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采動(dòng)塌陷區(qū)天然氣輸送管道沉降防治技術(shù)研究

文檔作者：郭文朋1 李艷軍2 于萍萍2 文檔來(lái)源： 1．山西天然氣有限公司 2．北京中地華安地質(zhì)勘查有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)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(dòng)塌陷區(qū)天然氣輸送管道沉降防治技術(shù)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(zhì)勘查有限公司，北京100085)
摘要： 敘述了采動(dòng)／采空區(qū)塌陷區(qū)與天然氣管道概況，分析了采動(dòng)采空塌陷區(qū)地面裂縫規(guī)律及地裂縫對(duì)管道的影響，
基于此，提出并探討了管道沉降防治措施。實(shí)踐證明，這些措施的應(yīng)用保障了管道運(yùn)行及供氣安全，也避免了因停氣造
成的經(jīng)濟(jì)損失。
關(guān)鍵詞：采空區(qū)；管道；人工舉升；沉降
中圖分類號(hào)： Tu433 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，油氣管道總里程、
管網(wǎng)密度大幅提升，油氣管道經(jīng)過(guò)地形區(qū)域更加多樣
化、復(fù)雜化，管道受到自然和人類工程活動(dòng)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(kāi)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(fù)雜的作用力，特別是在
管道彎頭部位容易造成應(yīng)力集中，極易造成管道應(yīng)力
應(yīng)變超越設(shè)計(jì)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(dǎo)致管內(nèi)介質(zhì)泄漏、燃爆等嚴(yán)重
災(zāi)害事故對(duì)輸氣管道的安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成隱患。因此，研
究油氣管道通過(guò)采空塌陷區(qū)的治理措施，是輸氣管道
安全運(yùn)營(yíng)管理的現(xiàn)實(shí)需求，也是保障周邊人民群眾生
命財(cái)產(chǎn)安全的切實(shí)手段。
1 采動(dòng)／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(kuò)建礦井項(xiàng)目2
號(hào)煤層1 1208采掘工作面采煤形成。11208工作面寬度
255 m，總推進(jìn)長(zhǎng)度l 826 m，煤層平均厚度6．5 m，
可采儲(chǔ)量364×104 t(見(jiàn)圖1)。其中，礦山于2015年
4月開(kāi)始開(kāi)采，2015年規(guī)劃采掘進(jìn)度947 m，截至10
收稿日期：2018一06一04
基金項(xiàng)目：山西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(指南)項(xiàng)目(201603D321120)
第一作者簡(jiǎn)介：郭文朋，1981年生，男，山東泰安人，2006年畢業(yè)
于中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)，碩士，工程師。
·2·
月初已越過(guò)管道600 m余，管道經(jīng)過(guò)該工作面段下方
出現(xiàn)嚴(yán)重采空塌陷問(wèn)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(guò)，管道設(shè)計(jì)壓力4 MPa，管徑457
mm，材質(zhì)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(guān)系圖見(jiàn)圖1。
2采動(dòng)采空塌陷區(qū)地面裂縫規(guī)律
在參考相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，考慮場(chǎng)區(qū)內(nèi)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)
(見(jiàn)表1)。
在采空塌陷的影響下，場(chǎng)區(qū)地裂縫十分發(fā)育。歷時(shí)
半年現(xiàn)狀調(diào)查共發(fā)現(xiàn)地裂縫81條，按照表l可分為：5
條一級(jí)地裂縫，裂縫編號(hào)為L(zhǎng)1。L5，裂縫規(guī)模大；21
條二級(jí)地裂縫，裂縫編號(hào)為A1～E6、G1～G5，裂縫規(guī)
模中等；55條三級(jí)地裂縫，裂縫編號(hào)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(zhǎng)在19 m～641 m之間、縫寬1 cm。150 cm不
等，并向塌陷中心呈多臺(tái)階狀錯(cuò)落，錯(cuò)臺(tái)高度1 cm。
210 cm不等。已調(diào)查地裂縫中規(guī)模最大的為裂縫L2，
長(zhǎng)564 m，平均錯(cuò)臺(tái)高度o．5 m～1．o m，縫寬o．3 m～
0．6 m，最大錯(cuò)臺(tái)高度1．6 m，縫寬1．1 m，深未見(jiàn)，距
管道約28 m。詳細(xì)位置見(jiàn)圖2。圖2中，N為北方向。
3地裂縫對(duì)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(dòng)塌陷區(qū)天然氣輸送管道沉降防治技術(shù)研究2018年9月
÷≥。一l一一27。j-
一一，日J(rèn)
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， 堪J
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黼^、L≤
表1裂縫分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
圖1 1 1208采煤面與蒲津管道位置關(guān)系圖
長(zhǎng)度最大寬度最大落距是否主要控
裂縫等級(jí)
m Cm Cm 制性裂縫
一級(jí)≥200 ≥20 ≥30 是
二級(jí)20～5 30一10 否
三級(jí)≤5 ≤10 否
圖侈0
囫道路
團(tuán)輸氣管線
]等高線／m
道，采空塌陷造成地表差異性開(kāi)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(fù)雜的作用力，特別是在管道彎頭部位
容易造成應(yīng)力集中，極易造成管道應(yīng)力應(yīng)變超越設(shè)計(jì)
極限發(fā)生破壞，對(duì)管道正常運(yùn)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(chǎng)區(qū)地裂縫，多數(shù)與管道相交，且共計(jì)14條一級(jí)、
二級(jí)裂縫貫穿管溝。一級(jí)、二級(jí)地裂縫一般規(guī)模較大，
錯(cuò)臺(tái)較高，寬度較寬，對(duì)管道影響較大，埋設(shè)在該區(qū)
域平行長(zhǎng)軸開(kāi)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(yīng)力集中處產(chǎn)生變形，
如受預(yù)應(yīng)力的彎頭、彎管或存在焊接缺陷的焊縫，甚
至失效。
對(duì)于管道而言，不同性質(zhì)的地表移動(dòng)變形，對(duì)管
道及其附屬設(shè)施的危害程度各不相同。地裂縫的拉裂
寬度及錯(cuò)臺(tái)高度等變化速度影響通過(guò)采空區(qū)管道的安
全，當(dāng)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(jìn)一步引發(fā)裂紋、管內(nèi)介質(zhì)泄漏、燃爆等
嚴(yán)重災(zāi)害事故。當(dāng)?shù)乇戆l(fā)生非連續(xù)性的突發(fā)塌陷或開(kāi)
裂移動(dòng)變形破壞時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致管道剪切損壞、管內(nèi)
介質(zhì)、泄漏爆管等災(zāi)害發(fā)生。
4管道沉降防治措施
4．1 定時(shí)監(jiān)測(cè)地面沉降及管道水平位移數(shù)據(jù)
為及時(shí)掌握采空區(qū)地面塌陷變形的發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)
燕十^ K、卞．嘶
管道的危害程度，根據(jù)JGJ 8—2()07建筑變形測(cè)量規(guī)
范，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及應(yīng)急處置措施的要求進(jìn)行監(jiān)
測(cè)，監(jiān)測(cè)工作的主要內(nèi)容是針對(duì)管道東西兩側(cè)的地表
移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐日觀測(cè)1次，控制點(diǎn)分布于羅
畢村北部穩(wěn)固地帶，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)至少與2個(gè)控制點(diǎn)通
視，共布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)。在監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)架設(shè)精密全
站儀用極坐標(biāo)法逐個(gè)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，作為監(jiān)
測(cè)點(diǎn)沉降位移計(jì)算的原始資料，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿管道軸線方
向，距管道中心12 m～15 m范圍內(nèi)向東西兩側(cè)分別布
設(shè)，軸向上的相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)間間距為12 m～15 m，共布
置69個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)水平和垂直方向變化量陽(yáng)1。
詳見(jiàn)圖3。
通過(guò)對(duì)地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，該采空區(qū)
地表移動(dòng)有以下規(guī)律：
管道東西兩側(cè)累計(jì)最大下沉點(diǎn)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(cè)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(gè)方向的拐點(diǎn)，JCl4—3l、JC41-JC57為采空
沉陷下沉重點(diǎn)區(qū)，為地表移動(dòng)盆地的中間區(qū)。
4．2實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道應(yīng)力應(yīng)變
通過(guò)管道的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，獲得管道在風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)
下，受采空塌陷、天氣變化、人為擾動(dòng)等各方面因素
影響情況下，管道不同部位的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。
本次管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)工作，選用的傳感器是
GK一4100振弦式應(yīng)變計(jì)，選取4個(gè)截面，共設(shè)置監(jiān)測(cè)
·4·
目例
刁道路
刁輸氣管線
一一l等高線／m
?l高程點(diǎn)／111
、]通訊桿、電桿
J坡坎
!型地面移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)，占
一j 11208采掘工作面
固蜘峨瞧箍
點(diǎn)24個(gè)，監(jiān)測(cè)頻率1次，h【41，詳見(jiàn)圖4。自2015年7
月15日始，實(shí)施不問(wèn)斷監(jiān)測(cè)，為管道的安全評(píng)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(gè)。
根據(jù)截面上監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)隽靠捎?jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力
增量。不考慮管道的初始應(yīng)力，可計(jì)算管體當(dāng)前的軸
向應(yīng)力及環(huán)向應(yīng)力。
對(duì)于拉應(yīng)力，參考GB 50253—2014輸油管道工程
設(shè)計(jì)規(guī)范第5．2．4條，管道總的軸向應(yīng)力不能超過(guò)管道

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