采空塌陷區(qū)管土相互作用特征分析

吳張中，郝建斌，譚東杰，孫萬明，韓冰，荊宏遠(yuǎn)，劉建平

(1.中國石油管道研究中心，河北廊坊 065000;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013)

采空塌陷區(qū)管土相互作用特征分析

吳張中1，郝建斌1，譚東杰1，孫萬明2，韓冰1，荊宏遠(yuǎn)1，劉建平1

(1.中國石油管道研究中心，河北廊坊 065000;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013)

文章分析了采空塌陷作用下油氣管道的受力特征，將采空區(qū)地面塌陷過程中塌陷土體與管道的相互作用分成了下塌土蠕變、管體局部暗懸、管體完全懸空外露和土體突發(fā)沉陷4個(gè)階段?；诳勾笞冃武撎匦约皯?yīng)變設(shè)計(jì)理念的管體應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，對(duì)Ramberg-Osgood本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了二次開發(fā)。結(jié)合急傾斜煤層開采實(shí)例，利用FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算了塌陷寬度相同條件下，不同土體下沉變形時(shí)管體與地表土體相互作用及變形的關(guān)系，驗(yàn)證了管道在受采空塌陷作用下經(jīng)過的各個(gè)階段及受力特征。

采空塌陷;管土相互作用;應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系;油氣管道;受力特征;急傾斜煤層

0 前言

油氣管道下伏采空區(qū)(尤其是煤礦采空區(qū))是一類特殊的巖土工程問題，由于輸油氣管道的重要性和區(qū)別于一般建(構(gòu))筑物的特殊性，管道與下伏采空區(qū)的相互影響給采空區(qū)管線的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營帶來了特殊的困難。尤其是當(dāng)采空塌陷直接作用到管道時(shí)，地層變形產(chǎn)生的地表移動(dòng)和塌陷，會(huì)導(dǎo)致管道受到拉、壓、剪、扭、彎等荷載的作用，從而使管體極易遭受破壞。由于土體結(jié)構(gòu)的各向異性，造成了采空區(qū)塌陷時(shí)土體對(duì)油氣管道的作用十分復(fù)雜，同時(shí)采空塌陷現(xiàn)象自身具有隱蔽性、復(fù)雜性、突發(fā)性和長期性的特點(diǎn)，因此使得油氣管道在采空塌陷作用下受到的荷載并不是一成不變的，從而造成管土相互作用方式隨著采空塌陷過程的變化而變化［1－3］。

1 采空塌陷對(duì)管道的作用特征

采空塌陷是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程，因此在采空塌陷的不同階段，對(duì)管道的作用亦不同，根據(jù)線性管道工程敷設(shè)的特點(diǎn)，將采空塌陷對(duì)管體的作用分為四個(gè)階段(圖1)。

1.1 土體下塌蠕變

由于采空塌陷具有隱蔽的性質(zhì)，即塌陷過程十分緩慢，速度每年只有幾個(gè)毫米［4］。在這種情況下，地表很少出現(xiàn)變形。基于此原因，管線中由于采空塌陷作用產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)逐漸累積，而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)管線的危險(xiǎn)狀態(tài)，時(shí)間長了就有可能使管道失效、甚至破裂。該階段土體移動(dòng)具有蠕變性，地表變形剛剛開始，尚未造成管體懸空，如圖1(a)，土體蠕變荷載由管體承擔(dān)。

1.2 管體局部暗懸

該階段采空區(qū)土體塌陷過程明顯加快，地表出現(xiàn)裂縫等變形跡象，起初管體隨土體同步下沉，但由于管體剛度遠(yuǎn)大于土體，當(dāng)土體下沉值繼續(xù)增大時(shí)，管體變形與地表下沉逐漸出現(xiàn)不同步，管體與其下方中部土體脫離。此時(shí)由于管體上方及周邊土體尚無沿管道周邊滑落至管體以下的空間，從而造成該區(qū)域管體局部暗懸并且懸空長度隨著時(shí)間逐漸增加，因此管體除受自身及輸送介質(zhì)荷載作用之外，上覆土體荷載全部由懸空段管體承擔(dān)，如圖1(b)。

1.3 管體完全懸空外露

該階段由于采空塌陷的繼續(xù)進(jìn)行以及管體與地表變形的不一致，導(dǎo)致管體與下方土體距離愈來越大，管道四周土體與管體脫離，并沿管壁逐漸跨塌至塌陷盆地中，塌陷區(qū)土體已完全塌陷至管體以下，造成管體完全垂懸外露，如圖1(c)，此時(shí)管體只受自身及輸送介質(zhì)荷載作用。

1.4 土體突發(fā)沉陷

由于采空塌陷機(jī)理的不同還可能出現(xiàn)突發(fā)沉陷的情況，該階段土體在瞬時(shí)發(fā)生垮塌，直接造成管體上覆覆土剪切破壞［5］，因此該階段管體承受的荷載包括覆土土柱荷載、管體自身及輸送介質(zhì)荷載以及管道兩旁土體突然剪切造成的剪力，如圖1(d)。

圖1 管體周邊圍土作用方式Fig.1 Relationship between a pipe and its surrounding soil

2 管體應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系

傳統(tǒng)的基于應(yīng)力分析是以管道的最小屈服強(qiáng)度為荷載極限進(jìn)行的。對(duì)于地面變形等位移載荷控制下的情形，如遇到地震、滑坡、采空塌陷區(qū)敷設(shè)等情況時(shí)，在保證管道安全運(yùn)營的前提下，允許管道的應(yīng)變超過屈服應(yīng)變。此時(shí)的管道雖發(fā)生一定塑性變形，但仍能滿足生產(chǎn)要求，也就充分發(fā)揮了管道能力［6］。因此，諸多管線普遍都采用了抗大變形鋼和應(yīng)變設(shè)計(jì)。

基于應(yīng)變設(shè)計(jì)要求獲取抗大變形管道鋼材的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€，即Round House(RH)曲線，該曲線上不含屈服平臺(tái)，在屈服應(yīng)變4%以內(nèi)對(duì)實(shí)際的管材應(yīng)力應(yīng)變曲線能夠模擬的很好，可以避免雙折線模型中判斷到達(dá)哪種狀態(tài)的麻煩［7］(圖2)。

圖2 管道RH曲線Fig.2 RH curve of the pipe

為了描述抗大變形鋼管道的應(yīng)力－應(yīng)變特性，采用Ramberg-Osgood建議的關(guān)系式［8］:

式中:ε——實(shí)際應(yīng)變;

σ——軸向應(yīng)力;

E——管材彈性模量;

σy——管材屈服應(yīng)力;

α，r——Ramberg-Osgood系數(shù)。

3 算例分析

為了更好地研究采空塌陷作用時(shí)，管道的變形及受力特征，以經(jīng)過我國西部某一急傾斜煤層的管段為例，采用有限差分FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，在模型中對(duì)實(shí)際礦體的開采進(jìn)行模擬，通過對(duì)理論模型的計(jì)算及巖層、管道的移動(dòng)和變形的觀測，來研究開采沉陷規(guī)律以及與之對(duì)應(yīng)的管道的響應(yīng)情況。

3.1 模型的建立

3.1.1 模型尺寸

根據(jù)該區(qū)域的實(shí)際地質(zhì)采礦條件，選取45#煤為開采煤層進(jìn)行模擬，計(jì)算模型如圖3所示。模型尺寸為220m×160m×350m(X×Y×Z);表土層厚7.5m，地表面是帶有很小起伏的曲面，其下是煤層和頂?shù)装?該煤層為急傾斜煤層，傾角為86°，開采方法為分層開采，煤層厚度取為40m，整個(gè)煤層分為15層，最上面留30m煤柱不采，然后采一層留一層;煤層兩側(cè)為頂?shù)装迥Ｐ?管道為L360鋼，沿X軸方向，位于模型正中央，埋深為2.8m，外徑457mm，壁厚6mm，輸送介質(zhì)為天然氣、內(nèi)壓1.2MPa。

3.1.2 本構(gòu)模型及材料參數(shù)

巖土體模型采用Mohr-Coulomb模型，為了更好地模擬抗大變形鋼的實(shí)際受力情況，管道單元的計(jì)算中應(yīng)用Ramberg-Osgood應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，在FLAC3D上進(jìn)行了二次開發(fā)，編制了相應(yīng)的程序。該模型中各巖層及管道的計(jì)算參數(shù)見表1、表2。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of geotechnical materials

表2 管體計(jì)算參數(shù)Table 2 Mechanical properties of the pipe

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由于該地區(qū)煤礦較多，地質(zhì)開采條件各有不同，故在本次模擬中用同一個(gè)模型實(shí)現(xiàn)了多種情況的模擬，即在塌陷坑寬度基本不變的情況下坑深由幾米至幾十米不等的情況，不同坑深情況下管體的下沉變形是不同的。煤層分層開采情況如圖4所示，于管道正上方地表每隔4m設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)。煤層開采后，上方地表下沉后形成的塌陷坑寬度為40m。下面就開采沉陷形成的不同坑深來分析管道的受力變形規(guī)律。

圖4 煤層采后模型圖Fig.4 Model of post-mining areas

由于地表剛剛開始下沉?xí)r，土體處于蠕變狀態(tài)，此時(shí)管土的位移及變形均不明顯，因此圖5～圖8分別列舉了地表下沉5.8m、7.2m、9.4m和11.9m時(shí)地表與管體的相應(yīng)變形情況。

圖5 地表最大下沉5.8m時(shí)對(duì)照?qǐng)DFig.5 Maximum subsidence curve of 5.8m

但是隨著地表下沉的繼續(xù)進(jìn)行，由于管體自身剛度的作用，使得管－土之間的間距逐漸增大(圖8)，此時(shí)管－土不再同步變形，管道兩側(cè)部位開始脫離下部塌陷土體，此時(shí)管體將其上覆土體頂起，管體逐漸轉(zhuǎn)而處于局部暗懸狀態(tài);如果地表下沉進(jìn)一步加大，隨著管土之間的間距越來越大，中間部位管體也與土體分離并外露，從而給了土體隨著管道周邊自由滑落的空間，則管道懸空外露段也將向兩端擴(kuò)展，甚至發(fā)展到管道完全外露懸空狀態(tài)。

圖6 地表最大下沉7.2m時(shí)對(duì)照?qǐng)DFig.6 Maximum subsidence curve of 7.2m

圖7 地表最大下沉9.4m時(shí)對(duì)照?qǐng)DFig.7 Maximum subsidence curve of 9.4m compared with the pipe

圖8 地表最大下沉11.9m時(shí)對(duì)照?qǐng)DFig.8 Maximum subsidence curve of 11.9m，compared with the pipe

此外，還可看到在塌陷區(qū)與未塌陷區(qū)的邊界處，即地表下沉量為0的點(diǎn)，管體向上變形而出現(xiàn)反翹現(xiàn)象，這是由于模型的尺寸效應(yīng)和邊界條件造成的。

4 結(jié)束語

采空塌陷區(qū)管土相互作用的主要因素來自于管體受到的上覆荷載和土體摩擦荷載的大小。根據(jù)采空塌陷的地表變形特征，結(jié)合線性管道工程敷設(shè)的特點(diǎn)以及作用于管體頂面上荷載的變化，將采空塌陷對(duì)管體的作用劃分為土體蠕變、管體局部暗懸、管體完全懸空外露和土體突發(fā)沉陷四階段，由于造成地表采空塌陷的因素十分復(fù)雜，因此這四個(gè)階段既可能是單一情況，也可能是一次塌陷過程中管道經(jīng)歷的不同階段。

其次，急傾斜煤層的開采極易造成地表的非連續(xù)性破壞，實(shí)例中管道經(jīng)過了蠕變、局部暗懸和完全懸空外露三種階段，但是也會(huì)出現(xiàn)因?yàn)榈貙拥某槊捌茐?，?dǎo)致突發(fā)沉陷的情況。

因此，在通過采空區(qū)的油氣管道實(shí)際運(yùn)行過程中，應(yīng)當(dāng)首先根據(jù)現(xiàn)場采空塌陷的程度來判斷管體所處的受力階段和變形特征，然后通過各種階段的受力特征進(jìn)行有針對(duì)性地管體安全評(píng)價(jià)，這對(duì)確保采空區(qū)油氣管道的安全運(yùn)營具有重大意義。

［1］梁政.石油工程中的若干力學(xué)問題［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1999.

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Abstract:The mechanical characteristics of oil and gas pipeline in mining collapse areas was proposed according to the effects of mining areas and properties of pipe material.The effects of subsidence imposed on pipeline are divided into soil creeping，local span，free span，and soil subsidence respectively.Base on the stress-strain relationship of high deformability steel and strain deign，Ramberg-Osgood material stress-strain model was redeveloped.The relationship of pipe-soil interaction of different vertical displacement and the same subsidence width were provided by FLAC3Dnumerical simulation with an example of steep-inclined coal seam mining in west China，and each statute of the mechanical characteristics under the effects of subsidence was verified.

Key words:mining collapse;pipe-soil interaction;stress-strain relationship;oil and gas pipeline;mechanical characteristics;steep-inclined coal seam

Characteristics of pipe-soil interaction in mining collapse areas

WU Zhang-zhong1，HAO Jian-bin1，TAN Dong-jie1，SUN Wan-ming2，HAN Bing1，JING Hong－yuan1，LIU Jian-ping1
(1.PetroChina Pipeline R＆D Center，Langfang Hebei065000，China; 2.Coal Mining and Designing Research Branch，China Coal Research Institute，Beijing100013，China)

1003-8035(2010)03-0077-05

P642.26

A

2010-03-23;

2010-05-06

吳張中(1979—)，男，博士，工程師，主要從事長輸油氣管道地質(zhì)災(zāi)害防護(hù)研究工作。

E-mail:kjwzz@petrochina.com.cn