山西煤礦采空區(qū)天然氣管道隱患治理探索與實踐

石悅 李朝 郭文朋

1山西能源學院

2中國石油天然氣管道工程有限公司

3山西天然氣有限公司

山西是煤炭資源開發(fā)大省，因采煤造成近3 000 km2的采空沉陷區(qū)，近年來山西省天然氣管道建設(shè)快速發(fā)展，管道不可避免地要經(jīng)過一些煤礦采空區(qū)。采空塌陷對管道的危害現(xiàn)象非常突出，輕則引起管道彎曲變形，重則可能導致管道破裂[1-2]。天然氣具有易燃、易爆、有毒等特性，一旦管道發(fā)生沉降受損，將會給周邊人民群眾生產(chǎn)生活及社會穩(wěn)定帶來較大影響。一般情況下采空區(qū)治理耗時耗財耗力，如：2007年山西某天然氣管道在陽城蒿峪煤礦遭受采空塌陷災害，耗資數(shù)千萬元、歷時2年才基本控制險情；2015年山西又一條天然氣管道在鄉(xiāng)寧縣羅畢村因采空沉陷遭遇險情，應急搶險歷時3個月，耗資500余萬元。針對采空區(qū)管道面臨的諸多問題，山西天然氣有限公司積極探索研究，于2016—2018年開展了《煤礦采動/采空區(qū)天然氣管道受損規(guī)律研究》[3]，在不斷解決實際問題的基礎(chǔ)上，該公司在采空區(qū)管道建設(shè)和運行管理方面積累了大量的可操作性強的管理經(jīng)驗，基于這些經(jīng)驗，山西天然氣有限公司成功化解了所轄近5 000 km天然氣管道在遭受采空沉降時的各種風險和危情。下面以靈石—段純天然氣集輸管道經(jīng)過采動/采空區(qū)時的隱患治理為例，介紹采空區(qū)管道治理方面的一些典型做法和經(jīng)驗。

1 靈石采空區(qū)存在的問題

靈石—段純天然氣集輸管道投產(chǎn)于2011年，管道全長50 km，采用D355.6 mm×6.3 mm螺旋縫埋弧焊鋼管，設(shè)計壓力4.0 MPa，管道在JP9號樁附近經(jīng)過山西晉中靈石煤礦有限公司的開采區(qū)域（圖1）。

圖1 煤礦開采區(qū)與管道線位關(guān)系圖Fig.1 Relation diagram between mining area and pipeline line position

該煤礦開采區(qū)長約1 000 m，寬約140 m，開采速度約為1～2 m/d，開采方式為機械化綜合采煤，開采時采取液壓頂桿支護方式，開采完畢后立即撤離液壓頂桿支護，為長壁全垮落開采方式。

煤礦開采造成管道沿線地表開裂并發(fā)生臺階狀沉降，威脅管道安全。2016年4月29日采空區(qū)地面發(fā)生塌陷，塌陷范圍內(nèi)有多條地裂縫，最大開裂寬度約20 cm，最大高差約70 cm，裂縫發(fā)育至管道沿線，并有裂縫穿過管道線位（圖2）。

圖2 采空區(qū)現(xiàn)場地表開裂情況Fig.2 Situation of ground surface cracking in mining area

2 靈石采空區(qū)隱患治理

為保證靈石—段純天然氣集輸管道JP9號樁附近采空區(qū)范圍內(nèi)管道運行安全，運營管理單位組織相關(guān)部門并邀請專家召開技術(shù)研討會，確定采取以下治理方案[4]：

（1）計算預測采空沉陷區(qū)地表位移和變形，并校核管道在采空區(qū)地表變形情況下的應力狀態(tài)。

（2）根據(jù)管道在預測地表變形情況下的應力狀態(tài)，確定采空區(qū)發(fā)展活躍期的應急搶險措施。

（3）根據(jù)計算分析結(jié)果和進一步采空區(qū)沉降觀測數(shù)據(jù)，確定采空區(qū)管道長期治理方案和實施條件。

2.1 計算分析

2.1.1 基本資料收集

（1）根據(jù)工程竣工資料、相關(guān)標準規(guī)范和文獻資料，收集該處管道參數(shù)。

（2）根據(jù)工程竣工資料，分析確定管道初始位置、地理坐標信息和彎管布置情況。

2.1.2 計算方法

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界最具權(quán)威的有限元產(chǎn)品。ANSYS功能強大，操作簡單方便，融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體，在石油化工、航空航天、機械制造、能源、土木工程、造船、地礦、水利等領(lǐng)域有著廣泛的應用，現(xiàn)在已成為國際最流行的有限元分析軟件。本項目采用了ANSYS 11.0軟件進行管道應力分析和校核[5-6]。

（1）確立有限元模型：包含管道本體模型（力學模型、單元選擇）、管周土體模型（力學模型、單元選擇、管土相互作用土彈簧）。

（2）確立荷載加載方式：采空沉陷區(qū)管道主要受到內(nèi)壓、溫差、自重以及沉陷引起的位移載荷影響。

2.1.3 應力校核準則

（1）埋地管道的應力校核規(guī)范：GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》中有埋地管道的當量應力校核要求，但無軸向應力的校核要求，因此計算管段的當量應力按照此規(guī)范進行校核，軸向允許附加應力參考ASME B31.8—2016《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》中的公式進行校核。

（2）開挖管道的應力校核規(guī)范：開挖管段管周無土體的約束作用按照非約束管道進行校核計算。本項目根據(jù)ASME B31.8—2016中非約束管道的定義及方法進行校核。

2.1.4 采空區(qū)沉陷預測參數(shù)

根據(jù)煤礦調(diào)研和相關(guān)規(guī)范、文獻，分析確定煤礦開采和沉陷預測參數(shù)，包括：開采深度、煤層傾角、下沉系數(shù)、時間系數(shù)、水平移動系數(shù)、拐點偏移距/H、基巖裂縫角、松散層裂縫角、影響傳播角等。

2.1.5 采空沉陷地表位移預測計算

對水平煤層或近水平煤層地表的沉陷情況進行的大量觀測實踐表明：開采影響區(qū)的破壞程度與地表的下沉速度有很大的關(guān)系，然而下沉速度又與各個開采塊段的開采時間、開采深度、覆巖巖性等因素有關(guān)[7]。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，數(shù)學模型的表達式為

式中：(x,y,z)為計算點的坐標；Ci為時間影響系數(shù)；m為計算塊段數(shù)目；l為計算開采任一塊段的拐點數(shù)；qk為使用計算的直角坐標系中x軸與通過計算點和拐點k連線間的夾角；fj1、fj2分別為運算函數(shù)；Rk=Rk(q,x,y)，為極坐標半徑。

式中xk、yk為計算開采塊段拐點的坐標。

以概率積分法為基礎(chǔ)，結(jié)合上述數(shù)學模型可以得出開采區(qū)域的下沉值預計公式為

根據(jù)采空區(qū)沉陷預測公式和煤層參數(shù)計算得到，計算管段內(nèi)最大沉降量為2.5 m，沿管道軸向最大水平位移為0.68 m，垂直管道軸向最大水平位移為0.51 m。

2.1.6 管道應力狀態(tài)

根據(jù)前面各節(jié)確定的計算參數(shù)、有限元計算方法及相關(guān)規(guī)范規(guī)定的應力校核準則，校核管道在最大沉降變形情況下的應力狀態(tài)[8-9]，可知管道最不利的軸向應力和當量應力均超出了許用值324 MPa，且超過了管材的最小屈服強度360 MPa，超出了規(guī)范要求（表1）。

表1 管道應力校核結(jié)果Tab.1 Check results of pipeline stress

計算結(jié)果表明采空區(qū)管道在沉陷期間若不采取措施，將處于危險的應力狀態(tài)。根據(jù)工程經(jīng)驗，采空區(qū)管道在地表下沉期間，開挖管道釋放土體對管道的約束作用后，可以顯著改善管道的應力狀態(tài)，因此決定采空區(qū)管道采取開挖釋放應力的應急措施。

2.2 應急治理措施

根據(jù)前面計算可知，管道無法承受采空區(qū)最大沉陷變形，為保持管道應力在允許范圍內(nèi)，需要開挖管道進行應力釋放，并進行應急治理。經(jīng)分析論證，考慮采取以下應急措施：

（1）對采空沉降范圍管道開挖釋放應力。

（2）管道附近地面發(fā)生較大錯動后，應及時測量挖開段管道坐標以進行應力分析。

（3）回填管道附近的地表裂縫，防止雨水灌入裂縫加劇地表沉陷。

（4）關(guān)注開挖段管道懸空情況，當管道在軸線方向發(fā)生20 m以上的懸空時，應將管道局部吊起并在管道底部采用袋裝土支護，使管道保持平直狀態(tài)，避免管道長距離懸空產(chǎn)生較大撓度。

（5）密切觀測管道的變形和地表沉陷情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

2.3 永久治理措施

2.3.1 治理方案比選

結(jié)合本工程實際情況及以往工程經(jīng)驗，擬采取的治理方案主要有：抬管、換管、斷管、改線、設(shè)置支撐方案[10]。

（1）抬管。抬管是治理采空區(qū)管道沉陷變形問題的有效措施之一。由于初始應力狀態(tài)的不確定性，難以通過計算制訂抬管方案，在此情況下實施抬管作業(yè)可能帶來管道應力惡化問題。另外，抬管過程中要做到管道變形協(xié)調(diào)，而該采空區(qū)地形條件復雜，坡度較大，存在多個彎頭，管道變形協(xié)調(diào)控制難度很大，因此，不建議采用此方案。

（2）換管。根據(jù)計算分析和地表沉降變形情況，需要換掉沉降嚴重、應力較大的290 m管段。換管方案是最有效的改善管道應力的措施，但是費用較高。

（3）斷管。由于管道大部分應力水平都較低，只有局部應力水平超出了允許范圍，所以管道還可以繼續(xù)使用，可以只在管道應力集中的地段割斷管道進行應力釋放，并檢查管體和焊縫的狀態(tài)，如果符合施工標準，則原管道可以繼續(xù)使用。初步判斷，需要在兩處斷開管道并釋放應力。

（4）改線。經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，并與礦區(qū)結(jié)合，該礦區(qū)分布范圍較大，且區(qū)域地形、地質(zhì)條件復雜，沒有更好的改線路由可以完全避開此礦區(qū)和不良地質(zhì)條件，如果大改，將涉及部分站場和閥室，甚至整個管線全部改動，相當于重建一條新管道，費用很高，而且影響下游供氣。另外考慮到該采礦區(qū)范圍內(nèi)地面所有村莊房屋都已整體搬遷，目前荒無人煙，因此決定不改線，保持原位整改。

（5）設(shè)置支撐。采空區(qū)支撐方案就是在采礦過程中，在管道下方采空部位設(shè)置相應的支撐防止地面塌陷沉降，如預留煤柱，設(shè)置混凝土樁（墩），漿砌石樁（墩），注漿填充等措施。經(jīng)管道業(yè)主和礦區(qū)業(yè)主雙方協(xié)商，認為此方案占壓煤礦儲量太大，煤礦賠償費用很高，本工程管徑、輸量較小，太高的賠償費用不值得，因此舍棄此方案。

綜合以上情況，從經(jīng)濟、安全可靠的原則出發(fā)，本項目最終確定采用斷管的治理方案。

2.3.2 斷管方案實施

斷管治理方案實施的主要工序、步驟包括：

（1）上下游閥室（或站場）之間的管道內(nèi)氣體放空，并用氮氣置換管內(nèi)氣體。

（2）開挖斷管操作坑，斷口設(shè)在原有環(huán)焊縫附近。

（3）剝除局部防腐層及補口材料。

（4）斷開管道釋放管道應力。

（5）采用短管對兩處斷口組焊連接。

（6）管道環(huán)焊縫檢測、防腐層完好性檢查、補口補傷。

（7）安裝管道應變及管道位移監(jiān)測設(shè)施。

（8）回填開挖段管溝，恢復通氣。

2.3.3 治理效果

靈石采空區(qū)2015年底初步發(fā)現(xiàn)裂縫，在2016年、2017年采空區(qū)發(fā)展活躍期間，采取了局部挖溝露管釋放應力的應急治理措施。2018年10月采空區(qū)沉降基本穩(wěn)定后，成功實施了永久斷管的治理方案，目前一直進行地表位移和管道應變監(jiān)測，檢測數(shù)據(jù)顯示，采空區(qū)沉降穩(wěn)定，管道應力應變狀態(tài)穩(wěn)定，符合相關(guān)規(guī)范要求。

3 隱患治理建議

目前油氣管道行業(yè)在采空區(qū)治理方面有過不少成功的先例，主要采用的治理方案有：開挖露管釋放應力，原位抬管釋放應力，斷管、換管釋放應力，管道改線等，但大部分都以工程經(jīng)驗為主，定性直觀地采取了相應的治理措施，缺乏充分的應力計算分析環(huán)節(jié)。靈石采空區(qū)治理則是從定量分析角度出發(fā)，為采空區(qū)治理提供了一個更為系統(tǒng)全面、定量分析、精確可靠的科學方法和參考，通過本項目的成功實施，對油氣管道運行管理期采空區(qū)治理提出以下建議：

（1）認真分析研究建設(shè)期工程竣工資料，掌握了解管道沿線礦產(chǎn)分布情況、開采計劃，建立臺賬，重點監(jiān)管。針對運行過程中發(fā)現(xiàn)的采動/采空區(qū)，應積極主動與采礦區(qū)業(yè)主溝通聯(lián)系，制定應急預案，研究防治對策。

（2）基于管道建設(shè)期間安裝的地表位移及管道應變監(jiān)測設(shè)施，密切跟蹤監(jiān)測采動/采空區(qū)地面沉降變形和管道應力發(fā)展情況，并及時分析評估，采取措施。建設(shè)期間未安裝管道監(jiān)測預警設(shè)施時，應在采礦開始前、采動初期即安裝監(jiān)測預警設(shè)施。

（3）發(fā)現(xiàn)采動/采空區(qū)后，首先應進行必要的計算分析，定量預測采空沉陷區(qū)的地表位移和變形，計算并校核管道在采空區(qū)地表變形情況下的應力狀態(tài)。主要包括資料收集、計算方法確定、校核準則、采空區(qū)地表位移計算預測、管道在最大沉陷量工況下的應力狀態(tài)預測等計算分析過程。

（4）根據(jù)地表位移、管道應變監(jiān)測數(shù)據(jù)及相應的應力計算分析，及時確定采空區(qū)發(fā)展活躍期的應急搶險措施，通常采用的措施是挖溝露管釋放管道應力，當采空區(qū)累計沉降量較大，簡單挖溝露管措施不足以釋放管道應力時，應根據(jù)現(xiàn)場情況適當抬升管道以最大程度釋放管道應力。由于采空區(qū)發(fā)展活躍期地面沉降一直呈現(xiàn)無規(guī)律的變化狀態(tài)，因此這個階段宜采用臨時應急措施，待采空區(qū)沉降穩(wěn)定以后再進行永久性治理。

（5）永久治理措施應根據(jù)管道在最大沉陷量工況下的應力狀態(tài)來確定，通常可采用挖溝露管釋放應力，抬升管道釋放應力，局部換管、斷管釋放應力，管道改線，采空區(qū)設(shè)置支撐等方案措施，實際工程中也可幾種方案組合使用，具體應根據(jù)不同采空區(qū)和管道的實際情況進行綜合比選確定。永久治理措施的目的是要保證采空區(qū)管道應力狀態(tài)水平符合相關(guān)規(guī)范要求，管道安全平穩(wěn)輸送。