急傾斜煤層開采地表及淺埋管道變形特征

程國明，張志鵬

（中國地質環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081）

急傾斜煤層開采地表及淺埋管道變形特征

程國明，張志鵬

（中國地質環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081）

目前我國急傾斜煤層開采引起的地表沉陷已對淺埋輸油氣管道安全產(chǎn)生一定影響，針對西北某煤礦急傾斜煤層開采，采用有限差分FLAC3D軟件模擬了急傾斜煤層開采過程，揭示了不同開采水平下地表及淺埋管道的變形特征，研究結果對淺埋油氣管線建設與運營安全評價具有重要的理論和實際意義。

急傾斜煤層開采;地表沉陷;數(shù)值模擬;管道變形

目前煤層開采產(chǎn)生的大量采空沉陷區(qū)已成為管道工程建設與運營的重要制約因素［1－2］。國內外對開采沉陷進行了大量研究。目前急傾斜煤層開采研究主要集中在采場頂、底板變形及巷道圍巖變形，對于不同開采水平下地表變形及淺埋管道的變形特征尚未進行探討［3－12］。本文以西北某采空沉陷區(qū)為研究對象，運用FLAC3D軟件，對急傾斜煤層開采進行了數(shù)值模擬，揭示了不同開采水平下地表及淺埋管道的變形特征，研究結果為淺埋油氣管線的埋設及運營安全評價具有重要的理論和實際意義。

1 地質采礦條件

西北某煤礦位于西山窯組 （J2x）的上部，地表無出露，在調查區(qū)呈東西向分布，位置在管線J451樁點北250m左右，穿越輸氣管道，調查區(qū)內主要地質問題為煤礦開采形成的地表沉陷。地表覆蓋層為砂土夾礫石，局部地段基巖出露或埋藏很淺，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、黑色炭質泥巖及深灰色泥巖，煤層穩(wěn)定。煤層傾向北，在10～15°之間，筑6個水平，采煤方法為大倉法炮采。距管線最近的開采煤層為5號煤層，傾角為52°，厚度8～10m。煤礦與輸氣管道布置見圖1。

圖1 煤礦與輸氣管道布置

2 模型的建立

本次計算選取輸氣管道穿越采空段17－17剖面 （見圖1）位置進行建模計算，模型尺寸為800m×50m×250m，其中x方向長為800m，y方向寬為50m，z方向高為250m，該模型采用Solid45單元，模型剖分的網(wǎng)格單元為 49117個，節(jié)點10510個。管線在模型中位于x=390m，y=0～50m，z=1.5m處。模型網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

邊界條件:上表面為自由面，下表面為全部約束表面，側面限制水平位移。

巖石是一種脆性材料，當荷載達到屈服強度后將發(fā)生強度軟化、破壞，應屬于彈塑性體。在FLAC3D中，對于彈塑性材料，其破壞判據(jù)選擇莫爾－庫侖準則。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

建模材料參數(shù)如表1所示。

管線為鋼質材料，管徑457mm，管壁6.3mm。物理力學參數(shù)按實際情況取值，體積模量175GPa、剪切模量76GPa、密度7850kg/m3。管線位于地表下1.5m處，下部為卵石土。

計算按照實際開挖順序，從第1水平開始進行開采，當?shù)?水平穩(wěn)定后，再開采第2水平，依此類推。

表1 模型材料巖土力學參數(shù)

3 急傾斜煤層開采過程中地表移動變形特征

煤礦開采是巖體不斷破碎斷裂發(fā)展的過程。地下煤層采出后，采空區(qū)頂板巖層在自重及其上覆巖層作用下，向下彎曲移動，并將變形傳遞至地表。圖3～圖8為第1至第6開采水平下地表移動等值線圖，通過位移等值線圖局部放大圖得出表2。

由表2可知，急傾斜煤層不同開采水平下地面沉陷有如下特征:

表2 不同開采水平下地表位移特征

圖3 開采第1水平地表移動位移等值線

圖4 開采第2水平地表移動位移等值線

（1）隨著開采深度的增加，地表沉陷區(qū)的范圍在不斷擴大。開采淺部煤層時 （第1水平至第3水平）地表沉陷范圍擴展幅度較大，而開采深部時尤其是開采第4水平、第6水平時，地表沉陷范圍較上水平擴展幅度變小。

圖5 開采第3水平地表移動位移等值線

圖6 開采第4水平地表移動位移等值線

（2）地面沉陷范圍擴展以沿煤層傾向方向擴展為主，而煤層反傾向方向擴展幅度較小。

（3）開采過程中，地表位移以垂向位移為主，水平位移相對較小。

圖7 開采第5水平地表移動位移等值線

圖8 開采第6水平地表移動位移等值線

4 急傾斜煤層開采過程中管道管壁變形特征

圖9～圖11分別為開采第2、第4、第6水平后管壁位移等值線圖。表3為根據(jù)不同開采水平下管壁周圍位移等值線圖而得。

圖9 開采第2水平后管壁位移等值線

圖10 開采第4水平后管壁位移等值線

圖11 開采第6水平后管壁位移等值線

表3 不同開采水平下管線位移量

由表3可見，開采淺部煤層 （第1，2，3水平）時，隨著開采深度增加，管線位移在不斷增加，但最大位移不超過10mm;開采第4水平時，管線位移在4.79～20mm;開采第5，6水平時，管線位移仍在增加，但不超過25mm。

4 結論

（1）隨著開采深度的增加，地表沉陷區(qū)的范圍在不斷擴大。開采淺部煤層時 （第1水平至第3水平）地表沉陷范圍擴展幅度較大，而開采深部時尤其是開采第4水平、第6水平時，地表沉陷范圍較上水平擴展幅度變小。

（2）地面沉陷范圍擴展以沿煤層傾向方向擴展為主，而煤層反傾向方向擴展幅度較小。

（3）開采過程中，地表位移以垂向位移為主，水平位移相對較小。

（4）數(shù)值模擬結果揭示不同開采水平下地表及淺埋管道的變形特征，研究結果對淺埋油氣管線建設與運營安全評價具有重要的理論和實際意義。

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Deformation Characteristic of Surface and Pipe in Shallow Buried Depth in Mining Steep ly-inclined Coal-seam

CHENG Guo-ming，ZHANG Zhi-peng

（China Geological Environment Monitoring Institute，Beijing 100081，China）

Subsidence induced by mining steeply inclined coal-seam has influenced safety of shallow buried oil windpipe Taking the mining steeply inclined coal-seam in Northwest China as example，this paper applied FLAC3D to simulating mining process and obtained deformation characteristic of surface and shallow-buried pipe under differentmining levels The resultwas important for shallowburied pipe construction and its running safety evaluation.

steeply inclined coal-seam mining;surface subsidence;numerical simulation;pipe deformation

TD325

A

1006-6225（2011）05-0033-03

2011－01－26

國土資源部百名優(yōu)秀青年科技人才計劃資助項目 （2007）;國土資源公益性行業(yè)科研專項資助項目 （200911036－3）

程國明 （1967－），男，山西祁縣人，博士后，教授級高工，主要從事礦山地質環(huán)境監(jiān)測預警。

［責任編輯:王興庫］