力學(xué)大會(huì)2015集采空區(qū)埋地輸氣管道沉降機(jī)理研究

采空區(qū)埋地輸氣管道沉降機(jī)理研，(太原科技大學(xué)，應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太摘要：以埋地輸氣管道為研究對(duì)象，建立能夠反映采空區(qū)具有多個(gè)差異沉降面的管道變形分析力學(xué)模型，根據(jù)力學(xué)模型建立管道變形曲線微分方程，利用研究區(qū)段管道邊界條件和連續(xù)條件，求得了管道變形解析表達(dá)式。利用采空區(qū)管道實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)對(duì)管道變形解析表達(dá)式進(jìn)行了修正和完善，使得管道變形解析表達(dá)式能夠更好地反映工程實(shí)際狀況。同時(shí)還研究了采空區(qū)完全塌陷時(shí)輸氣管道最大允許跨度。研究表明：①該力學(xué)模型可以研究具有多個(gè)差異沉降面的管道變形及受力分析；②1m5。 石油天然氣的主要輸送方式是管道。在采空區(qū)，埋地管道會(huì)隨著采空區(qū)的沉降而發(fā)生沉降變形乃至斷裂，進(jìn)而可能引起、燃燒、等重大事故。因此，采空區(qū)埋地管道的沉降、變形以及應(yīng)力等問(wèn)題被許多學(xué)者廣泛研究。nonaron1]對(duì)發(fā)展了最早的管道的設(shè)計(jì)方法即aron理論；uca2]等通過(guò)地表沉降和曲變形評(píng)管道iua]管道的應(yīng)力水平；4]等通過(guò)移動(dòng)盆地的最大沉降量與管道允許的最大沉降量的比較，判定管道的安全性；5]等對(duì)非沉陷區(qū)和沉陷區(qū)分別構(gòu)建了計(jì)算模型，計(jì)算了不同工況條件下不同塌陷區(qū)長(zhǎng)度、不同沉降量所對(duì)應(yīng)的管道內(nèi)部最大軸向應(yīng)力；]等采用數(shù)值模擬分析了松散層厚度對(duì)煤層采空區(qū)地表及埋地輸油氣管道變形的影響；?采空區(qū)油氣管道安全設(shè)計(jì)與防護(hù)技術(shù)規(guī)范]中基于管道均勻沉降的計(jì)算模型對(duì)采空區(qū)管道設(shè)計(jì)、防護(hù)措施等制定了明確的規(guī)范要求,但該模型地基差異沉降對(duì)管道安全狀態(tài)的影響；]等對(duì)地基差異沉降時(shí)埋地管道縱向結(jié)合本文中管道沉降特點(diǎn)，本文的分析基于以下幾個(gè)假采空區(qū)內(nèi)深埋管道出現(xiàn)明顯下沉埋地管道的受力情況與管道內(nèi)壓、土壤性質(zhì)、土壤差異沉降的程度有 把管道周圍的土壤看成具有一定抗壓剛度系數(shù)的彈性土管道多區(qū)沉降示意圖如圖1所示1Fig.1groundsettlement2Fig.2pipelinedeformationn1為，2，3，，n。管道變形示意圖如圖2所示，取其中任意兩個(gè)極值點(diǎn)間的一段進(jìn)行研究。dx3q)px)是彈性地基作用在單位長(zhǎng)度梁上的支撐力，()=(y-)，其中K為地基的抗壓剛度系數(shù)，為沉降區(qū)的沉。y方向平衡方程，并化

3Fig.3pipeline dQpxqx對(duì)右截面形心取力矩平衡，略去高階微量，并化簡(jiǎn)Q由材料力學(xué)[8]K4 令 (特征系數(shù))，則由以K4

MEId4 4y 式(1)所示的微分方程的通解即管道曲線方

q 由于管道鋪設(shè)深度不深，即q/K<<Δ，故q/K可忽略，則管道曲線方程 sin(x)] 邊界條件為

yx

1x1x x x將式（2）代人式（3），得到四個(gè)方程，對(duì)其進(jìn)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 管道變形撓曲線表達(dá)式的驗(yàn)本文的數(shù)據(jù)基于“和順--長(zhǎng)治煤層氣管道和順段”的實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)由測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)最小二乘擬合得到擬合沉降曲線如圖4實(shí)線所示，借助數(shù)據(jù)的極值點(diǎn)數(shù)據(jù)式（2）直接得到理論沉4(a)第1次測(cè) (b)第2次測(cè) (c)第3次測(cè) (d)第4次測(cè)4Fig.5Comparisonofmeasureresultswiththeory從圖4(a)、(b)、(d)中可以看出，理論曲線與測(cè)量數(shù)據(jù)擬合曲線吻合較好，但圖4(c)中理與測(cè)量數(shù)據(jù)擬合曲線吻合較差，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在第3次測(cè)量約480m處測(cè)量數(shù)據(jù)存在明顯測(cè)量誤差，正是該處數(shù)據(jù)失真導(dǎo)致理論結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)擬合結(jié)果不一致。對(duì)第3次測(cè)量約480m處測(cè)據(jù)進(jìn)行修正，修正后的管道沉降數(shù)據(jù)模擬曲線和管道沉降理論曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示5修正后測(cè)量結(jié)果與理論結(jié)果比較(3次測(cè)試Fig.5Comparisonofrevisedmeasureresultswiththeory圖5 中可以看出，修正后理論曲線與測(cè)試數(shù)據(jù)擬合曲線吻合較好。研究表明真實(shí)可靠時(shí)，理論結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)擬合結(jié)果吻合較好；當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)測(cè)量誤差時(shí)，理論結(jié)果與測(cè)試數(shù)擬合結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)較大差別，需要對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正后理論結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)擬合結(jié)果吻。固支圖6所示固支型描述的是管道采空區(qū)兩端約束最好的情況，利用該模型可以得到采空區(qū)完圖6固支Fig.6Clampedbeam由結(jié)構(gòu)力學(xué)分析知，如圖6所示兩端固定梁最大彎矩發(fā)生于固定端，其值M=1ql由材料力學(xué)知識(shí)知附加抗拉、抗壓應(yīng)力 =MD=qDl (壓) 其中D、 分別表示管道的外徑和慣性距。由于管道的抗壓能力弱于抗拉能力，選取許用附加壓應(yīng)[壓]作為校核依據(jù)，從而得粘土及管道重力載荷集度q

qDl2[ q(D2d2)gp/4Dh

其中D和d分別為管道外徑和內(nèi)經(jīng),單位為m；p管材密度,單位為kg/m3g重力加速度,單位為將q代入式(5)，得到管道的允許跨度為l 簡(jiǎn)支簡(jiǎn)支梁最大彎矩發(fā)生于中點(diǎn)

圖7簡(jiǎn)支Fig.6SimplysupportedM=1ql8因此中點(diǎn)為點(diǎn)。由材料力學(xué)知識(shí)知附加抗拉、抗壓應(yīng)力 =MD=qDl (壓) 由于管道材料的抗壓能力弱于抗拉能力，選取許用附加壓應(yīng)力[壓 作為校核依據(jù)，從而得將式(6)代入式(8)，得到管道的允許跨度

ql

l 各參量含義同2.1實(shí)例分管道參數(shù)如表1所示1Table1Parametersof[σ壓固支型下管道的允許跨利用式(7)計(jì)算固支型下管道的允許跨度。當(dāng)采用粘土填埋時(shí)，管道的允許跨度為21m；當(dāng)采用沙土填埋（忽略土壓影響）時(shí)，管道的允63m。利用有限元商業(yè)軟件NSY120對(duì)表1所示參數(shù)的兩端固定型進(jìn)行計(jì)算求管道的允許跨度。19）度為64m支為19的塌陷超過(guò)這個(gè)值時(shí)，管道將處于不安全狀態(tài)；當(dāng)采用沙土填埋（忽略土壓影響）時(shí)，管道的允許637l 其中為修正系數(shù)，01，可根據(jù)土質(zhì)確簡(jiǎn)支型下管道的允許跨利用式(9)計(jì)算簡(jiǎn)支型下管道的允許跨度。當(dāng)采用粘土填埋時(shí)，管道的允許跨度為17m；當(dāng)采用沙土填埋時(shí)，管道52m。NSY12011752。支為17的塌陷超過(guò)這個(gè)值時(shí)，管道將處于不安全狀態(tài)；當(dāng)采用沙土填埋（忽略土壓影響）時(shí)，管道的允許529l 其中為修正系數(shù)，01，可根據(jù)土質(zhì)確綜上所述，當(dāng)采空區(qū)完全塌陷，使得管道懸空的距離不超過(guò)17m時(shí)，可以確保管道處于安全狀態(tài)；管道懸空的距離超過(guò)17m時(shí)，必須分析塌陷區(qū)域兩端的約束情況以及填埋土質(zhì)的類型，進(jìn)一步 本文建立的力學(xué)模型對(duì)于解決具有多個(gè)沉降區(qū)域管道沉降問(wèn)題具有一定的通用性17m52參考文HUCKAVJ,BLAIRCK,KIMBALLEP.Minesubsidenceeffectsonapressurizednaturalgaspipeline[J].MiningEngineering,1986,38(10):980-984.IIMURAS.Simplifiedmechanicalmodelforevaluatingstressinpipelinesubjecttosettlement[J].ConstructionandBuildingMaterials,2004,18(6):469-479. .采空區(qū)地表移動(dòng)盆地對(duì)埋地管道的影響分析[J]. WANGHong,ZHANGMi,CHANGHuai-min.EffectofSubsidenceTroughatGoafZoneonBuriedPipeline[J].PETROLEUMENGINEERINGCONSTRUCTION,2008,34(2):23~26.,姚安林,謝飛鴻等.采空塌陷區(qū)管道最大軸向應(yīng)力計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析[J].天然氣工業(yè)GUANHui-,YAOAn-lin,XIEFei-hong,etal.Calculationandstatisticalysisofalaxialstressatminingsubsidencearea[J].NATURALGASINDUSTRY,2009,29(11):100~103.,萍.第四系覆蓋層厚度對(duì)煤層采空區(qū)地表及埋地輸油氣管道變形的影響[J].科學(xué)技術(shù)與程,2014,14(25):146~150.WUShao-yan,WENBao-.InfluenceofQuaternaryCoverThicknessonGroundandBuriedPipelineDeformationinCoalMined-outAreas[J].ScienceTechnologyandEngineering,2014,14(25):146~150.中，,等.Q/SY1487-2012，采空區(qū)油氣管道安全設(shè)計(jì)與防護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].：石油工業(yè)，2012.(WuZhang-zhong,LiuKai,etal.Q/SY1487-2012,Specificationsforsafetydesignandpreventiontechniqueofoilandgaspipelineinminingsubsidenceareas[S].Beijing:PETROLEUMINDUSTRYPRESS,2012.)，，.地基差異沉降時(shí)管道的縱向力學(xué)性狀分析[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2003(7):46-48.(ZhangTu-qiao,LiXun,WuXiao-gang.ysisofLongitudinalMechanicalPropertiesforPipelineduringFoundationUnevenSettlement[J].RuralWaterandHydropower,2003(7):46-48.)常紅，.材料力學(xué)[M].：科學(xué)(ChangHong,ZhaoZi-long.Mechanicsofmaterials[M]BeiJing:SciencePress,，姚，.城市天然氣高壓管道設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題[J].煤氣與熱力，2007,27(11):1-4.(YangLuo,YaoJian-feng,WuXiao-.SomeProblemsaboutDesignofUrbanNaturalGasHigh-pressPipeline[J].GAS&HEAT,2007,27(11):1-4.),.在役天然氣管道沉降控制值的分析探討[J].中國(guó)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