解析法估測采空塌陷區埋地管道的變形及應力

中國地質大學（北京）水資源與環境學院

解析法估測采空塌陷區埋地管道的變形及應力

吳韶艷 文寶萍

中國地質大學（北京）水資源與環境學院

以西氣東輸工程中某大型采空區的埋地輸氣管道監測的資料為工程實例，基于解析法，通過實際管道跨中下沉值反算管道的懸空距離，從而求出管道變形及軸向應力值。解析公式得到的管道下沉值與實際下沉值在沉陷盆地中央部分比較吻合，越靠近沉陷盆地邊緣，誤差越大，誤差最大值達-58%；管道軸向應力與實際軸向應力相差較大，計算得到的管道軸向應力的最大值要小于實測管道的軸向應力最大值，誤差為-37.2%；而在管道其他位置的監測點，解析公式得到的值要大于管道實測值。原因在于應用解析法時的一些基本假定與實際差異較大，以及公式中的主要參數在復雜的地質情況下很難確定。

采空塌陷；埋地油氣管道；變形；應力；解析法

煤層采空塌陷引發地表變形，導致埋地油氣管道變形和損壞，因此分析采空塌陷后埋地管道變形和應力具有非常重要的工程意義[1-2]。將管道視作彈性支撐梁，采用解析法估算其變形和應力是目前普遍采用的方法，也是相關規范推薦的方法。

1 管道變形及應力監測的工程實例

以西氣東輸工程中某大型采空區的埋地輸氣管道為例。該煤礦為水平煤層，經過物探等勘察手段知管道下方采空區長度為700 m，煤層開采為360 m，開采煤層厚度為6m，礦區地表為粉質黏土。輸氣管道埋深為2m，材料為X70大變形鋼，管道外徑1 016mm，鋼管壁厚21.0mm，鋼材彈性模量2.06×105MPa，鋼材泊松比為0.3，管道最大內工作壓力為10MPa，管道規定的最小屈服強度為485MPa，管道內輸送介質為天然氣。

由監測資料知，地下開采導致地表出現下沉盆地，管道附近土體出現裂縫，管道出現下沉跡象，管道補口帶折皺、翻邊。地表最大下沉值為2.481m，管道最大下沉值為1.885m，管道和土體發生分離，在半移動盆地范圍內管道懸空的距離已有240m。實測管道應力最大值為446.4MPa，超過管道材料的拉伸允許強度，管道已經發生破壞。

2 基于解析法的管道變形及應力計算

通過實際管道跨中下沉值反算管道的懸空距離，從而求出管道變形及軸向應力值[3]。分兩種情況討論：

土體無突發沉陷時，管道所受的荷載包括管道自身重量、管道內介質的重量、管道上覆土體的重量。

土體發生突發沉陷時，除上述荷載外，還需要考慮管道兩邊土體下滑時造成的土與土之間的剪切力。

根據計算結果可知，兩種情況下得到的管道下沉值和軸向應力的規律是一致的。管道最大下沉值位于懸空段的中點位置，如圖1所示。管道軸向應力最大值位于管道懸空段的中點位置，管道端部位置的軸向應力也較大，故管道的端部和中點位置可能首先出現管材的破壞，如圖2所示。

圖1 解析法計算管道下沉曲線

圖2 解析法計算管道軸向應力

3 計算結果與監測結果對比

通過實際監測資料可知，采空過程中土體并未發生突發沉陷。解析法計算得到的懸空段長度為225m，要小于實際懸空長度480m。從懸空段管道中點向一側100m范圍內，計算值與實測值吻合程度較好；越靠近下沉盆地邊緣，計算誤差越大，在沉陷盆地邊緣誤差達-58%。

計算得到的管道的軸向應力最大值為280.3MPa，遠小于實測管道的軸向應力最大值（X2處）446.4MPa，誤差為-37.2%。在X1、X3位置計算得到的軸向應力要大于實測值。其中，X1位置計算得到的軸向應力值為280.3 MPa，而實測值為209.5 MPa，誤差為33.8%。X3位置計算得到的軸向應力值為250.1MPa，實測值為206.2MPa，誤差為21.3%。解析結果判斷管道未發生破壞，與實際情況不符。

4 結論

結合工程實例，分析了基于彈性支撐梁模型的解析法估測采空塌陷區埋地油氣管道變形與應力結果的可靠性，得出如下結論：

（1）解析公式得到的管道下沉值與實際下沉值在沉陷盆地中央部分比較吻合，越靠近沉陷盆地邊緣，誤差越大，誤差最大值達-58%。

（2）解析公式得到的管道軸向應力與實際軸向應力相差較大。計算得到的管道軸向應力的最大值要小于實測管道的軸向應力最大值，誤差為-37.2%；而在管道其他位置的監測點，解析公式得到的值要大于管道實測值。所以利用解析解計算管道軸向應力是不安全的。

（3）解析法估算結果與實測結果相差較大，原因在于應用解析法時的一些基本假定與實際差異較大，以及公式中的主要參數在復雜的地質情況下很難確定。

[1]王鴻，張彌，常懷民．采空區地表移動盆地對埋地管道的影響分析[J]．石油工程建設，2008，34（2），23-26.

[2]王曉霖，帥健，張建強．開采沉陷區埋地管道力學反應分析[J]．巖土力學，2011，32（11）：3 373-3 378.

[3]王小龍，姚安林，沈小偉，等．埋地油氣管道局部懸空的強度和穩定性驗算[J]．油氣田地面工程，2008，27（1）：21-24.

（欄目主持 李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.9.006