采狀態(tài)及地質(zhì)特征

趙樓煤礦煤層平均總厚約243.57 m，含煤25層。可采及局部可采煤層平均總厚度9.86 m，占煤層總厚度的69%。其中3號(hào)煤層占可采煤層總厚度的60%，是主采煤層，其他煤層均為暫不可開(kāi)采煤層。趙樓煤礦開(kāi)采工藝為長(zhǎng)臂式全部垮落法管理頂板開(kāi)采，煤層為水平煤層，開(kāi)采范圍內(nèi)充分采動(dòng)，平均開(kāi)采厚度10.3 m，平均開(kāi)采深度780 m。

3.趙樓煤礦地表沉陷預(yù)測(cè)及管道敷設(shè)分析

3.1.設(shè)計(jì)方法

用基于概率積分法的采空區(qū)沉陷預(yù)測(cè)模型對(duì)采空區(qū)未來(lái)地表變形進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，得出采空區(qū)沉陷位移及沉陷影響范圍。建立管道和土壤間的相互作用模型，結(jié)合土壤、管道特性參數(shù)等，用有限元分析的方法判定管道在最苛刻條件下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)[1][2]，根據(jù)分析結(jié)果制定相應(yīng)的工程措施。

3.2.基本參數(shù)及分析模型

趙樓煤礦礦區(qū)采空基本參數(shù)和管道及敷設(shè)基本參數(shù)見(jiàn)表1、表2。趙樓煤礦屬近水平煤層，開(kāi)采深度為780 m，開(kāi)采厚度為10.3 m，采深采厚比為75.73，大于規(guī)定的地表不連續(xù)變形的采深采厚比臨界值40，因此采用地表均勻連續(xù)變形模型進(jìn)行分析，不考慮地表的不均勻沉降。

Table 1.The basic parameters of subsidence表1.采空基本參數(shù)

Table 2.The basic parameters of pipeline and its laying表2.管道及敷設(shè)基本參數(shù)

3.3.煤礦采空區(qū)沉陷預(yù)測(cè)

根據(jù)煤礦開(kāi)采基本參數(shù)及地質(zhì)情況，用采空區(qū)沉陷預(yù)測(cè)分析軟件對(duì)沿管道敷設(shè)方向?qū)?yīng)的地表變形軸向、橫向和豎向位移情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析(圖1)，結(jié)果顯示，地表變形的影響范圍約為2000 m，其中最大豎向位移為7.7 m，最大軸向位移為2.8 m，無(wú)橫向位移。

Figure 1.The surface deformation and displacement of pipeline location圖1.管道所在位置地表變形位移

3.4.管道應(yīng)力分析

采用三向土彈簧模型進(jìn)行土壤對(duì)管道的約束作用分析。將土壤對(duì)管道的約束作用簡(jiǎn)化為3個(gè)方向上離散的非線性彈簧(圖2)。采用管單元和彈簧單元對(duì)采空區(qū)管道受力情況進(jìn)行分析，模擬給定地表變形情況下，管道與土體之間的相互作用，確定管道在該工況下的力學(xué)反應(yīng)。

Figure 2.The pipe-soil action model圖2.管土作用模型

3.5.變形分析結(jié)果

當(dāng)回填土為中密黏土?xí)r，在地表沉陷變形最大的工況下，管道最大等效應(yīng)力、最大應(yīng)變校核計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。管道受到的最大等效應(yīng)力為277 MPa，小于鋼管許用應(yīng)力，拉伸和壓縮應(yīng)變也均小于容許值，表明采取土壤換填后，可滿足要求。

Figure 3.The distribution diagram of maximum equivalent stress圖3.最大等效應(yīng)力分布圖

4.趙樓煤礦管道敷設(shè)工程措施

針對(duì)趙樓煤礦礦區(qū)充分采動(dòng)后的沉陷預(yù)測(cè)及管道變形分析結(jié)果，結(jié)合采空區(qū)管道敷設(shè)基本要求[3]，制定工程措施。

1)編寫(xiě)趙樓煤礦區(qū)管道施工技術(shù)要求及詳細(xì)技術(shù)方案，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)管。對(duì)參加施工的各級(jí)人員進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)作業(yè)培訓(xùn)，掌握采空區(qū)管段施工技術(shù)要求。

2)對(duì)礦區(qū)管段管溝進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)槽，嚴(yán)格把控管溝尺寸、溝底平整度和縱向邊坡。

3)對(duì)采空區(qū)管段的焊口進(jìn)行外觀檢查、100%超聲波和100%射線檢查，檢測(cè)的合格等級(jí)應(yīng)達(dá)到規(guī)定的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

4)采空區(qū)管段應(yīng)盡量保持順直，不宜設(shè)置水平轉(zhuǎn)角及熱煨彎頭，盡量減少冷彎彎管的數(shù)量。

5)加大管溝尺寸，管溝內(nèi)采取砂土換填措施，管底預(yù)埋300 mm厚砂土(砂土的塑性指數(shù)IP ≤ 3，且0.1 mm以下的顆粒不應(yīng)超過(guò)15%)。

6)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)管，建立應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道應(yīng)變狀態(tài)，確保運(yùn)營(yíng)安全。

5.結(jié)語(yǔ)

1)趙樓煤礦礦區(qū)在采取適當(dāng)工程措施后，管道可通過(guò)趙樓煤礦礦區(qū)敷設(shè)。

2)管道通過(guò)趙樓煤礦敷設(shè)時(shí)，換填砂土后，管道應(yīng)力應(yīng)變值均小于容許值，滿足工程要求。