淺埋管線受開(kāi)采沉陷影響的相似材料模型實(shí)驗(yàn)研究

蔡音飛，戴華陽(yáng)

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

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淺埋管線受開(kāi)采沉陷影響的相似材料模型實(shí)驗(yàn)研究

蔡音飛1,2，戴華陽(yáng)2

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

[摘要]西氣東輸管線某段通過(guò)蒿峪煤礦開(kāi)采區(qū)，受到開(kāi)采沉陷影響。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，通過(guò)相似材料模型設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，模擬了地表沉陷的動(dòng)態(tài)過(guò)程和沉陷對(duì)淺埋管線的影響過(guò)程，揭示了管線沉陷與地表沉陷分布形態(tài)相似，時(shí)間同步，但數(shù)值偏小的規(guī)律。模擬證實(shí)了管線受沉陷后彎管部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)地表開(kāi)挖卸載可使管線應(yīng)力釋放，產(chǎn)生明顯回彈，改善其受力狀態(tài)。研究擴(kuò)展了模型實(shí)驗(yàn)在管線沉陷方面的應(yīng)用，對(duì)于管線的保護(hù)和維修有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]淺埋管線；開(kāi)采沉陷；相似材料模型實(shí)驗(yàn)；地表與管線下沉差；應(yīng)力釋放

淺埋輸油(氣)管線下采煤沒(méi)有包含在傳統(tǒng)的“三下” (建筑物、水體、鐵路)開(kāi)采[1]范疇內(nèi)。但隨著我國(guó)西氣東輸工程的開(kāi)展，管線經(jīng)過(guò)采空區(qū)或者管線下開(kāi)采的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)。僅西氣東輸管線一期工程在途徑的山西、山東、陜西、寧夏4個(gè)省區(qū)就涉及8個(gè)主要礦區(qū)，受到76個(gè)礦井開(kāi)采形成的部分采空區(qū)的影響[2]。因此，礦山開(kāi)采對(duì)管線的影響研究也日益得到重視，現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)[3]、數(shù)值模擬[4-7]和相似材料模型實(shí)驗(yàn)[8]均被應(yīng)用于管線受沉陷影響的研究。若干學(xué)者進(jìn)一步從力學(xué)的角度分析受影響管線的應(yīng)力、應(yīng)變情況[7，9-12]。有些研究還嘗試對(duì)管線的安全性進(jìn)行評(píng)估[2，13]，或者對(duì)擬開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)[6，14]，以保護(hù)經(jīng)過(guò)的管線。

相似材料模型實(shí)驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于開(kāi)采沉陷等問(wèn)題的研究中，但針對(duì)受開(kāi)采影響的管線而設(shè)計(jì)的模型實(shí)驗(yàn)很少。文獻(xiàn)[8]用低碳鋼材質(zhì)的鋼管作為管線的相似材料，強(qiáng)度偏大，造成管線與地表的最大下沉差達(dá)到1.5m左右(實(shí)地)，本文認(rèn)為該數(shù)值是過(guò)估的。

本文以通過(guò)蒿峪煤礦采空區(qū)的西氣東輸管線EM090 - EM092段為研究對(duì)象，以相似材料模型實(shí)驗(yàn)為工具，研究管線沉降與地表沉降的關(guān)系，并模擬沉陷區(qū)管線保護(hù)措施之一的彎管部位應(yīng)力釋放的過(guò)程。

1地質(zhì)開(kāi)采條件

西氣東輸管線EM090 - EM092段位于山西省晉城市陽(yáng)城縣境內(nèi)，受蒿峪煤礦開(kāi)采影響。研究區(qū)地處太行山南段西側(cè)，地貌區(qū)劃為侵蝕山地，以低山丘陵為主。

蒿峪煤礦井田范圍全部被第四系黃土覆蓋，井田賦存地層由老到新為：奧陶系中統(tǒng)峰峰組、石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下統(tǒng)石盒子組、二疊系上統(tǒng)上石盒子組、第四系中上更新統(tǒng)。

蒿峪煤礦所開(kāi)采的3號(hào)煤層位于山西組下部，為近水平煤層，厚度5.40～5.94m，平均5.66m，分布穩(wěn)定。3號(hào)煤層上覆巖層和底板的厚度和主要巖性參數(shù)見(jiàn)表1。采區(qū)上方覆巖總厚度約150m，包括約15m厚的松散層。

表1　原型與模型的層厚及主要巖性參數(shù)

蒿峪煤礦為村辦煤礦，已于2007年4月停采。已知西氣東輸管線EM090 - EM092段經(jīng)過(guò)該礦開(kāi)采沉陷區(qū)，管線的平均埋深為2m?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)[3]證明，該地段沉陷已穩(wěn)定。本文將通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)的方法研究開(kāi)采沉陷對(duì)管線造成的影響及其規(guī)律。

2相似材料模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1模型設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用的模型架尺寸為4200mm×250mm×1800mm(長(zhǎng)，寬，高)；幾何al、密度ar、應(yīng)力aσ、時(shí)間at相似常數(shù)分別為1∶150，0.64，0.0043，0.082，計(jì)算方法如下：

al=lm/lp=1/150

(1)

ar=rm/rp=0.64

(2)

aσ=ar/al=0.0043

(3)

(4)

式中，lm為模型長(zhǎng)度；lp為原型長(zhǎng)度；rm為模型密度；rp為原型密度。

根據(jù)上述相似常數(shù)和表1所列原型的尺寸和巖性，可以計(jì)算模型的尺寸和巖性，也列于表1。模型設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，布設(shè)好未開(kāi)采的模型照片見(jiàn)圖2。根據(jù)各個(gè)層位的巖性參數(shù)，模型的相似材料的配比如表2所示。

2.2測(cè)點(diǎn)、管線布置

實(shí)驗(yàn)在覆巖和地表共布置8條橫向觀測(cè)線，見(jiàn)圖1、圖2。最上一條觀測(cè)線盡可能貼近模型上緣鋪設(shè)，作為地表觀測(cè)線；其余7條觀測(cè)線為巖層內(nèi)部觀測(cè)線。測(cè)點(diǎn)標(biāo)志為具有十字絲的圓，鋪設(shè)測(cè)點(diǎn)時(shí)用大頭釘將測(cè)點(diǎn)標(biāo)志釘在模型上，觀測(cè)時(shí)瞄準(zhǔn)標(biāo)志上十字絲的中心讀數(shù)。

圖1　模型設(shè)計(jì)和測(cè)點(diǎn)布置(不含管線測(cè)點(diǎn))

圖2　開(kāi)采前模型照片

管線布置于模型松散層中，地表以下15mm(合實(shí)地2m左右，下文無(wú)特殊說(shuō)明均指模型尺寸)?？紤]在實(shí)地的大尺度上，管線可以承受一定程度的彎曲變形[15]，實(shí)驗(yàn)采用塑料軟管模擬管線，并在其中填充編織物和細(xì)鐵絲(鐵絲沿管長(zhǎng)方向布置)適當(dāng)增加其硬度。管線上布置觀測(cè)線1條，測(cè)點(diǎn)為箍在管線上的細(xì)鐵絲，向上豎直立起，并在鐵絲上部穿有測(cè)點(diǎn)標(biāo)志，見(jiàn)圖3。管線測(cè)點(diǎn)觀測(cè)時(shí)需瞄準(zhǔn)細(xì)鐵絲的頂端讀數(shù)，其上的測(cè)點(diǎn)標(biāo)志由于不固定，僅起輔助瞄準(zhǔn)作用，非觀測(cè)目標(biāo)。

圖3　管線與其測(cè)點(diǎn)照片(表土已移去)

2.3開(kāi)采設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總開(kāi)采長(zhǎng)度為2000mm，開(kāi)切眼位于距模型左側(cè)800mm處?？紤]55°的影響角，預(yù)計(jì)開(kāi)采影響范圍的水平長(zhǎng)度為3456mm，小于模型范圍(參見(jiàn)圖1)。

模型采用全部垮落法處理頂板，每500mm為1個(gè)開(kāi)采階段，共4個(gè)階段。每次采完1個(gè)階段，需穩(wěn)定一段時(shí)間，然后再觀測(cè)覆巖、地表、管線的移動(dòng)變形情況。各開(kāi)采階段內(nèi)，如有明顯巖移變化時(shí)，也需進(jìn)行記錄和觀測(cè)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1“三帶”的形成與發(fā)展

當(dāng)模型開(kāi)采到300mm時(shí)，直接頂首次出現(xiàn)少量垮落；500mm開(kāi)采后，垮落帶高度170mm，垮落帶頂部寬度310mm，地表無(wú)可見(jiàn)變形。

當(dāng)模型開(kāi)采到700mm時(shí)，裂縫帶首次明顯地出現(xiàn)在上覆巖層中；當(dāng)模型開(kāi)采到900mm時(shí)，“三帶”均可在模型中被觀察到，裂縫帶與垮落帶分界開(kāi)始模糊，地表變形明顯。

其后，隨著開(kāi)采的繼續(xù)，“三帶”逐漸向模型開(kāi)采前進(jìn)方向發(fā)展；全部2000mm開(kāi)采結(jié)束后，模型形態(tài)如圖4所示。

圖4　模型全部開(kāi)采后的巖移形態(tài)(開(kāi)采至2000mm)

3.2地表與管線下沉

實(shí)驗(yàn)中，采用經(jīng)緯儀觀測(cè)法，觀測(cè)位置和控制點(diǎn)固定。得到的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)(水平角、豎直角)經(jīng)過(guò)幾何變換[16]獲得測(cè)點(diǎn)在模型平面中的坐標(biāo)，然后可通過(guò)計(jì)算某次觀測(cè)與初始模型的坐標(biāo)差值得到測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)變形量。

模型第一階段(500mm)開(kāi)采后，觀測(cè)到的地表最大下沉為0.7mm。此時(shí)，地表所有測(cè)點(diǎn)的下沉曲線沿橫坐標(biāo)軸呈波動(dòng)狀，并考慮實(shí)驗(yàn)采用觀測(cè)方法的理論精度為0.14mm[16]，可以認(rèn)為沉陷在當(dāng)前尚未發(fā)展到地表。

當(dāng)模型開(kāi)采至第二階段(1000mm)時(shí)，地表變形明顯，最大下沉達(dá)到14.7mm，合下沉率0.40；當(dāng)模型開(kāi)采至第三階段(1500mm)時(shí)，地表最大下沉達(dá)到16.1mm，合下沉率0.44，已接近最終的最大下沉數(shù)值。

模型繼續(xù)開(kāi)采直到最終的2000mm，地表和管線的下沉曲線向開(kāi)采前進(jìn)方向發(fā)展，下沉值也逐漸變大，如圖5和表3所示。開(kāi)采到2000mm時(shí)，地表下沉曲線底部出現(xiàn)平底，可認(rèn)為基本達(dá)到充分下沉。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)?shù)叵鲁料禂?shù)大致為0.5。由于傾斜地表的影響，下沉曲線偏向地表下山一側(cè)，符合非水平地表對(duì)沉陷的一般影響規(guī)律[17]。

圖5　各開(kāi)采階段地表、管線下沉曲線

開(kāi)采階段/mm管線最大下沉/mm地表最大下沉/mm地表下沉率點(diǎn)均下沉差值/mm0～5000.60.70.02-500～100012.614.70.400.581000～150015.716.10.440.611500～200017.317.40.470.91

注：點(diǎn)均下沉差由開(kāi)采范圍內(nèi)的管線、地表下沉數(shù)據(jù)計(jì)算，取絕對(duì)值。

理論上，越靠近采空區(qū)的觀測(cè)線下沉值應(yīng)該越大[18]。據(jù)此可以推論，管線的下沉應(yīng)大于地表的下沉?？紤]到本實(shí)驗(yàn)中管線埋藏很淺(接近地表)，其下沉值應(yīng)與地表一致或略大。但實(shí)際分析各階段管線與地表下沉曲線的對(duì)比圖(圖5)可見(jiàn)，管線的下沉一般比地表下沉要小。這就意味著，管線自身有維持原形態(tài)，對(duì)沉陷有一定的抵抗能力。各開(kāi)采階段，管線與地表點(diǎn)均下沉的差值列于表3。由于開(kāi)采影響范圍外兩側(cè)的管線與地表的下沉值應(yīng)該是一樣的(均為0)，所以在求取管線與地表的下沉的差值時(shí)，只考慮開(kāi)采范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。由表3中點(diǎn)均下沉差值的變化可知，管線與地表的下沉差異隨著開(kāi)采的進(jìn)行逐漸變大。

觀察模型上表面發(fā)現(xiàn)，除常規(guī)應(yīng)出現(xiàn)的垂直開(kāi)采前進(jìn)方向的裂縫外，還出現(xiàn)了平行開(kāi)采方向(即管線鋪設(shè)方向)的裂縫(圖6)，表明管線下沉小于地表下沉，造成了一定程度的相對(duì)隆起，從而形成裂縫。由表3可知，管線與地表的點(diǎn)均下沉差小于1mm，也就是說(shuō)，理論上應(yīng)該存在于模型上的隆起很細(xì)微，直接觀測(cè)并不明顯。但沿管線方向裂縫的存在從側(cè)面證明了地表相對(duì)隆起的事實(shí)。

圖6　沿管線方向(即開(kāi)采方向)裂縫

由圖5可知，雖然管線下沉較地表稍小，但曲線形態(tài)基本相似，而且隨開(kāi)采的發(fā)展趨勢(shì)在時(shí)間上是基本同步的。所以在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，當(dāng)直接監(jiān)測(cè)管線的沉陷有難度時(shí)，可以由管線附近地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)代替淺埋管線的沉陷情況。

3.3管線應(yīng)力釋放

蒿峪煤礦上方輸氣管線在2007年、2009年曾經(jīng)2次對(duì)受沉陷影響的彎管部位采取分段逐步開(kāi)挖的方式進(jìn)行全采空影響段的應(yīng)力釋放[19]。本實(shí)驗(yàn)在模型實(shí)驗(yàn)中模擬該過(guò)程，定性驗(yàn)證應(yīng)力釋放過(guò)程。

在模型全部開(kāi)采(至2000mm)結(jié)束并等待下沉穩(wěn)定后，盡量移去管線上方表土，等待一段時(shí)間后，再對(duì)管線測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得到管線卸去表土載荷、應(yīng)力釋放后的下沉曲線，如圖7所示(表土移除操作有不確定性，無(wú)法保證管線完全不移動(dòng)，所以圖7中卸載后的管線下沉曲線比卸載前的曲線波動(dòng)稍大)?？梢钥吹?，管線在卸載后，明顯向上回彈。開(kāi)采范圍內(nèi)，該曲線與開(kāi)采至2000mm時(shí)管線的下沉曲線的點(diǎn)均下沉差值為1.82mm(合現(xiàn)場(chǎng)約270mm)。可以認(rèn)為，模型實(shí)驗(yàn)中，管線的回彈比例和其所使用的相似材料的性質(zhì)十分相關(guān)，故此處數(shù)據(jù)僅代表實(shí)驗(yàn)條件下結(jié)果。

圖7　開(kāi)采至2000mm時(shí)地表、管線下沉曲線及管線卸載后下沉曲線

在現(xiàn)場(chǎng)，如果應(yīng)力釋放后，管線仍未回彈到理想的位置，還可采取人為反向干預(yù)管道標(biāo)高(即局部管段實(shí)施“抬管”作業(yè))的方式確保管道處于受控狀態(tài)[19]。

4結(jié)論

(1)采用相似模型實(shí)驗(yàn)，使用塑料軟管充填編織物和細(xì)鐵絲作為受開(kāi)采影響的淺埋管線的相似材料，模擬了該管線的開(kāi)采沉陷過(guò)程和卸載回彈現(xiàn)象，很好地反映了現(xiàn)場(chǎng)管線的實(shí)際采動(dòng)影響過(guò)程。

(2)分析了采動(dòng)管線沉陷與地表沉陷分布形態(tài)相似、時(shí)間同步的特征，揭示了管線沉陷數(shù)值較地表數(shù)值偏小的規(guī)律。因此，在工作中可以由管線上方的地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映淺埋管線的沉陷情況。

(3)實(shí)驗(yàn)表明，在沉陷發(fā)生后，可通過(guò)挖開(kāi)表土，釋放管線應(yīng)力使管線回彈。地面開(kāi)挖措施有利于沉陷區(qū)管線的保護(hù)。

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[責(zé)任編輯：鄒正立]

Experimental Studying of Similar Material Model of Shallow Buried Pipeline under Mining Subsidence

CAI Yin-fei1，2，DAI Hua-yang2

(1.Mining Engineering College，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.Geosciences and Surveying Engineering College，China University of Mining & Technology(Beijing)，Beijing 100083,China)

Abstract：One section of west to east gas pipeline in Haoyu coal mine mining area was influenced by mining subsidence，according similar material model design and experiment on the basis of filed situation，influence process of subsidence to shallow buried pipeline and dynamic process of surface subsidence were simulated，the results revealed that distribution shape of pipeline subsidence and surface subsidence is similar，time synchronization，but numerical value is smaller.Stress concentration appeared in elbow position after pipeline subsidence.The experiments showed that stress of pipeline would be released after unloading with surface excavation，rebound obviously，stress state would be changed.The results extended the application scope of model experiment on pipeline subsidence，it referring practical guiding for pipeline protection and maintenance.

Key words：shallow buried pipeline；mining subsidence；similar material model experiment；subsidence difference of surface and pipeline；stress release

[收稿日期]2015-08-19

[作者簡(jiǎn)介]蔡音飛(1983-)，男，浙江嘉興人，土木工程-地質(zhì)工程博士，主要研究方向?yàn)榈V山開(kāi)采沉陷、“三下”采煤和結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論和應(yīng)用。

[中圖分類號(hào)]TD327

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)02-0053-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.015

[引用格式]蔡音飛，戴華陽(yáng).淺埋管線受開(kāi)采沉陷影響的相似材料模型實(shí)驗(yàn)研究[J].煤礦開(kāi)采，2016，21(2)：53-56，94.