程國明，張志鵬

（中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081）

急傾斜煤層開采地表及淺埋管道變形特征

程國明，張志鵬

（中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081）

目前我國急傾斜煤層開采引起的地表沉陷已對(duì)淺埋輸油氣管道安全產(chǎn)生一定影響，針對(duì)西北某煤礦急傾斜煤層開采，采用有限差分FLAC3D軟件模擬了急傾斜煤層開采過程，揭示了不同開采水平下地表及淺埋管道的變形特征，研究結(jié)果對(duì)淺埋油氣管線建設(shè)與運(yùn)營安全評(píng)價(jià)具有重要的理論和實(shí)際意義。

急傾斜煤層開采;地表沉陷;數(shù)值模擬;管道變形

目前煤層開采產(chǎn)生的大量采空沉陷區(qū)已成為管道工程建設(shè)與運(yùn)營的重要制約因素［1－2］。國內(nèi)外對(duì)開采沉陷進(jìn)行了大量研究。目前急傾斜煤層開采研究主要集中在采場(chǎng)頂、底板變形及巷道圍巖變形，對(duì)于不同開采水平下地表變形及淺埋管道的變形特征尚未進(jìn)行探討［3－12］。本文以西北某采空沉陷區(qū)為研究對(duì)象，運(yùn)用FLAC3D軟件，對(duì)急傾斜煤層開采進(jìn)行了數(shù)值模擬，揭示了不同開采水平下地表及淺埋管道的變形特征，研究結(jié)果為淺埋油氣管線的埋設(shè)及運(yùn)營安全評(píng)價(jià)具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 地質(zhì)采礦條件

西北某煤礦位于西山窯組 （J2x）的上部，地表無出露，在調(diào)查區(qū)呈東西向分布，位置在管線J451樁點(diǎn)北250m左右，穿越輸氣管道，調(diào)查區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)問題為煤礦開采形成的地表沉陷。地表覆蓋層為砂土夾礫石，局部地段基巖出露或埋藏很淺，煤層頂板巖性為灰色泥巖夾粉砂巖，泥巖遇水變軟，具黏性，底板為灰黑色、黑色炭質(zhì)泥巖及深灰色泥巖，煤層穩(wěn)定。煤層傾向北，在10～15°之間，筑6個(gè)水平，采煤方法為大倉法炮采。距管線最近的開采煤層為5號(hào)煤層，傾角為52°，厚度8～10m。煤礦與輸氣管道布置見圖1。

圖1 煤礦與輸氣管道布置

2 模型的建立

本次計(jì)算選取輸氣管道穿越采空段17－17剖面 （見圖1）位置進(jìn)行建模計(jì)算，模型尺寸為800m×50m×250m，其中x方向長為800m，y方向?qū)挒?0m，z方向高為250m，該模型采用Solid45單元，模型剖分的網(wǎng)格單元為 49117個(gè)，節(jié)點(diǎn)10510個(gè)。管線在模型中位于x=390m，y=0～50m，z=1.5m處。模型網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

邊界條件:上表面為自由面，下表面為全部約束表面，側(cè)面限制水平位移。

巖石是一種脆性材料，當(dāng)荷載達(dá)到屈服強(qiáng)度后將發(fā)生強(qiáng)度軟化、破壞，應(yīng)屬于彈塑性體。在FLAC3D中，對(duì)于彈塑性材料，其破壞判據(jù)選擇莫爾－庫侖準(zhǔn)則。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

建模材料參數(shù)如表1所示。

管線為鋼質(zhì)材料，管徑457mm，管壁6.3mm。物理力學(xué)參數(shù)按實(shí)際情況取值，體積模量175GPa、剪切模量76GPa、密度7850kg/m3。管線位于地表下1.5m處，下部為卵石土。

計(jì)算按照實(shí)際開挖順序，從第1水平開始進(jìn)行開采，當(dāng)?shù)?水平穩(wěn)定后，再開采第2水平，依此類推。

表1 模型材料巖土力學(xué)參數(shù)

3 急傾斜煤層開采過程中地表移動(dòng)變形特征

煤礦開采是巖體不斷破碎斷裂發(fā)展的過程。地下煤層采出后，采空區(qū)頂板巖層在自重及其上覆巖層作用下，向下彎曲移動(dòng)，并將變形傳遞至地表。圖3～圖8為第1至第6開采水平下地表移動(dòng)等值線圖，通過位移等值線圖局部放大圖得出表2。

由表2可知，急傾斜煤層不同開采水平下地面沉陷有如下特征:

表2 不同開采水平下地表位移特征

圖3 開采第1水平地表移動(dòng)位移等值線

圖4 開采第2水平地表移動(dòng)位移等值線

（1）隨著開采深度的增加，地表沉陷區(qū)的范圍在不斷擴(kuò)大。開采淺部煤層時(shí) （第1水平至第3水平）地表沉陷范圍擴(kuò)展幅度較大，而開采深部時(shí)尤其是開采第4水平、第6水平時(shí)，地表沉陷范圍較上水平擴(kuò)展幅度變小。

圖5 開采第3水平地表移動(dòng)位移等值線

圖6 開采第4水平地表移動(dòng)位移等值線

（2）地面沉陷范圍擴(kuò)展以沿煤層傾向方向擴(kuò)展為主，而煤層反傾向方向擴(kuò)展幅度較小。

（3）開采過程中，地表位移以垂向位移為主，水平位移相對(duì)較小。

圖7 開采第5水平地表移動(dòng)位移等值線

圖8 開采第6水平地表移動(dòng)位移等值線

4 急傾斜煤層開采過程中管道管壁變形特征

圖9～圖11分別為開采第2、第4、第6水平后管壁位移等值線圖。表3為根據(jù)不同開采水平下管壁周圍位移等值線圖而得。

圖9 開采第2水平后管壁位移等值線

圖10 開采第4水平后管壁位移等值線

圖11 開采第6水平后管壁位移等值線

表3 不同開采水平下管線位移量

由表3可見，開采淺部煤層 （第1，2，3水平）時(shí)，隨著開采深度增加，管線位移在不斷增加，但最大位移不超過10mm;開采第4水平時(shí)，管線位移在4.79～20mm;開采第5，6水平時(shí)，管線位移仍在增加，但不超過25mm。

4 結(jié)論

（1）隨著開采深度的增加，地表沉陷區(qū)的范圍在不斷擴(kuò)大。開采淺部煤層時(shí) （第1水平至第3水平）地表沉陷范圍擴(kuò)展幅度較大，而開采深部時(shí)尤其是開采第4水平、第6水平時(shí)，地表沉陷范圍較上水平擴(kuò)展幅度變小。

（2）地面沉陷范圍擴(kuò)展以沿煤層傾向方向擴(kuò)展為主，而煤層反傾向方向擴(kuò)展幅度較小。

（3）開采過程中，地表位移以垂向位移為主，水平位移相對(duì)較小。

（4）數(shù)值模擬結(jié)果揭示不同開采水平下地表及淺埋管道的變形特征，研究結(jié)果對(duì)淺埋油氣管線建設(shè)與運(yùn)營安全評(píng)價(jià)具有重要的理論和實(shí)際意義。

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Deformation Characteristic of Surface and Pipe in Shallow Buried Depth in Mining Steep ly-inclined Coal-seam

CHENG Guo-ming，ZHANG Zhi-peng

（China Geological Environment Monitoring Institute，Beijing 100081，China）

Subsidence induced by mining steeply inclined coal-seam has influenced safety of shallow buried oil windpipe Taking the mining steeply inclined coal-seam in Northwest China as example，this paper applied FLAC3D to simulating mining process and obtained deformation characteristic of surface and shallow-buried pipe under differentmining levels The resultwas important for shallowburied pipe construction and its running safety evaluation.

steeply inclined coal-seam mining;surface subsidence;numerical simulation;pipe deformation

TD325

A

1006-6225（2011）05-0033-03

2011－01－26

國土資源部百名優(yōu)秀青年科技人才計(jì)劃資助項(xiàng)目 （2007）;國土資源公益性行業(yè)科研專項(xiàng)資助項(xiàng)目 （200911036－3）

程國明 （1967－），男，山西祁縣人，博士后，教授級(jí)高工，主要從事礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警。

［責(zé)任編輯:王興庫］