蔡音飛，戴華陽

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

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淺埋管線受開采沉陷影響的相似材料模型實驗研究

蔡音飛1,2，戴華陽2

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

[摘要]西氣東輸管線某段通過蒿峪煤礦開采區(qū)，受到開采沉陷影響。結(jié)合現(xiàn)場條件，通過相似材料模型設(shè)計和實驗，模擬了地表沉陷的動態(tài)過程和沉陷對淺埋管線的影響過程，揭示了管線沉陷與地表沉陷分布形態(tài)相似，時間同步，但數(shù)值偏小的規(guī)律。模擬證實了管線受沉陷后彎管部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。實驗表明，通過地表開挖卸載可使管線應(yīng)力釋放，產(chǎn)生明顯回彈，改善其受力狀態(tài)。研究擴展了模型實驗在管線沉陷方面的應(yīng)用，對于管線的保護和維修有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

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

淺埋輸油(氣)管線下采煤沒有包含在傳統(tǒng)的“三下” (建筑物、水體、鐵路)開采[1]范疇內(nèi)。但隨著我國西氣東輸工程的開展，管線經(jīng)過采空區(qū)或者管線下開采的問題逐漸顯現(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個省區(qū)就涉及8個主要礦區(qū)，受到76個礦井開采形成的部分采空區(qū)的影響[2]。因此，礦山開采對管線的影響研究也日益得到重視，現(xiàn)場變形監(jiān)測[3]、數(shù)值模擬[4-7]和相似材料模型實驗[8]均被應(yīng)用于管線受沉陷影響的研究。若干學(xué)者進一步從力學(xué)的角度分析受影響管線的應(yīng)力、應(yīng)變情況[7，9-12]。有些研究還嘗試對管線的安全性進行評估[2，13]，或者對擬開采區(qū)域進行調(diào)整設(shè)計[6，14]，以保護經(jīng)過的管線。

相似材料模型實驗被廣泛應(yīng)用于開采沉陷等問題的研究中，但針對受開采影響的管線而設(shè)計的模型實驗很少。文獻[8]用低碳鋼材質(zhì)的鋼管作為管線的相似材料，強度偏大，造成管線與地表的最大下沉差達到1.5m左右(實地)，本文認為該數(shù)值是過估的。

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

1地質(zhì)開采條件

西氣東輸管線EM090 - EM092段位于山西省晉城市陽城縣境內(nèi)，受蒿峪煤礦開采影響。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)。

蒿峪煤礦所開采的3號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號煤層上覆巖層和底板的厚度和主要巖性參數(shù)見表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)過該礦開采沉陷區(qū)，管線的平均埋深為2m?，F(xiàn)場觀測[3]證明，該地段沉陷已穩(wěn)定。本文將通過模型實驗的方法研究開采沉陷對管線造成的影響及其規(guī)律。

2相似材料模型實驗設(shè)計

2.1模型設(shè)計

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

al=lm/lp=1/150

(1)

ar=rm/rp=0.64

(2)

aσ=ar/al=0.0043

(3)

(4)

式中，lm為模型長度；lp為原型長度；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，可以計算模型的尺寸和巖性，也列于表1。模型設(shè)計見圖1，布設(shè)好未開采的模型照片見圖2。根據(jù)各個層位的巖性參數(shù)，模型的相似材料的配比如表2所示。

2.2測點、管線布置

實驗在覆巖和地表共布置8條橫向觀測線，見圖1、圖2。最上一條觀測線盡可能貼近模型上緣鋪設(shè)，作為地表觀測線；其余7條觀測線為巖層內(nèi)部觀測線。測點標志為具有十字絲的圓，鋪設(shè)測點時用大頭釘將測點標志釘在模型上，觀測時瞄準標志上十字絲的中心讀數(shù)。

圖1　模型設(shè)計和測點布置(不含管線測點)

圖2　開采前模型照片

管線布置于模型松散層中，地表以下15mm(合實地2m左右，下文無特殊說明均指模型尺寸)?？紤]在實地的大尺度上，管線可以承受一定程度的彎曲變形[15]，實驗采用塑料軟管模擬管線，并在其中填充編織物和細鐵絲(鐵絲沿管長方向布置)適當(dāng)增加其硬度。管線上布置觀測線1條，測點為箍在管線上的細鐵絲，向上豎直立起，并在鐵絲上部穿有測點標志，見圖3。管線測點觀測時需瞄準細鐵絲的頂端讀數(shù)，其上的測點標志由于不固定，僅起輔助瞄準作用，非觀測目標。

圖3　管線與其測點照片(表土已移去)

2.3開采設(shè)計

實驗設(shè)計總開采長度為2000mm，開切眼位于距模型左側(cè)800mm處。考慮55°的影響角，預(yù)計開采影響范圍的水平長度為3456mm，小于模型范圍(參見圖1)。

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

3實驗結(jié)果與討論

3.1“三帶”的形成與發(fā)展

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

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

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

圖4　模型全部開采后的巖移形態(tài)(開采至2000mm)

3.2地表與管線下沉

實驗中，采用經(jīng)緯儀觀測法，觀測位置和控制點固定。得到的測點數(shù)據(jù)(水平角、豎直角)經(jīng)過幾何變換[16]獲得測點在模型平面中的坐標，然后可通過計算某次觀測與初始模型的坐標差值得到測點的移動變形量。

模型第一階段(500mm)開采后，觀測到的地表最大下沉為0.7mm。此時，地表所有測點的下沉曲線沿橫坐標軸呈波動狀，并考慮實驗采用觀測方法的理論精度為0.14mm[16]，可以認為沉陷在當(dāng)前尚未發(fā)展到地表。

當(dāng)模型開采至第二階段(1000mm)時，地表變形明顯，最大下沉達到14.7mm，合下沉率0.40；當(dāng)模型開采至第三階段(1500mm)時，地表最大下沉達到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)開采直到最終的2000mm，地表和管線的下沉曲線向開采前進方向發(fā)展，下沉值也逐漸變大，如圖5和表3所示。開采到2000mm時，地表下沉曲線底部出現(xiàn)平底，可認為基本達到充分下沉。根據(jù)實驗結(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)，符合非水平地表對沉陷的一般影響規(guī)律[17]。

圖5　各開采階段地表、管線下沉曲線

開采階段/mm管線最大下沉/mm地表最大下沉/mm地表下沉率點均下沉差值/mm0～5000.60.70.02-500～100012.614.70.400.581000～150015.716.10.440.611500～200017.317.40.470.91

注：點均下沉差由開采范圍內(nèi)的管線、地表下沉數(shù)據(jù)計算，取絕對值。

理論上，越靠近采空區(qū)的觀測線下沉值應(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]到本實驗中管線埋藏很淺(接近地表)，其下沉值應(yīng)與地表一致或略大。但實際分析各階段管線與地表下沉曲線的對比圖(圖5)可見，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)，對沉陷有一定的抵抗能力。各開采階段，管線與地表點均下沉的差值列于表3。由于開采影響范圍外兩側(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，只考慮開采范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。由表3中點均下沉差值的變化可知，管線與地表的下沉差異隨著開采的進行逐漸變大。

觀察模型上表面發(fā)現(xiàn)，除常規(guī)應(yīng)出現(xiàn)的垂直開采前進方向的裂縫外，還出現(xiàn)了平行開采方向(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隆起，從而形成裂縫。由表3可知，管線與地表的點均下沉差小于1mm，也就是說，理論上應(yīng)該存在于模型上的隆起很細微，直接觀測并不明顯。但沿管線方向裂縫的存在從側(cè)面證明了地表相對隆起的事實。

圖6　沿管線方向(即開采方向)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，而且隨開采的發(fā)展趨勢在時間上是基本同步的。所以在現(xiàn)場監(jiān)測時，當(dāng)直接監(jiān)測管線的沉陷有難度時，可以由管線附近地表監(jiān)測數(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次對受沉陷影響的彎管部位采取分段逐步開挖的方式進行全采空影響段的應(yīng)力釋放[19]。本實驗在模型實驗中模擬該過程，定性驗證應(yīng)力釋放過程。

在模型全部開采(至2000mm)結(jié)束并等待下沉穩(wěn)定后，盡量移去管線上方表土，等待一段時間后，再對管線測點進行測量，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，無法保證管線完全不移動，所以圖7中卸載后的管線下沉曲線比卸載前的曲線波動稍大)?？梢钥吹?，管線在卸載后，明顯向上回彈。開采范圍內(nèi)，該曲線與開采至2000mm時管線的下沉曲線的點均下沉差值為1.82mm(合現(xiàn)場約270mm)?？梢哉J為，模型實驗中，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)僅代表實驗條件下結(jié)果。

圖7　開采至2000mm時地表、管線下沉曲線及管線卸載后下沉曲線

在現(xiàn)場，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)管道標高(即局部管段實施“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)采用相似模型實驗，使用塑料軟管充填編織物和細鐵絲作為受開采影響的淺埋管線的相似材料，模擬了該管線的開采沉陷過程和卸載回彈現(xiàn)象，很好地反映了現(xiàn)場管線的實際采動影響過程。

(2)分析了采動管線沉陷與地表沉陷分布形態(tài)相似、時間同步的特征，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)測數(shù)據(jù)反映淺埋管線的沉陷情況。

(3)實驗表明，在沉陷發(fā)生后，可通過挖開表土，釋放管線應(yīng)力使管線回彈。地面開挖措施有利于沉陷區(qū)管線的保護。

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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，主要研究方向為礦山開采沉陷、“三下”采煤和結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論和應(yīng)用。

[中圖分類號]TD327

[文獻標識碼]A

[文章編號]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.淺埋管線受開采沉陷影響的相似材料模型實驗研究[J].煤礦開采，2016，21(2)：53-56，94.