采动影响下天然气管线变形的数值模拟分析.pdf

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1、第1期矿山测量NO．120l2年2月MINESURVEYINGFeb．20l2doi：10．3969／j：issn．1001—358X．2012．O1．027采动影响下天然气管线变形的数值模拟分析木彭桢，程国民，戴华阳(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083)摘要：针对西北某矿3号煤工作面开采后，采空区上方一段西气东输管线天然气的安全运行问题，利用FLAC3D建立模型，选取合适材料参数、边界条件和初始条件进行计算，详细分析了3号煤工作面开挖后采空区上方管线的位移和应力的分布变化，并结合对管线上方地表

2、点的竖直位移监控，初步给出了问题的解决方案，为今后矿区的开采中天然气管线支护提供了参考措施和理论依据。关键词：采动影响；管线；FLAC3D；数值模拟中图分类号：TD993文献标识码：B文章编号：1001—358X(2012)O1—0075—03单元可以有不同的材料模型和参数，材料参数可以1工程概况为线性分布或非线性分布。有静力、动力、蠕变、西气东输天然气管线横穿西北境内某矿3号煤渗流和温度等5种计算模式，此外还包括梁单元、锚工作面上方南北向，管线距离地表约为3～4m，管壁单元、桩单元、壳单元等四种结构单元，可以用来模厚约

3、30mm，半径约0．75m。井田内全部被第四系拟岩土工程中的人工结构，如支护、衬砌、锚索等。黄土覆盖，井田赋存地层由老到新为：奥陶系中统峰2．2模型建立峰组、石炭系中统本溪组、上统太原组、二叠系下统本文建立一个长400m，宽300m，高194m的山西组、下石盒子组、二叠系上统上石盒子组、第四三维岩层模型网格，其中岩层自上至下分别为：表土系中、上更新统。其中三号煤位于山西组下部，煤层层、第四系、二叠系、顶板、煤层、底板。依据管线的厚度5．4—6．3m，采深170m，平均煤厚5．96m，厚实际尺寸和位置，建立管线模型距离地表

4、4．25m，管度大且稳定。煤层顶板一般为泥岩，厚约为4．5m，线外径1．5m，管壁厚30mm，管长400m，方向为自局部直接与砂岩接触，底板为砂质泥岩，厚度平均南向北。15．5m，煤层倾角1。～3。，斜风井通风，主副井辅轨建模时，以管线横截面圆圆心为坐标原点，垂直双钩串车提升，采出率为75％。于管线向东为X轴，沿管线向北为Y轴，竖直向上为z轴建立符合右手定则的三维坐标系，模型的侧面限2采空区天然气管线变形FLAC3D模拟分析制水平移动，底面限制水平和竖直移动，模型上表面2．1FLAC3D简介为自由面。整个三维模型共有74

5、200个单元体和FLAC是美国ITASCA咨询集团公司开发的有81036个节点(如图1所示)。限差分计算软件。FLAC3D是FLAC二维计算程序2．3计算结果及分析在三维空间的扩展，已广泛用于土坡、岩体或其他材考虑到本模型是模拟矿区土壤和岩石的力学行料体的力学行为，能较好的模拟材料达到屈服极限为，管线壁厚度薄，计算时采取摩尔一库伦塑性力学时的破坏或塑性流动的特性⋯。FLAC3D利用动态模型，采空区采用零单元模型，并考虑初始重力应的运动方程进行求解，并采取显式的方法，因此在模力，开采工作面长150m，推进方向垂直管线。由于

6、拟非线性问题、大变形问题以及动态问题时相当适只考虑工作面开采后的管线位移变形，开挖时模型用。中所有网格的位移全部清零。同时监控记录管线上FLAC3D应用广泛，它包括空单元模型、三种弹方地表三个沉降点A(0，200，5)、B(20，240，5)和c性模型和七种塑性模型等11种材料本构模型，每个(一40，1-40，5)的竖直位移量。计算达到应力平衡，由管线模型的应力等值线+国家自然科学基金项目(项目批准号：41172266)。国土资源部公益性科研专项资助项目(200911036—3)图(图2)可知，管线整体受到向下的压应力，

7、管壁X75第1期彭桢等：采动影响下天然气管线变形的数值模拟分析‘2012年2月山采空区上方天然气管线变形监测分析。通过软件[2]5r0波，韩彦辉(美国)．FLAC原理、实例与应用指南模拟和实地监测相结合，对管线的位移变形和应力[M]．北京：人民交通出版社，2005．[3]李琰庆，蔡怀恩，许冲．FLAC3D在深基坑支护优化设分布进行定量分析，为管线安全运行提供了参考措计中的应用[J]．平顶山工学院学报，2007(5)．施和理论依据。[4]郭广礼．老采空区上方建筑地基变形机理及其控制(2)通过计算分析，煤矿开挖对管线位移变形

8、的[M]．北京：中国矿业大学出版社，2002．影响主要集中在管线中部，且中部沉降约为两边的[5]武崇福等．FLAC3D在采空区稳定性分析中的应用两倍。[J]．河南理工大学学报(自然科学版)，2007(4)．(3)结合实地监测结果表明，管线上方地表整体沉降以管线为中心向东西两边逐渐递减，且逐渐趋作者简介：彭桢(1987