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采动塌陷区天然气输送管道沉降防治技术研究

文档作者：郭文朋1 李艳军2 于萍萍2 文档来源： 1．山西天然气有限公司 2．北京中地华安地质勘查有限公司		点击数：	更新时间： 2023年08月15日
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2018年第9期(总第156期)
钰i夏与芋钍
ENERGY AND ENERGY CONSERVATION 2018年9月
采动塌陷区天然气输送管道沉降防治技术研究
郭文朋1，李艳军2，于萍萍2
(1．山西天然气有限公司，山西太原030032；2．北京中地华安地质勘查有限公司，北京100085)
摘要： 叙述了采动／采空区塌陷区与天然气管道概况，分析了采动采空塌陷区地面裂缝规律及地裂缝对管道的影响，
基于此，提出并探讨了管道沉降防治措施。实践证明，这些措施的应用保障了管道运行及供气安全，也避免了因停气造
成的经济损失。
关键词：采空区；管道；人工举升；沉降
中图分类号： Tu433 文献标识码： A 文章编号： 2095—0802一(2018)09一O002—04
Study on Prevention and Control TecllIlolo留of Natural Gas Pipeline Settlement in MiIling
Subsidence Area
GUO Wenpen91，LI Yanjun2，YU Pingpin92
(1．Shanxj NaturaI Gas Co．，Ltd．，TaIyuan 030032，Shanxi，China：2．Be．jing Zhongdihuaan GeoIogjcal E×pIoration Co．，Ltd
Be．jing 1 00085，China)
Abstract：This paper described the geneml situation of collapse area in mining馆oaf area and the natural gas pipeline and analy—
zed the ground crack law of subsidence area in mining and goaf and tlle iTⅢuence of gmund crack on pipelines．Based on this，the
measures for prevention and control of pipeline settlement were put forward and discussed．The practice pmved that the applica—
tion of these measures guamnteed the safety of pipeline operation and gas supply，avoiding the economic loss caused by gas halt．
Key words：goaf；pipeline；artificial lift；settlement
0引言
随着国民经济建设的快速发展，油气管道总里程、
管网密度大幅提升，油气管道经过地形区域更加多样
化、复杂化，管道受到自然和人类工程活动的影响在
数量和程度上不断增加。山西省因采煤造成大面积的
地下采空区，采空塌陷造成地表差异性开裂、沉陷，
多条地裂缝发育，在管道及上覆土层重力作用下，使
管道承受拉、弯、剪、压等复杂的作用力，特别是在
管道弯头部位容易造成应力集中，极易造成管道应力
应变超越设计极限发生破坏，管道可能发生弯曲变形、
悬空甚至折断，甚至导致管内介质泄漏、燃爆等严重
灾害事故对输气管道的安全运营构成隐患。因此，研
究油气管道通过采空塌陷区的治理措施，是输气管道
安全运营管理的现实需求，也是保障周边人民群众生
命财产安全的切实手段。
1 采动／采空区塌陷区与天然气管道概况
山西华宁焦煤有限公司所属崖坪煤矿采区，行政
区划属西坡镇管辖，采空塌陷是由改扩建矿井项目2
号煤层1 1208采掘工作面采煤形成。11208工作面宽度
255 m，总推进长度l 826 m，煤层平均厚度6．5 m，
可采储量364×104 t(见图1)。其中，矿山于2015年
4月开始开采，2015年规划采掘进度947 m，截至10
收稿日期：2018一06一04
基金项目：山西省重点研发计划(指南)项目(201603D321120)
第一作者简介：郭文朋，1981年生，男，山东泰安人，2006年毕业
于中国石油大学(北京)油气田开发工程专业，硕士，工程师。
·2·
月初已越过管道600 m余，管道经过该工作面段下方
出现严重采空塌陷问题【11。
蒲县一河津管道工程JPll一JPl2段垂直于矿井采掘
面自北向南通过，管道设计压力4 MPa，管径457
mm，材质L360，埋深平均1．5 m，地表距采煤面顶板
约380 m，煤层厚度约6．5 m，采厚比约58：1。
11208采煤面与蒲津管道位置关系图见图1。
2采动采空塌陷区地面裂缝规律
在参考相关规范标准，考虑场区内地裂缝发育特
征，为更好地区分裂缝的规模，制定下面裂缝分级标准
(见表1)。
在采空塌陷的影响下，场区地裂缝十分发育。历时
半年现状调查共发现地裂缝81条，按照表l可分为：5
条一级地裂缝，裂缝编号为L1。L5，裂缝规模大；21
条二级地裂缝，裂缝编号为A1～E6、G1～G5，裂缝规
模中等；55条三级地裂缝，裂缝编号为F1。F55，裂
缝规模小。地裂缝的平面形态整体呈圆弧形，走向多
为1100～280。，剖面形态为上窄下宽，并逐渐消失。地
裂缝长在19 m～641 m之间、缝宽1 cm。150 cm不
等，并向塌陷中心呈多台阶状错落，错台高度1 cm。
210 cm不等。已调查地裂缝中规模最大的为裂缝L2，
长564 m，平均错台高度o．5 m～1．o m，缝宽o．3 m～
0．6 m，最大错台高度1．6 m，缝宽1．1 m，深未见，距
管道约28 m。详细位置见图2。图2中，N为北方向。
3地裂缝对管道的影响
本次采煤挖掘方向与管道近乎垂直，采空区穿越管 2018年第9期郭文朋，等：采动塌陷区天然气输送管道沉降防治技术研究2018年9月
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表1裂缝分级标准
图1 1 1208采煤面与蒲津管道位置关系图
长度最大宽度最大落距是否主要控
裂缝等级
m Cm Cm 制性裂缝
一级≥200 ≥20 ≥30 是
二级20～5 30一10 否
三级≤5 ≤10 否
图侈0
囫道路
团输气管线
]等高线／m
道，采空塌陷造成地表差异性开裂、沉陷，多条地裂缝
发育，在管道及上覆土层重力作用下，使管道承受拉、
弯、剪、压等复杂的作用力，特别是在管道弯头部位
容易造成应力集中，极易造成管道应力应变超越设计
极限发生破坏，对管道正常运行造成极大威胁。
图2地裂缝分布图
· 3 ·2018年第9期妇ijl占予钍2018年9月
场区地裂缝，多数与管道相交，且共计14条一级、
二级裂缝贯穿管沟。一级、二级地裂缝一般规模较大，
错台较高，宽度较宽，对管道影响较大，埋设在该区
域平行长轴开采方向附近的管道将与外边缘区的岩土
体共同受影响，以至于在管道的应力集中处产生变形，
如受预应力的弯头、弯管或存在焊接缺陷的焊缝，甚
至失效。
对于管道而言，不同性质的地表移动变形，对管
道及其附属设施的危害程度各不相同。地裂缝的拉裂
宽度及错台高度等变化速度影响通过采空区管道的安
全，当位移变化较大，管道可能发生拉伸或压缩等形
式的破坏，进一步引发裂纹、管内介质泄漏、燃爆等
严重灾害事故。当地表发生非连续性的突发塌陷或开
裂移动变形破坏时，会直接导致管道剪切损坏、管内
介质、泄漏爆管等灾害发生。
4管道沉降防治措施
4．1 定时监测地面沉降及管道水平位移数据
为及时掌握采空区地面塌陷变形的发展趋势及对
燕十^ K、卞．嘶
管道的危害程度，根据JGJ 8—2()07建筑变形测量规
范，结合现场实际情况及应急处置措施的要求进行监
测，监测工作的主要内容是针对管道东西两侧的地表
移动变形监测。监测点逐日观测1次，控制点分布于罗
毕村北部稳固地带，每个监测点至少与2个控制点通
视，共布设4个监测控制点。在监测控制点架设精密全
站仪用极坐标法逐个测量监测点的坐标数据，作为监
测点沉降位移计算的原始资料，监测点沿管道轴线方
向，距管道中心12 m～15 m范围内向东西两侧分别布
设，轴向上的相邻监测点间间距为12 m～15 m，共布
置69个监测点，分别监测水平和垂直方向变化量阳1。
详见图3。
通过对地表移动变形监测数据的分析，该采空区
地表移动有以下规律：
管道东西两侧累计最大下沉点位于JC47、Jc20，
最大值为451．5 cm，其二者所在位置为沉降中心，位
置在采掘面中心略偏北；Jc02、Jc68为南侧沉降边界，
距离采空区走向中心线约260 m；JCl4、JC31、JC41、
二j，；{一‘妻≥．．≤『|_：|』{‘
蓼糕?，豢
JC57分别各个方向的拐点，JCl4—3l、JC41-JC57为采空
沉陷下沉重点区，为地表移动盆地的中间区。
4．2实时监测管道应力应变
通过管道的应力应变监测，获得管道在风险状态
下，受采空塌陷、天气变化、人为扰动等各方面因素
影响情况下，管道不同部位的应力应变状态。
本次管道应力应变监测工作，选用的传感器是
GK一4100振弦式应变计，选取4个截面，共设置监测
·4·
目例
刁道路
刁输气管线
一一l等高线／m
⋯l高程点／111
、]通讯杆、电杆
J坡坎
!型地面移动变形监测，占
一j 11208采掘工作面
固蜘峨瞧箍
点24个，监测频率1次，h【41，详见图4。自2015年7
月15日始，实施不问断监测，为管道的安全评定积累
了大量的数据，目前数据量总数约为12．9×l 04个。
根据截面上监测点应变增量可计算监测点的应力
增量。不考虑管道的初始应力，可计算管体当前的轴
向应力及环向应力。
对于拉应力，参考GB 50253—2014输油管道工程
设计规范第5．2．4条，管道总的轴向应力不能超过管道

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