急倾斜煤层开采地表及浅埋管道变形特征

程国明，张志鹏

（中国地质环境监测院，北京 100081）

急倾斜煤层开采地表及浅埋管道变形特征

程国明，张志鹏

（中国地质环境监测院，北京 100081）

目前我国急倾斜煤层开采引起的地表沉陷已对浅埋输油气管道安全产生一定影响，针对西北某煤矿急倾斜煤层开采，采用有限差分FLAC3D软件模拟了急倾斜煤层开采过程，揭示了不同开采水平下地表及浅埋管道的变形特征，研究结果对浅埋油气管线建设与运营安全评价具有重要的理论和实际意义。

急倾斜煤层开采;地表沉陷;数值模拟;管道变形

目前煤层开采产生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。目前急倾斜煤层开采研究主要集中在采场顶、底板变形及巷道围岩变形，对于不同开采水平下地表变形及浅埋管道的变形特征尚未进行探讨［3－12］。本文以西北某采空沉陷区为研究对象，运用FLAC3D软件，对急倾斜煤层开采进行了数值模拟，揭示了不同开采水平下地表及浅埋管道的变形特征，研究结果为浅埋油气管线的埋设及运营安全评价具有重要的理论和实际意义。

1 地质采矿条件

西北某煤矿位于西山窑组 （J2x）的上部，地表无出露，在调查区呈东西向分布，位置在管线J451桩点北250m左右，穿越输气管道，调查区内主要地质问题为煤矿开采形成的地表沉陷。地表覆盖层为砂土夹砾石，局部地段基岩出露或埋藏很浅，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，煤层稳定。煤层倾向北，在10～15°之间，筑6个水平，采煤方法为大仓法炮采。距管线最近的开采煤层为5号煤层，倾角为52°，厚度8～10m。煤矿与输气管道布置见图1。

图1 煤矿与输气管道布置

2 模型的建立

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，模型尺寸为800m×50m×250m，其中x方向长为800m，y方向宽为50m，z方向高为250m，该模型采用Solid45单元，模型剖分的网格单元为 49117个，节点10510个。管线在模型中位于x=390m，y=0～50m，z=1.5m处。模型网格划分图如图2所示。

边界条件:上表面为自由面，下表面为全部约束表面，侧面限制水平位移。

岩石是一种脆性材料，当荷载达到屈服强度后将发生强度软化、破坏，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。

图2 模型网格划分

建模材料参数如表1所示。

管线为钢质材料，管径457mm，管壁6.3mm。物理力学参数按实际情况取值，体积模量175GPa、剪切模量76GPa、密度7850kg/m3。管线位于地表下1.5m处，下部为卵石土。

计算按照实际开挖顺序，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，依此类推。

表1 模型材料岩土力学参数

3 急倾斜煤层开采过程中地表移动变形特征

煤矿开采是岩体不断破碎断裂发展的过程。地下煤层采出后，采空区顶板岩层在自重及其上覆岩层作用下，向下弯曲移动，并将变形传递至地表。图3～图8为第1至第6开采水平下地表移动等值线图，通过位移等值线图局部放大图得出表2。

由表2可知，急倾斜煤层不同开采水平下地面沉陷有如下特征:

表2 不同开采水平下地表位移特征

图3 开采第1水平地表移动位移等值线

图4 开采第2水平地表移动位移等值线

（1）随着开采深度的增加，地表沉陷区的范围在不断扩大。开采浅部煤层时 （第1水平至第3水平）地表沉陷范围扩展幅度较大，而开采深部时尤其是开采第4水平、第6水平时，地表沉陷范围较上水平扩展幅度变小。

图5 开采第3水平地表移动位移等值线

图6 开采第4水平地表移动位移等值线

（2）地面沉陷范围扩展以沿煤层倾向方向扩展为主，而煤层反倾向方向扩展幅度较小。

（3）开采过程中，地表位移以垂向位移为主，水平位移相对较小。

图7 开采第5水平地表移动位移等值线

图8 开采第6水平地表移动位移等值线

4 急倾斜煤层开采过程中管道管壁变形特征

图9～图11分别为开采第2、第4、第6水平后管壁位移等值线图。表3为根据不同开采水平下管壁周围位移等值线图而得。

图9 开采第2水平后管壁位移等值线

图10 开采第4水平后管壁位移等值线

图11 开采第6水平后管壁位移等值线

表3 不同开采水平下管线位移量

由表3可见，开采浅部煤层 （第1，2，3水平）时，随着开采深度增加，管线位移在不断增加，但最大位移不超过10mm;开采第4水平时，管线位移在4.79～20mm;开采第5，6水平时，管线位移仍在增加，但不超过25mm。

4 结论

（1）随着开采深度的增加，地表沉陷区的范围在不断扩大。开采浅部煤层时 （第1水平至第3水平）地表沉陷范围扩展幅度较大，而开采深部时尤其是开采第4水平、第6水平时，地表沉陷范围较上水平扩展幅度变小。

（2）地面沉陷范围扩展以沿煤层倾向方向扩展为主，而煤层反倾向方向扩展幅度较小。

（3）开采过程中，地表位移以垂向位移为主，水平位移相对较小。

（4）数值模拟结果揭示不同开采水平下地表及浅埋管道的变形特征，研究结果对浅埋油气管线建设与运营安全评价具有重要的理论和实际意义。

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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

国土资源部百名优秀青年科技人才计划资助项目 （2007）;国土资源公益性行业科研专项资助项目 （200911036－3）

程国明 （1967－），男，山西祁县人，博士后，教授级高工，主要从事矿山地质环境监测预警。

［责任编辑:王兴库］