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采動塌陷區(qū)天然氣輸送管道沉降防治技術研究

文檔作者：郭文朋1 李艷軍2 于萍萍2 文檔來源： 1．山西天然氣有限公司 2．北京中地華安地質勘查有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2023年08月15日
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2018年第9期(總第156期)
鈺i夏與芋釷
ENERGY AND ENERGY CONSERVATION 2018年9月
采動塌陷區(qū)天然氣輸送管道沉降防治技術研究
郭文朋1，李艷軍2，于萍萍2
(1．山西天然氣有限公司，山西太原030032；2．北京中地華安地質勘查有限公司，北京100085)
摘要： 敘述了采動／采空區(qū)塌陷區(qū)與天然氣管道概況，分析了采動采空塌陷區(qū)地面裂縫規(guī)律及地裂縫對管道的影響，
基于此，提出并探討了管道沉降防治措施。實踐證明，這些措施的應用保障了管道運行及供氣安全，也避免了因停氣造
成的經濟損失。
關鍵詞：采空區(qū)；管道；人工舉升；沉降
中圖分類號： Tu433 文獻標識碼： A 文章編號： 2095—0802一(2018)09一O002—04
Study on Prevention and Control TecllIlolo留of Natural Gas Pipeline Settlement in MiIling
Subsidence Area
GUO Wenpen91，LI Yanjun2，YU Pingpin92
(1．Shanxj NaturaI Gas Co．，Ltd．，TaIyuan 030032，Shanxi，China：2．Be．jing Zhongdihuaan GeoIogjcal E×pIoration Co．，Ltd
Be．jing 1 00085，China)
Abstract：This paper described the geneml situation of collapse area in mining館oaf area and the natural gas pipeline and analy—
zed the ground crack law of subsidence area in mining and goaf and tlle iTⅢuence of gmund crack on pipelines．Based on this，the
measures for prevention and control of pipeline settlement were put forward and discussed．The practice pmved that the applica—
tion of these measures guamnteed the safety of pipeline operation and gas supply，avoiding the economic loss caused by gas halt．
Key words：goaf；pipeline；artificial lift；settlement
0引言
隨著國民經濟建設的快速發(fā)展，油氣管道總里程、
管網密度大幅提升，油氣管道經過地形區(qū)域更加多樣
化、復雜化，管道受到自然和人類工程活動的影響在
數(shù)量和程度上不斷增加。山西省因采煤造成大面積的
地下采空區(qū)，采空塌陷造成地表差異性開裂、沉陷，
多條地裂縫發(fā)育，在管道及上覆土層重力作用下，使
管道承受拉、彎、剪、壓等復雜的作用力，特別是在
管道彎頭部位容易造成應力集中，極易造成管道應力
應變超越設計極限發(fā)生破壞，管道可能發(fā)生彎曲變形、
懸空甚至折斷，甚至導致管內介質泄漏、燃爆等嚴重
災害事故對輸氣管道的安全運營構成隱患。因此，研
究油氣管道通過采空塌陷區(qū)的治理措施，是輸氣管道
安全運營管理的現(xiàn)實需求，也是保障周邊人民群眾生
命財產安全的切實手段。
1 采動／采空區(qū)塌陷區(qū)與天然氣管道概況
山西華寧焦煤有限公司所屬崖坪煤礦采區(qū)，行政
區(qū)劃屬西坡鎮(zhèn)管轄，采空塌陷是由改擴建礦井項目2
號煤層1 1208采掘工作面采煤形成。11208工作面寬度
255 m，總推進長度l 826 m，煤層平均厚度6．5 m，
可采儲量364×104 t(見圖1)。其中，礦山于2015年
4月開始開采，2015年規(guī)劃采掘進度947 m，截至10
收稿日期：2018一06一04
基金項目：山西省重點研發(fā)計劃(指南)項目(201603D321120)
第一作者簡介：郭文朋，1981年生，男，山東泰安人，2006年畢業(yè)
于中國石油大學(北京)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，碩士，工程師。
·2·
月初已越過管道600 m余，管道經過該工作面段下方
出現(xiàn)嚴重采空塌陷問題【11。
蒲縣一河津管道工程JPll一JPl2段垂直于礦井采掘
面自北向南通過，管道設計壓力4 MPa，管徑457
mm，材質L360，埋深平均1．5 m，地表距采煤面頂板
約380 m，煤層厚度約6．5 m，采厚比約58：1。
11208采煤面與蒲津管道位置關系圖見圖1。
2采動采空塌陷區(qū)地面裂縫規(guī)律
在參考相關規(guī)范標準，考慮場區(qū)內地裂縫發(fā)育特
征，為更好地區(qū)分裂縫的規(guī)模，制定下面裂縫分級標準
(見表1)。
在采空塌陷的影響下，場區(qū)地裂縫十分發(fā)育。歷時
半年現(xiàn)狀調查共發(fā)現(xiàn)地裂縫81條，按照表l可分為：5
條一級地裂縫，裂縫編號為L1。L5，裂縫規(guī)模大；21
條二級地裂縫，裂縫編號為A1～E6、G1～G5，裂縫規(guī)
模中等；55條三級地裂縫，裂縫編號為F1。F55，裂
縫規(guī)模小。地裂縫的平面形態(tài)整體呈圓弧形，走向多
為1100～280。，剖面形態(tài)為上窄下寬，并逐漸消失。地
裂縫長在19 m～641 m之間、縫寬1 cm。150 cm不
等，并向塌陷中心呈多臺階狀錯落，錯臺高度1 cm。
210 cm不等。已調查地裂縫中規(guī)模最大的為裂縫L2，
長564 m，平均錯臺高度o．5 m～1．o m，縫寬o．3 m～
0．6 m，最大錯臺高度1．6 m，縫寬1．1 m，深未見，距
管道約28 m。詳細位置見圖2。圖2中，N為北方向。
3地裂縫對管道的影響
本次采煤挖掘方向與管道近乎垂直，采空區(qū)穿越管 2018年第9期郭文朋，等：采動塌陷區(qū)天然氣輸送管道沉降防治技術研究2018年9月
÷≥。一l一一27。j-
一一，日J
‘ J
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黼^、L≤
表1裂縫分級標準
圖1 1 1208采煤面與蒲津管道位置關系圖
長度最大寬度最大落距是否主要控
裂縫等級
m Cm Cm 制性裂縫
一級≥200 ≥20 ≥30 是
二級20～5 30一10 否
三級≤5 ≤10 否
圖侈0
囫道路
團輸氣管線
]等高線／m
道，采空塌陷造成地表差異性開裂、沉陷，多條地裂縫
發(fā)育，在管道及上覆土層重力作用下，使管道承受拉、
彎、剪、壓等復雜的作用力，特別是在管道彎頭部位
容易造成應力集中，極易造成管道應力應變超越設計
極限發(fā)生破壞，對管道正常運行造成極大威脅。
圖2地裂縫分布圖
· 3 ·2018年第9期婦ijl占予釷2018年9月
場區(qū)地裂縫，多數(shù)與管道相交，且共計14條一級、
二級裂縫貫穿管溝。一級、二級地裂縫一般規(guī)模較大，
錯臺較高，寬度較寬，對管道影響較大，埋設在該區(qū)
域平行長軸開采方向附近的管道將與外邊緣區(qū)的巖土
體共同受影響，以至于在管道的應力集中處產生變形，
如受預應力的彎頭、彎管或存在焊接缺陷的焊縫，甚
至失效。
對于管道而言，不同性質的地表移動變形，對管
道及其附屬設施的危害程度各不相同。地裂縫的拉裂
寬度及錯臺高度等變化速度影響通過采空區(qū)管道的安
全，當位移變化較大，管道可能發(fā)生拉伸或壓縮等形
式的破壞，進一步引發(fā)裂紋、管內介質泄漏、燃爆等
嚴重災害事故。當?shù)乇戆l(fā)生非連續(xù)性的突發(fā)塌陷或開
裂移動變形破壞時，會直接導致管道剪切損壞、管內
介質、泄漏爆管等災害發(fā)生。
4管道沉降防治措施
4．1 定時監(jiān)測地面沉降及管道水平位移數(shù)據(jù)
為及時掌握采空區(qū)地面塌陷變形的發(fā)展趨勢及對
燕十^ K、卞．嘶
管道的危害程度，根據(jù)JGJ 8—2()07建筑變形測量規(guī)
范，結合現(xiàn)場實際情況及應急處置措施的要求進行監(jiān)
測，監(jiān)測工作的主要內容是針對管道東西兩側的地表
移動變形監(jiān)測。監(jiān)測點逐日觀測1次，控制點分布于羅
畢村北部穩(wěn)固地帶，每個監(jiān)測點至少與2個控制點通
視，共布設4個監(jiān)測控制點。在監(jiān)測控制點架設精密全
站儀用極坐標法逐個測量監(jiān)測點的坐標數(shù)據(jù)，作為監(jiān)
測點沉降位移計算的原始資料，監(jiān)測點沿管道軸線方
向，距管道中心12 m～15 m范圍內向東西兩側分別布
設，軸向上的相鄰監(jiān)測點間間距為12 m～15 m，共布
置69個監(jiān)測點，分別監(jiān)測水平和垂直方向變化量陽1。
詳見圖3。
通過對地表移動變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，該采空區(qū)
地表移動有以下規(guī)律：
管道東西兩側累計最大下沉點位于JC47、Jc20，
最大值為451．5 cm，其二者所在位置為沉降中心，位
置在采掘面中心略偏北；Jc02、Jc68為南側沉降邊界，
距離采空區(qū)走向中心線約260 m；JCl4、JC31、JC41、
二j，；{一‘妻≥．．≤『|_：|』{‘
蓼糕?，豢
JC57分別各個方向的拐點，JCl4—3l、JC41-JC57為采空
沉陷下沉重點區(qū)，為地表移動盆地的中間區(qū)。
4．2實時監(jiān)測管道應力應變
通過管道的應力應變監(jiān)測，獲得管道在風險狀態(tài)
下，受采空塌陷、天氣變化、人為擾動等各方面因素
影響情況下，管道不同部位的應力應變狀態(tài)。
本次管道應力應變監(jiān)測工作，選用的傳感器是
GK一4100振弦式應變計，選取4個截面，共設置監(jiān)測
·4·
目例
刁道路
刁輸氣管線
一一l等高線／m
?l高程點／111
、]通訊桿、電桿
J坡坎
!型地面移動變形監(jiān)測，占
一j 11208采掘工作面
固蜘峨瞧箍
點24個，監(jiān)測頻率1次，h【41，詳見圖4。自2015年7
月15日始，實施不問斷監(jiān)測，為管道的安全評定積累
了大量的數(shù)據(jù)，目前數(shù)據(jù)量總數(shù)約為12．9×l 04個。
根據(jù)截面上監(jiān)測點應變增量可計算監(jiān)測點的應力
增量。不考慮管道的初始應力，可計算管體當前的軸
向應力及環(huán)向應力。
對于拉應力，參考GB 50253—2014輸油管道工程
設計規(guī)范第5．2．4條，管道總的軸向應力不能超過管道

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