输气管道下急倾斜煤层开采应力分布规律

程国明,李文鹏 ,郭占峰

(1.中国地质环境监测院,北京 100081;2.华晋焦煤有限责任公司,山西柳林 033300)

输气管道下急倾斜煤层开采应力分布规律

程国明1,李文鹏1,郭占峰2

(1.中国地质环境监测院,北京 100081;2.华晋焦煤有限责任公司,山西柳林 033300)

以输气管道途经的沉陷区为工程背景,运用有限差分法 FLAC3D计算软件,模拟急倾斜煤层开采过程中不同开采水平下地表浅部应力变化过程,探讨了地表浅部应力分布规律,分析了地表裂缝产生的原因及应力变化对输气管道安全的影响。研究结果为合理解释地表裂缝的出现及输气管道运营安全评价具有重要的理论和实际意义。

急倾斜煤层;管道安全;应力;地表裂缝

目前矿产资源开发引发的大量采空沉陷区已成为管道工程建设与运营的重要制约因素[1-2]。国内外对开采沉陷进行了大量研究[3-8],研究成果为开采沉陷区减灾防灾提供了重要的理论依据。文献[9-10]研究表明,地表裂缝的产生与应力的变化有很大关系。

油气管道一般辅设在地表下 1～3m,开采过程中地表浅层应力如何变化?拉应力区如何分布?拉应力区的分布与地表裂缝出现有何关系?这些问题对于合理解释开采沉陷区地表裂缝的出现及油气管线运营安全评价具有重要的理论和实际意义。

以西北某采空沉陷区为研究对象,运用FLAC3D3.0软件,对急倾斜煤层开采过程中不同开采水平地表的应力变化规律进行数值模拟,探讨了地表浅层应力分布规律,从应力角度分析地表裂缝产生原因,应力变化对输气管道安全的影响。

1 输气管道周围地质及开采情况

管道采空段主要赋存 5号和 7号两组煤层,以采 5号煤层为主。A煤矿位于管线西 350m,采 5号煤层,煤层厚 6.5m,煤层倾角平均 47°,分 6个水平开采。一水平开采深度为 32m,距管道水平距离为 245m;6水平开采深度为 240m,距管道水平距离为 92m。煤层顶板岩性为灰色泥岩夹粉砂岩,泥岩遇水变软,具黏性,底板为灰黑色、黑色炭质泥岩及深灰色泥岩。岩石力学参数见表 1。调查区内地表裂缝发育,共 40条,塌陷坑 12个。

表1 岩土力学参数

2 数值模型

2.1模型建立

本次计算选取输气管道穿越采空段 17-17剖面 (见图 1)位置进行建模计算。

图1 煤矿与输气管道布置

(1)模型尺寸 (图 2)为 700m ×235m ×10m,其中 x方向长为 700m,y方向长为 10m,z方向长为 235m,该模型剖分的网格单元为 3085个。原管道的位置在 x=270m,y=0～10m,z=1.8m;C方案 (拟选改线方案)管道位置在 x=600m,y=0～10m,z=1.8m。

图2 剖面网格及管道位置

(2)模型的边界条件：上表面为自由面,下表面为全部约束表面;四周限制水平位移。

(3)岩石是一种脆性材料,当荷载达到屈服强度后将发生破坏、弱化,应属于弹塑性体。在FLAC3D中,对于弹塑性材料,其破坏判据选择莫尔 -库仑准则。

本次计算按每一水平实际的开挖顺序,计算中从第 1水平开始进行开采,当第 1水平稳定后,再开采第 2水平,依次类推。

2.2 开采过程中地表应力分布

图3～图 8分别为从第 1水平开采到第 6水平开采后,采场及地表应力变化图。

图3 开采第 1水平后 x方向的应力等值线

由应力等值线图汇总出地表 0.6m深度下的拉应力值,见表 2。

图4 开采第 2水平后 x方向的应力等值线

图5 开采第 3水平后 x方向的应力等值线

图6 开采第 4水平后 x方向的应力等值线

(1)不同开采水平下拉应力区 (地表 0.6m以下)动态变化规律 由表 2可见,开采第 1水平煤层时,在地表水平方向形成了一定范围的拉应力区;当开采第 2,3,4水平时,拉应力区的范围分别较相应的上一开采水平开采时皆向两侧略有扩展;当开采第 5水平时,拉应力区的范围较开采第4水平时向两侧有较大的扩展,其中拉应力区右侧边界 (远离原点坐标处)较左侧 (靠近原点坐标处)扩展更明显;当开采到一定深度 (即第 6水平)时,拉应力区右侧边界仍向右侧扩展,拉应力区左侧边界不再向左侧扩展,而是向右侧扩展。

图7 开采第 5水平后 x方向的应力等值线

图8 开采第 6水平后 x方向应力等值线

表2 地表 0.6m深度下的拉应力范围分布特征

由表 2可见,开采第 1水平煤层时,在地表垂直方向形成了一定深度范围的拉应力区;当开采第2,3,4水平时,拉应力区的下边界范围分别较相应的上一水平开采时向深部略有扩展,而拉应力区的上边界并无变化;当开采第 5水平时,拉应力区的下边界范围向深部有较大扩展,而拉应力区的上边界仍无变化;而当开采第 6水平时,拉应力区的下边界范围向深部有较大扩展,且上边界范围也向下扩展,局部拉应力值也由开采第 1至第 5水平的0～0.1MPa增大到 0.1～1MPa,表明开采到一定深度时,地表浅层拉应力值有明显的变化。

(2)不同开采水平下拉应力区 (地表 0.6m以上)动态变化规律 由图 3～图 8可见,当开采第1水平时,地表出现了拉应力与压应力交替区,其中地表出现 3处拉应力区,地表下约 0.1m处也出现 1处拉应力区;当开采第 2,3,4水平时,地表同样出现了拉应力与压应力交替区,拉应力区的位置在不断变化;当开采第 5,6水平时,地表也同样出现了拉应力与压应力交替区,拉应力区的位置也在变化,最右侧的拉应力区扩展到地表。整个开采过程中地表拉应力值基本无变化 (0～0.1MPa)。

土作为岩石风化产物,由于完整性、整体性遭到不同程度的破坏,力学性质上表现为还具有一定的抗压强度、抗剪强度,但强度值已大大降低,而抗拉强度则大部分或完全丧失[11]。急倾斜煤层开采过程中地表不断出现了拉应力与压应力交替区,因而,拉应力区的出现较好地解释了地表裂缝的出现;拉应力区位置的动态变化,合理地解释了新裂缝的不断产生,开采过程中原来的拉应力区变为压应力区可以合理地解释原有裂缝在不断闭合。

输气管道 (距离原点坐标 270m)正好处于拉应力区 (264～582.3m),现场调查中发现的 40条裂缝都位于拉应力区。2006年 3月输气管道上方,又发现 4条新裂缝;2006年 7月在管道周围进行应力释放,期间所测的应力值与数值计算结果基本吻合。

输气管道周围的应力在开采第 1到第 5水平过程中拉应力值介于 0～0.1MPa,开采第六水平时,局部最大应力值增大到 0.1～1MPa,而钢屈服时的最小拉应力 270～400MPa。因而,从应力的角度分析,现在开采水平下出现的多处裂缝并未对现有输气管道构成威胁。

3 结论

(1)急倾斜煤层开采时,在地表浅部以上至地面出现了断续拉应力区。不同开采水平下,拉应力区与压应力区在地表交替出现,拉应力区的位置处在动态变化中;开采浅部时地表拉应力值较小,而开采到一定深度时,局部最大应力值有较大幅度地增加。

(2)调查中发现的 40处裂缝皆位于拉应力区的范围内,表明通过拉应力区的分布范围可以预测开采过程中裂缝的发育范围。拉应力区的出现较好地解释了地表裂缝的出现;拉应力区位置的动态变化,合理地解释了新裂缝的不断产生,开采过程中原来的拉应力区变为压应力区可以合理地解释原有裂缝在不断闭合。

(3)从应力的角度分析,现在开采水平下出现的多处裂缝并未对现有输气管道构成威胁。地表拉应力区的分布特征为浅埋输气 (油)等管线的优化布置及安全评价提供了依据。

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StressD istribution Rules ofM in ing Steeply Inclined Coal Seam under Gas Pipeline

CHENG Guo-ming1,L IWen-peng1,GUO Zhan-feng2
(1.China Institute of Geology EnvironmentMonitoring,Beijing 100081,China;2.Huajin Coking Coal Co.,Ltd.,Liulin 033300,China)

This paper applied FLAC3D to simulating stress variation process of shallow surface under differentmining levels in mining steeply inclined coal seam,researched stress distribution rules of shallow surface and analyzed surface fissure cause and influence of stress variation on gas pipeline safety.Research results might rationally explain surface fissure and provide important theoretical and practical reference to safety evaluation of gas pipeline.

steeply inclined coal seam;pipeline safety;stress;surface fissure

TD823.21 3

A

1006-6225(2010)04-0029-03

2009-11-20

国土资源部百名优秀青年科技人才计划资助项目 (2007),科技部公益性行业科研专项 (200911036)。

程国明 (1967-)男,山西祁县人,博士后,教授级高工,主要从事开采沉陷监测预警。

王兴库]