南水北调输水管线煤炭开采损伤状态数值模拟研究及监测方案设计

郑 辉，孙 杰

(1.兖州煤业股份有限公司,山东 邹城 273500；2.中国矿业大学,江苏 徐州 221000)

我国大量煤炭资源被“三下”压覆[1-2]，南水北调管线东线一期工程济宁市续建配套工程从兖州矿区鲍店煤矿和济三煤矿井田穿过，压覆煤炭资源超过5000万t，因此，选择合适区域监测开采扰动下管线变形特征，提出针对性的管线治理方案，对解放管线下压煤开采具有重要意义[3-5]。

针对开采影响下管线变形机理及治理措施问题，国内外专家学者开展了广泛的研究。部分学者[6-7]为研究地下管土间力学作用，将弹性地基梁置于半弹性空间状态下，将管、土有效刚度之和与管、土有效质量之和分别替代管、土系统总有效刚度与有效质量，另外，还将管线外壁视为一种弹性介质薄壳，这种弹性薄壳具有着各向同质性。Schotman[8]利用PLAXIS有限元软件进一步在该类问题上进行模拟分析，将有限元分析结果与经验公式结果进行对比，修改了理论公式中各参数的设定方法;赵国旭[9-10]以兖州矿区煤炭开采条件为基础，采用相似材料模型试验分析大条带综放开采下的覆岩破坏特征与地表移动规律；高明中[11]采用相似材料模拟研究了新集三矿急倾斜煤层条件下重复开采引起岩体移动特征与地表沉陷变形参数。

但是，上述研究成果多是基于油气管线取得的，与已有研究成果相比，本区域的南水北调输水管线具有管线直径大(700 mm)，开采影响程度剧烈(单层采厚8.5 m)等特点，因此需要制定合理的监测方案，监测管线敏感部分在开采扰动下的位移、应力、应变等变化特征，为管道下压煤开采及管道治理工作提供可靠的技术依据。

1 研究区域基本情况

1.1 鲍店煤矿5302工作面基本情况

5302工作面位于鲍店煤矿五采区西北部。工作面的设计走向长约1 132～1 354 m，倾向约88～161 m。工作面地势南低北高、东低西高。北部煤层走向20～40°，倾向110～130°，倾角为5～14°，平均为8°；南部煤层走向为30～45°，倾角为3～9°，平均为6°。工作面井上下对照图如图1所示。

图1 5302工作面井上下对照图

1.2 南水北调管线基本情况

南水北调东线济宁市续建配套工程输水管线是由南四湖向兖州、曲阜输水线路的干管，管线结构为双管线DN700螺旋钢管，壁厚10 mm，管道中心距为1.5 m，管顶覆土深度为1.5 m。

5302工作面影响区域管线位于工作面的北部边界区域，沿泗河北侧河堤滩地一侧布设，预估管线受影响长度1.75 km，管线位置如图1中红色线条所示。

2 管道损伤的数值模拟分析

为确定南水北调管线开采影响下的变形状态，为区域大范围的开展管线开采损伤治理工作提供技术支持，需针对性的开展管线开采损害状态监测。但监测位置、监测变量及监测周期等内容的确定受管线在动态沉陷过程中的破坏特征制约，因此，采用数值模拟方法分析管线在不同工况下的损伤状态，确定易损区域，为管线监测方案设计提供依据。

2.1 管道数值模型的建立

2.1.1 几何模型构建

采用有限元分析软件ABAQUS进行管线及土体沉陷形变分析的数值模拟，在沉陷影响区域长度外均加上100 m锚固管土缓冲区域，应用实体单元构建管道及土体，建模详细参数及建模结果如表1、图2所示。

表1 管土部件几何模型参数/m

图2 管土模型几何部件示意

2.1.2 本构模型构建

(1)管线本构关系

DN700螺旋钢管采用X60号钢材质，利用Ramberg-Osgood模型对管道材质进行本构关系建模，基础参数如表2所示。

表2 管材基础参数

(2)土体本构关系

由于土体在变形时同时具有着弹性性质和塑性性质，基于广义胡克定律，选择Mohr-Coulomb模型定义土体本构关系，参数如表3所示。

表3 土体材料参数

2.2 管道数值模拟边界条件的确定

本次数值模拟采用位移边界施加的情况进行，以概率积分法计算的地表移动变形为位移边界，施加给数值模型底边，进行开采影响状态下管线移动变形的损伤状态计算，共分三种工况：(1)未充分采动阶段；(2)临界充分采动阶段；(3)5302工作面稳沉阶段。

以5302工作面稳沉工况为例，施加边界条件后数值模型如图3所示。数值模型的边界条件由橙色表示：当中点状图形代表自由度为0，该点所在位置的边界坐标固定不变；箭头图形则代表着相对应的位置自由度大小以及方向，在Y轴负方向上施加负方向的下沉自由度、在Z轴及X轴方向上施加水平移动自由度；模型左侧的Y轴负方向箭头图形代表了模型自身所受重力的载荷情况；模型向轴心外侧发散的紫色箭头代表了其工作内压。

图3 管-土模型载荷边界条件设置示意

2.3 不同工况管道损伤计算结果

分别计算三种工况下管线各位置的位移和变形状态，提取数据绘制沿管线不同位置的下沉、水平移动及应力分布情况如图4～图6所示。

图4 三阶段管线下沉曲线

图5 三阶段水平移动变形情况

从图4～图6中可以看出，在开采影响的不同阶段，管线不同位置的移动和变形呈现出明显的差异性，而引起管线产生明显损伤的为应力的明显变化，从图6中可以看出：

图6 三阶段管线轴向应力情况

(1)在工作面处于未充分采动阶段时，管线的轴向应力值达到了134 Mpa与174 Mpa两个峰值，这两处峰值分别在183 m和580 m处；在管线379 m处应力值达到一个大小为-283 Mpa的谷值；

(2)在工作面处于充分采动阶段时，管线的轴向应力值在220 m与840 m处达到了两个峰值，分别为294 Mpa与170 Mpa，在管线568 m处则达到了-326 Mpa的谷值；

(3)工作面全采完成后，管线的前半部分轴向应力与充分采动阶段的应力分布相近，但是后半部分又在923 m、1 294 m与1 681 m处新增了三处峰值，分别为302 Mpa、141 Mpa与361 Mpa，在管线1 170 m与1 415 m处新增了两处谷值分别为-192 Mpa与-169 Mpa。

3 管道损伤监测方案的设计

3.1 监测设备的确定

本次针对管线损害监测采用的设备是STL-24型多通道声发射监测系统。

3.2 监测区域划分

SLT-24型多通道声发射监测系统传感器的感应范围有限，加之所设置的数量限制，需要对所监测范围进行提前的区域划分，根据各个监测区域所需的监测力度和情况进行传感器的合理布设，从而使整个区域监测更具有协调性和高效性。

其中，监测区域划分过程如下：

(1)鉴于项目所使用的传感器数量限制，无法在监测区域进行大范围、高密度的传感器布设，所以需要对整个监测区域进行安全区域和易受损区域的划分，不同区域所设置的传感器密度不同，从而达到更加高效且具有针对性的监测；

(2)区域划分的基准是所提供的现场工程相关资料中标明的管线屈服强度(113 Mpa)，结合前文所示的数值模拟结果，针对于管线所受应力进行判断，如果区域中管线所受到的轴向应力大于限定的屈服强度，则判定该区域为易受损区域；如果区域中管线所受轴向应力小于限定的屈服强度，则判定该区域为安全区域。由于数值模拟是建立在相对理想的条件下得到的结果，因此为了提高方案的严谨性，在进行管线所受应力比对时应将限定的屈服强度乘上0.95，以此来划分不同区域。即以±107 Mpa的屈服强度作为判定安全区域和易受损区域的标准。管线最终所受应力结果对比图及所划分的各个区域如图7和图8所示。

图7 全采应力与屈服强度关系图

图8 安全与易损区域划分示意图

3.3 传感器布设

本次采用的监测系统一共包含了24个传感器，这些传感器需要结合监测区域的具体分布特征和属性进行科学设置，更容易受损的区域布设更多传感器、长测区进行更多的传感器布设，同时在这基础上还需要保证每一个测区都有传感器的布设。每个测区所分配到的传感器以及所有传感器在监测区域的设置位置如图9所示，图中，红色代表着区域边界的划分，绿色代表着传感器的布设位置，由图8可以看出，管线的安全区域与易损区域是交替存在的，所以在设置传感器的时候，每个安全区域之内分别设置一个传感器；在易损区域中，三处长度在40～60 m之间的区域分别设置一个传感器，东侧三处易损区域长度范围在170～220 m之间，每个区域中按距离平均分配设置三个传感器，位于西侧的易受损区域长度超过了240 m，在区域中按距离平均分配四个传感器。

图9 传感器布设示意图

3.4 监测内容及监测时期

本次方案设计的观测内容主要分为三部分：背景噪声观测、设备灵敏度的标定和管线的损害监测。其中，背景噪声的观测设置在整个观测的首末，分别观测两次，共观测四次；设备灵敏度的标定应该在地表发生下沉之前进行，为了减小标定误差，每个传感器共进行三次标定，取平均值；在整个地表移动的过程当中进行管线的全时段损害监测。

4 结 论

针对南水北调管线开采损伤状态不明，需布置合理的方案进行管线开采损伤监测的问题，本文以鲍店矿5302工作面研究区域为例，建立南水北调管线数值模型，通过未充分采动、充分采动和工作面稳沉三种位移边界条件的施加，获得不同开采影响时期管线的损伤状态，得到管线开采影响下的安全区与易损区域。然后选择声发射系统作为监测设备，以易损区域为监测重点，针对性的设计了由24个传感器组成的管线损伤监测系统。