力学大会2015集采空区埋地输气管道沉降机理研究

采空区埋地输气管道沉降机理研，(太原科技大学，应用科学学院，太摘要：以埋地输气管道为研究对象，建立能够反映采空区具有多个差异沉降面的管道变形分析力学模型，根据力学模型建立管道变形曲线微分方程，利用研究区段管道边界条件和连续条件，求得了管道变形解析表达式。利用采空区管道实测沉降数据对管道变形解析表达式进行了修正和完善，使得管道变形解析表达式能够更好地反映工程实际状况。同时还研究了采空区完全塌陷时输气管道最大允许跨度。研究表明：①该力学模型可以研究具有多个差异沉降面的管道变形及受力分析；②1m5。 石油天然气的主要输送方式是管道。在采空区，埋地管道会随着采空区的沉降而发生沉降变形乃至断裂，进而可能引起、燃烧、等重大事故。因此，采空区埋地管道的沉降、变形以及应力等问题被许多学者广泛研究。nonaron1]对发展了最早的管道的设计方法即aron理论；uca2]等通过地表沉降和曲变形评管道iua]管道的应力水平；4]等通过移动盆地的最大沉降量与管道允许的最大沉降量的比较，判定管道的安全性；5]等对非沉陷区和沉陷区分别构建了计算模型，计算了不同工况条件下不同塌陷区长度、不同沉降量所对应的管道内部最大轴向应力；]等采用数值模拟分析了松散层厚度对煤层采空区地表及埋地输油气管道变形的影响；«采空区油气管道安全设计与防护技术规范]中基于管道均匀沉降的计算模型对采空区管道设计、防护措施等制定了明确的规范要求,但该模型地基差异沉降对管道安全状态的影响；]等对地基差异沉降时埋地管道纵向结合本文中管道沉降特点，本文的分析基于以下几个假采空区内深埋管道出现明显下沉埋地管道的受力情况与管道内压、土壤性质、土壤差异沉降的程度有 把管道周围的土壤看成具有一定抗压刚度系数的弹性土管道多区沉降示意图如图1所示1Fig.1groundsettlement2Fig.2pipelinedeformationn1为，2，3，，n。管道变形示意图如图2所示，取其中任意两个极值点间的一段进行研究。dx3q)px)是弹性地基作用在单位长度梁上的支撑力，()=(y-)，其中K为地基的抗压刚度系数，为沉降区的沉。y方向平衡方程，并化

3Fig.3pipeline dQpxqx对右截面形心取力矩平衡，略去高阶微量，并化简Q由材料力学[8]K4 令 (特征系数)，则由以K4

MEId4 4y 式(1)所示的微分方程的通解即管道曲线方

q 由于管道铺设深度不深，即q/K<<Δ，故q/K可忽略，则管道曲线方程 sin(x)] 边界条件为

yx

1x1x x x将式（2）代人式（3），得到四个方程，对其进行求 14x14xCa{e(3x2x)[sin(x2x)2cosx]e(3x2x)cos(xx)e(sinxcosx Ca{e(3x2x)[sin(x2x)2sinx]e(3x2x)cos(x2x)e(x4x)(sin 其a e4xe4x2e2(xx)[2cos x 管道变形挠曲线表达式的验本文的数据基于“和顺--长治煤层气管道和顺段”的实地测量数据由测试数据通过最小二乘拟合得到拟合沉降曲线如图4实线所示，借助数据的极值点数据式（2）直接得到理论沉4(a)第1次测 (b)第2次测 (c)第3次测 (d)第4次测4Fig.5Comparisonofmeasureresultswiththeory从图4(a)、(b)、(d)中可以看出，理论曲线与测量数据拟合曲线吻合较好，但图4(c)中理与测量数据拟合曲线吻合较差，经过分析发现，在第3次测量约480m处测量数据存在明显测量误差，正是该处数据失真导致理论结果与测试数据拟合结果不一致。对第3次测量约480m处测据进行修正，修正后的管道沉降数据模拟曲线和管道沉降理论曲线进行对比，如图5所示5修正后测量结果与理论结果比较(3次测试Fig.5Comparisonofrevisedmeasureresultswiththeory图5 中可以看出，修正后理论曲线与测试数据拟合曲线吻合较好。研究表明真实可靠时，理论结果与测试数据拟合结果吻合较好；当数据出现测量误差时，理论结果与测试数拟合结果就会出现较大差别，需要对测试数据进行修正，修正后理论结果与测试数据拟合结果吻。固支图6所示固支型描述的是管道采空区两端约束最好的情况，利用该模型可以得到采空区完图6固支Fig.6Clampedbeam由结构力学分析知，如图6所示两端固定梁最大弯矩发生于固定端，其值M=1ql由材料力学知识知附加抗拉、抗压应力 =MD=qDl (压) 其中D、 分别表示管道的外径和惯性距。由于管道的抗压能力弱于抗拉能力，选取许用附加压应[压]作为校核依据，从而得粘土及管道重力载荷集度q

qDl2[ q(D2d2)gp/4Dh

其中D和d分别为管道外径和内经,单位为m；p管材密度,单位为kg/m3g重力加速度,单位为将q代入式(5)，得到管道的允许跨度为l 简支简支梁最大弯矩发生于中点

图7简支Fig.6SimplysupportedM=1ql8因此中点为点。由材料力学知识知附加抗拉、抗压应力 =MD=qDl (压) 由于管道材料的抗压能力弱于抗拉能力，选取许用附加压应力[压 作为校核依据，从而得将式(6)代入式(8)，得到管道的允许跨度

ql

l 各参量含义同2.1实例分管道参数如表1所示1Table1Parametersof[σ压固支型下管道的允许跨利用式(7)计算固支型下管道的允许跨度。当采用粘土填埋时，管道的允许跨度为21m；当采用沙土填埋（忽略土压影响）时，管道的允63m。利用有限元商业软件NSY120对表1所示参数的两端固定型进行计算求管道的允许跨度。19）度为64m支为19的塌陷超过这个值时，管道将处于不安全状态；当采用沙土填埋（忽略土压影响）时，管道的允许637l 其中为修正系数，01，可根据土质确简支型下管道的允许跨利用式(9)计算简支型下管道的允许跨度。当采用粘土填埋时，管道的允许跨度为17m；当采用沙土填埋时，管道52m。NSY12011752。支为17的塌陷超过这个值时，管道将处于不安全状态；当采用沙土填埋（忽略土压影响）时，管道的允许529l 其中为修正系数，01，可根据土质确综上所述，当采空区完全塌陷，使得管道悬空的距离不超过17m时，可以确保管道处于安全状态；管道悬空的距离超过17m时，必须分析塌陷区域两端的约束情况以及填埋土质的类型，进一步 本文建立的力学模型对于解决具有多个沉降区域管道沉降问题具有一定的通用性17m52参考文HUCKAVJ,BLAIRCK,KIMBALLEP.Minesubsidenceeffectsonapressurizednaturalgaspipeline[J].MiningEngineering,1986,38(10):980-984.IIMURAS.Simplifiedmechanicalmodelforevaluatingstressinpipelinesubjecttosettlement[J].ConstructionandBuildingMaterials,2004,18(6):469-479. .采空区地表移动盆地对埋地管道的影响分析[J]. WANGHong,ZHANGMi,CHANGHuai-min.EffectofSubsidenceTroughatGoafZoneonBuriedPipeline[J].PETROLEUMENGINEERINGCONSTRUCTION,2008,34(2):23~26.,姚安林,谢飞鸿等.采空塌陷区管道最大轴向应力计算及统计分析[J].天然气工业GUANHui-,YAOAn-lin,XIEFei-hong,etal.Calculationandstatisticalysisofalaxialstressatminingsubsidencearea[J].NATURALGASINDUSTRY,2009,29(11):100~103.,萍.第四系覆盖层厚度对煤层采空区地表及埋地输油气管道变形的影响[J].科学技术与程,2014,14(25):146~150.WUShao-yan,WENBao-.InfluenceofQuaternaryCoverThicknessonGroundandBuriedPipelineDeformationinCoalMined-outAreas[J].ScienceTechnologyandEngineering,2014,14(25):146~150.中，,等.Q/SY1487-2012，采空区油气管道安全设计与防护技术规范[S].：石油工业，2012.(WuZhang-zhong,LiuKai,etal.Q/SY1487-2012,Specificationsforsafetydesignandpreventiontechniqueofoilandgaspipelineinminingsubsidenceareas[S].Beijing:PETROLEUMINDUSTRYPRESS,2012.)，，.地基差异沉降时管道的纵向力学性状分析[J].中国农村水利水电，2003(7):46-48.(ZhangTu-qiao,LiXun,WuXiao-gang.ysisofLongitudinalMechanicalPropertiesforPipelineduringFoundationUnevenSettlement[J].RuralWaterandHydropower,2003(7):46-48.)常红，.材料力学[M].：科学(ChangHong,ZhaoZi-long.Mechanicsofmaterials[M]BeiJing:SciencePress,，姚，.城市天然气高压管道设计的若干问题[J].煤气与热力，2007,27(11):1-4.(YangLuo,YaoJian-feng,WuXiao-.SomeProblemsaboutDesignofUrbanNaturalGasHigh-pressPipeline[J].GAS&HEAT,2007,27(11):1-4.),.在役天然气管道沉降控制值的分析探讨[J].中国市政工程,2006(4):66-68YangZhi-ming,,Yao-tian.ysiaofValuesforControlofIn-serviceNaturalGasPipelineSettlement[J].MUNICIPALENGINEERING,2006(4):66-68.)ysisonBuriedGasPipelineSettlementMechanismovertheMined-out(TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Collegeofappliedscience,Taiyuan,Shanxi,030024,:Aimingattheburiedpipeline,themechanicsmodelofthepipelinedeformationoverthemined-outareaswithmultidifferentialsettlementwasestablished,thedeformationcurvedifferentialequationofthepipelinewasestablishedbythemechanical,andtheyticalexpressionofthepipelinedeformationwasderived.Theyticalexpressionofthepipelinedeformationwasrevisedandconsummatedbythemeasuredsettlementdataofth