輸氣管道下急傾斜煤層開(kāi)采應(yīng)力分布規(guī)律

程國(guó)明,李文鵬 ,郭占峰

(1.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,北京 100081;2.華晉焦煤有限責(zé)任公司,山西柳林 033300)

輸氣管道下急傾斜煤層開(kāi)采應(yīng)力分布規(guī)律

程國(guó)明1,李文鵬1,郭占峰2

(1.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,北京 100081;2.華晉焦煤有限責(zé)任公司,山西柳林 033300)

以輸氣管道途經(jīng)的沉陷區(qū)為工程背景,運(yùn)用有限差分法 FLAC3D計(jì)算軟件,模擬急傾斜煤層開(kāi)采過(guò)程中不同開(kāi)采水平下地表淺部應(yīng)力變化過(guò)程,探討了地表淺部應(yīng)力分布規(guī)律,分析了地表裂縫產(chǎn)生的原因及應(yīng)力變化對(duì)輸氣管道安全的影響。研究結(jié)果為合理解釋地表裂縫的出現(xiàn)及輸氣管道運(yùn)營(yíng)安全評(píng)價(jià)具有重要的理論和實(shí)際意義。

急傾斜煤層;管道安全;應(yīng)力;地表裂縫

目前礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)引發(fā)的大量采空沉陷區(qū)已成為管道工程建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的重要制約因素[1-2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)開(kāi)采沉陷進(jìn)行了大量研究[3-8],研究成果為開(kāi)采沉陷區(qū)減災(zāi)防災(zāi)提供了重要的理論依據(jù)。文獻(xiàn)[9-10]研究表明,地表裂縫的產(chǎn)生與應(yīng)力的變化有很大關(guān)系。

油氣管道一般輔設(shè)在地表下 1～3m,開(kāi)采過(guò)程中地表淺層應(yīng)力如何變化?拉應(yīng)力區(qū)如何分布?拉應(yīng)力區(qū)的分布與地表裂縫出現(xiàn)有何關(guān)系?這些問(wèn)題對(duì)于合理解釋開(kāi)采沉陷區(qū)地表裂縫的出現(xiàn)及油氣管線運(yùn)營(yíng)安全評(píng)價(jià)具有重要的理論和實(shí)際意義。

以西北某采空沉陷區(qū)為研究對(duì)象,運(yùn)用FLAC3D3.0軟件,對(duì)急傾斜煤層開(kāi)采過(guò)程中不同開(kāi)采水平地表的應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬,探討了地表淺層應(yīng)力分布規(guī)律,從應(yīng)力角度分析地表裂縫產(chǎn)生原因,應(yīng)力變化對(duì)輸氣管道安全的影響。

1 輸氣管道周?chē)刭|(zhì)及開(kāi)采情況

管道采空段主要賦存 5號(hào)和 7號(hào)兩組煤層,以采 5號(hào)煤層為主。A煤礦位于管線西 350m,采 5號(hào)煤層,煤層厚 6.5m,煤層傾角平均 47°,分 6個(gè)水平開(kāi)采。一水平開(kāi)采深度為 32m,距管道水平距離為 245m;6水平開(kāi)采深度為 240m,距管道水平距離為 92m。煤層頂板巖性為灰色泥巖夾粉砂巖,泥巖遇水變軟,具黏性,底板為灰黑色、黑色炭質(zhì)泥巖及深灰色泥巖。巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表 1。調(diào)查區(qū)內(nèi)地表裂縫發(fā)育,共 40條,塌陷坑 12個(gè)。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模型

2.1模型建立

本次計(jì)算選取輸氣管道穿越采空段 17-17剖面 (見(jiàn)圖 1)位置進(jìn)行建模計(jì)算。

圖1 煤礦與輸氣管道布置

(1)模型尺寸 (圖 2)為 700m ×235m ×10m,其中 x方向長(zhǎng)為 700m,y方向長(zhǎng)為 10m,z方向長(zhǎng)為 235m,該模型剖分的網(wǎng)格單元為 3085個(gè)。原管道的位置在 x=270m,y=0～10m,z=1.8m;C方案 (擬選改線方案)管道位置在 x=600m,y=0～10m,z=1.8m。

圖2 剖面網(wǎng)格及管道位置

(2)模型的邊界條件：上表面為自由面,下表面為全部約束表面;四周限制水平位移。

(3)巖石是一種脆性材料,當(dāng)荷載達(dá)到屈服強(qiáng)度后將發(fā)生破壞、弱化,應(yīng)屬于彈塑性體。在FLAC3D中,對(duì)于彈塑性材料,其破壞判據(jù)選擇莫爾 -庫(kù)侖準(zhǔn)則。

本次計(jì)算按每一水平實(shí)際的開(kāi)挖順序,計(jì)算中從第 1水平開(kāi)始進(jìn)行開(kāi)采,當(dāng)?shù)?1水平穩(wěn)定后,再開(kāi)采第 2水平,依次類(lèi)推。

2.2 開(kāi)采過(guò)程中地表應(yīng)力分布

圖3～圖 8分別為從第 1水平開(kāi)采到第 6水平開(kāi)采后,采場(chǎng)及地表應(yīng)力變化圖。

圖3 開(kāi)采第 1水平后 x方向的應(yīng)力等值線

由應(yīng)力等值線圖匯總出地表 0.6m深度下的拉應(yīng)力值,見(jiàn)表 2。

圖4 開(kāi)采第 2水平后 x方向的應(yīng)力等值線

圖5 開(kāi)采第 3水平后 x方向的應(yīng)力等值線

圖6 開(kāi)采第 4水平后 x方向的應(yīng)力等值線

(1)不同開(kāi)采水平下拉應(yīng)力區(qū) (地表 0.6m以下)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律 由表 2可見(jiàn),開(kāi)采第 1水平煤層時(shí),在地表水平方向形成了一定范圍的拉應(yīng)力區(qū);當(dāng)開(kāi)采第 2,3,4水平時(shí),拉應(yīng)力區(qū)的范圍分別較相應(yīng)的上一開(kāi)采水平開(kāi)采時(shí)皆向兩側(cè)略有擴(kuò)展;當(dāng)開(kāi)采第 5水平時(shí),拉應(yīng)力區(qū)的范圍較開(kāi)采第4水平時(shí)向兩側(cè)有較大的擴(kuò)展,其中拉應(yīng)力區(qū)右側(cè)邊界 (遠(yuǎn)離原點(diǎn)坐標(biāo)處)較左側(cè) (靠近原點(diǎn)坐標(biāo)處)擴(kuò)展更明顯;當(dāng)開(kāi)采到一定深度 (即第 6水平)時(shí),拉應(yīng)力區(qū)右側(cè)邊界仍向右側(cè)擴(kuò)展,拉應(yīng)力區(qū)左側(cè)邊界不再向左側(cè)擴(kuò)展,而是向右側(cè)擴(kuò)展。

圖7 開(kāi)采第 5水平后 x方向的應(yīng)力等值線

圖8 開(kāi)采第 6水平后 x方向應(yīng)力等值線

表2 地表 0.6m深度下的拉應(yīng)力范圍分布特征

由表 2可見(jiàn),開(kāi)采第 1水平煤層時(shí),在地表垂直方向形成了一定深度范圍的拉應(yīng)力區(qū);當(dāng)開(kāi)采第2,3,4水平時(shí),拉應(yīng)力區(qū)的下邊界范圍分別較相應(yīng)的上一水平開(kāi)采時(shí)向深部略有擴(kuò)展,而拉應(yīng)力區(qū)的上邊界并無(wú)變化;當(dāng)開(kāi)采第 5水平時(shí),拉應(yīng)力區(qū)的下邊界范圍向深部有較大擴(kuò)展,而拉應(yīng)力區(qū)的上邊界仍無(wú)變化;而當(dāng)開(kāi)采第 6水平時(shí),拉應(yīng)力區(qū)的下邊界范圍向深部有較大擴(kuò)展,且上邊界范圍也向下擴(kuò)展,局部拉應(yīng)力值也由開(kāi)采第 1至第 5水平的0～0.1MPa增大到 0.1～1MPa,表明開(kāi)采到一定深度時(shí),地表淺層拉應(yīng)力值有明顯的變化。

(2)不同開(kāi)采水平下拉應(yīng)力區(qū) (地表 0.6m以上)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律 由圖 3～圖 8可見(jiàn),當(dāng)開(kāi)采第1水平時(shí),地表出現(xiàn)了拉應(yīng)力與壓應(yīng)力交替區(qū),其中地表出現(xiàn) 3處拉應(yīng)力區(qū),地表下約 0.1m處也出現(xiàn) 1處拉應(yīng)力區(qū);當(dāng)開(kāi)采第 2,3,4水平時(shí),地表同樣出現(xiàn)了拉應(yīng)力與壓應(yīng)力交替區(qū),拉應(yīng)力區(qū)的位置在不斷變化;當(dāng)開(kāi)采第 5,6水平時(shí),地表也同樣出現(xiàn)了拉應(yīng)力與壓應(yīng)力交替區(qū),拉應(yīng)力區(qū)的位置也在變化,最右側(cè)的拉應(yīng)力區(qū)擴(kuò)展到地表。整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中地表拉應(yīng)力值基本無(wú)變化 (0～0.1MPa)。

土作為巖石風(fēng)化產(chǎn)物,由于完整性、整體性遭到不同程度的破壞,力學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為還具有一定的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度,但強(qiáng)度值已大大降低,而抗拉強(qiáng)度則大部分或完全喪失[11]。急傾斜煤層開(kāi)采過(guò)程中地表不斷出現(xiàn)了拉應(yīng)力與壓應(yīng)力交替區(qū),因而,拉應(yīng)力區(qū)的出現(xiàn)較好地解釋了地表裂縫的出現(xiàn);拉應(yīng)力區(qū)位置的動(dòng)態(tài)變化,合理地解釋了新裂縫的不斷產(chǎn)生,開(kāi)采過(guò)程中原來(lái)的拉應(yīng)力區(qū)變?yōu)閴簯?yīng)力區(qū)可以合理地解釋原有裂縫在不斷閉合。

輸氣管道 (距離原點(diǎn)坐標(biāo) 270m)正好處于拉應(yīng)力區(qū) (264～582.3m),現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的 40條裂縫都位于拉應(yīng)力區(qū)。2006年 3月輸氣管道上方,又發(fā)現(xiàn) 4條新裂縫;2006年 7月在管道周?chē)M(jìn)行應(yīng)力釋放,期間所測(cè)的應(yīng)力值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合。

輸氣管道周?chē)膽?yīng)力在開(kāi)采第 1到第 5水平過(guò)程中拉應(yīng)力值介于 0～0.1MPa,開(kāi)采第六水平時(shí),局部最大應(yīng)力值增大到 0.1～1MPa,而鋼屈服時(shí)的最小拉應(yīng)力 270～400MPa。因而,從應(yīng)力的角度分析,現(xiàn)在開(kāi)采水平下出現(xiàn)的多處裂縫并未對(duì)現(xiàn)有輸氣管道構(gòu)成威脅。

3 結(jié)論

(1)急傾斜煤層開(kāi)采時(shí),在地表淺部以上至地面出現(xiàn)了斷續(xù)拉應(yīng)力區(qū)。不同開(kāi)采水平下,拉應(yīng)力區(qū)與壓應(yīng)力區(qū)在地表交替出現(xiàn),拉應(yīng)力區(qū)的位置處在動(dòng)態(tài)變化中;開(kāi)采淺部時(shí)地表拉應(yīng)力值較小,而開(kāi)采到一定深度時(shí),局部最大應(yīng)力值有較大幅度地增加。

(2)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的 40處裂縫皆位于拉應(yīng)力區(qū)的范圍內(nèi),表明通過(guò)拉應(yīng)力區(qū)的分布范圍可以預(yù)測(cè)開(kāi)采過(guò)程中裂縫的發(fā)育范圍。拉應(yīng)力區(qū)的出現(xiàn)較好地解釋了地表裂縫的出現(xiàn);拉應(yīng)力區(qū)位置的動(dòng)態(tài)變化,合理地解釋了新裂縫的不斷產(chǎn)生,開(kāi)采過(guò)程中原來(lái)的拉應(yīng)力區(qū)變?yōu)閴簯?yīng)力區(qū)可以合理地解釋原有裂縫在不斷閉合。

(3)從應(yīng)力的角度分析,現(xiàn)在開(kāi)采水平下出現(xiàn)的多處裂縫并未對(duì)現(xiàn)有輸氣管道構(gòu)成威脅。地表拉應(yīng)力區(qū)的分布特征為淺埋輸氣 (油)等管線的優(yōu)化布置及安全評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。

[1]張光華 .川氣出川管道工程地質(zhì)災(zāi)害芻議 [J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2007(5).

[2]李偉林 .忠武輸氣管道的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè) [J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2007,26(5)：26-29.

[3]C.Gonza’lez Nicieza,M.I.’lvarez Fernandeza The new threedimensional subsidence infuence function denoted by n-k-g. [J].International JournalofRockMechanics&Mining Sciences,2005(42)：372-387.

[4]Dai Huayang,Wang Jinzhuang,CaiMeifeng.Seam dip angle based mining subsidence model and its application[J].International Journal of RockMechanics&Mining Sciences,2002(39).

[5]Ki-Dong Kim,Saro Lee,Hyun-Joo Oh.Prediction of ground subsidence in Samcheok City,Korea using artificial neural networks and GIS[J].Environ Geol,2008.

[6]Kim KD,Lee S,Oh HJ,Choi JK,Won JS.Assessment of ground subsidence hazard near an abandoned underground coal mine using GIS[J].Environ Geol,2006(50)：1183-1191.

[7]YANG Fan,HU Zhen-qi,YANG Iun.Research on nonlinear characteristics of strata collapse because of the multi-frequency mining[J].Journal of Coal Science&Engineering(CH INA),2008,12(2)：308-310.

[8]郝延錦,吳立新,戴華陽(yáng) .用彈性板理論建立地表沉陷預(yù)計(jì)模型 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(S1).

[9]康建榮 .山區(qū)采動(dòng)裂縫對(duì)地表移動(dòng)變形的影響分析 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(1)：60-64.

[10]余學(xué)義,李邦幫,李瑞斌,等 .西部巨厚濕陷性黃土層開(kāi)采損害程度分析 [J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,37(1).

[11]朱崇輝,劉俊民,嚴(yán)寶文,等 .非飽和黏性土的抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度關(guān)系試驗(yàn)研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(S2)：3453-3458.

StressD istribution Rules ofM in ing Steeply Inclined Coal Seam under Gas Pipeline

CHENG Guo-ming1,L IWen-peng1,GUO Zhan-feng2
(1.China Institute of Geology EnvironmentMonitoring,Beijing 100081,China;2.Huajin Coking Coal Co.,Ltd.,Liulin 033300,China)

This paper applied FLAC3D to simulating stress variation process of shallow surface under differentmining levels in mining steeply inclined coal seam,researched stress distribution rules of shallow surface and analyzed surface fissure cause and influence of stress variation on gas pipeline safety.Research results might rationally explain surface fissure and provide important theoretical and practical reference to safety evaluation of gas pipeline.

steeply inclined coal seam;pipeline safety;stress;surface fissure

TD823.21 3

A

1006-6225(2010)04-0029-03

2009-11-20

國(guó)土資源部百名優(yōu)秀青年科技人才計(jì)劃資助項(xiàng)目 (2007),科技部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng) (200911036)。

程國(guó)明 (1967-)男,山西祁縣人,博士后,教授級(jí)高工,主要從事開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)預(yù)警。

王興庫(kù)]