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(jì)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(hù)與壓煤開采矛盾問題是實(shí)現(xiàn)管道正常運(yùn)營與煤礦可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行了一些有益的探討，理論上取得了一些進(jìn)展，并成功指導(dǎo)了現(xiàn)場實(shí)踐工作。但是，仍有一些需要進(jìn)行深入探討和研究之處，如上述研究多是基于輸氣管線進(jìn)行的研究，輸水管線在尺寸及運(yùn)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(jī)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(jī)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(shí)測資料表明，鮑店煤礦地表實(shí)測符合概率積分法模型[11-12]，并具有穩(wěn)定的實(shí)測預(yù)計(jì)參數(shù)[13]。

因此，本文采用概率積分法動態(tài)預(yù)計(jì)計(jì)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(jì)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(xiàn)[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(shí)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(jì)算管線位置的應(yīng)力及應(yīng)變情況。計(jì)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(xiàn)[14]研究表明，管線軸向應(yīng)力應(yīng)低于最低屈服強(qiáng)度的80%，而《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)[15]規(guī)定Q235型鋼管焊接縫抗拉強(qiáng)度理論上為185 Mpa，取該值作為南水北調(diào)管線最小屈服強(qiáng)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(jī)選取的非零值，同時給定計(jì)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行動態(tài)預(yù)計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行預(yù)抬升，預(yù)抬升的高度應(yīng)以動態(tài)預(yù)計(jì)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(jì)計(jì)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(jì)算的管線可承受最大正曲率變形0.44 mm/m2對管線進(jìn)行預(yù)抬升，因此預(yù)抬升區(qū)段為距開切眼180 m推進(jìn)至240 m段，預(yù)抬升量為動態(tài)計(jì)算的地表沉陷量。按照上述方法依次計(jì)算5302工作面后續(xù)開采需進(jìn)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(jìn)行6次治理工程，每次治理工程施工計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jì)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(bǔ)償器進(jìn)行治理，在管線上按照實(shí)際情況設(shè)置補(bǔ)償器，從而對管線的形變進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)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(diǎn)，并參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知：采用補(bǔ)償量大、抗伸縮能力強(qiáng)的直埋式波紋位移補(bǔ)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(bǔ)償器

5 結(jié) 論

(1)將概率積分法動態(tài)預(yù)計(jì)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(jì)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(jìn)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(jìn)行恢復(fù)，縱向水平移動采用直埋式波紋位移補(bǔ)償器的加固方案。