南水北調(diào)輸水管線煤炭開采損傷狀態(tài)數(shù)值模擬研究及監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

鄭 輝，孫 杰

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司,山東 鄒城 273500；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州 221000)

我國(guó)大量煤炭資源被“三下”壓覆[1-2]，南水北調(diào)管線東線一期工程濟(jì)寧市續(xù)建配套工程從兗州礦區(qū)鮑店煤礦和濟(jì)三煤礦井田穿過(guò)，壓覆煤炭資源超過(guò)5000萬(wàn)t，因此，選擇合適區(qū)域監(jiān)測(cè)開采擾動(dòng)下管線變形特征，提出針對(duì)性的管線治理方案，對(duì)解放管線下壓煤開采具有重要意義[3-5]。

針對(duì)開采影響下管線變形機(jī)理及治理措施問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開展了廣泛的研究。部分學(xué)者[6-7]為研究地下管土間力學(xué)作用，將彈性地基梁置于半彈性空間狀態(tài)下，將管、土有效剛度之和與管、土有效質(zhì)量之和分別替代管、土系統(tǒng)總有效剛度與有效質(zhì)量，另外，還將管線外壁視為一種彈性介質(zhì)薄殼，這種彈性薄殼具有著各向同質(zhì)性。Schotman[8]利用PLAXIS有限元軟件進(jìn)一步在該類問(wèn)題上進(jìn)行模擬分析，將有限元分析結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，修改了理論公式中各參數(shù)的設(shè)定方法;趙國(guó)旭[9-10]以兗州礦區(qū)煤炭開采條件為基礎(chǔ)，采用相似材料模型試驗(yàn)分析大條帶綜放開采下的覆巖破壞特征與地表移動(dòng)規(guī)律；高明中[11]采用相似材料模擬研究了新集三礦急傾斜煤層條件下重復(fù)開采引起巖體移動(dòng)特征與地表沉陷變形參數(shù)。

但是，上述研究成果多是基于油氣管線取得的，與已有研究成果相比，本區(qū)域的南水北調(diào)輸水管線具有管線直徑大(700 mm)，開采影響程度劇烈(單層采厚8.5 m)等特點(diǎn)，因此需要制定合理的監(jiān)測(cè)方案，監(jiān)測(cè)管線敏感部分在開采擾動(dòng)下的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等變化特征，為管道下壓煤開采及管道治理工作提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

1 研究區(qū)域基本情況

1.1 鮑店煤礦5302工作面基本情況

5302工作面位于鮑店煤礦五采區(qū)西北部。工作面的設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)約1 132～1 354 m，傾向約88～161 m。工作面地勢(shì)南低北高、東低西高。北部煤層走向20～40°，傾向110～130°，傾角為5～14°，平均為8°；南部煤層走向?yàn)?0～45°，傾角為3～9°，平均為6°。工作面井上下對(duì)照?qǐng)D如圖1所示。

圖1 5302工作面井上下對(duì)照?qǐng)D

1.2 南水北調(diào)管線基本情況

南水北調(diào)東線濟(jì)寧市續(xù)建配套工程輸水管線是由南四湖向兗州、曲阜輸水線路的干管，管線結(jié)構(gòu)為雙管線DN700螺旋鋼管，壁厚10 mm，管道中心距為1.5 m，管頂覆土深度為1.5 m。

5302工作面影響區(qū)域管線位于工作面的北部邊界區(qū)域，沿泗河北側(cè)河堤灘地一側(cè)布設(shè)，預(yù)估管線受影響長(zhǎng)度1.75 km，管線位置如圖1中紅色線條所示。

2 管道損傷的數(shù)值模擬分析

為確定南水北調(diào)管線開采影響下的變形狀態(tài)，為區(qū)域大范圍的開展管線開采損傷治理工作提供技術(shù)支持，需針對(duì)性的開展管線開采損害狀態(tài)監(jiān)測(cè)。但監(jiān)測(cè)位置、監(jiān)測(cè)變量及監(jiān)測(cè)周期等內(nèi)容的確定受管線在動(dòng)態(tài)沉陷過(guò)程中的破壞特征制約，因此，采用數(shù)值模擬方法分析管線在不同工況下的損傷狀態(tài)，確定易損區(qū)域，為管線監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.1 管道數(shù)值模型的建立

2.1.1 幾何模型構(gòu)建

采用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行管線及土體沉陷形變分析的數(shù)值模擬，在沉陷影響區(qū)域長(zhǎng)度外均加上100 m錨固管土緩沖區(qū)域，應(yīng)用實(shí)體單元構(gòu)建管道及土體，建模詳細(xì)參數(shù)及建模結(jié)果如表1、圖2所示。

表1 管土部件幾何模型參數(shù)/m

圖2 管土模型幾何部件示意

2.1.2 本構(gòu)模型構(gòu)建

(1)管線本構(gòu)關(guān)系

DN700螺旋鋼管采用X60號(hào)鋼材質(zhì)，利用Ramberg-Osgood模型對(duì)管道材質(zhì)進(jìn)行本構(gòu)關(guān)系建模，基礎(chǔ)參數(shù)如表2所示。

表2 管材基礎(chǔ)參數(shù)

(2)土體本構(gòu)關(guān)系

由于土體在變形時(shí)同時(shí)具有著彈性性質(zhì)和塑性性質(zhì)，基于廣義胡克定律，選擇Mohr-Coulomb模型定義土體本構(gòu)關(guān)系，參數(shù)如表3所示。

表3 土體材料參數(shù)

2.2 管道數(shù)值模擬邊界條件的確定

本次數(shù)值模擬采用位移邊界施加的情況進(jìn)行，以概率積分法計(jì)算的地表移動(dòng)變形為位移邊界，施加給數(shù)值模型底邊，進(jìn)行開采影響狀態(tài)下管線移動(dòng)變形的損傷狀態(tài)計(jì)算，共分三種工況：(1)未充分采動(dòng)階段；(2)臨界充分采動(dòng)階段；(3)5302工作面穩(wěn)沉階段。

以5302工作面穩(wěn)沉工況為例，施加邊界條件后數(shù)值模型如圖3所示。數(shù)值模型的邊界條件由橙色表示：當(dāng)中點(diǎn)狀圖形代表自由度為0，該點(diǎn)所在位置的邊界坐標(biāo)固定不變；箭頭圖形則代表著相對(duì)應(yīng)的位置自由度大小以及方向，在Y軸負(fù)方向上施加負(fù)方向的下沉自由度、在Z軸及X軸方向上施加水平移動(dòng)自由度；模型左側(cè)的Y軸負(fù)方向箭頭圖形代表了模型自身所受重力的載荷情況；模型向軸心外側(cè)發(fā)散的紫色箭頭代表了其工作內(nèi)壓。

圖3 管-土模型載荷邊界條件設(shè)置示意

2.3 不同工況管道損傷計(jì)算結(jié)果

分別計(jì)算三種工況下管線各位置的位移和變形狀態(tài)，提取數(shù)據(jù)繪制沿管線不同位置的下沉、水平移動(dòng)及應(yīng)力分布情況如圖4～圖6所示。

圖4 三階段管線下沉曲線

圖5 三階段水平移動(dòng)變形情況

從圖4～圖6中可以看出，在開采影響的不同階段，管線不同位置的移動(dòng)和變形呈現(xiàn)出明顯的差異性，而引起管線產(chǎn)生明顯損傷的為應(yīng)力的明顯變化，從圖6中可以看出：

圖6 三階段管線軸向應(yīng)力情況

(1)在工作面處于未充分采動(dòng)階段時(shí)，管線的軸向應(yīng)力值達(dá)到了134 Mpa與174 Mpa兩個(gè)峰值，這兩處峰值分別在183 m和580 m處；在管線379 m處應(yīng)力值達(dá)到一個(gè)大小為-283 Mpa的谷值；

(2)在工作面處于充分采動(dòng)階段時(shí)，管線的軸向應(yīng)力值在220 m與840 m處達(dá)到了兩個(gè)峰值，分別為294 Mpa與170 Mpa，在管線568 m處則達(dá)到了-326 Mpa的谷值；

(3)工作面全采完成后，管線的前半部分軸向應(yīng)力與充分采動(dòng)階段的應(yīng)力分布相近，但是后半部分又在923 m、1 294 m與1 681 m處新增了三處峰值，分別為302 Mpa、141 Mpa與361 Mpa，在管線1 170 m與1 415 m處新增了兩處谷值分別為-192 Mpa與-169 Mpa。

3 管道損傷監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備的確定

本次針對(duì)管線損害監(jiān)測(cè)采用的設(shè)備是STL-24型多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.2 監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分

SLT-24型多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器的感應(yīng)范圍有限，加之所設(shè)置的數(shù)量限制，需要對(duì)所監(jiān)測(cè)范圍進(jìn)行提前的區(qū)域劃分，根據(jù)各個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域所需的監(jiān)測(cè)力度和情況進(jìn)行傳感器的合理布設(shè)，從而使整個(gè)區(qū)域監(jiān)測(cè)更具有協(xié)調(diào)性和高效性。

其中，監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分過(guò)程如下：

(1)鑒于項(xiàng)目所使用的傳感器數(shù)量限制，無(wú)法在監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行大范圍、高密度的傳感器布設(shè)，所以需要對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行安全區(qū)域和易受損區(qū)域的劃分，不同區(qū)域所設(shè)置的傳感器密度不同，從而達(dá)到更加高效且具有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)；

(2)區(qū)域劃分的基準(zhǔn)是所提供的現(xiàn)場(chǎng)工程相關(guān)資料中標(biāo)明的管線屈服強(qiáng)度(113 Mpa)，結(jié)合前文所示的數(shù)值模擬結(jié)果，針對(duì)于管線所受應(yīng)力進(jìn)行判斷，如果區(qū)域中管線所受到的軸向應(yīng)力大于限定的屈服強(qiáng)度，則判定該區(qū)域?yàn)橐资軗p區(qū)域；如果區(qū)域中管線所受軸向應(yīng)力小于限定的屈服強(qiáng)度，則判定該區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)域。由于數(shù)值模擬是建立在相對(duì)理想的條件下得到的結(jié)果，因此為了提高方案的嚴(yán)謹(jǐn)性，在進(jìn)行管線所受應(yīng)力比對(duì)時(shí)應(yīng)將限定的屈服強(qiáng)度乘上0.95，以此來(lái)劃分不同區(qū)域。即以±107 Mpa的屈服強(qiáng)度作為判定安全區(qū)域和易受損區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)。管線最終所受應(yīng)力結(jié)果對(duì)比圖及所劃分的各個(gè)區(qū)域如圖7和圖8所示。

圖7 全采應(yīng)力與屈服強(qiáng)度關(guān)系圖

圖8 安全與易損區(qū)域劃分示意圖

3.3 傳感器布設(shè)

本次采用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一共包含了24個(gè)傳感器，這些傳感器需要結(jié)合監(jiān)測(cè)區(qū)域的具體分布特征和屬性進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，更容易受損的區(qū)域布設(shè)更多傳感器、長(zhǎng)測(cè)區(qū)進(jìn)行更多的傳感器布設(shè)，同時(shí)在這基礎(chǔ)上還需要保證每一個(gè)測(cè)區(qū)都有傳感器的布設(shè)。每個(gè)測(cè)區(qū)所分配到的傳感器以及所有傳感器在監(jiān)測(cè)區(qū)域的設(shè)置位置如圖9所示，圖中，紅色代表著區(qū)域邊界的劃分，綠色代表著傳感器的布設(shè)位置，由圖8可以看出，管線的安全區(qū)域與易損區(qū)域是交替存在的，所以在設(shè)置傳感器的時(shí)候，每個(gè)安全區(qū)域之內(nèi)分別設(shè)置一個(gè)傳感器；在易損區(qū)域中，三處長(zhǎng)度在40～60 m之間的區(qū)域分別設(shè)置一個(gè)傳感器，東側(cè)三處易損區(qū)域長(zhǎng)度范圍在170～220 m之間，每個(gè)區(qū)域中按距離平均分配設(shè)置三個(gè)傳感器，位于西側(cè)的易受損區(qū)域長(zhǎng)度超過(guò)了240 m，在區(qū)域中按距離平均分配四個(gè)傳感器。

圖9 傳感器布設(shè)示意圖

3.4 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及監(jiān)測(cè)時(shí)期

本次方案設(shè)計(jì)的觀測(cè)內(nèi)容主要分為三部分：背景噪聲觀測(cè)、設(shè)備靈敏度的標(biāo)定和管線的損害監(jiān)測(cè)。其中，背景噪聲的觀測(cè)設(shè)置在整個(gè)觀測(cè)的首末，分別觀測(cè)兩次，共觀測(cè)四次；設(shè)備靈敏度的標(biāo)定應(yīng)該在地表發(fā)生下沉之前進(jìn)行，為了減小標(biāo)定誤差，每個(gè)傳感器共進(jìn)行三次標(biāo)定，取平均值；在整個(gè)地表移動(dòng)的過(guò)程當(dāng)中進(jìn)行管線的全時(shí)段損害監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 論

針對(duì)南水北調(diào)管線開采損傷狀態(tài)不明，需布置合理的方案進(jìn)行管線開采損傷監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，本文以鮑店礦5302工作面研究區(qū)域?yàn)槔?，建立南水北調(diào)管線數(shù)值模型，通過(guò)未充分采動(dòng)、充分采動(dòng)和工作面穩(wěn)沉三種位移邊界條件的施加，獲得不同開采影響時(shí)期管線的損傷狀態(tài)，得到管線開采影響下的安全區(qū)與易損區(qū)域。然后選擇聲發(fā)射系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)設(shè)備，以易損區(qū)域?yàn)楸O(jiān)測(cè)重點(diǎn)，針對(duì)性的設(shè)計(jì)了由24個(gè)傳感器組成的管線損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。