煤層開采引起的輸氣管線變形安全評估研究

張廣學，房 振，白 艷，徐秀清，郭廣禮

(1.鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；2. 長慶油田第一采氣廠地質(zhì)研究所 陜西 榆林 718500；3. 中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；4．中國礦業(yè)大學 江蘇 徐州 221116)

0 引 言

長輸淺埋管線是輸送天然氣、原油的重要基礎設施。這些管線途經(jīng)數(shù)省，沿線省份分布有大量煤炭資源，地下大量的煤炭被采出后普遍形成大范圍的采空區(qū)，會引發(fā)地面沉陷、地表裂縫等地質(zhì)災害，從而引起輸氣管線彎曲變形，嚴重時可能導致管道破壞。隨著我國基礎設施建設投入逐步加大,淺埋輸氣管道建設與煤炭資源壓覆的矛盾將愈來愈突出，開展采動條件下淺埋輸氣管線變形影響研究是必要而緊迫的，是防范釆空區(qū)災害發(fā)生和評估采空區(qū)災害對油氣管線威脅、破壞程度的基礎，有利于防范、治理和控制采空區(qū)災害的發(fā)生、發(fā)展，避免和減少煤礦采空區(qū)災害對輸氣管線的破壞，具有重要的理論、經(jīng)濟和社會價值及重大的戰(zhàn)略意義。

目前，在管道工程通過采空區(qū)的地表變形研究方面，國內(nèi)外主要是針對采空區(qū)地表變形本身進行研究[1-5]，而對煤礦開采引起的上覆輸氣管線變形情況的研究不多。國外80年代曾有一些研究，典型的Peng SS[6]將管道假定為梁彎曲問題，認為管道的彎曲下沉與地面沉陷同步，管道下沉可認為是梁彎曲問題，地面沉陷預計采用概率積分法，提出了預計沉陷。王鴻等[7]通過移動盆地的最大沉降量與管道允許的最大沉降量的比較，判定管道的安全性。該方法僅關(guān)注變形最后狀態(tài)的位移，未考慮開采過程的不同階段地面沉陷對管道變形的影響。而對于新開采煤礦可能引起地表沉陷對輸氣管線變形的預測研究方面則未見相關(guān)報道。

本文以新開采的某煤礦為例，依據(jù)鄰近礦井地表移動觀測研究成果，采用概率積分法模型分析預測地下采煤引起的陜246輸氣管線沿線變形情況，并采用有限元計算的方法對該管線的變形情況進行安全評估。

1 某煤礦基本情況概述

該煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)，井田內(nèi)地表大部被現(xiàn)代風積沙及湖積沙層覆蓋，零星地段見有第四系黃土出露。據(jù)鉆孔揭露，區(qū)內(nèi)地層由老至新依次有：三疊系上統(tǒng)延長組，侏羅系中下統(tǒng)延安組、中統(tǒng)直羅組、安定組、白堊系下統(tǒng)志丹群，第四系上更新統(tǒng)馬蘭組、殘坡積、全新統(tǒng)沖洪積物、沼澤沉積物和風積沙。

井田煤層埋深660～860 m，首采煤層為延安組中下統(tǒng)，平均埋深660～780 m，平均煤厚6.4 m，平均傾角1°。工作面采用大巷條帶布置方式，采用長壁后退式采煤方法，各個采區(qū)裝備一套綜合機械化一次采全高采煤工作面，全部冒落法管理頂板。采區(qū)內(nèi)有采氣井、陜246輸氣管線、G010輸氣管線及零星建筑物，輸氣管線材質(zhì)均為20#鋼，尺寸為Φ60 mm×6 mm，設計壓力為25 MPa，運行壓力為5.3 MPa。兩條輸氣管線與礦區(qū)相對位置對照關(guān)系如圖1所示。

圖1 輸氣管線與工作面相對位置對照圖

2 地表移動預測模型及參數(shù)確定

該煤礦為新建礦井，尚沒有開展開采沉陷實測研究。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，周邊毗鄰的煤礦等都先后開展了地表移動觀測研究，且均開采侏羅紀延安組煤層，地質(zhì)采礦條件比較類似，有較高的參考價值，表1列出了周邊煤礦地表移動觀測站根據(jù)實測數(shù)據(jù)反演計算獲得的概率積分法沉陷預計模型參數(shù)。

表1 周邊煤礦地表移動觀測站實測獲得的概率積分參數(shù)

根據(jù)營盤壕煤礦鄰近礦井地表移動觀測研究成果，地下采煤引起的地表移動規(guī)律基本符合概率積分法模型。分析本研究區(qū)域地質(zhì)采礦條件，開采煤層賦存穩(wěn)定，采用長壁工作面采煤，全部垮落法管理頂板；開采深厚比大于100，無較大的地質(zhì)構(gòu)造，地表基本平坦；預計其地表移動的基本規(guī)律亦應該符合概率積分法模型。因此，本項目采用概率積分法模型進行地表移動和變形預測。

工作面開采時，工作面兩側(cè)均為實體煤層，工作面平均采深H為730 m、回采區(qū)寬度300 m，這與煤礦2中的地質(zhì)采礦條件是十分接近的；通過對鄰近礦井地表觀測情況的綜合分析，預計首采工作面開采后地表遠不能達到充分采動狀態(tài)，分析確定工作面開采時的概率積分法預測參數(shù)為：

下沉系數(shù)q=0.35；水平移動系數(shù)b=0.35；主要影響角正切為tgβ=1.5；開采傳播影響角為θ=89°；拐點偏移距為S=0.07H。

3 首采工作面開采引起的管線移動預測

本文以陜246輸氣管線為例，采用概率積分法計算了首采2201工作面開采引起的陜246輸氣管線移動變形情況。其數(shù)學模型如下：

1)任意點A(x，y)的下沉值W(x，y)

式中，Wcm為充分采動條件下地表最大下沉值，Wcm=mqcosα；m為采出煤層厚度；q 為地表下沉系數(shù)；α為煤層傾角；Cx′，Cy′為待求點在走向和傾向主斷面上投影點處的下沉分布系數(shù)；L為采區(qū)拐點平移后走向長度及傾斜方向在地表的計算開采寬度；r，r1，r2分別為走向、下山、上山方向的主要影響半經(jīng)；x、y求點坐標。

2)地表任意點A(x，y)沿φ方向傾斜變形值T(x，y)

T(x，y)=TxCy′cosφ+TyCx′sinφ

T(x，y)=-TxCy′sinφ-TyCx′cosφ；

T(x，y)m=TxCy′cosφT+TyCx′sinφT

式中，φT=arctg(TyCx′/TxCy′)；T(x，y)m為待求點的最大傾斜值，mm/m；φT為最大傾斜值方向與OX軸的夾角(沿逆時針方向旋轉(zhuǎn))；Tx，Ty分別為待求點沿走向和傾向主斷面上投影點處迭加后的傾斜變形值，mm/m。

3)地表任意點A(x，y)沿φ方向的曲率變形K(x，y)

K(x，y)=KxCy′cos2φ+KyCx′sin2φ+(TxTy/Wcm)sin2φ

K(x，y)=KxCy′sin2φ+KyCx′cos2φ-(TxTy/Wcm)sin2φ

K(x，y)max=KxCy′cos2φ+KyCx′sin2φ+(TxTy/Wcm)sin2φk

K(x，y)min=K(x，y)+K(x，y)-K(x，y)max

K(x，y)max，K(x，y)min分別為待求點最大、最小曲率變形值；Kx，Ky分別為待求點沿走向及傾向在主斷面投影處迭加后的曲率值。

4)地表任意點A(x，y)沿φ方向的水平移動值U(x，y)

U(x，y)=UxCy′cosφ+UyCx′sinφ

U(x，y)=-UxCy′cosφ+UyCx′sinφ

U(x，y)cm=UxCy′sinφu+UyCx′cosφu

式中，φu為最大水平移動方向與OX軸的夾角；φu= arctg(UyCx′/UxCy′)；Ux，Uy分別為待求點沿走向和傾向在主斷面投影點處的水平移動值，mm。對于傾斜方向需加Cy′·Wcm·ctgθ。

5)地表任意點A(x，y)沿φ方向的水平變形值ε(x，y)

ε(x，y)=εxCy′cos2φ+εyCx′sin2φ+[(UxTyUyTx)/Wcm]·sinφ·cosφ

ε(x，y)=εxCy′sin2φ+εyCx′cos2φ-[(UxTy+UyTx)/Wcm]·sinφ·cosφ

ε(x，y)max=εxCy′cos2φ+εyCx′sin2φ+[(UxTy+UyTx)Wcm]·sinφ·cosφ

ε(x，y)min=ε(x，y)+ε(x，y)-ε(x，y)max

式中：

ε(x，y)max，ε(x，y)min為待求點最大、最小水平變形值；εx，εy為待求點沿走向及傾向在主斷面投影處迭加的水平變形值。

根據(jù)預測結(jié)果，統(tǒng)計得到陜246輸氣管線移動變形極值見表2，繪制出的該輸氣管線下沉曲線如圖2所示。

表2 2201工作面開采引起的陜246管線移動變形極值

圖2 2201工作面開采引起的陜246輸氣管線沿線下沉曲線圖

從變形預測結(jié)果可以看出，首采2201工作面開采后，引起的陜246輸氣管線沿線最大下沉為924 mm；沿管線方向的最大水平移動為340 mm，垂直管線方向的最大水平移動為336 mm；沿管線方向的最大拉伸變形為0.87 mm/m，最大壓縮變形為1.88 mm/m；垂直管線方向的最大拉伸變形為0.81 mm/m，最大壓縮變形為1.88 mm/m；沿管線方向的最大傾斜變形為1.96 mm/m，垂直管線方向的最大傾斜變形為1.93 mm/m；沿管線方向的最大正曲率為0.005 mm/m2，最大負曲率為0.011 mm/m2；垂直管線方向的最大正曲率為0.005 mm/m2，最大負曲率為0.011 mm/m2。

從陜246輸氣管線沿線地表移動變形曲線分布圖可以看出，陜246輸氣管線受2201工作面采動影響范圍，南起S28號預測點，北至S102號預測點，受采動影響的管線長度約為2 250 m。

4 管線預測變形的安全評估

前述研究得知，首采2201工作面開采后，管線水平移動、水平變形和傾斜變形量均相對較小。因此在管線變形的安全評估中，僅以管線下沉量來計算管線的應力分布情況，以判斷管線是否能夠安全運行。

采用建立的實體模型，在運行參數(shù)條件下合理設置約束條件，在管線上設置3個受力節(jié)點，模擬管線變形情況，進行有限元分析?？紤]管線的實際服役壓力和管線預測沉降量，基于材料力學第四強度理論(形狀改變比能)進行應力校核，即使用Von Mises屈服準則的值—Mises等效應力來表示模型內(nèi)部的分布情況。管線運行壓力取5.3 MPa，管線規(guī)格為Φ60 mm×6 mm，材質(zhì)為20#碳鋼，其力學性能見表3。

表3 20#碳鋼力學性能

圖3為運行壓力5.3 MPa，2 250 m長管線下沉924 mm條件下有限元分析的管線應力分布情況，由計算結(jié)果可知，當管道沉降量達到924 mm時，管線的最大應力值為55.962 MPa，遠低于20#管線的屈服強度245 MPa。因此，該煤礦2201工作面完全開采后，受采動影響的陜246管線運行安全，沒有斷裂風險，無需采取治理措施。

圖3 陜246輸氣管線下沉后管線的應力分布圖

5 結(jié) 論

1)本文以新開采的煤礦為例，分析確定了工作面開采時的概率積分預測參數(shù)，并采用概率積分法模型分析預測首采工作面引起陜246輸氣管線變形情況。

2)首采工作面開采后，受采動影響的管線長度約為2 250 m，管線沿線最大下沉為924 mm，沿管線方向的最大水平移動為340 mm，垂直管線方向的最大水平移動為336 mm；沿管線方向的最大拉伸變形為0.87 mm/m，最大壓縮變形為1.88 mm/m；垂直管線方向的最大拉伸變形為0.81 mm/m，最大壓縮變形為1.88 mm/m；沿管線方向的最大傾斜變形為1.96 mm/m，垂直管線方向的最大傾斜變形為1.93 mm/m。

3)采用有限元分析和材料力學第四強度理論(形狀改變比能)進行應力校核，得出當管道沉降量達到924 mm時，管線的最大應力值為55.962 MPa，受采動影響的陜246管線可安全運行，沒有斷裂風險。