輸氣管道下急傾斜煤層開采應(yīng)力分布規(guī)律研究

王麗峰（新疆環(huán)宇石油工程有限公司，新疆 烏魯木齊，830000）

現(xiàn)代輸氣管道通常情況下埋設(shè)在地下1-3m的區(qū)域，下急傾斜煤層的開采活動(dòng)會(huì)對(duì)淺層地表中的輸氣管道造成什么樣的影響，是否產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力的分布規(guī)律是什么，一直是輸氣管道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)主體迫切想了解的內(nèi)容。因此對(duì)輸氣管道下急傾斜煤層開采應(yīng)力分布規(guī)律的研究具有鮮明的現(xiàn)實(shí)意義。

1 輸氣管道周圍地質(zhì)及開采情況概述

本次研究活動(dòng)以XX煤礦周圍的基本地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，并按照XX煤礦的開采過程為實(shí)驗(yàn)變量變化依據(jù)，分別設(shè)置了開采初期、開采中期和開采后期三個(gè)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(jīng)過了該煤礦4號(hào)和7號(hào)兩個(gè)煤層，這兩個(gè)煤層的厚度為6.5m，平均開采深度為32m，共有六個(gè)作業(yè)面，其中最遠(yuǎn)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(zhì)泥巖[1]。

2 數(shù)值模型的構(gòu)建

借助GPS定位系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過煤層的輸氣管線和接近煤層的六個(gè)開采作業(yè)面進(jìn)行精確定位，并借助FLAC3.0軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，建成x軸長(zhǎng)700m，y軸長(zhǎng)10m，z軸長(zhǎng)235m的700m*235m*10m的狹長(zhǎng)模型，為保證對(duì)應(yīng)力的準(zhǔn)確感應(yīng)和測(cè)量在模型內(nèi)部設(shè)置了3085個(gè)網(wǎng)格狀單元，每個(gè)單元都具有獨(dú)立感應(yīng)并記錄應(yīng)力變化的能力。根據(jù)XX煤礦4號(hào)和7號(hào)煤層頂層巖石柔軟性質(zhì)實(shí)際，借助FLAC3.0軟件將模型基層設(shè)置為一種彈性材料，當(dāng)載荷達(dá)到一定程度后就會(huì)發(fā)生形變、碎裂等現(xiàn)象，破化規(guī)則選擇莫爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。在模型原作中主要采取單項(xiàng)檢測(cè)方法，即每一次測(cè)試只在煤礦六個(gè)工作面選擇一個(gè)工作運(yùn)行，在上以工作面對(duì)輸氣管道的影響趨于穩(wěn)定后再開始下一工作面的運(yùn)行[2]。

3 開采過程中地表應(yīng)力的分布

3.1 深層地表的拉應(yīng)力區(qū)變化規(guī)律

在深層地表（0.6m以下）區(qū)域的拉應(yīng)力探測(cè)活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)，煤炭開采工作面的水平拓展對(duì)輸氣管道拉應(yīng)力區(qū)的影響不大，在第一個(gè)工作面開始工作時(shí)拉應(yīng)力區(qū)極小，隨著后繼的2.3.4工作平面開展開采施工，拉應(yīng)力去開始向兩側(cè)拓展，當(dāng)5.6工作面開始開采工作時(shí)，拉應(yīng)力區(qū)開始相互連接，拉應(yīng)力區(qū)的影響范圍擴(kuò)大，但是對(duì)管道的拉應(yīng)力并沒有實(shí)質(zhì)性上升始終保持在0-0.1MPa。但是開采工作面向下的拓展對(duì)輸氣管道拉應(yīng)力的影響較大，當(dāng)深度較深的第五、第六工作面開始施工時(shí)，部分拉應(yīng)力去的拉應(yīng)力由0-0.1MPa級(jí)別提升到0.1MPa-1MPa級(jí)別[3]。

3.2 淺層地表的拉應(yīng)力區(qū)變化規(guī)律

煤層開采工作對(duì)（0.6m以上）淺層地表的影響較為復(fù)雜，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)工作面開始工作的時(shí)候，淺層地表開始出現(xiàn)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的交替區(qū)，當(dāng)?shù)诙?、三、四工作面開采工作開始時(shí)，淺層地表的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力交替區(qū)數(shù)量開始增加，而且這些拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的交替去表現(xiàn)出較強(qiáng)的移動(dòng)性，在管道周圍的區(qū)域不斷的游走，當(dāng)?shù)谖搴偷诹ぷ髅骈_始工作的時(shí)候，淺層地表拉應(yīng)力和壓應(yīng)力交替區(qū)的應(yīng)力開始增強(qiáng)，同時(shí)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力交替區(qū)的海拔位置也開始上升，在第六工作面工作不久拉應(yīng)力和壓應(yīng)力交替區(qū)上升到地表[4]。

4 結(jié)果與分析

在所有的測(cè)試活動(dòng)結(jié)束以后，根據(jù)FLAC3.0軟件的管道強(qiáng)度預(yù)設(shè)，對(duì)輸氣管道的損壞程度進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，距離原點(diǎn)坐標(biāo)270m處的輸氣管道正處于拉應(yīng)力區(qū)，這一區(qū)域的虛擬地層表面存在40條裂縫信息。但是模型的屈服強(qiáng)度是為了保證試驗(yàn)結(jié)果而設(shè)置的，現(xiàn)實(shí)生活中管道鋼的屈服拉力在270-400MPa，而煤層開采活動(dòng)產(chǎn)生的局部應(yīng)力只有0.1-1MPa，模型中的這些裂縫并不存在對(duì)輸氣管道的現(xiàn)實(shí)威脅。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果本文認(rèn)為急傾斜煤層開采時(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；開采淺部時(shí)地表拉應(yīng)力值較小，而開采到一定深度時(shí)，局部最大應(yīng)力值有較大幅度地增加。

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)，表明通過拉應(yīng)力區(qū)的分布范圍可以預(yù)測(cè)開采過程中裂縫的發(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，開采過程中原來的拉應(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。

從現(xiàn)有分析結(jié)果來看，地下煤層的開采活動(dòng)行程的拉應(yīng)力區(qū)并未對(duì)輸氣管道造成實(shí)質(zhì)性的影響，但是從暑期管道的安全角度來看，對(duì)煤層開采的應(yīng)力區(qū)分布的探究，為輸氣管道的布設(shè)提供了參考依據(jù)。

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

[2]朱海蒼.孔隙水壓作用下急傾斜煤層圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究[D].西安科技大學(xué),2008.

[3]賀林.烏魯木齊礦區(qū)急傾斜煤層開采地表移動(dòng)變形規(guī)律研究[D].西安科技大學(xué),2008.

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