輸氣管道下急傾斜煤層開采應力分布規律研究

王麗峰（新疆環宇石油工程有限公司，新疆 烏魯木齊，830000）

現代輸氣管道通常情況下埋設在地下1-3m的區域，下急傾斜煤層的開采活動會對淺層地表中的輸氣管道造成什么樣的影響，是否產生應力，應力的分布規律是什么，一直是輸氣管道的建設和運營主體迫切想了解的內容。因此對輸氣管道下急傾斜煤層開采應力分布規律的研究具有鮮明的現實意義。

1 輸氣管道周圍地質及開采情況概述

本次研究活動以XX煤礦周圍的基本地質條件為基礎，并按照XX煤礦的開采過程為實驗變量變化依據，分別設置了開采初期、開采中期和開采后期三個開采情況階段。從水平位置來看XX煤礦在輸氣管道以西350m的位置，輸氣管道經過了該煤礦4號和7號兩個煤層，這兩個煤層的厚度為6.5m，平均開采深度為32m，共有六個作業面，其中最遠的距離輸氣管線245m，最近的距離輸氣管線92m。煤層頂部以灰色泥巖為主夾雜粉砂巖，底部為灰黑色碳質泥巖[1]。

2 數值模型的構建

借助GPS定位系統對經過煤層的輸氣管線和接近煤層的六個開采作業面進行精確定位，并借助FLAC3.0軟件對這些數據進行建模分析，建成x軸長700m，y軸長10m，z軸長235m的700m*235m*10m的狹長模型，為保證對應力的準確感應和測量在模型內部設置了3085個網格狀單元，每個單元都具有獨立感應并記錄應力變化的能力。根據XX煤礦4號和7號煤層頂層巖石柔軟性質實際，借助FLAC3.0軟件將模型基層設置為一種彈性材料，當載荷達到一定程度后就會發生形變、碎裂等現象，破化規則選擇莫爾-庫倫準則。在模型原作中主要采取單項檢測方法，即每一次測試只在煤礦六個工作面選擇一個工作運行，在上以工作面對輸氣管道的影響趨于穩定后再開始下一工作面的運行[2]。

3 開采過程中地表應力的分布

3.1 深層地表的拉應力區變化規律

在深層地表（0.6m以下）區域的拉應力探測活動中發現，煤炭開采工作面的水平拓展對輸氣管道拉應力區的影響不大，在第一個工作面開始工作時拉應力區極小，隨著后繼的2.3.4工作平面開展開采施工，拉應力去開始向兩側拓展，當5.6工作面開始開采工作時，拉應力區開始相互連接，拉應力區的影響范圍擴大，但是對管道的拉應力并沒有實質性上升始終保持在0-0.1MPa。但是開采工作面向下的拓展對輸氣管道拉應力的影響較大，當深度較深的第五、第六工作面開始施工時，部分拉應力去的拉應力由0-0.1MPa級別提升到0.1MPa-1MPa級別[3]。

3.2 淺層地表的拉應力區變化規律

煤層開采工作對（0.6m以上）淺層地表的影響較為復雜，當第一個工作面開始工作的時候，淺層地表開始出現拉應力和壓應力的交替區，當第二、三、四工作面開采工作開始時，淺層地表的拉應力和壓應力交替區數量開始增加，而且這些拉應力和壓應力的交替去表現出較強的移動性，在管道周圍的區域不斷的游走，當第五和第六工作面開始工作的時候，淺層地表拉應力和壓應力交替區的應力開始增強，同時拉應力和壓應力交替區的海拔位置也開始上升，在第六工作面工作不久拉應力和壓應力交替區上升到地表[4]。

4 結果與分析

在所有的測試活動結束以后，根據FLAC3.0軟件的管道強度預設，對輸氣管道的損壞程度進行了檢測，檢測發現，距離原點坐標270m處的輸氣管道正處于拉應力區，這一區域的虛擬地層表面存在40條裂縫信息。但是模型的屈服強度是為了保證試驗結果而設置的，現實生活中管道鋼的屈服拉力在270-400MPa，而煤層開采活動產生的局部應力只有0.1-1MPa，模型中的這些裂縫并不存在對輸氣管道的現實威脅。

根據試驗結果本文認為急傾斜煤層開采時，在地表淺部以上至地面出現了斷續拉應力區。不同開采水平下，拉應力區與壓應力區在地表交替出現，拉應力區的位置處在動態變化中；開采淺部時地表拉應力值較小，而開采到一定深度時，局部最大應力值有較大幅度地增加。

調查中發現的40處裂縫皆位于拉應力區的范圍內，表明通過拉應力區的分布范圍可以預測開采過程中裂縫的發育范圍。拉應力區的出現較好地解釋了地表裂縫的出現；拉應力區位置的動態變化，合理地解釋了新裂縫的不斷產生，開采過程中原來的拉應力區變為壓應力區可以合理地解釋原有裂縫在不斷閉合。

從現有分析結果來看，地下煤層的開采活動行程的拉應力區并未對輸氣管道造成實質性的影響，但是從暑期管道的安全角度來看，對煤層開采的應力區分布的探究，為輸氣管道的布設提供了參考依據。

[1]李永明.水體下急傾斜煤層充填開采覆巖穩定性及合理防水煤柱研究[D].中國礦業大學,2012.

[2]朱海蒼.孔隙水壓作用下急傾斜煤層圍巖運動規律研究[D].西安科技大學,2008.

[3]賀林.烏魯木齊礦區急傾斜煤層開采地表移動變形規律研究[D].西安科技大學,2008.

[4]柴鑫.急傾斜煤層水平分段綜放開采巷道支護技術研究[D].西安科技大學,2009.