南水北調(diào)輸水管線煤炭開采損傷狀態(tài)數(shù)值模擬研究及監(jiān)測方案設計

鄭 輝，孫 杰

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司,山東 鄒城 273500；2.中國礦業(yè)大學,江蘇 徐州 221000)

我國大量煤炭資源被“三下”壓覆[1-2]，南水北調(diào)管線東線一期工程濟寧市續(xù)建配套工程從兗州礦區(qū)鮑店煤礦和濟三煤礦井田穿過，壓覆煤炭資源超過5000萬t，因此，選擇合適區(qū)域監(jiān)測開采擾動下管線變形特征，提出針對性的管線治理方案，對解放管線下壓煤開采具有重要意義[3-5]。

針對開采影響下管線變形機理及治理措施問題，國內(nèi)外專家學者開展了廣泛的研究。部分學者[6-7]為研究地下管土間力學作用，將彈性地基梁置于半彈性空間狀態(tài)下，將管、土有效剛度之和與管、土有效質(zhì)量之和分別替代管、土系統(tǒng)總有效剛度與有效質(zhì)量，另外，還將管線外壁視為一種彈性介質(zhì)薄殼，這種彈性薄殼具有著各向同質(zhì)性。Schotman[8]利用PLAXIS有限元軟件進一步在該類問題上進行模擬分析，將有限元分析結果與經(jīng)驗公式結果進行對比，修改了理論公式中各參數(shù)的設定方法;趙國旭[9-10]以兗州礦區(qū)煤炭開采條件為基礎，采用相似材料模型試驗分析大條帶綜放開采下的覆巖破壞特征與地表移動規(guī)律；高明中[11]采用相似材料模擬研究了新集三礦急傾斜煤層條件下重復開采引起巖體移動特征與地表沉陷變形參數(shù)。

但是，上述研究成果多是基于油氣管線取得的，與已有研究成果相比，本區(qū)域的南水北調(diào)輸水管線具有管線直徑大(700 mm)，開采影響程度劇烈(單層采厚8.5 m)等特點，因此需要制定合理的監(jiān)測方案，監(jiān)測管線敏感部分在開采擾動下的位移、應力、應變等變化特征，為管道下壓煤開采及管道治理工作提供可靠的技術依據(jù)。

1 研究區(qū)域基本情況

1.1 鮑店煤礦5302工作面基本情況

5302工作面位于鮑店煤礦五采區(qū)西北部。工作面的設計走向長約1 132～1 354 m，傾向約88～161 m。工作面地勢南低北高、東低西高。北部煤層走向20～40°，傾向110～130°，傾角為5～14°，平均為8°；南部煤層走向為30～45°，傾角為3～9°，平均為6°。工作面井上下對照圖如圖1所示。

圖1 5302工作面井上下對照圖

1.2 南水北調(diào)管線基本情況

南水北調(diào)東線濟寧市續(xù)建配套工程輸水管線是由南四湖向兗州、曲阜輸水線路的干管，管線結構為雙管線DN700螺旋鋼管，壁厚10 mm，管道中心距為1.5 m，管頂覆土深度為1.5 m。

5302工作面影響區(qū)域管線位于工作面的北部邊界區(qū)域，沿泗河北側(cè)河堤灘地一側(cè)布設，預估管線受影響長度1.75 km，管線位置如圖1中紅色線條所示。

2 管道損傷的數(shù)值模擬分析

為確定南水北調(diào)管線開采影響下的變形狀態(tài)，為區(qū)域大范圍的開展管線開采損傷治理工作提供技術支持，需針對性的開展管線開采損害狀態(tài)監(jiān)測。但監(jiān)測位置、監(jiān)測變量及監(jiān)測周期等內(nèi)容的確定受管線在動態(tài)沉陷過程中的破壞特征制約，因此，采用數(shù)值模擬方法分析管線在不同工況下的損傷狀態(tài)，確定易損區(qū)域，為管線監(jiān)測方案設計提供依據(jù)。

2.1 管道數(shù)值模型的建立

2.1.1 幾何模型構建

采用有限元分析軟件ABAQUS進行管線及土體沉陷形變分析的數(shù)值模擬，在沉陷影響區(qū)域長度外均加上100 m錨固管土緩沖區(qū)域，應用實體單元構建管道及土體，建模詳細參數(shù)及建模結果如表1、圖2所示。

表1 管土部件幾何模型參數(shù)/m

圖2 管土模型幾何部件示意

2.1.2 本構模型構建

(1)管線本構關系

DN700螺旋鋼管采用X60號鋼材質(zhì)，利用Ramberg-Osgood模型對管道材質(zhì)進行本構關系建模，基礎參數(shù)如表2所示。

表2 管材基礎參數(shù)

(2)土體本構關系

由于土體在變形時同時具有著彈性性質(zhì)和塑性性質(zhì)，基于廣義胡克定律，選擇Mohr-Coulomb模型定義土體本構關系，參數(shù)如表3所示。

表3 土體材料參數(shù)

2.2 管道數(shù)值模擬邊界條件的確定

本次數(shù)值模擬采用位移邊界施加的情況進行，以概率積分法計算的地表移動變形為位移邊界，施加給數(shù)值模型底邊，進行開采影響狀態(tài)下管線移動變形的損傷狀態(tài)計算，共分三種工況：(1)未充分采動階段；(2)臨界充分采動階段；(3)5302工作面穩(wěn)沉階段。

以5302工作面穩(wěn)沉工況為例，施加邊界條件后數(shù)值模型如圖3所示。數(shù)值模型的邊界條件由橙色表示：當中點狀圖形代表自由度為0，該點所在位置的邊界坐標固定不變；箭頭圖形則代表著相對應的位置自由度大小以及方向，在Y軸負方向上施加負方向的下沉自由度、在Z軸及X軸方向上施加水平移動自由度；模型左側(cè)的Y軸負方向箭頭圖形代表了模型自身所受重力的載荷情況；模型向軸心外側(cè)發(fā)散的紫色箭頭代表了其工作內(nèi)壓。

圖3 管-土模型載荷邊界條件設置示意

2.3 不同工況管道損傷計算結果

分別計算三種工況下管線各位置的位移和變形狀態(tài)，提取數(shù)據(jù)繪制沿管線不同位置的下沉、水平移動及應力分布情況如圖4～圖6所示。

圖4 三階段管線下沉曲線

圖5 三階段水平移動變形情況

從圖4～圖6中可以看出，在開采影響的不同階段，管線不同位置的移動和變形呈現(xiàn)出明顯的差異性，而引起管線產(chǎn)生明顯損傷的為應力的明顯變化，從圖6中可以看出：

圖6 三階段管線軸向應力情況

(1)在工作面處于未充分采動階段時，管線的軸向應力值達到了134 Mpa與174 Mpa兩個峰值，這兩處峰值分別在183 m和580 m處；在管線379 m處應力值達到一個大小為-283 Mpa的谷值；

(2)在工作面處于充分采動階段時，管線的軸向應力值在220 m與840 m處達到了兩個峰值，分別為294 Mpa與170 Mpa，在管線568 m處則達到了-326 Mpa的谷值；

(3)工作面全采完成后，管線的前半部分軸向應力與充分采動階段的應力分布相近，但是后半部分又在923 m、1 294 m與1 681 m處新增了三處峰值，分別為302 Mpa、141 Mpa與361 Mpa，在管線1 170 m與1 415 m處新增了兩處谷值分別為-192 Mpa與-169 Mpa。

3 管道損傷監(jiān)測方案的設計

3.1 監(jiān)測設備的確定

本次針對管線損害監(jiān)測采用的設備是STL-24型多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。

3.2 監(jiān)測區(qū)域劃分

SLT-24型多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)傳感器的感應范圍有限，加之所設置的數(shù)量限制，需要對所監(jiān)測范圍進行提前的區(qū)域劃分，根據(jù)各個監(jiān)測區(qū)域所需的監(jiān)測力度和情況進行傳感器的合理布設，從而使整個區(qū)域監(jiān)測更具有協(xié)調(diào)性和高效性。

其中，監(jiān)測區(qū)域劃分過程如下：

(1)鑒于項目所使用的傳感器數(shù)量限制，無法在監(jiān)測區(qū)域進行大范圍、高密度的傳感器布設，所以需要對整個監(jiān)測區(qū)域進行安全區(qū)域和易受損區(qū)域的劃分，不同區(qū)域所設置的傳感器密度不同，從而達到更加高效且具有針對性的監(jiān)測；

(2)區(qū)域劃分的基準是所提供的現(xiàn)場工程相關資料中標明的管線屈服強度(113 Mpa)，結合前文所示的數(shù)值模擬結果，針對于管線所受應力進行判斷，如果區(qū)域中管線所受到的軸向應力大于限定的屈服強度，則判定該區(qū)域為易受損區(qū)域；如果區(qū)域中管線所受軸向應力小于限定的屈服強度，則判定該區(qū)域為安全區(qū)域。由于數(shù)值模擬是建立在相對理想的條件下得到的結果，因此為了提高方案的嚴謹性，在進行管線所受應力比對時應將限定的屈服強度乘上0.95，以此來劃分不同區(qū)域。即以±107 Mpa的屈服強度作為判定安全區(qū)域和易受損區(qū)域的標準。管線最終所受應力結果對比圖及所劃分的各個區(qū)域如圖7和圖8所示。

圖7 全采應力與屈服強度關系圖

圖8 安全與易損區(qū)域劃分示意圖

3.3 傳感器布設

本次采用的監(jiān)測系統(tǒng)一共包含了24個傳感器，這些傳感器需要結合監(jiān)測區(qū)域的具體分布特征和屬性進行科學設置，更容易受損的區(qū)域布設更多傳感器、長測區(qū)進行更多的傳感器布設，同時在這基礎上還需要保證每一個測區(qū)都有傳感器的布設。每個測區(qū)所分配到的傳感器以及所有傳感器在監(jiān)測區(qū)域的設置位置如圖9所示，圖中，紅色代表著區(qū)域邊界的劃分，綠色代表著傳感器的布設位置，由圖8可以看出，管線的安全區(qū)域與易損區(qū)域是交替存在的，所以在設置傳感器的時候，每個安全區(qū)域之內(nèi)分別設置一個傳感器；在易損區(qū)域中，三處長度在40～60 m之間的區(qū)域分別設置一個傳感器，東側(cè)三處易損區(qū)域長度范圍在170～220 m之間，每個區(qū)域中按距離平均分配設置三個傳感器，位于西側(cè)的易受損區(qū)域長度超過了240 m，在區(qū)域中按距離平均分配四個傳感器。

圖9 傳感器布設示意圖

3.4 監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測時期

本次方案設計的觀測內(nèi)容主要分為三部分：背景噪聲觀測、設備靈敏度的標定和管線的損害監(jiān)測。其中，背景噪聲的觀測設置在整個觀測的首末，分別觀測兩次，共觀測四次；設備靈敏度的標定應該在地表發(fā)生下沉之前進行，為了減小標定誤差，每個傳感器共進行三次標定，取平均值；在整個地表移動的過程當中進行管線的全時段損害監(jiān)測。

4 結 論

針對南水北調(diào)管線開采損傷狀態(tài)不明，需布置合理的方案進行管線開采損傷監(jiān)測的問題，本文以鮑店礦5302工作面研究區(qū)域為例，建立南水北調(diào)管線數(shù)值模型，通過未充分采動、充分采動和工作面穩(wěn)沉三種位移邊界條件的施加，獲得不同開采影響時期管線的損傷狀態(tài)，得到管線開采影響下的安全區(qū)與易損區(qū)域。然后選擇聲發(fā)射系統(tǒng)作為監(jiān)測設備，以易損區(qū)域為監(jiān)測重點，針對性的設計了由24個傳感器組成的管線損傷監(jiān)測系統(tǒng)。