开采沉陷区上覆浅埋管线灾害风险评价初探.pdf

开采沉陷区上覆浅埋管线灾害风险评价初探 李丽1，程国明2，张志鹏2，王议2 1. 北京交通大学 土木建筑与工程学院，北京 100044;2. 中国地质环境监测院，北京 100081 ［ 摘 要］介绍了国内外采空沉陷区浅埋输气管线研究现状，提出了浅埋输气管线风险评价的 初步框架及工作程序，并指出了输气管线风险评价研究中亟待解决的问题。 ［ 关键词］开采沉陷;浅埋管线;风险评价 ［ 中图分类号］ X820. 4［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201302- 0067- 04 Disaster Risk uation of Shallow Buried Pipeline over Mining Subsidence Area LI Li1，CHENG Guo- ming2，ZHANG Zhi- peng2，WANG Yi2 1. Civil Construction and Engineering School，Beijing Communications University，Beijing 100044，China; 2. China Geological Environment Monitoring Institute，Beijing 100081，China AbstractThis paper introduced domestic and overseas research status of shallow- buried pipe in mining subsidence area and put for- ward preliminary framework and program of shallow- buried gas transmission pipe risk uation. Problems in gas transmission pipe risk uation research were indicated. Keywordsmining subsidence;shallow- buried pipe;risk uation ［ 收稿日期］ 2012 －11 －06 ［ 基金项目］ 国家自然科学基金资助项目煤矿采动条件下浅埋输气管线变形机理研究 41172266 ;国土资源部百名优秀青年科技人才计 划资助项目长输管线穿越地面塌陷区灾害风险评价方法研究 2007 ［ 作者简介］ 李丽 1988 － ，女，湖北黄冈人，硕士研究生，主要从事开采沉陷监测及风险评价研究。 随着我国长输油气管线工程的发展，在管线建 设过程中，很难避开开采沉陷区 ［1 －2 ］。我国西气东 输管线 一期工程自西向东途经 9 个省 市 自治区，仅在途径的山西、山东、陕西、宁夏 4 个 省区就涉及 8 个主要矿区，受到 76 个矿井开采形 成的部分采空区的影响。浅埋输气管线运输遇到的 最大问题之一是开采沉陷引起的管线变形破坏，如 西气东输山西某段采空沉陷已对管线安全构成严重 威胁，业主已于 2007 年 5 月、2009 年 8 月分别开 挖管沟进行了应力释放及抬管处理;另外，新疆鄯 善乌鲁木齐输气管线的某两段存在的采空塌陷已 对管线构成一定威胁，并已采取措施加以治理或改 线。由此可见，开展开采塌陷区输气管线风险评价 是非常必要的。 本文介绍了国内外开采沉陷区浅埋输气管线研 究现状，提出了浅埋输气管线风险评价的初步框架 和工作程序，指出了浅埋输气管线风险评价研究中 亟待解决的问题。 1开采沉陷区浅埋油气管线研究现状 国外对长输油气管线的风险分析已进行了近 30a 的研究，已经实现了由安全管理向风险管理的 过渡，由定性风险分析向定量风险分析的转化，风 险分析已逐步规范化。然而，对于采动影响引起的 浅埋管线的风险分析刚刚起步。 国外 20 世纪 80 年代曾有一些研究，参见文献 ［ 3 －6］ ，其中有代表性的如文献 ［ 6］ 将管线假定 为梁弯曲问题，认为管线的弯曲下沉与地面沉陷同 步，管线下沉认为是梁弯曲问题，地面沉陷预计采 用概率积分法，提出了预计沉陷区埋地管线的破坏 方法。该方法为采动条件下管线的变形破坏提供了 理论依据，但采用梁模型很难反映管线实际 管 线属薄壁型构件 。 长输浅埋管线穿越采动影响区是近年来我国西 气东输等重大工程建设中出现的新问题，由于该方 面的研究刚刚起步，因而专门针对该方面的研究还 较少 ［7 －12 ］。文献 ［ 8］ 通过移动盆地的最大沉降量 与管线允许的最大沉降量的比较，判定管线的安全 性。但该方法仅关注管线变形最后状态的位移，未 考虑开采过程的不同阶段地面沉陷对管线变形的影 响;文献 ［ 9 －10］ 应用 FLAC3D数值模拟软件将管 线用桩单元简化表示，模拟了急倾斜煤层开采条件 下地表移动及对管线安全的影响，但采用桩单元模 型难以描述薄壁管道的实际，也难以准确反映采动 影响下管线不同部位，特别是不同壁厚处的变形及 力学响应;文献 ［ 11］ 分析了采空塌陷作用下油 76 第 18 卷 第 2 期 总第 111 期 2013 年 4 月 煤矿开采 Coal mining Technology Vol. 18No. 2 Series No. 111 April2013 气管道的受力特征，将采空区地面塌陷过程中塌陷 土体与管道的相互作用分成了土体下塌蠕变、管体 局部暗悬、管体完全悬空外露和土体突发沉陷4 个 阶段;文献 ［ 12］ 将管线用薄壳单元表示，模拟 了急倾斜煤层开采条件下地表移动及对管线安全的 影响，但未考虑油气介质对管线的影响。 综上所述，由于矿山开采沉陷影响是一个非常 复杂的问题，浅埋油气管线穿越采空沉陷区的研究 也还刚刚起步，许多参数需要通过大量实验测试才 能确定。根据目前的情况和研究基础，初步建立了 地面塌陷 沉陷灾害风险评价框架，提出了系 列的工作 处理程序，并指出了浅埋输气管线 风险评价研究中亟待解决的问题。 2采空塌陷区管线风险管理初步框架 在管线工程建设和运营中，对于采空塌陷区的 油气管线开展安全风险管理的必要性和紧迫性十分 明显。而该方面的研究刚刚起步，为此，在对现状 研究的基础上，提出了采空塌陷区管线风险管理初 步框架图 见图 1 。 图 1采空塌陷区管线风险评价初步框架 采空塌陷区输气管线风险评价目的是在地表沉 陷预计与管土耦合作用机理研究基础上，建立管线 风险评价的指标体系，以识别管线高风险的部位， 确定管段维护的优先次序，从而将管线运营的风险 水平控制在合理的、可接受的范围内，达到减少输 气管线事故发生、经济合理地保证管线安全运行的 目的。 3采空塌陷区输气管线风险评价工作程序 3. 1采空沉陷区调研 主要包括采空区和在采区情况的调研。采空区 调查内容包括采煤方法、采空区形成时间、覆岩岩 性、采深、采高、松散层厚度、基岩厚度等，探测 采空区及浅部空洞状况;在采区调查基本的地质采 矿情况、已采工作面情况、开采进度、规划安排 等。 3. 2管线选线 目前油气管线设计和建设往往采取绕道躲避采 空区为主，避开采动影响区或采取压煤赔偿办法。 避让会大幅度增加投资，压煤又会损失矿产资源， 过采动影响区有时无法回避。因而输气管线建设与 资源压覆形成尖锐矛盾。如何在保证输气管线安全 的前提下，寻求矿产资源回收最大化则是风险管理 的目的所在。 管线建设、运营过程处理采动影响的基本思路 是 1线路设计中不刻意回避采动影响区，优 先考虑采空塌陷稳定区，尽量避免压覆矿产资源。 现在躲避采空区的代价越来越大，躲不起，避不 开。如选择管线通过采空区，则可优化缩短管线路 径，节省工程投资、大幅度减少压矿、减少赔偿。 2从技术方法和保护措施上减缓损害保证 线路安全，这也是解决过采动影响区管线建设问题 的关键。技术方法的运用可避免资源损失，既可保 证线路安全，又可带来巨大的效益。 3在线路运营过程中，应加强监测与保护 措施以保障线路安全。 3. 3地面沉陷预计方法 对目前国内外已有的具有代表性的矿山开采地 表移动预计模型进行总结，如概率积分法预计理 论、极坐标预计数学模型、地表剩余移动变形预计 方法、采空区地表残余沉陷估算法、地表移动变形 预计理论计算参数等多种预计模型，探索不同地质 条件下合适的预计方法。同时利用 FLAC3D具有的 FISH 函数功能，在其平台下提出与典型地质开采 条件相适应的力学模型，计算其相应条件下的变形 情况包括水平位移、垂直位移、倾斜、曲率等。 利用监测资料进行验证，并与其他地面塌陷预计方 法进行对比。 3. 4管线与土体耦合作用破坏机理 管线与土体耦合作用破坏机理可以把相似材料 物理模型试验和数值模型计算相结合，通过上述方 法揭示采空沉陷输气区管线的变形破坏过程。 3. 4. 1相似材料物理模型试验 通过相似材料物理模型试验，了解不同开采方 式下管线的变形过程。以典型沉陷区为地质原型， 按照煤矿实际的开采方式，分别进行相似材料物理 模型试验，其中管沟填土取自相应管线附近填土， 管线材料根据相应地段的管线力学参数选取，其他 86 总第 111 期煤矿开采2013 年第 2 期 部位采用石英砂为骨料、石膏和石灰为胶结物的石 膏混合物为相似材料，运用缩尺相似材料物理模型 试验，开展管线动态变化过程研究，通过物理模型 试验可再现不同开采方式下管线变形的全过程，研 究结果与现场监测数据分别开展对比分析，验证每 台物理模型的准确性。 3. 4. 2数值模拟 运用数值模拟揭示不同开采方式下管线的破坏 机理及临界条件，以典型沉陷区为地质原型，按照 煤矿实际的开采方式，首先通过 ANSYS 软件完成 建模、网格剖分，管线模拟可采用薄壳单元，然后 通过 ANSYS 导入 FLAC3D软件中，岩土力学参数可 以通过实验室测试或利用现场监测位移数据，采用 位移反分析法求出岩土力学参数，并与已有的实验 室测试值综合。材料破坏采用摩尔 － 库仑准则，在 FLAC3D数值模型中，改变开采影响因子，直至管 线破坏为止，观察管线的破坏过程及破坏模式，此 时管线周围的应力、应变值及地表塌陷变形即管线 破坏的临界条件。 3. 5开采沉陷区油气管线风险评价指标体系 建立一套既科学、合理，又能从总体上反映管 线实际风险状况的评估指标体系是一个难度相当大 的课题，评估指标体系的设置，应力求符合具体情 况的需要，从实际出发提炼指标，再把指标返回到 评估工作中接受检验，不断完善。 开采沉陷区输气管线风险评价指标体系建立应 考虑地表变形指标与管线允许变形指标。地表沉陷 变形指标初步提出下沉、倾斜、曲率、水平移动和 水平变形 5 种地面沉陷变形指标;管线自身的抗变 形指标的研究，包括管线允许悬空长度、允许轴向 拉伸变形、允许压缩变形、允许纵向最大曲率 或曲率半径 。 3. 6管线防护措施 当设计的管线位于未开采矿藏的地表，采空区 地表移动可能会对管线造成严重危害时，要采取措 施提高管线抗风险能力。使用大应变钢管，增加管 道承受变形、扭曲能力。增加管沟宽度、地表下沟 渠或自动补偿设施埋设管道方式，使得管道受到采 空沉降影响时能自由 “移动” ，及时释放约束力。 对于处于非稳态采空区上覆的管线，需要进行 地表监测或必要的地表剩余移动变形预计分析。如 采空区处于衰减期阶段，用膨胀土夯填地表裂缝; 采空区处于严重危险移动变形期，应设定抬管预警 值，做好抬管方案。2009 年 8 月，西气东输山西 某管线段通过监测数据发现管道变形后，管道公司 及时采取抬管措施，保证了管线的安全。 4输气管线风险评价亟待解决的几个问题 开采沉陷区浅埋油气管线风险评价是涉及地 学、采矿工程、工程力学、材料力学等多学科的科 技难题，风险评价中首先需要多元信息数据的保 证，需要解决制约管线风险评价的科学难题。目前 亟待解决以下几方面的工作 4. 1开展地表变形及管线变形监测 采空区浅埋油气管线风险评价结果的准确性取 决于管线周围的塌陷量及管线的抗变形能力的准确 与可靠。因此，在浅埋管线塌陷区开展地面塌陷和 管线变形监测是建立采空塌陷区埋地管线风险评价 和管理的基础工作。应尽快在采空塌陷区管线段开 展地面塌陷监测示范，获取塌陷变形和管线变形的 准确数据，为管线的风险评价及管理提供依据。从 2010 年起，中国地质环境监测院在西气东输管线 山西某煤矿塌陷区布设 34 个地面塌陷监测点，对 管线周围的地表变形开展监测。 4. 2建立开采沉陷区地表与管线变形信息数据库 管线的风险评价涉及采空区地表变形及管线变 形数据的准确与可靠性。因此，采集管线沿线采空 区参数 地质、采矿、变形等及管线的变形参 数是建立管道风险评价体系的基础工作。为了使管 道信息数据库具有规范性和通用性，我国油气管道 主管部门应尽早制订管道信息数据库的基本要求和 分级标准，然后动员全国各管道公司采集采空区及 埋地管线的信息，建立信息数据库，为研究我国的 管道风险评价体系做好基本数据准备。目前中国地 质环境监测院与中国矿业大学 北京已研发了 基于监测数据的地面塌陷监测预警信息系统。 4. 3开采沉陷区浅埋输气管线失效的临界判据 我国一些采空塌陷区油气管线已存在严重隐 患，但目前尚未提出采空沉陷区输气管线失效的临 界判据。采动引起的管线失效取决于煤层赋存条 件、开采方式、管沟形状、管道埋深、管壁厚度等 因素。因此，尽早开展不同地质条件下采空塌陷区 埋地管线失效的临界判据科学问题的研究是采空塌 陷区埋地管线风险评价的前提。 5结束语 在综述国内外长输油气管线穿越采空区研究现 状基础上，提出了浅埋输气管线风险评价的初步框 架及工作程序，并指出了输气管线风险评价研究中 亟待解决的问题，包括亟待开展采空塌陷区地表变 96 李丽等开采沉陷区上覆浅埋管线灾害风险评价初探2013 年第 2 期 形及管线变形监测，建立开采沉陷区地表变形与管 线变形信息数据库，开展开采沉陷区浅埋输气管线 失效的临界判据研究。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 张光华 . 川气出川管道工程地质灾害刍议 ［J］ . 水文地质工 程地质，2007 5 81 －84. ［ 2］ 刘云彪，徐绍宇，宁国民，等 . 川气管道工程湖北段地质灾 害与防治研究 ［ J］ . 中国地质灾害与防治学报，2007 2 42 －49. ［ 3］ Dearman W. 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