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煤矿采空区输气管道沉降防治技术的应用

2022-06-25 289 上传者：管理员

摘要：随着输气管道长度和密度的增加以及煤矿开采范围的扩大，采空区输气管道沉陷的安全问题日益突出。通过对采空区埋地输气管道变形特征的分析，对煤矿采空区输气管道的防治技术进行了研究，形成了一套从收集资料、风险识别及分析评价、监测预警到防治管控措施的管控技术。

关键词：
地下开采
沉降防治技术
煤矿开采
输气管道
采空区
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能源是人类生存、经济发展、社会进步的重要物质基础，是关系国家经济命脉和国防安全的重要战略物资[1]。长期以来我国的主要消费能源是煤炭，且大部分是采用地下开采的方式。特别像山西这种煤炭资源开发大省，因采煤造成的地下采空区面积超5000km2，形成近3000km2的采空沉陷区。同时，煤炭消费带来的生态环境负担等影响也更加突出[2]。目前，天然气主要以管道输送为主，在天然气资源需求量增加的同时，输气管道工程建设更是快速发展。

而输气管道工程则属于大范围延伸分布的线性工程，延伸长度大、涉及范围广，随着输气管道总里程的不断增加，管网密度的大幅度提升，其经过地形区域也更加多样化、复杂化，不可避免地要经过一些煤矿采空区。天然气具有易燃易爆及有毒等特性，一旦途径煤矿采空区的输气管道发生沉降变形，管道失效的风险将加大，轻则引起管道弯曲变形，重则导致管道拉断或破坏，甚至引起燃烧或爆炸等重大安全事故[3]。因此，有针对性地开展相关研究，在未引起损坏和造成事故之前，及时发现问题并采取安全应对措施，将损坏的可能性降到最低，这对途经煤矿采空区的输气管道安全运营具有重要的指导意义。

1、煤矿采空区输气管道变形特征

在煤矿未开采前，地表及埋地管道均处于相对稳定状态。煤矿采空区的形成是一个逐渐演变的过程，变化的阶段不同，对管道产生的影响也不同[4]。

煤矿采空区形成相对比较隐蔽，过程也比较缓慢。对于埋地管道而言，不同性质的地表移动变形，对管道和其附属设施的危害程度各不相同。在初期，地表变形较小，埋地管道受到的影响也较小，会在其弹性屈服轻度范围内随同地表同步弯曲下沉、拉伸、凸起等。随着采动采空区范围的扩大，管道周围土体的下沉幅度、地裂缝的拉裂宽度及错台高度等变化较大时，可能发生管道与下方土体脱离、管道拉伸或压缩等形式的破坏加剧，引发裂纹、管内介质泄露、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。

2、煤矿采空区输气管道沉降防治技术

为保障煤矿采空区输气管道运行安全，保障周边人民群众生命财产安全，避免因停气造成重大经济损失，需对采空区输气管道采取具有针对性的治理措施。经过多年的探索积累，逐渐总结出了一套切实可行的办法和治理措施，并在实践中取得了不错的效果。

2.1 资料收集

煤矿采空区和输气管道基本信息是管道运行阶段安全管控必不可少的信息，应及时准确掌握建设过程中管道沿线所涉及的采矿区资料，在输气管道运行过程中对采矿区管道进行重点监管。资料的搜集主要包括管道走向及与采矿区关系布置图、管道走向范围井上下对照图、矿区开采参数、采矿区工程地质、水文地质、覆岩岩性和顶板管理方法等采矿区资料，以及管道设计压力、设计温度、运行参数、管径、壁厚、钢级、钢管轴向力学性能参数、管道外防腐涂层及阴极保护信息、管道焊接接头参数、管道埋深、敷设条件、场地工程地质条件、气象资料等基本资料。

2.2 风险识别及分析评价

很多煤矿采空区的发展并不是在输气管道建设过程中发生的，而是在输气管道运行过程中才慢慢出现的。因此在输气管道运行阶段，有必要对煤矿采空区的发展变化进行密切跟踪、深入了解，依据相关规范对煤矿采空区地面沉降对管道的安全影响进行分析预计。

根据建设期间移交的竣工资料，及时掌握管道沿线矿产分布情况及开采计划，建立台账，对采矿区管道进行重点监管。加强日常巡查，及时发现并识别采空区沉降现象，并做好现场检查记录，内容包括线路位置桩号、行政区划、地理位置、矿区及矿权类型、开采情况、地表裂缝基本情况、检查人、检查时间等信息。结合半定量分析指标体系，对风险进行评定。

2.3 管道安全监测及预警

煤矿开采诱发的地表变形是一个逐渐演变的过程，为及时掌握采空区地面塌陷变形的发展趋势及管道变形受力情况，安装地表位移及管道应变监测设施。通过定量准确分析监测数据，计算分析管道实际应力应变情况，为管道预警和制定有效应对措施提供支持。

(1）地表和管道位移监测。采空区地表或管道位移监测主要通过在管道沿线设置地表位移监测点或在管道上设置监测标记来实现。选择管道顶部和地表变形典型点、段开展地表变形监测，及时掌握采空塌陷变形的发展趋势及对管道的危害程度。地表移动变形监测阈值根据现场实际情况设定，一般当监测曲线发生明显的跃升或监测曲线急剧变化时结合现场实际情况及时预警。

(2）管道应变监测及预警。煤矿采空区管道应变监测是针对管道本身的，相对于位移监测更加直接地反应了管道实际变形和受力情况，该技术应用于管道可能发生位移变形的区域。根据现场地表移动变形监测数据，分析地表移动趋势及对管道的影响，选取管道受力变形典型点、段（弯头及变形大的部位）进行管道本体应变监测，及时掌握管道应力应变情况，对于管道轴向应力预警阈值按照GB50251-2015《输气管道工程设计规范》、SY/T6828-2017《油气管道地质灾害风险管理技术规范》标准设定为管道最低屈服强度的80%。采空区地表位移、管体位移监测周期宜与管体应变监测保持一致。

(3）气象监测预报。对采空区管道范围内气象进行监测预报，以及时制定应对处置措施，防止二次伤害造成。

2.4 防治措施

2.4.1 开挖释放应力

为了减缓管道变形速度与幅度，需剥离管道周围的土层，释放管道因沉陷造成的应力。而开挖管沟位置和长度的确定，则需要根据采空区地表沉降裂缝和管道应变等相关监测数据，并结合管道敷设条件及管道属性信息进行分析。管沟开挖前应设置管道应变监测设施，测试记录管道开挖过程中的应力应变变化情况，分析判断应力释放效果，及时调整开挖方式和方向。管沟应采用人工分段开挖，开挖期间应进行可燃气体泄漏检测，并在施工区域周围设置警戒线，禁止闲杂人员进入。管道开挖暴露后，应对管道外防腐层和管道变形情况进行检查。对于需长期暴露的管道，管沟周边填置细土等留有变形区间的材料，以适应管道的继续变形，并加强巡线，防止管道附近第三方施工或其他人为破坏活动。

2.4.2 抬管

抬管是指人为对管道给予综合变形移动相反方向的作用力，强制干预管道标高，从而减少或消除管道变形应力的方法。根据观测到的管道位移变化情况及管道应变监测数据进行应力计算分析，判断挖沟露管应力释放的效果。当管道沉陷量超过允许值时，采取反向干预法（抬管）措施，减小管道位移变形，保持管道应力在规范允许的范围内。在抬管作业前应做好相应的模型计算和方案设计，精确计算每处抬升点的抬升幅度，以便定量准确指导现场抬管作业。抬管作业前施工单位应根据设计方案制定相应的施工方案，确保抬管作业有章可循、安全可靠，达到释放应力的预期效果。

2.4.3 断管释放应力

如果采空区沉陷地表变形移动较为复杂，同时因各种条件限制开挖露管释放应力难以实施，或者应力释放效果不明显，可采用断管方式释放应力。断管位置应根据采空区管道应力计算分析确定，以确保应力释放有效。断管作业将会导致输气管道停输，会对下游市场用气产生一定的影响，需提前做好相关沟通准备工作。在实际断管作业中，应加强安全管理，严格按照相关规范和施工单位预先制定的施工方案进行作业，确保安全。

2.4.4 改线处理

改线处理就是通过重新规划调整线路，使输气管道处于采空区影响范围以外，这种方法能够有效避免采空区沉陷威胁管道安全。但是此种方法涉及范围广、施工周期长、成本较高。管道改线的设计、施工应由具有相应资质的专业化单位承担，并符合GB50251-2015《输气管道工程设计规范》、GB50369-2014《油气长输管道工程施工及验收规范》及其他相关规范的要求。

3、结语

研究采空区输气管道沉降防治技术，是运营单位保障管道安全运营的现实需求，也是保障周边人民群众生命财产安全的切实手段。目前虽然已开展了一定的研究工作，但研究成果地域性和针对性较强，还需进一步深入研究，不断探索可以普遍推广应用的科学治理方法，确保能源高速通道长期安全平稳高效运营。

参考文献:

[1]张丽峰.中国能源供求预测模型及发展对策研究[D].北京:首都经济贸易大学,2006.

[2]杨晶.从G20看主要国家天然气发展政策[J].中国能源,2016,38(10):17-19.

[3]李林强.贵州滴水岩矿区采空地面塌陷预测与油气管道安全评价[D].北京:中国地质大学(北京),2013.

[4]冯伟,么惠全.采空塌陷区管道成灾机理分析及工程防治措施[J].水文地质工程地质,2010(3):112-115.

文章来源：杜彩霞,郭文朋,申倬伟,杨一,赵媛.煤矿采空区输气管道沉降防治技术研究[J].能源技术与管理,2022,(03):8-9+98.