输气管道下急倾斜煤层开采应力分布规律研究

王丽峰（新疆环宇石油工程有限公司，新疆 乌鲁木齐，830000）

现代输气管道通常情况下埋设在地下1-3m的区域，下急倾斜煤层的开采活动会对浅层地表中的输气管道造成什么样的影响，是否产生应力，应力的分布规律是什么，一直是输气管道的建设和运营主体迫切想了解的内容。因此对输气管道下急倾斜煤层开采应力分布规律的研究具有鲜明的现实意义。

1 输气管道周围地质及开采情况概述

本次研究活动以XX煤矿周围的基本地质条件为基础，并按照XX煤矿的开采过程为实验变量变化依据，分别设置了开采初期、开采中期和开采后期三个开采情况阶段。从水平位置来看XX煤矿在输气管道以西350m的位置，输气管道经过了该煤矿4号和7号两个煤层，这两个煤层的厚度为6.5m，平均开采深度为32m，共有六个作业面，其中最远的距离输气管线245m，最近的距离输气管线92m。煤层顶部以灰色泥岩为主夹杂粉砂岩，底部为灰黑色碳质泥岩[1]。

2 数值模型的构建

借助GPS定位系统对经过煤层的输气管线和接近煤层的六个开采作业面进行精确定位，并借助FLAC3.0软件对这些数据进行建模分析，建成x轴长700m，y轴长10m，z轴长235m的700m*235m*10m的狭长模型，为保证对应力的准确感应和测量在模型内部设置了3085个网格状单元，每个单元都具有独立感应并记录应力变化的能力。根据XX煤矿4号和7号煤层顶层岩石柔软性质实际，借助FLAC3.0软件将模型基层设置为一种弹性材料，当载荷达到一定程度后就会发生形变、碎裂等现象，破化规则选择莫尔-库伦准则。在模型原作中主要采取单项检测方法，即每一次测试只在煤矿六个工作面选择一个工作运行，在上以工作面对输气管道的影响趋于稳定后再开始下一工作面的运行[2]。

3 开采过程中地表应力的分布

3.1 深层地表的拉应力区变化规律

在深层地表（0.6m以下）区域的拉应力探测活动中发现，煤炭开采工作面的水平拓展对输气管道拉应力区的影响不大，在第一个工作面开始工作时拉应力区极小，随着后继的2.3.4工作平面开展开采施工，拉应力去开始向两侧拓展，当5.6工作面开始开采工作时，拉应力区开始相互连接，拉应力区的影响范围扩大，但是对管道的拉应力并没有实质性上升始终保持在0-0.1MPa。但是开采工作面向下的拓展对输气管道拉应力的影响较大，当深度较深的第五、第六工作面开始施工时，部分拉应力去的拉应力由0-0.1MPa级别提升到0.1MPa-1MPa级别[3]。

3.2 浅层地表的拉应力区变化规律

煤层开采工作对（0.6m以上）浅层地表的影响较为复杂，当第一个工作面开始工作的时候，浅层地表开始出现拉应力和压应力的交替区，当第二、三、四工作面开采工作开始时，浅层地表的拉应力和压应力交替区数量开始增加，而且这些拉应力和压应力的交替去表现出较强的移动性，在管道周围的区域不断的游走，当第五和第六工作面开始工作的时候，浅层地表拉应力和压应力交替区的应力开始增强，同时拉应力和压应力交替区的海拔位置也开始上升，在第六工作面工作不久拉应力和压应力交替区上升到地表[4]。

4 结果与分析

在所有的测试活动结束以后，根据FLAC3.0软件的管道强度预设，对输气管道的损坏程度进行了检测，检测发现，距离原点坐标270m处的输气管道正处于拉应力区，这一区域的虚拟地层表面存在40条裂缝信息。但是模型的屈服强度是为了保证试验结果而设置的，现实生活中管道钢的屈服拉力在270-400MPa，而煤层开采活动产生的局部应力只有0.1-1MPa，模型中的这些裂缝并不存在对输气管道的现实威胁。

根据试验结果本文认为急倾斜煤层开采时，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。

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。

从现有分析结果来看，地下煤层的开采活动行程的拉应力区并未对输气管道造成实质性的影响，但是从暑期管道的安全角度来看，对煤层开采的应力区分布的探究，为输气管道的布设提供了参考依据。

[1]李永明.水体下急倾斜煤层充填开采覆岩稳定性及合理防水煤柱研究[D].中国矿业大学,2012.

[2]朱海苍.孔隙水压作用下急倾斜煤层围岩运动规律研究[D].西安科技大学,2008.

[3]贺林.乌鲁木齐矿区急倾斜煤层开采地表移动变形规律研究[D].西安科技大学,2008.

[4]柴鑫.急倾斜煤层水平分段综放开采巷道支护技术研究[D].西安科技大学,2009.