山西煤礦采空區天然氣管道隱患治理探索與實踐

石悅 李朝 郭文朋

1山西能源學院

2中國石油天然氣管道工程有限公司

3山西天然氣有限公司

山西是煤炭資源開發大省，因采煤造成近3 000 km2的采空沉陷區，近年來山西省天然氣管道建設快速發展，管道不可避免地要經過一些煤礦采空區。采空塌陷對管道的危害現象非常突出，輕則引起管道彎曲變形，重則可能導致管道破裂[1-2]。天然氣具有易燃、易爆、有毒等特性，一旦管道發生沉降受損，將會給周邊人民群眾生產生活及社會穩定帶來較大影響。一般情況下采空區治理耗時耗財耗力，如：2007年山西某天然氣管道在陽城蒿峪煤礦遭受采空塌陷災害，耗資數千萬元、歷時2年才基本控制險情；2015年山西又一條天然氣管道在鄉寧縣羅畢村因采空沉陷遭遇險情，應急搶險歷時3個月，耗資500余萬元。針對采空區管道面臨的諸多問題，山西天然氣有限公司積極探索研究，于2016—2018年開展了《煤礦采動/采空區天然氣管道受損規律研究》[3]，在不斷解決實際問題的基礎上，該公司在采空區管道建設和運行管理方面積累了大量的可操作性強的管理經驗，基于這些經驗，山西天然氣有限公司成功化解了所轄近5 000 km天然氣管道在遭受采空沉降時的各種風險和危情。下面以靈石—段純天然氣集輸管道經過采動/采空區時的隱患治理為例，介紹采空區管道治理方面的一些典型做法和經驗。

1 靈石采空區存在的問題

靈石—段純天然氣集輸管道投產于2011年，管道全長50 km，采用D355.6 mm×6.3 mm螺旋縫埋弧焊鋼管，設計壓力4.0 MPa，管道在JP9號樁附近經過山西晉中靈石煤礦有限公司的開采區域（圖1）。

圖1 煤礦開采區與管道線位關系圖Fig.1 Relation diagram between mining area and pipeline line position

該煤礦開采區長約1 000 m，寬約140 m，開采速度約為1～2 m/d，開采方式為機械化綜合采煤，開采時采取液壓頂桿支護方式，開采完畢后立即撤離液壓頂桿支護，為長壁全垮落開采方式。

煤礦開采造成管道沿線地表開裂并發生臺階狀沉降，威脅管道安全。2016年4月29日采空區地面發生塌陷，塌陷范圍內有多條地裂縫，最大開裂寬度約20 cm，最大高差約70 cm，裂縫發育至管道沿線，并有裂縫穿過管道線位（圖2）。

圖2 采空區現場地表開裂情況Fig.2 Situation of ground surface cracking in mining area

2 靈石采空區隱患治理

為保證靈石—段純天然氣集輸管道JP9號樁附近采空區范圍內管道運行安全，運營管理單位組織相關部門并邀請專家召開技術研討會，確定采取以下治理方案[4]：

（1）計算預測采空沉陷區地表位移和變形，并校核管道在采空區地表變形情況下的應力狀態。

（2）根據管道在預測地表變形情況下的應力狀態，確定采空區發展活躍期的應急搶險措施。

（3）根據計算分析結果和進一步采空區沉降觀測數據，確定采空區管道長期治理方案和實施條件。

2.1 計算分析

2.1.1 基本資料收集

（1）根據工程竣工資料、相關標準規范和文獻資料，收集該處管道參數。

（2）根據工程竣工資料，分析確定管道初始位置、地理坐標信息和彎管布置情況。

2.1.2 計算方法

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界最具權威的有限元產品。ANSYS功能強大，操作簡單方便，融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體，在石油化工、航空航天、機械制造、能源、土木工程、造船、地礦、水利等領域有著廣泛的應用，現在已成為國際最流行的有限元分析軟件。本項目采用了ANSYS 11.0軟件進行管道應力分析和校核[5-6]。

（1）確立有限元模型：包含管道本體模型（力學模型、單元選擇）、管周土體模型（力學模型、單元選擇、管土相互作用土彈簧）。

（2）確立荷載加載方式：采空沉陷區管道主要受到內壓、溫差、自重以及沉陷引起的位移載荷影響。

2.1.3 應力校核準則

（1）埋地管道的應力校核規范：GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規范》中有埋地管道的當量應力校核要求，但無軸向應力的校核要求，因此計算管段的當量應力按照此規范進行校核，軸向允許附加應力參考ASME B31.8—2016《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》中的公式進行校核。

（2）開挖管道的應力校核規范：開挖管段管周無土體的約束作用按照非約束管道進行校核計算。本項目根據ASME B31.8—2016中非約束管道的定義及方法進行校核。

2.1.4 采空區沉陷預測參數

根據煤礦調研和相關規范、文獻，分析確定煤礦開采和沉陷預測參數，包括：開采深度、煤層傾角、下沉系數、時間系數、水平移動系數、拐點偏移距/H、基巖裂縫角、松散層裂縫角、影響傳播角等。

2.1.5 采空沉陷地表位移預測計算

對水平煤層或近水平煤層地表的沉陷情況進行的大量觀測實踐表明：開采影響區的破壞程度與地表的下沉速度有很大的關系，然而下沉速度又與各個開采塊段的開采時間、開采深度、覆巖巖性等因素有關[7]。根據相關規范，數學模型的表達式為

式中：(x,y,z)為計算點的坐標；Ci為時間影響系數；m為計算塊段數目；l為計算開采任一塊段的拐點數；qk為使用計算的直角坐標系中x軸與通過計算點和拐點k連線間的夾角；fj1、fj2分別為運算函數；Rk=Rk(q,x,y)，為極坐標半徑。

式中xk、yk為計算開采塊段拐點的坐標。

以概率積分法為基礎，結合上述數學模型可以得出開采區域的下沉值預計公式為

根據采空區沉陷預測公式和煤層參數計算得到，計算管段內最大沉降量為2.5 m，沿管道軸向最大水平位移為0.68 m，垂直管道軸向最大水平位移為0.51 m。

2.1.6 管道應力狀態

根據前面各節確定的計算參數、有限元計算方法及相關規范規定的應力校核準則，校核管道在最大沉降變形情況下的應力狀態[8-9]，可知管道最不利的軸向應力和當量應力均超出了許用值324 MPa，且超過了管材的最小屈服強度360 MPa，超出了規范要求（表1）。

表1 管道應力校核結果Tab.1 Check results of pipeline stress

計算結果表明采空區管道在沉陷期間若不采取措施，將處于危險的應力狀態。根據工程經驗，采空區管道在地表下沉期間，開挖管道釋放土體對管道的約束作用后，可以顯著改善管道的應力狀態，因此決定采空區管道采取開挖釋放應力的應急措施。

2.2 應急治理措施

根據前面計算可知，管道無法承受采空區最大沉陷變形，為保持管道應力在允許范圍內，需要開挖管道進行應力釋放，并進行應急治理。經分析論證，考慮采取以下應急措施：

（1）對采空沉降范圍管道開挖釋放應力。

（2）管道附近地面發生較大錯動后，應及時測量挖開段管道坐標以進行應力分析。

（3）回填管道附近的地表裂縫，防止雨水灌入裂縫加劇地表沉陷。

（4）關注開挖段管道懸空情況，當管道在軸線方向發生20 m以上的懸空時，應將管道局部吊起并在管道底部采用袋裝土支護，使管道保持平直狀態，避免管道長距離懸空產生較大撓度。

（5）密切觀測管道的變形和地表沉陷情況，發現問題及時處理。

2.3 永久治理措施

2.3.1 治理方案比選

結合本工程實際情況及以往工程經驗，擬采取的治理方案主要有：抬管、換管、斷管、改線、設置支撐方案[10]。

（1）抬管。抬管是治理采空區管道沉陷變形問題的有效措施之一。由于初始應力狀態的不確定性，難以通過計算制訂抬管方案，在此情況下實施抬管作業可能帶來管道應力惡化問題。另外，抬管過程中要做到管道變形協調，而該采空區地形條件復雜，坡度較大，存在多個彎頭，管道變形協調控制難度很大，因此，不建議采用此方案。

（2）換管。根據計算分析和地表沉降變形情況，需要換掉沉降嚴重、應力較大的290 m管段。換管方案是最有效的改善管道應力的措施，但是費用較高。

（3）斷管。由于管道大部分應力水平都較低，只有局部應力水平超出了允許范圍，所以管道還可以繼續使用，可以只在管道應力集中的地段割斷管道進行應力釋放，并檢查管體和焊縫的狀態，如果符合施工標準，則原管道可以繼續使用。初步判斷，需要在兩處斷開管道并釋放應力。

（4）改線。經過現場踏勘，并與礦區結合，該礦區分布范圍較大，且區域地形、地質條件復雜，沒有更好的改線路由可以完全避開此礦區和不良地質條件，如果大改，將涉及部分站場和閥室，甚至整個管線全部改動，相當于重建一條新管道，費用很高，而且影響下游供氣。另外考慮到該采礦區范圍內地面所有村莊房屋都已整體搬遷，目前荒無人煙，因此決定不改線，保持原位整改。

（5）設置支撐。采空區支撐方案就是在采礦過程中，在管道下方采空部位設置相應的支撐防止地面塌陷沉降，如預留煤柱，設置混凝土樁（墩），漿砌石樁（墩），注漿填充等措施。經管道業主和礦區業主雙方協商，認為此方案占壓煤礦儲量太大，煤礦賠償費用很高，本工程管徑、輸量較小，太高的賠償費用不值得，因此舍棄此方案。

綜合以上情況，從經濟、安全可靠的原則出發，本項目最終確定采用斷管的治理方案。

2.3.2 斷管方案實施

斷管治理方案實施的主要工序、步驟包括：

（1）上下游閥室（或站場）之間的管道內氣體放空，并用氮氣置換管內氣體。

（2）開挖斷管操作坑，斷口設在原有環焊縫附近。

（3）剝除局部防腐層及補口材料。

（4）斷開管道釋放管道應力。

（5）采用短管對兩處斷口組焊連接。

（6）管道環焊縫檢測、防腐層完好性檢查、補口補傷。

（7）安裝管道應變及管道位移監測設施。

（8）回填開挖段管溝，恢復通氣。

2.3.3 治理效果

靈石采空區2015年底初步發現裂縫，在2016年、2017年采空區發展活躍期間，采取了局部挖溝露管釋放應力的應急治理措施。2018年10月采空區沉降基本穩定后，成功實施了永久斷管的治理方案，目前一直進行地表位移和管道應變監測，檢測數據顯示，采空區沉降穩定，管道應力應變狀態穩定，符合相關規范要求。

3 隱患治理建議

目前油氣管道行業在采空區治理方面有過不少成功的先例，主要采用的治理方案有：開挖露管釋放應力，原位抬管釋放應力，斷管、換管釋放應力，管道改線等，但大部分都以工程經驗為主，定性直觀地采取了相應的治理措施，缺乏充分的應力計算分析環節。靈石采空區治理則是從定量分析角度出發，為采空區治理提供了一個更為系統全面、定量分析、精確可靠的科學方法和參考，通過本項目的成功實施，對油氣管道運行管理期采空區治理提出以下建議：

（1）認真分析研究建設期工程竣工資料，掌握了解管道沿線礦產分布情況、開采計劃，建立臺賬，重點監管。針對運行過程中發現的采動/采空區，應積極主動與采礦區業主溝通聯系，制定應急預案，研究防治對策。

（2）基于管道建設期間安裝的地表位移及管道應變監測設施，密切跟蹤監測采動/采空區地面沉降變形和管道應力發展情況，并及時分析評估，采取措施。建設期間未安裝管道監測預警設施時，應在采礦開始前、采動初期即安裝監測預警設施。

（3）發現采動/采空區后，首先應進行必要的計算分析，定量預測采空沉陷區的地表位移和變形，計算并校核管道在采空區地表變形情況下的應力狀態。主要包括資料收集、計算方法確定、校核準則、采空區地表位移計算預測、管道在最大沉陷量工況下的應力狀態預測等計算分析過程。

（4）根據地表位移、管道應變監測數據及相應的應力計算分析，及時確定采空區發展活躍期的應急搶險措施，通常采用的措施是挖溝露管釋放管道應力，當采空區累計沉降量較大，簡單挖溝露管措施不足以釋放管道應力時，應根據現場情況適當抬升管道以最大程度釋放管道應力。由于采空區發展活躍期地面沉降一直呈現無規律的變化狀態，因此這個階段宜采用臨時應急措施，待采空區沉降穩定以后再進行永久性治理。

（5）永久治理措施應根據管道在最大沉陷量工況下的應力狀態來確定，通常可采用挖溝露管釋放應力，抬升管道釋放應力，局部換管、斷管釋放應力，管道改線，采空區設置支撐等方案措施，實際工程中也可幾種方案組合使用，具體應根據不同采空區和管道的實際情況進行綜合比選確定。永久治理措施的目的是要保證采空區管道應力狀態水平符合相關規范要求，管道安全平穩輸送。