解析法估测采空塌陷区埋地管道的变形及应力

中国地质大学（北京）水资源与环境学院

解析法估测采空塌陷区埋地管道的变形及应力

吴韶艳 文宝萍

中国地质大学（北京）水资源与环境学院

以西气东输工程中某大型采空区的埋地输气管道监测的资料为工程实例，基于解析法，通过实际管道跨中下沉值反算管道的悬空距离，从而求出管道变形及轴向应力值。解析公式得到的管道下沉值与实际下沉值在沉陷盆地中央部分比较吻合，越靠近沉陷盆地边缘，误差越大，误差最大值达-58%；管道轴向应力与实际轴向应力相差较大，计算得到的管道轴向应力的最大值要小于实测管道的轴向应力最大值，误差为-37.2%；而在管道其他位置的监测点，解析公式得到的值要大于管道实测值。原因在于应用解析法时的一些基本假定与实际差异较大，以及公式中的主要参数在复杂的地质情况下很难确定。

采空塌陷；埋地油气管道；变形；应力；解析法

煤层采空塌陷引发地表变形，导致埋地油气管道变形和损坏，因此分析采空塌陷后埋地管道变形和应力具有非常重要的工程意义[1-2]。将管道视作弹性支撑梁，采用解析法估算其变形和应力是目前普遍采用的方法，也是相关规范推荐的方法。

1 管道变形及应力监测的工程实例

以西气东输工程中某大型采空区的埋地输气管道为例。该煤矿为水平煤层，经过物探等勘察手段知管道下方采空区长度为700 m，煤层开采为360 m，开采煤层厚度为6m，矿区地表为粉质黏土。输气管道埋深为2m，材料为X70大变形钢，管道外径1 016mm，钢管壁厚21.0mm，钢材弹性模量2.06×105MPa，钢材泊松比为0.3，管道最大内工作压力为10MPa，管道规定的最小屈服强度为485MPa，管道内输送介质为天然气。

由监测资料知，地下开采导致地表出现下沉盆地，管道附近土体出现裂缝，管道出现下沉迹象，管道补口带折皱、翻边。地表最大下沉值为2.481m，管道最大下沉值为1.885m，管道和土体发生分离，在半移动盆地范围内管道悬空的距离已有240m。实测管道应力最大值为446.4MPa，超过管道材料的拉伸允许强度，管道已经发生破坏。

2 基于解析法的管道变形及应力计算

通过实际管道跨中下沉值反算管道的悬空距离，从而求出管道变形及轴向应力值[3]。分两种情况讨论：

土体无突发沉陷时，管道所受的荷载包括管道自身重量、管道内介质的重量、管道上覆土体的重量。

土体发生突发沉陷时，除上述荷载外，还需要考虑管道两边土体下滑时造成的土与土之间的剪切力。

根据计算结果可知，两种情况下得到的管道下沉值和轴向应力的规律是一致的。管道最大下沉值位于悬空段的中点位置，如图1所示。管道轴向应力最大值位于管道悬空段的中点位置，管道端部位置的轴向应力也较大，故管道的端部和中点位置可能首先出现管材的破坏，如图2所示。

图1 解析法计算管道下沉曲线

图2 解析法计算管道轴向应力

3 计算结果与监测结果对比

通过实际监测资料可知，采空过程中土体并未发生突发沉陷。解析法计算得到的悬空段长度为225m，要小于实际悬空长度480m。从悬空段管道中点向一侧100m范围内，计算值与实测值吻合程度较好；越靠近下沉盆地边缘，计算误差越大，在沉陷盆地边缘误差达-58%。

计算得到的管道的轴向应力最大值为280.3MPa，远小于实测管道的轴向应力最大值（X2处）446.4MPa，误差为-37.2%。在X1、X3位置计算得到的轴向应力要大于实测值。其中，X1位置计算得到的轴向应力值为280.3 MPa，而实测值为209.5 MPa，误差为33.8%。X3位置计算得到的轴向应力值为250.1MPa，实测值为206.2MPa，误差为21.3%。解析结果判断管道未发生破坏，与实际情况不符。

4 结论

结合工程实例，分析了基于弹性支撑梁模型的解析法估测采空塌陷区埋地油气管道变形与应力结果的可靠性，得出如下结论：

（1）解析公式得到的管道下沉值与实际下沉值在沉陷盆地中央部分比较吻合，越靠近沉陷盆地边缘，误差越大，误差最大值达-58%。

（2）解析公式得到的管道轴向应力与实际轴向应力相差较大。计算得到的管道轴向应力的最大值要小于实测管道的轴向应力最大值，误差为-37.2%；而在管道其他位置的监测点，解析公式得到的值要大于管道实测值。所以利用解析解计算管道轴向应力是不安全的。

（3）解析法估算结果与实测结果相差较大，原因在于应用解析法时的一些基本假定与实际差异较大，以及公式中的主要参数在复杂的地质情况下很难确定。

[1]王鸿，张弥，常怀民．采空区地表移动盆地对埋地管道的影响分析[J]．石油工程建设，2008，34（2），23-26.

[2]王晓霖，帅健，张建强．开采沉陷区埋地管道力学反应分析[J]．岩土力学，2011，32（11）：3 373-3 378.

[3]王小龙，姚安林，沈小伟，等．埋地油气管道局部悬空的强度和稳定性验算[J]．油气田地面工程，2008，27（1）：21-24.

（栏目主持 李艳秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.9.006