浅谈煤矿采空区管道沉陷的识别与治理

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万方数据科技情报开发与经济Sol—TECHINFORMATIONDEVELOPMENT＆ECONOMY2009年第19卷第10期文章编号：1005—6033(2009)10--0213-03收稿日期：2009--02-20浅谈煤矿采空区管道沉陷的识别与治理彭振华，何键宇(巾围石油西气东输管道分公司thi两i管理处．山西太原，030001)摘要：介绍了煤矿开采后引起地表移动与变形的形式以及对输油气管道产生的影响，探讨了管道通过煤矿采空区时的各种监测方法和治理措施。关键谲：煤矿采空区；输油气管道；变形监测中图分类号：TE832文献标识码：A油气管道工程是我国近年来蓬勃发展起来的一类大型工程．在过去的10年里．在役管道总里程由27650km迅速增加到57143km，预计到“十二五”末期，中国油气管道总里程将超过lO万km。这些输送油气的钢质管道具有线状、网状分布的特点．不可避免地会通过一些煤矿采空区，如果这些采空区形成地面沉陷、地面开裂和沉塌．将严重威胁通过该区域的油气管道安全。采空灾害可能导致管道变形、破坏，甚至巾断。因此．必须采取有效的采空区(含潜在采空区)日常管理措施，建立一套行之有效的应急策略。1煤矿采空区地表移动变形地下固体矿床开采后的空间及其围岩失稳而产生位移、开裂、破碎垮落。直到上覆岩层整体下沉、弯曲所引起的地表变形和破坏的地区或范嗣统称采空区。采空区对地表的破坏程度主要取决于煤层顶板厚度、煤层厚度、顶板岩土性质(包括刚性、胶结程度)、倾斜度、物理性质(包括顶板分层情况、坡度、硬度、厚度等)，以及开采工艺、开采速度、地理表征等。1．1地表移动变形的规律地下煤层采fl：以后。覆岩在垂直方向上被破坏，在采空区周围发生较为复杂的移动和变形，其移动变形结束后形成3个不同的开采影响带，即冒落带、断裂带、弯flff带。冒落带直接位于采空区上方的顶板岩层。在自重和上覆岩层重力作．HJ下，所受应力大大超过本身强度时，使煤层上方的部分岩层断裂、破碎而塌落，堆积于采空区。断裂带的岩层是胃落带上部的岩层在重力作用下，所受应力超过本身的强度时，产生裂隙、离层及断裂，但仍保持原有的岩层层次的琊部分岩层。弯曲带的岩层是断裂带上部的岩层在重力作用下．所受应力尚未超过岩层本身的强度，产生微小变形。但整体性术避破坏，也未产生断裂，仅出现连续平缓的弯曲变形。1．2地表变形的表象一般而言。采厚比(煤层埋深与煤层厚度之比)越小．地表变形越大；顶板刚性越低。地表变形越大；煤层开采跨度、长度越大(如长臂回采、综合放顶工艺等)，地表变形越大；煤炭开采速度越快．地表变形越大。国内外采矿经验表明，一般情况下当采厚比小于30，同采工作匝较宽，顶扳为泥_页岩．采煤过后就容易发生塌陷变形：当采厚比介于30．60，采煤过后．地表变形处于中等，即已发生了变形，但变形量较小；当采厚比大干60．采煤过后，一般不容易发生变形．但也有例外．比如同采t作面较宽、机械化程度很高时．也可能发生塌陷变形。煤矿开采一定距离后。开采影响波及绝表。引起缝表下沉，随着工作面继续向前推进，地表的影响范围不断扩大．下沉值不断增加．在地表形成一个比开采范围大得多的移动下沉盆地或形成较大的裂缝、塌陷坑。2采空区沉陷对油气管道的影响输油气管道在自身的弹性范围内产生的最大变形量大于采空区沉陷量．管道应该是相对安全的。2．1管道安全性分析长距离输油气金届管线属于线性工程．金属管道在自身强度允许的范围内，本身可以产生一定的形变。一定长度的管道在其敷设区域采空区地表发生塌陷、变形，势必造成金属管道弯曲变形，当地表变形量超过金属管道允许的最大变形挝时，管道将处于危险状态；如果地表变形量小于管道的允许变形量，管道是相对安全的。管道允许的变形监可参照《采空区地表移动盆地对埋地管道的影响分析》巾的公式得出。．一3．2×106、／再夏而茹两鬲夏鬲丽骊夏耍西丽面a2————————■酾弧l万。。式巾：△为管道一定长度范围内的最大允许沉降量．mm；L为管道允许产生变形长度．mm；D为管道外径，ram；如为设计系数．取0．9；SMYS为钢管规定的最小屈服强度，MPa；&为管道原有的轴向应力，MPa。最大允许沉陷量与移动盆地沿矿层走向主断面长度、管道外径、管道壁厚、管道设计系数、管道工作压力、管道埋设温度、管道沉管时的温度、管材的各种参数有关。2．2关注要点煤矿采空区沉陷在以下情况时应立即采取措施，消减风险o(1)采厚比较小。当采厚比小于30时．要及时采取措施，积极干预。(2)采空区沉陷处于活跃期。不同的开采条件下，活跃期到来的时问不回，管理上要密切关注。(3)采用长臂回采综合放顶工艺时，顶板发生断裂的可能性较大，会在短时间内发生大幅度的沉陷，甚至发生切冒沉陷．对油气管道的影响钕为严重。3油气管道通过煤矿采空区的管理油气管道在煤矿采空Ⅸ敷设时，管道附近地表fI{现下沉、裂缝时，应立即开展涮查工作。收集煤矿资料、管道附近地质资料，进行沉陷监溺，初步刿埔采空区沉陷对管道造成的影响。3．1资料收集213 万方数据彭振事，何键宇浅谈煤矿采空Ⅸ管道沉陷的识别与治理本刊E-mail：bjb@sxinfo．net实践与创新为准确确定采空区对地面管道的影响程度和范围，需调查以下基础资料：煤矿资质；煤矿设计图纸；煤矿的位置及面积；各个工作面开采时间、开采速度；煤层开采状况；采煤方法(综采、高档普采、普采、房柱式等)；工作面的布置方法(倾斜、走向)、顶班管理方法；井下_T作面实际(真实)位置；分层开采时，上下分层的开采错距；煤层底板等高线图；分层开采的厚度；采空区形成时间、回采时间；煤层深度、采空深度；冒落范周、采动性质(单层采动或多层重复采动)及水文地质资料。同时要收集相邻煤矿的资料。3．2变形监测管道周围土体发生客观变化时，应开展地表位移监测和管道应力监测工作。在地表变形初期通常采用裂缝测量法，可在裂缝两侧打桩并连线，连线的方向平行于滑动方向，量出两桩问距变化，即代表滑体的相对位移。此种方法精度较低，跟踪时效性差。随着变形的发展，可采用位移监测法．在开采沉陷区以外设置基准点，对地表水平、垂直位移进行监测。3．3管道本体应力监测处于采空区域的管道受力是比较复杂的，应进行管道本体应力应变监测，在位于采空区上方的管道本体布置贴片，以获取连续、即时的管道本体的变形数据。可应用CAEARII管道应力分析软件，建立管道应力分析模型，确定管道变形允许极限值．及时掌握管道本体变彤情况及安全状况。该软件由于较少考虑煤炭开采工艺、采速和煤层厚度等重要因素．在管道长度超过100m时．计算精度有一定偏差，更加精确的数理模型还在研究探索中。一4煤炭采空区治理方法，通过计算允许最大沉降量和管体变形监测．发现管道受力接近或达到临界值时，应开展治理工作．治理方案的选择应遵循在技术上可行、经济上合理．又能确保管道安全的原则。要详细调查地形和煤矿的相关资料，认真研究和确定采空区的类型及沉陷发展阶段．综合考虑各种方案。油气管道通过的煤炭采空区治理方法主要有注浆法、二F砌方法、浆砌法、开挖同填法、压攫减载释放压力法、管道反向干预法。4．1地表封闭防渗夯填地表裂缝。对现场发现的所有裂缝要及时夯填，夯填方式如下：沿裂缝两侧扩30ent,按l：0．5放坡下挖50till(如果裂缝开裂深度不到50tin，下挖深度为裂缝实际开裂深度)，然后夯填原状土(最好是黏性土)。夯填时应去除同填土巾的大颗粒物质、植物根系等。如果裂缝较小可直接夯填黏性土。岩石裂缝采用灌注水泥砂浆的方式进行封堵，裂缝封堵施丁完成后应将地表恢复原状。地表水及雨水渗入是导致塌陷的原阙之一，HI防渗丁．程可以减缓或避免采空区地面塌陷．恢复原来山梁的地貌。地表上部用植被覆盖，通过在土体边坡上种植草本植物，减少水土流失及坡面冲刷，有效分散雨水，减少地表水人渗到地下．破坏岩土体的性质。4．2注浆方法注浆法系指用人丁的方法向地基土颗粒的孔隙、土层界面或岩层的孔隙(溶洞、溶隙、裂隙、孔隙)或采空Ⅸ的垮落带和裂隙带里注入具有充填、胶结性能的浆液材料，以便硬化后增加其强度或降低渗透性的注浆施T过程称为注浆施T方法。它适用于提高管沟承载力的注浆、帷幕注浆、防止地表下沉的注浆、防214止滑坡的注浆、封堵井下突水口或垂向导水通道的注浆、加周或加厚底板隔水层的注浆等。此种方法成本较高．通常不宜使用。4．3干砌方法干砌方法是在采矿后形成的空洞内．用灰岩或砂岩等片石人工网填砌筑．砌体与洞顶板紧密接触．使堆砌物起到支撑顶板的作用。从而保证采空Ⅸ上方{鳘f岩的稳定性。该方法主要适朋于矿层开采后未完全塌落、空间较大的采空厌。且应具备采空Ⅸ内通风良好、易于人工作业、材料运输等施工条件。该法主要Hj于治理管道下方的采空塌陷区。4．4浆砌方法浆砌方法同样是在采矿形成的空问内，用灰岩或砂岩等片石或料石人工回填，砂浆砌筑，直至堆砌到洞顶。堆砌物具有整体性和足够的强度．并与采空区顶板紧密、充分地接触，使堆砌体起到支撑顶板，防止上覆岩层塌落．减少下沉幅度的作用。浆砌方法的适用条件与干砌方法的适用条件基本上相同．其不同之处在于要求堆砌物具有较高的整体强度。该方法主要Hj于治理有固定墩、稳管设施、场站、阀室较重要部位的采空塌陷区。4．5开挖回填释放应力方法开挖回填方法是对闲沉陷形成地裂缝的管沟采空区进行开挖．并适当使管道悬空．释放闪沉陷造成的管道上存在的应力后．对管道下方土壤加以夯实．挤密土壤．让密实土托住管道。查明了管道与塌陷的关系后，管沟周边填置耐腐蚀的稻草或泡沫，同时留有变形区间，以适应管道的继续变形，然后覆土。对于发生在雨季前的沉陷，应在雨前刚塑料薄膜进行覆盖，严禁雨水灌人裂缝，造成坡体整体失稳。西气东输丁：程对阳城县蒿峪煤矿采空蜓的治理上应用了此种方法。4．6压覆减载释放压力法如果采空区沉陷地表变形移动较为复杂，有时在3个维度方向均发生较大变化幅度的移动，严重情况下，甚至会发生水平方向诸如滑坡等巨大幅度的移动，这种情况在地表为较大坡度的斜坡，采空区塌陷诱发边坡失稳，已经形成多道环形裂缝，且发展迅速，坡体移动方向与管道近于垂直，已对管道形成侧向推压。应清除管道上方的土体．如果条件允许可对滑坡体坡脚实施反压。西气东输工程对阳城县义城煤矿采空区的治理上应用了此种方法。4．7管道反向干预法管道反向干预是幅度最大、效果最优的变形控制措施．主要是在基于变形监测结果．预测管道综合变形将趋近甚至超过管道最大允许值时。必须采取的主动措施之一。其关键是在管沟开挖、管道露jl；的情况下，运用牵引、举升等强力手段．对管道给予综合变形移动相反方向的作用力。强制使管道归复变形移动前的位置，从而减少或消除管道变形应力。管道方向干预措施仅适用于采空Ⅸ顶板在较长时间段内缓慢变形的情况，顶板快速沉陷情况下．因时问原因．难以实施管道反向f预。5结语油气管道下方采空Ⅸ沉陷及治理是一个新的课题。本文所述一部分是输油气管道保护的做法，同时还参考了国内其他一些行业(如公路行业)的做法。随着管道输送事业蓬勃发展，还会探索出更加科学、经济、合理、安全的方法。参考文献[I]高速公路采空Ⅸ(空洞)勘察设计与施1二治理手册[M]．北京：人民交通出版社．2005．(责任编辑：邱娅男) 万方数据科技情报开发与经；开SCI-TECBINFORMATIONDEVELOPMENT＆Et：ONOMY2009年第19卷第10期●●__I-●●_●●_-___-_-●●-●_-I____●-●__l—m————1●_l___Il_l_-●●_-I-_●__l●__●I_●I_____l_●●__l●●__ll●I-l-l_●●-___l●____-_l●_●l_●-_l_--●_●_●_●-_l●_●ll__●●__l_-文章编号：1005-6033(2009)10-0215—02收稿日期：2009-02-12I矿井简介西曲矿生产布局和产品定位分析韩卫清(山西焦煤两山煤电集团公司生产技术处，山西太原，030053)摘要：通过时西曲矿主采煤层4号、8号、9号煤进行合理回采与衔接、产品定位的研究，得出结论：西曲矿产品定位为Il级精焦煤，采取“三队四面”生产布局比较合适。这样，既缓解了4号、9号殊衔接紧张的局面，延长了4号煤服务年琅，又合理有效迦牵3用了井下资源，提高了精煤产率。关键词：煤矿生产；生产布局；产品定位；西曲矿中图分类号：TD2l文献标识码：A西曲矿位于古交市北约0．5km，处于汾河北岸，西山煤田北部边缘，设计生产能力为300万t，年，1984年建成投产，是山西焦煤西山煤电集团公司古交矿区建成的第一座矿井。2007年核定生产能力为340万睥。西ffII矿井田面积40．6927klu2+2007年底剩余可采储量2．89亿t，煤层赋存平缓，倾角为5*-8。。煤种以焦煤为主，共含9层煤。可采煤层5层。分为上下两组。上组为山西组的为2．3号、4号煤，下组为太原组7号、8号、9号煤。目前开采的有2．3号、4号、7号、8号、9号共5层煤。2西衄矿各煤层特征和储量分布及衔接情况2．3号煤全区稳定可采．平均厚度3．52m，绝大部分为优质主焦煤，井田西部有少量肥煤，属巾灰低硫煤。目翦资源已经枯竭．只剩北五盘区已构成的22504(储量14．4万【)、22503(储量4万1)及未构成的22501工作面3个块段。没有可接替盘区。由于22504工作面遭小窑破坏严重，只能采用边角煤采煤工艺迸行圃采，产量每月最多保持在3000l。4号煤赋存不稳定．平均厚度2．49皿。属近距离难采煤层。绝大部分为主焦煤．西部有少量肥煤。属巾灰特低硫煤，黏结性高．回收率低．不易洗选。整个矿井可布置综采工作面还有6个，主要分布在南五、北三盘区。7号煤为局部可采薄煤层．厚度0．85111，属巾灰中硫煤；可规划盘区仅有北一和南四盘区。采用乌克兰生产的三轴螺旋钻采煤机回采，月产最多3000t，是辅助配采煤层。8号煤全区稳定可采．厚度在3．82m，主要为焦煤．东南部有少量瘦煤。顶板条件好，煤层生产能力和储盈大．回收牢高，是矿井主力开采煤层。属中灰高硫煤。9号煤主要为焦煤，东南部有少量瘦煤，厚度1．9m。南三、南五盘区厚度变为1．0m，储量少，煤层生产能力低．属巾灰巾硫煤。同时受8号煤层压茬关系制约，衔接紧张，产量较低。西曲矿各煤层煤质情况见表l。表l西曲矿各煤层煤质情况表煤层灰分，％挥发分糯硫分，％j辇种黏结性弼收牢，％厚度／m2．3号25．9922．540．96焦、肥煤75693．524号29．1724．720．6焦、肥煤65602．497号24．6321．531．63焦．肥煤58O．858号24．8817．992．44焦，肥煤57683．829号27．462I．65I．37焦．肥煤5l651．903西曲矿生产布局和产品定位分析近年来，西{lll矿由于上组优质2．3号煤资源桔竭．主力生产煤层转为4号、8号、9号，辅采2．3号和7号煤。生产布局为“三队三面”。3个综采队，综采一队同采9号煤．综采二队回采4号煤，综采三队回采8号煤．辅助一个螺旋队网采7号煤，一个边角煤队组回采2．3号边角煤，产品定位为lO级焦精煤，灰分在tO％以下．硫分在1m％以下。主采煤层年产量为4号75万t．8号160万t．9号100万t，2．3号和7号煤层每年安排各2．5万1．回收帛为54％。按照目前精煤配洗比例进行回采．南于9号煤层生产能力⋯⋯一⋯㈣⋯⋯●o●㈣～⋯㈣’㈣M～Ⅳ⋯⋯_⋯m⋯～⋯⋯～⋯●*__第一作者简介：彭振华。男，1969年9月生，1995年毕业于管道学院。中国石油西气东输管道分公司山西管理处。山西省太原市并州北路35号，030001．TalkingabouttheIdentificationandTreatmentofPipeline’SSettlementintheWorked-outSectionofCoalMinePENGZhen-hua，HEJian-yuABSTRACT：Thispaperintroducetheformofgroundsurfacemovementanddeformationcausedbytheminingofthecoalmineandtheirinfluenceontheoilandgaspipelines，andprobesintovariousmonitoringmethodsandtreatingmeasuresadoptedintheca∞whenthepipelinespassthroughtheworked—outsectionofthecoalmine．KEYWORDS：worked-outsectionofcoalmine；oilandgaspipeline；deformationmonitoring215 浅谈煤矿采空区管道沉陷的识别与治理作者：彭振华，何键宇，PENGZhen-hua，HEJian-yu作者单位：中国石油西气东输管道分公司山西管理处,山西太原,030001刊名：科技情报开发与经济英文刊名：SCI-TECHINFORMATIONDEVELOPMENT&ECONOMY年，卷(期)：2009,19(10)被引用次数：4次参考文献(1条)1.高速公路采空区(空洞)勘察设计与施工治理手册2005本文读者也读过(10条)1.陈世格.王拥文.刘冠男杭州市七格污水处理厂三期顶管穿堤变形监测设计[期刊论文]-浙江水利科技2010(4)2.王霆.蔡勇.刘洁淤泥土中管道沉降分析及预留沉降量法的应用[期刊论文]-中国给水排水2009,25(24)3.许娟.丁海平.XuJuan.DingHaiping苏州东方之门基坑工程的变形监测与分析[期刊论文]-岩土工程技术2011,25(1)4.史永霞埋地管线在沉陷情况下的响应分析[学位论文]20075.尚尔京.于永南.SHANGEr-jing.YUYong-nan地层塌陷区段埋地管道变形与应力分析[期刊论文]-西安石油大学学报（自然科学版）2009,24(4)6.于桂杰.尚尔京.于永南地层沉陷区域管道变形分析和安全评价[会议论文]-20097.卓飞.ZHUOFei石油管道监测系统的研究与设计[期刊论文]-电子设计工程2010,18(9)8.刘名阳煤矿采空影响区油气管道的危险性评价[学位论文]20099.冯伟.么惠全.FENGWei.YAOHui-quan采空塌陷区管道成灾机理分析及工程防治措施[期刊论文]-水文地质工程地质2010,37(3)10.关惠平.姚安林.谢飞鸿.么惠全.冯伟.GUANHui-ping.YAOAn-lin.XIEFei-hong.YAOHui-quan.FENGWei采空塌陷区管道最大轴向应力计算及统计分析[期刊论文]-天然气工业2009,29(11)引证文献(4条)1.吕红涛,李芳管道穿越采空区沉陷监测方法初探[期刊论文]-全球定位系统2013(06)2.孙健,马廷霞煤矿采空区管道监测方法的应用[期刊论文]-管道技术与设备2012(03)3.李合章煤矿采空区对地面建筑物的影响及预防对策[期刊论文]-煤炭技术2013(09)4.李合章煤矿采空区对地面建筑物的影响及预防对策[期刊论文]-煤炭技术2013(09)引用本文格式：彭振华.何键宇.PENGZhen-hua.HEJian-yu浅谈煤矿采空区管道沉陷的识别与治理[期刊论文]-科技情报开发与经济2009(10)