采煤影响下南水北调管线动态治理时机确定及治理方案设计

郑 辉, 单帅帅

(1.兖州煤业股份有限公司，山东 邹城 273500；2.中煤天津设计工程有限责任公司，河北 邯郸 056031)

南水北调输水管线东线工程配套管线部分经过兖州煤业鲍店煤矿五采区和六采区规划开采工作面，压覆可采煤炭资源1 529.1万t，解决管线保护与压煤开采矛盾问题是实现管道正常运营与煤矿可持续发展的现实问题。

针对开采扰动下管线的损伤问题，李丽等[1]研究表明在煤矿开采引起的地表移动到达一定界限时，管道可能会发生局部屈曲或失效；Peng S.S、王晓霖等[2-3]利用概率积分法对管道变形进行了分析。王金东等[4]基于管道失效的因素分析，得到了评价油气管道安全性标准。韩冰、万继涛、程国明等[5-7]通过数值模拟对管线的变形进行了分析。王鸿、刘名阳等[8-9]以地表下沉和管道形变量为基础对管道的安全性做出了分析。针对管道治理和管道建设，改道避开采动区是最优方案[10]，但仍存在征地、管线停工等众多问题。

综上所述，国内外专家学者针对煤炭资源开采对管线的损伤评估及管线治理进行了一些有益的探讨，理论上取得了一些进展，并成功指导了现场实践工作。但是，仍有一些需要进行深入探讨和研究之处，如上述研究多是基于输气管线进行的研究，输水管线在尺寸及运行条件上与上述成果存在差异性；管线的损伤评估方面开展的研究较多，但对管线的原位治理方案和治理时机均缺乏系统性的研究。因此，本文基于上述研究内容，以鲍店煤矿五采区5302工作面开采影响南水北调管线为例，开展管线开采损伤过程、管线治理时机及治理方案的研究工作。

1 研究区域概况

5302工作面位于鲍店煤矿井田西北部，工作面走向长约1 132～1 354 m，倾向宽约88～161 m，回采深度242～294 m，平均采深278 m，平均厚度8.3 m，规划回采速度6 m/d。工作面东部为已采的5303工作面采空区。

南水北调输水管线为DN700螺旋钢管，管道直径700 mm，壁厚10 mm，双管线结构布置，两管线中心距1.5 m。研究区内的管线位于泗河沿岸滩地，布设方法使用的是浅埋双管线法，管顶覆土主要为砂质粘土，管道平均埋深为1.5 m。

输水管线与5302工作面的井上下对照关系如图1所示。

图1 5302工作面与管线位置对应关系

2 管线临界变形值确定

大量的实测资料表明，鲍店煤矿地表实测符合概率积分法模型[11-12]，并具有稳定的实测预计参数[13]。

因此，本文采用概率积分法动态预计计算得到的管道区域移动变形数值作为边界条件，采用数值模拟的计算方法确定开采活动对管道的损伤情况。

采用ABAQUS软件建立研究区域南水北调管道及周围土体模型如图2所示，根据文献[14]中的相关规定，Q235B钢管采用弹塑性应力-应变模型，力学参数如表1所示。土体采用Mohr-Coulomb模型，土体物理力学参数参照兖州矿区实测参数，如表2所示。

图2 土体及管道数值模型

表1 埋地管道材料参数

表2 土体材料参数

根据地表开采沉陷的发生及发展过程，对管线周边的土地施加表3中的7种工况边界条件，计算管线位置的应力及应变情况。计算得到各工况管道轴线方向应力分布情况如图3所示。

表3 各工况地表变形值

图3 不同工况管道顶部轴向应力分布

在判断管线可承受变形能力时，文献[14]研究表明，管线轴向应力应低于最低屈服强度的80%，而《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)[15]规定Q235型钢管焊接缝抗拉强度理论上为185 Mpa，取该值作为南水北调管线最小屈服强度σs，则可得到该管线的容许轴向应力σA为148 Mpa。

设置w ij和w jk的初始连接权值，初始连接权值是在(-1，1)区间随机选取的非零值，同时给定计算精度值ε(ε＞0)。

根据管道的容许轴向应力，结合表3和图3的数据可以得到，南水北调管线可承受的最大地表正曲率变形值为0.46 mm/m2，最大负曲率变形值为-0.93 mm/m2，在管线治理时，应采用适当的技术措施保证煤炭开采诱发的地表曲率变形值小于上述指标。

3 管线治理时机的确定

管道治理按照作业内容和顺序，可分为管道标高恢复和管道预抬升两部分，如图4所示。当工作面回采一段时间后，工作面上方开始逐步出现下沉和变形，管道受周围土体影响，也会出现下沉，同时产生沿横向和轴向的形变。为了避免管道在煤炭开采影响下的附加应力超过容许变形值而产生破坏，需要在管道周边区域地表变形值到达临界状态之前进行管线的治理工作。煤炭开采引起下沉的治理可分为标高恢复和预抬升两个阶段，将管道预抬升工作及时放在管道标高恢复之后进行，可以减少外业工作量，降低成本，同时，更能够发挥管道抗变形性能。

图4 管道治理施工示意图

对5302工作面进行动态预计可以得到：当管道沿线地表变形值到达极值时，需要对管道进行第一次标高恢复，此时工作面回采到距开切眼180 m，同时，平面方向上也应对管线进行水平方向拨移，恢复原始状态。

当管道标高恢复工作完成之后，需要对管道进行预抬升，预抬升的高度应以动态预计所得的地表下沉值为依据，在施工时要做到预抬升引起的管道附加形变需小于容许临界变形值。根据5302工作面动态预计计算结果，当工作面回采到距离开切眼240 m后，地表的曲率变形极值达到临界状态，按照之前计算的管线可承受最大正曲率变形0.44 mm/m2对管线进行预抬升，因此预抬升区段为距开切眼180 m推进至240 m段，预抬升量为动态计算的地表沉陷量。按照上述方法依次计算5302工作面后续开采需进行的管线标高恢复和预抬升工作量，可得到该工作面开采影响期共需对管道进行6次治理工程，每次治理工程施工计划如表4所示。

4 管线治理技术措施

4.1 管道下沉治理

反向抬升法是目前治理管道下沉的常用方法，按照抬升装置的不同，该方法分为装置置于管道上方和管道下方两种方式进行作业。装置置于管道上方的主要通过起重设备吊起管线后对管线位置进行恢复，装置置于下方的管线治理方式有千斤顶、起重气垫等，通过自身功能来对管道位置进行恢复。本文研究区域位于河道滩地，使用大型起重设备不便，而起重气垫具有质量小、可反复利用、操作方便等优势，在河道滩地使用更加符合实际，因此本文选取TLB-40型起重气垫作为抬升装置，如图5所示，该型号气垫性能参数如表5所示。

图5 管道抬升气垫

表5 起重气垫性能参数

《现役管道的不停输移动推荐作法》[16]中给出了管道支撑座间最大距离限度的计算公式，如式(1)所示：

(1)

式中，LS为道支座间的最大跨度，mm；d为管道内径，mm；D为管道外径，mm；σA为许用轴向弯曲应力，MPa。

计算得到，南水北调管道抬升装置间的安全距离应为27.7 m，考虑一定的安全系数，在进行管线治理时，建议装置间安全距离设置为20 m。

4.2 管道水平变形治理

管道的水平变形包括轴向水平变形和横向水平变形两部分，对于不同方向的水平变形应当采取不同的方法治理。管道的横向水平变形同样采用起重气垫法进行治理，当管道完成标高恢复及预抬升之后，将起重气垫按照安全距离间隔设置在管道一侧，通过气垫充气操作施加反向作用力将管线在水平方向拨回原位，如图6所示。针对管道轴向水平变形，通常使用管道伸缩补偿器进行治理，在管线上按照实际情况设置补偿器，从而对管线的形变进行相应补偿，减少管道形变的损害。依据该段管线自身和地形等特点，并参考相关标准可知：采用补偿量大、抗伸缩能力强的直埋式波纹位移补偿器更为合适，如图7所示。

图6 起重气垫水平拨管示意图

图7 直埋式波纹补偿器

5 结 论

(1)将概率积分法动态预计得到的地表移动变形作为边界条件，确定了南水北调管线和周边土地的数值模拟参数，计算了南水北调管线在不同开采工况下的移动变形值和应力分布状态。(2)确定了南水北调管道的容许轴向应力σA为148 Mpa，可承受的最大地表正曲率变形值为0.46 mm/m2，最大负曲率变形值为-0.93 mm/m2，在管线治理时，应采用适当的技术措施保证煤炭开采诱发的地表曲率变形值小于上述指标。(3)根据5302工作面推进对管道的动态影响过程，确定了管道共需要6次的标高恢复和预抬升，确定了每次的施工范围和施工量。(4)提出了下沉和横向水平变形采用气垫进行恢复，纵向水平移动采用直埋式波纹位移补偿器的加固方案。