采煤影響下南水北調(diào)管線動態(tài)治理時機確定及治理方案設(shè)計

鄭 輝, 單帥帥

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500；2.中煤天津設(shè)計工程有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056031)

南水北調(diào)輸水管線東線工程配套管線部分經(jīng)過兗州煤業(yè)鮑店煤礦五采區(qū)和六采區(qū)規(guī)劃開采工作面，壓覆可采煤炭資源1 529.1萬t，解決管線保護與壓煤開采矛盾問題是實現(xiàn)管道正常運營與煤礦可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實問題。

針對開采擾動下管線的損傷問題，李麗等[1]研究表明在煤礦開采引起的地表移動到達(dá)一定界限時，管道可能會發(fā)生局部屈曲或失效；Peng S.S、王曉霖等[2-3]利用概率積分法對管道變形進行了分析。王金東等[4]基于管道失效的因素分析，得到了評價油氣管道安全性標(biāo)準(zhǔn)。韓冰、萬繼濤、程國明等[5-7]通過數(shù)值模擬對管線的變形進行了分析。王鴻、劉名陽等[8-9]以地表下沉和管道形變量為基礎(chǔ)對管道的安全性做出了分析。針對管道治理和管道建設(shè)，改道避開采動區(qū)是最優(yōu)方案[10]，但仍存在征地、管線停工等眾多問題。

綜上所述，國內(nèi)外專家學(xué)者針對煤炭資源開采對管線的損傷評估及管線治理進行了一些有益的探討，理論上取得了一些進展，并成功指導(dǎo)了現(xiàn)場實踐工作。但是，仍有一些需要進行深入探討和研究之處，如上述研究多是基于輸氣管線進行的研究，輸水管線在尺寸及運行條件上與上述成果存在差異性；管線的損傷評估方面開展的研究較多，但對管線的原位治理方案和治理時機均缺乏系統(tǒng)性的研究。因此，本文基于上述研究內(nèi)容，以鮑店煤礦五采區(qū)5302工作面開采影響南水北調(diào)管線為例，開展管線開采損傷過程、管線治理時機及治理方案的研究工作。

1 研究區(qū)域概況

5302工作面位于鮑店煤礦井田西北部，工作面走向長約1 132～1 354 m，傾向?qū)捈s88～161 m，回采深度242～294 m，平均采深278 m，平均厚度8.3 m，規(guī)劃回采速度6 m/d。工作面東部為已采的5303工作面采空區(qū)。

南水北調(diào)輸水管線為DN700螺旋鋼管，管道直徑700 mm，壁厚10 mm，雙管線結(jié)構(gòu)布置，兩管線中心距1.5 m。研究區(qū)內(nèi)的管線位于泗河沿岸灘地，布設(shè)方法使用的是淺埋雙管線法，管頂覆土主要為砂質(zhì)粘土，管道平均埋深為1.5 m。

輸水管線與5302工作面的井上下對照關(guān)系如圖1所示。

圖1 5302工作面與管線位置對應(yīng)關(guān)系

2 管線臨界變形值確定

大量的實測資料表明，鮑店煤礦地表實測符合概率積分法模型[11-12]，并具有穩(wěn)定的實測預(yù)計參數(shù)[13]。

因此，本文采用概率積分法動態(tài)預(yù)計計算得到的管道區(qū)域移動變形數(shù)值作為邊界條件，采用數(shù)值模擬的計算方法確定開采活動對管道的損傷情況。

采用ABAQUS軟件建立研究區(qū)域南水北調(diào)管道及周圍土體模型如圖2所示，根據(jù)文獻[14]中的相關(guān)規(guī)定，Q235B鋼管采用彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變模型，力學(xué)參數(shù)如表1所示。土體采用Mohr-Coulomb模型，土體物理力學(xué)參數(shù)參照兗州礦區(qū)實測參數(shù)，如表2所示。

圖2 土體及管道數(shù)值模型

表1 埋地管道材料參數(shù)

表2 土體材料參數(shù)

根據(jù)地表開采沉陷的發(fā)生及發(fā)展過程，對管線周邊的土地施加表3中的7種工況邊界條件，計算管線位置的應(yīng)力及應(yīng)變情況。計算得到各工況管道軸線方向應(yīng)力分布情況如圖3所示。

表3 各工況地表變形值

圖3 不同工況管道頂部軸向應(yīng)力分布

在判斷管線可承受變形能力時，文獻[14]研究表明，管線軸向應(yīng)力應(yīng)低于最低屈服強度的80%，而《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)[15]規(guī)定Q235型鋼管焊接縫抗拉強度理論上為185 Mpa，取該值作為南水北調(diào)管線最小屈服強度σs，則可得到該管線的容許軸向應(yīng)力σA為148 Mpa。

設(shè)置w ij和w jk的初始連接權(quán)值，初始連接權(quán)值是在(-1，1)區(qū)間隨機選取的非零值，同時給定計算精度值ε(ε＞0)。

根據(jù)管道的容許軸向應(yīng)力，結(jié)合表3和圖3的數(shù)據(jù)可以得到，南水北調(diào)管線可承受的最大地表正曲率變形值為0.46 mm/m2，最大負(fù)曲率變形值為-0.93 mm/m2，在管線治理時，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施保證煤炭開采誘發(fā)的地表曲率變形值小于上述指標(biāo)。

3 管線治理時機的確定

管道治理按照作業(yè)內(nèi)容和順序，可分為管道標(biāo)高恢復(fù)和管道預(yù)抬升兩部分，如圖4所示。當(dāng)工作面回采一段時間后，工作面上方開始逐步出現(xiàn)下沉和變形，管道受周圍土體影響，也會出現(xiàn)下沉，同時產(chǎn)生沿橫向和軸向的形變。為了避免管道在煤炭開采影響下的附加應(yīng)力超過容許變形值而產(chǎn)生破壞，需要在管道周邊區(qū)域地表變形值到達(dá)臨界狀態(tài)之前進行管線的治理工作。煤炭開采引起下沉的治理可分為標(biāo)高恢復(fù)和預(yù)抬升兩個階段，將管道預(yù)抬升工作及時放在管道標(biāo)高恢復(fù)之后進行，可以減少外業(yè)工作量，降低成本，同時，更能夠發(fā)揮管道抗變形性能。

圖4 管道治理施工示意圖

對5302工作面進行動態(tài)預(yù)計可以得到：當(dāng)管道沿線地表變形值到達(dá)極值時，需要對管道進行第一次標(biāo)高恢復(fù)，此時工作面回采到距開切眼180 m，同時，平面方向上也應(yīng)對管線進行水平方向撥移，恢復(fù)原始狀態(tài)。

當(dāng)管道標(biāo)高恢復(fù)工作完成之后，需要對管道進行預(yù)抬升，預(yù)抬升的高度應(yīng)以動態(tài)預(yù)計所得的地表下沉值為依據(jù)，在施工時要做到預(yù)抬升引起的管道附加形變需小于容許臨界變形值。根據(jù)5302工作面動態(tài)預(yù)計計算結(jié)果，當(dāng)工作面回采到距離開切眼240 m后，地表的曲率變形極值達(dá)到臨界狀態(tài)，按照之前計算的管線可承受最大正曲率變形0.44 mm/m2對管線進行預(yù)抬升，因此預(yù)抬升區(qū)段為距開切眼180 m推進至240 m段，預(yù)抬升量為動態(tài)計算的地表沉陷量。按照上述方法依次計算5302工作面后續(xù)開采需進行的管線標(biāo)高恢復(fù)和預(yù)抬升工作量，可得到該工作面開采影響期共需對管道進行6次治理工程，每次治理工程施工計劃如表4所示。

4 管線治理技術(shù)措施

4.1 管道下沉治理

反向抬升法是目前治理管道下沉的常用方法，按照抬升裝置的不同，該方法分為裝置置于管道上方和管道下方兩種方式進行作業(yè)。裝置置于管道上方的主要通過起重設(shè)備吊起管線后對管線位置進行恢復(fù)，裝置置于下方的管線治理方式有千斤頂、起重氣墊等，通過自身功能來對管道位置進行恢復(fù)。本文研究區(qū)域位于河道灘地，使用大型起重設(shè)備不便，而起重氣墊具有質(zhì)量小、可反復(fù)利用、操作方便等優(yōu)勢，在河道灘地使用更加符合實際，因此本文選取TLB-40型起重氣墊作為抬升裝置，如圖5所示，該型號氣墊性能參數(shù)如表5所示。

圖5 管道抬升氣墊

表5 起重氣墊性能參數(shù)

《現(xiàn)役管道的不停輸移動推薦作法》[16]中給出了管道支撐座間最大距離限度的計算公式，如式(1)所示：

(1)

式中，LS為道支座間的最大跨度，mm；d為管道內(nèi)徑，mm；D為管道外徑，mm；σA為許用軸向彎曲應(yīng)力，MPa。

計算得到，南水北調(diào)管道抬升裝置間的安全距離應(yīng)為27.7 m，考慮一定的安全系數(shù)，在進行管線治理時，建議裝置間安全距離設(shè)置為20 m。

4.2 管道水平變形治理

管道的水平變形包括軸向水平變形和橫向水平變形兩部分，對于不同方向的水平變形應(yīng)當(dāng)采取不同的方法治理。管道的橫向水平變形同樣采用起重氣墊法進行治理，當(dāng)管道完成標(biāo)高恢復(fù)及預(yù)抬升之后，將起重氣墊按照安全距離間隔設(shè)置在管道一側(cè)，通過氣墊充氣操作施加反向作用力將管線在水平方向撥回原位，如圖6所示。針對管道軸向水平變形，通常使用管道伸縮補償器進行治理，在管線上按照實際情況設(shè)置補償器，從而對管線的形變進行相應(yīng)補償，減少管道形變的損害。依據(jù)該段管線自身和地形等特點，并參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知：采用補償量大、抗伸縮能力強的直埋式波紋位移補償器更為合適，如圖7所示。

圖6 起重氣墊水平撥管示意圖

圖7 直埋式波紋補償器

5 結(jié) 論

(1)將概率積分法動態(tài)預(yù)計得到的地表移動變形作為邊界條件，確定了南水北調(diào)管線和周邊土地的數(shù)值模擬參數(shù)，計算了南水北調(diào)管線在不同開采工況下的移動變形值和應(yīng)力分布狀態(tài)。(2)確定了南水北調(diào)管道的容許軸向應(yīng)力σA為148 Mpa，可承受的最大地表正曲率變形值為0.46 mm/m2，最大負(fù)曲率變形值為-0.93 mm/m2，在管線治理時，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施保證煤炭開采誘發(fā)的地表曲率變形值小于上述指標(biāo)。(3)根據(jù)5302工作面推進對管道的動態(tài)影響過程，確定了管道共需要6次的標(biāo)高恢復(fù)和預(yù)抬升，確定了每次的施工范圍和施工量。(4)提出了下沉和橫向水平變形采用氣墊進行恢復(fù)，縱向水平移動采用直埋式波紋位移補償器的加固方案。