趙樓煤礦管道敷設分析研究

郭文龍，李 麗，李 健，李春鋒

1中國石油管道局工程有限公司國際事業部，河北 廊坊

2中國石油管道局工程有限公司設計分公司，河北 廊坊

1.引言

礦區地下采空部分出現的塌陷會引起不同程度的地表變形，當管道在這些地區敷設時，變形地表會引發管道產生應力應變，嚴重時甚至會導致管道塑性變形直至破裂，帶來巨大的經濟損失。為解決這一難題，管道建設者從管道本身可接受的應力應變水平出發，評估未來可能的地表變形對管道安全運營的危害程度，進而采取相應的應對措施，確保管道的安全運營。在日照-東明原油管道工程設計建設過程中，模擬了趙樓煤礦礦區未來可能發生的沉陷及地表變形，研究了管道應力應變狀態及敷設方式，提出了相應的工程措施。

2.趙樓煤礦的開采狀態及地質特征

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采煤層。趙樓煤礦開采工藝為長臂式全部垮落法管理頂板開采，煤層為水平煤層，開采范圍內充分采動，平均開采厚度10.3 m，平均開采深度780 m。

3.趙樓煤礦地表沉陷預測及管道敷設分析

3.1.設計方法

用基于概率積分法的采空區沉陷預測模型對采空區未來地表變形進行預測分析，得出采空區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，結合土壤、管道特性參數等，用有限元分析的方法判定管道在最苛刻條件下的應力應變狀態[1][2]，根據分析結果制定相應的工程措施。

3.2.基本參數及分析模型

趙樓煤礦礦區采空基本參數和管道及敷設基本參數見表1、表2。趙樓煤礦屬近水平煤層，開采深度為780 m，開采厚度為10.3 m，采深采厚比為75.73，大于規定的地表不連續變形的采深采厚比臨界值40，因此采用地表均勻連續變形模型進行分析，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

Table 2.The basic parameters of pipeline and its laying表2.管道及敷設基本參數

3.3.煤礦采空區沉陷預測

根據煤礦開采基本參數及地質情況，用采空區沉陷預測分析軟件對沿管道敷設方向對應的地表變形軸向、橫向和豎向位移情況進行預測分析(圖1)，結果顯示，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.管道應力分析

采用三向土彈簧模型進行土壤對管道的約束作用分析。將土壤對管道的約束作用簡化為3個方向上離散的非線性彈簧(圖2)。采用管單元和彈簧單元對采空區管道受力情況進行分析，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反應。

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

3.5.變形分析結果

當回填土為中密黏土時，在地表沉陷變形最大的工況下，管道最大等效應力、最大應變校核計算結果見圖3。管道受到的最大等效應力為277 MPa，小于鋼管許用應力，拉伸和壓縮應變也均小于容許值，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.最大等效應力分布圖

4.趙樓煤礦管道敷設工程措施

針對趙樓煤礦礦區充分采動后的沉陷預測及管道變形分析結果，結合采空區管道敷設基本要求[3]，制定工程措施。

1)編寫趙樓煤礦區管道施工技術要求及詳細技術方案，對施工過程進行重點監管。對參加施工的各級人員進行專項作業培訓，掌握采空區管段施工技術要求。

2)對礦區管段管溝進行單獨驗槽，嚴格把控管溝尺寸、溝底平整度和縱向邊坡。

3)對采空區管段的焊口進行外觀檢查、100%超聲波和100%射線檢查，檢測的合格等級應達到規定的驗收標準。

4)采空區管段應盡量保持順直，不宜設置水平轉角及熱煨彎頭，盡量減少冷彎彎管的數量。

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

6)運營過程中加強監管，建立應變監測系統，實時監測管道應變狀態，確保運營安全。

5.結語

1)趙樓煤礦礦區在采取適當工程措施后，管道可通過趙樓煤礦礦區敷設。

2)管道通過趙樓煤礦敷設時，換填砂土后，管道應力應變值均小于容許值，滿足工程要求。