采煤影響下南水北調管線動態治理時機確定及治理方案設計

鄭 輝, 單帥帥

(1.兗州煤業股份有限公司，山東 鄒城 273500；2.中煤天津設計工程有限責任公司，河北 邯鄲 056031)

南水北調輸水管線東線工程配套管線部分經過兗州煤業鮑店煤礦五采區和六采區規劃開采工作面，壓覆可采煤炭資源1 529.1萬t，解決管線保護與壓煤開采矛盾問題是實現管道正常運營與煤礦可持續發展的現實問題。

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一定界限時，管道可能會發生局部屈曲或失效；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準。韓冰、萬繼濤、程國明等[5-7]通過數值模擬對管線的變形進行了分析。王鴻、劉名陽等[8-9]以地表下沉和管道形變量為基礎對管道的安全性做出了分析。針對管道治理和管道建設，改道避開采動區是最優方案[10]，但仍存在征地、管線停工等眾多問題。

綜上所述，國內外專家學者針對煤炭資源開采對管線的損傷評估及管線治理進行了一些有益的探討，理論上取得了一些進展，并成功指導了現場實踐工作。但是，仍有一些需要進行深入探討和研究之處，如上述研究多是基于輸氣管線進行的研究，輸水管線在尺寸及運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均缺乏系統性的研究。因此，本文基于上述研究內容，以鮑店煤礦五采區5302工作面開采影響南水北調管線為例，開展管線開采損傷過程、管線治理時機及治理方案的研究工作。

1 研究區域概況

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，傾向寬約88～161 m，回采深度242～294 m，平均采深278 m，平均厚度8.3 m，規劃回采速度6 m/d。工作面東部為已采的5303工作面采空區。

南水北調輸水管線為DN700螺旋鋼管，管道直徑700 mm，壁厚10 mm，雙管線結構布置，兩管線中心距1.5 m。研究區內的管線位于泗河沿岸灘地，布設方法使用的是淺埋雙管線法，管頂覆土主要為砂質粘土，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系如圖1所示。

圖1 5302工作面與管線位置對應關系

2 管線臨界變形值確定

大量的實測資料表明，鮑店煤礦地表實測符合概率積分法模型[11-12]，并具有穩定的實測預計參數[13]。

因此，本文采用概率積分法動態預計計算得到的管道區域移動變形數值作為邊界條件，采用數值模擬的計算方法確定開采活動對管道的損傷情況。

采用ABAQUS軟件建立研究區域南水北調管道及周圍土體模型如圖2所示，根據文獻[14]中的相關規定，Q235B鋼管采用彈塑性應力-應變模型，力學參數如表1所示。土體采用Mohr-Coulomb模型，土體物理力學參數參照兗州礦區實測參數，如表2所示。

圖2 土體及管道數值模型

表1 埋地管道材料參數

表2 土體材料參數

根據地表開采沉陷的發生及發展過程，對管線周邊的土地施加表3中的7種工況邊界條件，計算管線位置的應力及應變情況。計算得到各工況管道軸線方向應力分布情況如圖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力分布

在判斷管線可承受變形能力時，文獻[14]研究表明，管線軸向應力應低于最低屈服強度的80%，而《鋼結構設計標準》(GB 50017-2017)[15]規定Q235型鋼管焊接縫抗拉強度理論上為185 Mpa，取該值作為南水北調管線最小屈服強度σs，則可得到該管線的容許軸向應力σA為148 Mpa。

設置w ij和w jk的初始連接權值，初始連接權值是在(-1，1)區間隨機選取的非零值，同時給定計算精度值ε(ε＞0)。

根據管道的容許軸向應力，結合表3和圖3的數據可以得到，南水北調管線可承受的最大地表正曲率變形值為0.46 mm/m2，最大負曲率變形值為-0.93 mm/m2，在管線治理時，應采用適當的技術措施保證煤炭開采誘發的地表曲率變形值小于上述指標。

3 管線治理時機的確定

管道治理按照作業內容和順序，可分為管道標高恢復和管道預抬升兩部分，如圖4所示。當工作面回采一段時間后，工作面上方開始逐步出現下沉和變形，管道受周圍土體影響，也會出現下沉，同時產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力超過容許變形值而產生破壞，需要在管道周邊區域地表變形值到達臨界狀態之前進行管線的治理工作。煤炭開采引起下沉的治理可分為標高恢復和預抬升兩個階段，將管道預抬升工作及時放在管道標高恢復之后進行，可以減少外業工作量，降低成本，同時，更能夠發揮管道抗變形性能。

圖4 管道治理施工示意圖

對5302工作面進行動態預計可以得到：當管道沿線地表變形值到達極值時，需要對管道進行第一次標高恢復，此時工作面回采到距開切眼180 m，同時，平面方向上也應對管線進行水平方向撥移，恢復原始狀態。

當管道標高恢復工作完成之后，需要對管道進行預抬升，預抬升的高度應以動態預計所得的地表下沉值為依據，在施工時要做到預抬升引起的管道附加形變需小于容許臨界變形值。根據5302工作面動態預計計算結果，當工作面回采到距離開切眼240 m后，地表的曲率變形極值達到臨界狀態，按照之前計算的管線可承受最大正曲率變形0.44 mm/m2對管線進行預抬升，因此預抬升區段為距開切眼180 m推進至240 m段，預抬升量為動態計算的地表沉陷量。按照上述方法依次計算5302工作面后續開采需進行的管線標高恢復和預抬升工作量，可得到該工作面開采影響期共需對管道進行6次治理工程，每次治理工程施工計劃如表4所示。

4 管線治理技術措施

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行作業。裝置置于管道上方的主要通過起重設備吊起管線后對管線位置進行恢復，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行恢復。本文研究區域位于河道灘地，使用大型起重設備不便，而起重氣墊具有質量小、可反復利用、操作方便等優勢，在河道灘地使用更加符合實際，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如表5所示。

圖5 管道抬升氣墊

表5 起重氣墊性能參數

《現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為管道內徑，mm；D為管道外徑，mm；σA為許用軸向彎曲應力，MPa。

計算得到，南水北調管道抬升裝置間的安全距離應為27.7 m，考慮一定的安全系數，在進行管線治理時，建議裝置間安全距離設置為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當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行治理，當管道完成標高恢復及預抬升之后，將起重氣墊按照安全距離間隔設置在管道一側，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償器進行治理，在管線上按照實際情況設置補償器，從而對管線的形變進行相應補償，減少管道形變的損害。依據該段管線自身和地形等特點，并參考相關標準可知：采用補償量大、抗伸縮能力強的直埋式波紋位移補償器更為合適，如圖7所示。

圖6 起重氣墊水平撥管示意圖

圖7 直埋式波紋補償器

5 結 論

(1)將概率積分法動態預計得到的地表移動變形作為邊界條件，確定了南水北調管線和周邊土地的數值模擬參數，計算了南水北調管線在不同開采工況下的移動變形值和應力分布狀態。(2)確定了南水北調管道的容許軸向應力σA為148 Mpa，可承受的最大地表正曲率變形值為0.46 mm/m2，最大負曲率變形值為-0.93 mm/m2，在管線治理時，應采用適當的技術措施保證煤炭開采誘發的地表曲率變形值小于上述指標。(3)根據5302工作面推進對管道的動態影響過程，確定了管道共需要6次的標高恢復和預抬升，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行恢復，縱向水平移動采用直埋式波紋位移補償器的加固方案。