山西煤矿采空区天然气管道隐患治理探索与实践

石悦 李朝 郭文朋

1山西能源学院

2中国石油天然气管道工程有限公司

3山西天然气有限公司

山西是煤炭资源开发大省，因采煤造成近3 000 km2的采空沉陷区，近年来山西省天然气管道建设快速发展，管道不可避免地要经过一些煤矿采空区。采空塌陷对管道的危害现象非常突出，轻则引起管道弯曲变形，重则可能导致管道破裂[1-2]。天然气具有易燃、易爆、有毒等特性，一旦管道发生沉降受损，将会给周边人民群众生产生活及社会稳定带来较大影响。一般情况下采空区治理耗时耗财耗力，如：2007年山西某天然气管道在阳城蒿峪煤矿遭受采空塌陷灾害，耗资数千万元、历时2年才基本控制险情；2015年山西又一条天然气管道在乡宁县罗毕村因采空沉陷遭遇险情，应急抢险历时3个月，耗资500余万元。针对采空区管道面临的诸多问题，山西天然气有限公司积极探索研究，于2016—2018年开展了《煤矿采动/采空区天然气管道受损规律研究》[3]，在不断解决实际问题的基础上，该公司在采空区管道建设和运行管理方面积累了大量的可操作性强的管理经验，基于这些经验，山西天然气有限公司成功化解了所辖近5 000 km天然气管道在遭受采空沉降时的各种风险和危情。下面以灵石—段纯天然气集输管道经过采动/采空区时的隐患治理为例，介绍采空区管道治理方面的一些典型做法和经验。

1 灵石采空区存在的问题

灵石—段纯天然气集输管道投产于2011年，管道全长50 km，采用D355.6 mm×6.3 mm螺旋缝埋弧焊钢管，设计压力4.0 MPa，管道在JP9号桩附近经过山西晋中灵石煤矿有限公司的开采区域（图1）。

图1 煤矿开采区与管道线位关系图Fig.1 Relation diagram between mining area and pipeline line position

该煤矿开采区长约1 000 m，宽约140 m，开采速度约为1～2 m/d，开采方式为机械化综合采煤，开采时采取液压顶杆支护方式，开采完毕后立即撤离液压顶杆支护，为长壁全垮落开采方式。

煤矿开采造成管道沿线地表开裂并发生台阶状沉降，威胁管道安全。2016年4月29日采空区地面发生塌陷，塌陷范围内有多条地裂缝，最大开裂宽度约20 cm，最大高差约70 cm，裂缝发育至管道沿线，并有裂缝穿过管道线位（图2）。

图2 采空区现场地表开裂情况Fig.2 Situation of ground surface cracking in mining area

2 灵石采空区隐患治理

为保证灵石—段纯天然气集输管道JP9号桩附近采空区范围内管道运行安全，运营管理单位组织相关部门并邀请专家召开技术研讨会，确定采取以下治理方案[4]：

（1）计算预测采空沉陷区地表位移和变形，并校核管道在采空区地表变形情况下的应力状态。

（2）根据管道在预测地表变形情况下的应力状态，确定采空区发展活跃期的应急抢险措施。

（3）根据计算分析结果和进一步采空区沉降观测数据，确定采空区管道长期治理方案和实施条件。

2.1 计算分析

2.1.1 基本资料收集

（1）根据工程竣工资料、相关标准规范和文献资料，收集该处管道参数。

（2）根据工程竣工资料，分析确定管道初始位置、地理坐标信息和弯管布置情况。

2.1.2 计算方法

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界最具权威的有限元产品。ANSYS功能强大，操作简单方便，融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，在石油化工、航空航天、机械制造、能源、土木工程、造船、地矿、水利等领域有着广泛的应用，现在已成为国际最流行的有限元分析软件。本项目采用了ANSYS 11.0软件进行管道应力分析和校核[5-6]。

（1）确立有限元模型：包含管道本体模型（力学模型、单元选择）、管周土体模型（力学模型、单元选择、管土相互作用土弹簧）。

（2）确立荷载加载方式：采空沉陷区管道主要受到内压、温差、自重以及沉陷引起的位移载荷影响。

2.1.3 应力校核准则

（1）埋地管道的应力校核规范：GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》中有埋地管道的当量应力校核要求，但无轴向应力的校核要求，因此计算管段的当量应力按照此规范进行校核，轴向允许附加应力参考ASME B31.8—2016《Gas Transmission and Distribution Piping Systems》中的公式进行校核。

（2）开挖管道的应力校核规范：开挖管段管周无土体的约束作用按照非约束管道进行校核计算。本项目根据ASME B31.8—2016中非约束管道的定义及方法进行校核。

2.1.4 采空区沉陷预测参数

根据煤矿调研和相关规范、文献，分析确定煤矿开采和沉陷预测参数，包括：开采深度、煤层倾角、下沉系数、时间系数、水平移动系数、拐点偏移距/H、基岩裂缝角、松散层裂缝角、影响传播角等。

2.1.5 采空沉陷地表位移预测计算

对水平煤层或近水平煤层地表的沉陷情况进行的大量观测实践表明：开采影响区的破坏程度与地表的下沉速度有很大的关系，然而下沉速度又与各个开采块段的开采时间、开采深度、覆岩岩性等因素有关[7]。根据相关规范，数学模型的表达式为

式中：(x,y,z)为计算点的坐标；Ci为时间影响系数；m为计算块段数目；l为计算开采任一块段的拐点数；qk为使用计算的直角坐标系中x轴与通过计算点和拐点k连线间的夹角；fj1、fj2分别为运算函数；Rk=Rk(q,x,y)，为极坐标半径。

式中xk、yk为计算开采块段拐点的坐标。

以概率积分法为基础，结合上述数学模型可以得出开采区域的下沉值预计公式为

根据采空区沉陷预测公式和煤层参数计算得到，计算管段内最大沉降量为2.5 m，沿管道轴向最大水平位移为0.68 m，垂直管道轴向最大水平位移为0.51 m。

2.1.6 管道应力状态

根据前面各节确定的计算参数、有限元计算方法及相关规范规定的应力校核准则，校核管道在最大沉降变形情况下的应力状态[8-9]，可知管道最不利的轴向应力和当量应力均超出了许用值324 MPa，且超过了管材的最小屈服强度360 MPa，超出了规范要求（表1）。

表1 管道应力校核结果Tab.1 Check results of pipeline stress

计算结果表明采空区管道在沉陷期间若不采取措施，将处于危险的应力状态。根据工程经验，采空区管道在地表下沉期间，开挖管道释放土体对管道的约束作用后，可以显著改善管道的应力状态，因此决定采空区管道采取开挖释放应力的应急措施。

2.2 应急治理措施

根据前面计算可知，管道无法承受采空区最大沉陷变形，为保持管道应力在允许范围内，需要开挖管道进行应力释放，并进行应急治理。经分析论证，考虑采取以下应急措施：

（1）对采空沉降范围管道开挖释放应力。

（2）管道附近地面发生较大错动后，应及时测量挖开段管道坐标以进行应力分析。

（3）回填管道附近的地表裂缝，防止雨水灌入裂缝加剧地表沉陷。

（4）关注开挖段管道悬空情况，当管道在轴线方向发生20 m以上的悬空时，应将管道局部吊起并在管道底部采用袋装土支护，使管道保持平直状态，避免管道长距离悬空产生较大挠度。

（5）密切观测管道的变形和地表沉陷情况，发现问题及时处理。

2.3 永久治理措施

2.3.1 治理方案比选

结合本工程实际情况及以往工程经验，拟采取的治理方案主要有：抬管、换管、断管、改线、设置支撑方案[10]。

（1）抬管。抬管是治理采空区管道沉陷变形问题的有效措施之一。由于初始应力状态的不确定性，难以通过计算制订抬管方案，在此情况下实施抬管作业可能带来管道应力恶化问题。另外，抬管过程中要做到管道变形协调，而该采空区地形条件复杂，坡度较大，存在多个弯头，管道变形协调控制难度很大，因此，不建议采用此方案。

（2）换管。根据计算分析和地表沉降变形情况，需要换掉沉降严重、应力较大的290 m管段。换管方案是最有效的改善管道应力的措施，但是费用较高。

（3）断管。由于管道大部分应力水平都较低，只有局部应力水平超出了允许范围，所以管道还可以继续使用，可以只在管道应力集中的地段割断管道进行应力释放，并检查管体和焊缝的状态，如果符合施工标准，则原管道可以继续使用。初步判断，需要在两处断开管道并释放应力。

（4）改线。经过现场踏勘，并与矿区结合，该矿区分布范围较大，且区域地形、地质条件复杂，没有更好的改线路由可以完全避开此矿区和不良地质条件，如果大改，将涉及部分站场和阀室，甚至整个管线全部改动，相当于重建一条新管道，费用很高，而且影响下游供气。另外考虑到该采矿区范围内地面所有村庄房屋都已整体搬迁，目前荒无人烟，因此决定不改线，保持原位整改。

（5）设置支撑。采空区支撑方案就是在采矿过程中，在管道下方采空部位设置相应的支撑防止地面塌陷沉降，如预留煤柱，设置混凝土桩（墩），浆砌石桩（墩），注浆填充等措施。经管道业主和矿区业主双方协商，认为此方案占压煤矿储量太大，煤矿赔偿费用很高，本工程管径、输量较小，太高的赔偿费用不值得，因此舍弃此方案。

综合以上情况，从经济、安全可靠的原则出发，本项目最终确定采用断管的治理方案。

2.3.2 断管方案实施

断管治理方案实施的主要工序、步骤包括：

（1）上下游阀室（或站场）之间的管道内气体放空，并用氮气置换管内气体。

（2）开挖断管操作坑，断口设在原有环焊缝附近。

（3）剥除局部防腐层及补口材料。

（4）断开管道释放管道应力。

（5）采用短管对两处断口组焊连接。

（6）管道环焊缝检测、防腐层完好性检查、补口补伤。

（7）安装管道应变及管道位移监测设施。

（8）回填开挖段管沟，恢复通气。

2.3.3 治理效果

灵石采空区2015年底初步发现裂缝，在2016年、2017年采空区发展活跃期间，采取了局部挖沟露管释放应力的应急治理措施。2018年10月采空区沉降基本稳定后，成功实施了永久断管的治理方案，目前一直进行地表位移和管道应变监测，检测数据显示，采空区沉降稳定，管道应力应变状态稳定，符合相关规范要求。

3 隐患治理建议

目前油气管道行业在采空区治理方面有过不少成功的先例，主要采用的治理方案有：开挖露管释放应力，原位抬管释放应力，断管、换管释放应力，管道改线等，但大部分都以工程经验为主，定性直观地采取了相应的治理措施，缺乏充分的应力计算分析环节。灵石采空区治理则是从定量分析角度出发，为采空区治理提供了一个更为系统全面、定量分析、精确可靠的科学方法和参考，通过本项目的成功实施，对油气管道运行管理期采空区治理提出以下建议：

（1）认真分析研究建设期工程竣工资料，掌握了解管道沿线矿产分布情况、开采计划，建立台账，重点监管。针对运行过程中发现的采动/采空区，应积极主动与采矿区业主沟通联系，制定应急预案，研究防治对策。

（2）基于管道建设期间安装的地表位移及管道应变监测设施，密切跟踪监测采动/采空区地面沉降变形和管道应力发展情况，并及时分析评估，采取措施。建设期间未安装管道监测预警设施时，应在采矿开始前、采动初期即安装监测预警设施。

（3）发现采动/采空区后，首先应进行必要的计算分析，定量预测采空沉陷区的地表位移和变形，计算并校核管道在采空区地表变形情况下的应力状态。主要包括资料收集、计算方法确定、校核准则、采空区地表位移计算预测、管道在最大沉陷量工况下的应力状态预测等计算分析过程。

（4）根据地表位移、管道应变监测数据及相应的应力计算分析，及时确定采空区发展活跃期的应急抢险措施，通常采用的措施是挖沟露管释放管道应力，当采空区累计沉降量较大，简单挖沟露管措施不足以释放管道应力时，应根据现场情况适当抬升管道以最大程度释放管道应力。由于采空区发展活跃期地面沉降一直呈现无规律的变化状态，因此这个阶段宜采用临时应急措施，待采空区沉降稳定以后再进行永久性治理。

（5）永久治理措施应根据管道在最大沉陷量工况下的应力状态来确定，通常可采用挖沟露管释放应力，抬升管道释放应力，局部换管、断管释放应力，管道改线，采空区设置支撑等方案措施，实际工程中也可几种方案组合使用，具体应根据不同采空区和管道的实际情况进行综合比选确定。永久治理措施的目的是要保证采空区管道应力状态水平符合相关规范要求，管道安全平稳输送。