浅埋管线受开采沉陷影响的相似材料模型实验研究

蔡音飞，戴华阳

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)



浅埋管线受开采沉陷影响的相似材料模型实验研究

蔡音飞1,2，戴华阳2

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024；2.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

[摘要]西气东输管线某段通过蒿峪煤矿开采区，受到开采沉陷影响。结合现场条件，通过相似材料模型设计和实验，模拟了地表沉陷的动态过程和沉陷对浅埋管线的影响过程，揭示了管线沉陷与地表沉陷分布形态相似，时间同步，但数值偏小的规律。模拟证实了管线受沉陷后弯管部位存在应力集中现象。实验表明，通过地表开挖卸载可使管线应力释放，产生明显回弹，改善其受力状态。研究扩展了模型实验在管线沉陷方面的应用，对于管线的保护和维修有现实的指导意义。

[关键词]浅埋管线；开采沉陷；相似材料模型实验；地表与管线下沉差；应力释放

浅埋输油(气)管线下采煤没有包含在传统的“三下” (建筑物、水体、铁路)开采[1]范畴内。但随着我国西气东输工程的开展，管线经过采空区或者管线下开采的问题逐渐显现。仅西气东输管线一期工程在途径的山西、山东、陕西、宁夏4个省区就涉及8个主要矿区，受到76个矿井开采形成的部分采空区的影响[2]。因此，矿山开采对管线的影响研究也日益得到重视，现场变形监测[3]、数值模拟[4-7]和相似材料模型实验[8]均被应用于管线受沉陷影响的研究。若干学者进一步从力学的角度分析受影响管线的应力、应变情况[7，9-12]。有些研究还尝试对管线的安全性进行评估[2，13]，或者对拟开采区域进行调整设计[6，14]，以保护经过的管线。

相似材料模型实验被广泛应用于开采沉陷等问题的研究中，但针对受开采影响的管线而设计的模型实验很少。文献[8]用低碳钢材质的钢管作为管线的相似材料，强度偏大，造成管线与地表的最大下沉差达到1.5m左右(实地)，本文认为该数值是过估的。

本文以通过蒿峪煤矿采空区的西气东输管线EM090 - EM092段为研究对象，以相似材料模型实验为工具，研究管线沉降与地表沉降的关系，并模拟沉陷区管线保护措施之一的弯管部位应力释放的过程。

1地质开采条件

西气东输管线EM090 - EM092段位于山西省晋城市阳城县境内，受蒿峪煤矿开采影响。研究区地处太行山南段西侧，地貌区划为侵蚀山地，以低山丘陵为主。

蒿峪煤矿井田范围全部被第四系黄土覆盖，井田赋存地层由老到新为：奥陶系中统峰峰组、石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统山西组、下统石盒子组、二叠系上统上石盒子组、第四系中上更新统。

蒿峪煤矿所开采的3号煤层位于山西组下部，为近水平煤层，厚度5.40～5.94m，平均5.66m，分布稳定。3号煤层上覆岩层和底板的厚度和主要岩性参数见表1。采区上方覆岩总厚度约150m，包括约15m厚的松散层。

表1　原型与模型的层厚及主要岩性参数

蒿峪煤矿为村办煤矿，已于2007年4月停采。已知西气东输管线EM090 - EM092段经过该矿开采沉陷区，管线的平均埋深为2m。现场观测[3]证明，该地段沉陷已稳定。本文将通过模型实验的方法研究开采沉陷对管线造成的影响及其规律。

2相似材料模型实验设计

2.1模型设计

本实验采用的模型架尺寸为4200mm×250mm×1800mm(长，宽，高)；几何al、密度ar、应力aσ、时间at相似常数分别为1∶150，0.64，0.0043，0.082，计算方法如下：

al=lm/lp=1/150

(1)

ar=rm/rp=0.64

(2)

aσ=ar/al=0.0043

(3)

(4)

式中，lm为模型长度；lp为原型长度；rm为模型密度；rp为原型密度。

根据上述相似常数和表1所列原型的尺寸和岩性，可以计算模型的尺寸和岩性，也列于表1。模型设计见图1，布设好未开采的模型照片见图2。根据各个层位的岩性参数，模型的相似材料的配比如表2所示。

2.2测点、管线布置

实验在覆岩和地表共布置8条横向观测线，见图1、图2。最上一条观测线尽可能贴近模型上缘铺设，作为地表观测线；其余7条观测线为岩层内部观测线。测点标志为具有十字丝的圆，铺设测点时用大头钉将测点标志钉在模型上，观测时瞄准标志上十字丝的中心读数。

图1　模型设计和测点布置(不含管线测点)

图2　开采前模型照片

管线布置于模型松散层中，地表以下15mm(合实地2m左右，下文无特殊说明均指模型尺寸)。考虑在实地的大尺度上，管线可以承受一定程度的弯曲变形[15]，实验采用塑料软管模拟管线，并在其中填充编织物和细铁丝(铁丝沿管长方向布置)适当增加其硬度。管线上布置观测线1条，测点为箍在管线上的细铁丝，向上竖直立起，并在铁丝上部穿有测点标志，见图3。管线测点观测时需瞄准细铁丝的顶端读数，其上的测点标志由于不固定，仅起辅助瞄准作用，非观测目标。

图3　管线与其测点照片(表土已移去)

2.3开采设计

实验设计总开采长度为2000mm，开切眼位于距模型左侧800mm处。考虑55°的影响角，预计开采影响范围的水平长度为3456mm，小于模型范围(参见图1)。

模型采用全部垮落法处理顶板，每500mm为1个开采阶段，共4个阶段。每次采完1个阶段，需稳定一段时间，然后再观测覆岩、地表、管线的移动变形情况。各开采阶段内，如有明显岩移变化时，也需进行记录和观测。

3实验结果与讨论

3.1“三带”的形成与发展

当模型开采到300mm时，直接顶首次出现少量垮落；500mm开采后，垮落带高度170mm，垮落带顶部宽度310mm，地表无可见变形。

当模型开采到700mm时，裂缝带首次明显地出现在上覆岩层中；当模型开采到900mm时，“三带”均可在模型中被观察到，裂缝带与垮落带分界开始模糊，地表变形明显。

其后，随着开采的继续，“三带”逐渐向模型开采前进方向发展；全部2000mm开采结束后，模型形态如图4所示。

图4　模型全部开采后的岩移形态(开采至2000mm)

3.2地表与管线下沉

实验中，采用经纬仪观测法，观测位置和控制点固定。得到的测点数据(水平角、竖直角)经过几何变换[16]获得测点在模型平面中的坐标，然后可通过计算某次观测与初始模型的坐标差值得到测点的移动变形量。

模型第一阶段(500mm)开采后，观测到的地表最大下沉为0.7mm。此时，地表所有测点的下沉曲线沿横坐标轴呈波动状，并考虑实验采用观测方法的理论精度为0.14mm[16]，可以认为沉陷在当前尚未发展到地表。

当模型开采至第二阶段(1000mm)时，地表变形明显，最大下沉达到14.7mm，合下沉率0.40；当模型开采至第三阶段(1500mm)时，地表最大下沉达到16.1mm，合下沉率0.44，已接近最终的最大下沉数值。

模型继续开采直到最终的2000mm，地表和管线的下沉曲线向开采前进方向发展，下沉值也逐渐变大，如图5和表3所示。开采到2000mm时，地表下沉曲线底部出现平底，可认为基本达到充分下沉。根据实验结果，当地下沉系数大致为0.5。由于倾斜地表的影响，下沉曲线偏向地表下山一侧，符合非水平地表对沉陷的一般影响规律[17]。

图5　各开采阶段地表、管线下沉曲线

开采阶段/mm管线最大下沉/mm地表最大下沉/mm地表下沉率点均下沉差值/mm0～5000.60.70.02-500～100012.614.70.400.581000～150015.716.10.440.611500～200017.317.40.470.91

注：点均下沉差由开采范围内的管线、地表下沉数据计算，取绝对值。

理论上，越靠近采空区的观测线下沉值应该越大[18]。据此可以推论，管线的下沉应大于地表的下沉。考虑到本实验中管线埋藏很浅(接近地表)，其下沉值应与地表一致或略大。但实际分析各阶段管线与地表下沉曲线的对比图(图5)可见，管线的下沉一般比地表下沉要小。这就意味着，管线自身有维持原形态，对沉陷有一定的抵抗能力。各开采阶段，管线与地表点均下沉的差值列于表3。由于开采影响范围外两侧的管线与地表的下沉值应该是一样的(均为0)，所以在求取管线与地表的下沉的差值时，只考虑开采范围内的数据。由表3中点均下沉差值的变化可知，管线与地表的下沉差异随着开采的进行逐渐变大。

观察模型上表面发现，除常规应出现的垂直开采前进方向的裂缝外，还出现了平行开采方向(即管线铺设方向)的裂缝(图6)，表明管线下沉小于地表下沉，造成了一定程度的相对隆起，从而形成裂缝。由表3可知，管线与地表的点均下沉差小于1mm，也就是说，理论上应该存在于模型上的隆起很细微，直接观测并不明显。但沿管线方向裂缝的存在从侧面证明了地表相对隆起的事实。

图6　沿管线方向(即开采方向)裂缝

由图5可知，虽然管线下沉较地表稍小，但曲线形态基本相似，而且随开采的发展趋势在时间上是基本同步的。所以在现场监测时，当直接监测管线的沉陷有难度时，可以由管线附近地表监测数据代替浅埋管线的沉陷情况。

3.3管线应力释放

蒿峪煤矿上方输气管线在2007年、2009年曾经2次对受沉陷影响的弯管部位采取分段逐步开挖的方式进行全采空影响段的应力释放[19]。本实验在模型实验中模拟该过程，定性验证应力释放过程。

在模型全部开采(至2000mm)结束并等待下沉稳定后，尽量移去管线上方表土，等待一段时间后，再对管线测点进行测量，得到管线卸去表土载荷、应力释放后的下沉曲线，如图7所示(表土移除操作有不确定性，无法保证管线完全不移动，所以图7中卸载后的管线下沉曲线比卸载前的曲线波动稍大)。可以看到，管线在卸载后，明显向上回弹。开采范围内，该曲线与开采至2000mm时管线的下沉曲线的点均下沉差值为1.82mm(合现场约270mm)。可以认为，模型实验中，管线的回弹比例和其所使用的相似材料的性质十分相关，故此处数据仅代表实验条件下结果。

图7　开采至2000mm时地表、管线下沉曲线及管线卸载后下沉曲线

在现场，如果应力释放后，管线仍未回弹到理想的位置，还可采取人为反向干预管道标高(即局部管段实施“抬管”作业)的方式确保管道处于受控状态[19]。

4结论

(1)采用相似模型实验，使用塑料软管充填编织物和细铁丝作为受开采影响的浅埋管线的相似材料，模拟了该管线的开采沉陷过程和卸载回弹现象，很好地反映了现场管线的实际采动影响过程。

(2)分析了采动管线沉陷与地表沉陷分布形态相似、时间同步的特征，揭示了管线沉陷数值较地表数值偏小的规律。因此，在工作中可以由管线上方的地表监测数据反映浅埋管线的沉陷情况。

(3)实验表明，在沉陷发生后，可通过挖开表土，释放管线应力使管线回弹。地面开挖措施有利于沉陷区管线的保护。

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[责任编辑：邹正立]

Experimental Studying of Similar Material Model of Shallow Buried Pipeline under Mining Subsidence

CAI Yin-fei1，2，DAI Hua-yang2

(1.Mining Engineering College，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.Geosciences and Surveying Engineering College，China University of Mining & Technology(Beijing)，Beijing 100083,China)

Abstract：One section of west to east gas pipeline in Haoyu coal mine mining area was influenced by mining subsidence，according similar material model design and experiment on the basis of filed situation，influence process of subsidence to shallow buried pipeline and dynamic process of surface subsidence were simulated，the results revealed that distribution shape of pipeline subsidence and surface subsidence is similar，time synchronization，but numerical value is smaller.Stress concentration appeared in elbow position after pipeline subsidence.The experiments showed that stress of pipeline would be released after unloading with surface excavation，rebound obviously，stress state would be changed.The results extended the application scope of model experiment on pipeline subsidence，it referring practical guiding for pipeline protection and maintenance.

Key words：shallow buried pipeline；mining subsidence；similar material model experiment；subsidence difference of surface and pipeline；stress release

[收稿日期]2015-08-19

[作者简介]蔡音飞(1983-)，男，浙江嘉兴人，土木工程-地质工程博士，主要研究方向为矿山开采沉陷、“三下”采煤和结构力学的理论和应用。

[中图分类号]TD327

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)02-0053-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.015

[引用格式]蔡音飞，戴华阳.浅埋管线受开采沉陷影响的相似材料模型实验研究[J].煤矿开采，2016，21(2)：53-56，94.