煤矿塌陷区架空敷设供热管道安全可靠研究

作者：高百争张国强吴伟逊　　评论：　更新日期：2012年08月19日

摘要：以通过煤矿塌陷区的架空敷设供热管道为研究对象，对通过塌陷区边界采用常规非预应力安装的管道进行了危险性分析，采取了适当缩短支架间距及预应力安装的解决方法。

关键词：煤矿；塌陷区；供热管道；支架；断裂带；沉降；预应力安装

Study on Safety and Reliability of Overhead Heating Pipeline in Coal Mine Subsidence Area

GA0 Bai-zheng，ZHANG Guo-qiang，WU Wei-xun

Abstract：Taking the overhead heating pipeline passing across the coal mine subsidence area as research object，the risk of conventionally installed(without prestress)pipeline passing across the boundary of subsidence area is analyzed. The solving methods include appropriately shortening the space between the supports and using prestress installation.

Key words：coal mine；subsidence area；heating pipeline；support；fracture zone；sedimentation；prestress installation

1 工程概况

河南省平顶山煤业集团的三矿、四矿、五矿、六矿、七矿、九矿、十一矿等矿井，距坑口热电厂最远的也只有9km，特别是九矿与坑口热电厂一墙之隔。在这片矿井密集的区域内，地下大面积被采空。煤炭行业把地下采过煤的区域称为采空区，由于地下被采空，采空区上方的地面逐步沉降，采空区上方的区域称为塌陷区。根据采煤厚度、采空区距地面的深度、采空区上方的地质构造等情况，很难准确预测塌陷区的塌陷时间或塌陷速率。若为这些矿井供热，部分供热管道必须通过处于沉降过程中的塌陷区。由于在塌陷区敷设供热管道存在困难，除九矿以外，其他宜由坑口热电厂集中供热的6座矿井均采用小型锅炉房分散供热。为了节能减排，实现塌陷区矿井集中供热尤为重要。

供热管道由非塌陷区进入塌陷区(或由塌陷区进入非塌陷区)的过程中，塌陷断裂带地面可能会逐步或突然形成落差。因此，在煤矿塌陷区供热管道敷设技术研究的课题中，地面沉降深度对供热管道的影响是重点问题之一。根据研究结果，在地面沉降深度不超过一定范围时，塌陷断裂带局部采用安装预应力的设计施工方法，可以保证架空敷设供热管道安全运行。

2 通过塌陷断裂带的危险性分析

2.1 供热管道的安装位置

供热管道在塌陷区的安装示意图见图1。在图1中，设支架-1、-2、-3～-n位于塌陷区，支架1、2、3～n位于非塌陷区。由于当地煤层厚度变化不大，采空区的采空高度差别较小，塌陷区内的沉降深度变化不大。因此，在塌陷过程中，支架-2、-3、-4～-n的柱顶标高变化差别较小，根据塌陷区的塌陷情况，采取少量调整柱顶高度的方法，可以采用常规的架空敷设技术，不会由于塌陷造成管道变形破坏。处于非塌陷区支架2、3、4～n的柱顶标高与塌陷无关，采用常规的架空敷设技术即可。

2.2 危险性分析

由于支架-1位于塌陷区，支架1位于非塌陷区，相邻两个支架随地面沉降将形成落差。设支架-1某一阶段的沉降深度为h(单位为m)，支架间距为L(单位为m)，塌陷前后管道均属于受匀布荷载的等距多跨连续梁，设支架-1、-2、-3～-n的沉降深度均为h。实际数据表明，沉降深度相对支架间距较小，对于支架-1、-2、-3～-n沉降深度较小的管道，假设塌陷后支架-2和2处管道截面转角仍为0，这种假设求得的力学近似解误差较小，可以满足工程力学分析需要。根据以上假设和材料力学中的叠加原理，绘制出地面沉降使管道变形的附加力和附加弯矩作用下的受力图，见图2。设图2中附加弯矩所画的方向为正，反之为负；转角方向顺时针为正，逆时针为负；附加力及位移向下为正，向上为负。