煤矿采动条件下浅埋输气管线变形机理研究

近年来煤矿采动引起的地面沉陷已对西气东输等浅埋输气管线的安全构成严重威胁，今后浅埋输气管线建设、运营与煤炭资源压覆的矛盾愈来愈严重。因而开展"煤矿采动条件下浅埋输气管线的变形机理研究"既是亟待攻克的科学难题，又是前沿科学问题。拟以沉陷严重、已有岩土力学参数和监测数据积累的西气东输管线山西蒿峪煤矿区为例，运用多学科方法，通过现场调查、数值模拟与物理模型试验等开展系统研究。（1）考虑输送介质-管线-填土-岩土相互作用，揭示不同采动条件下浅埋输气管线的变形过程、破坏模式及临界条件；（2）揭示不同采动条件下地质条件因子变化、开采条件因子变化对浅埋输气管线变形的影响机理；（3）查明不同采动条件下管线建设影响因子（单因子、多因子）变化对管线变形的贡献机理。研究结果可为煤矿采动条件下浅埋输气管线的设计、建设、运营、预警及防护提供科学依据，同时也为浅埋输气管线下方煤炭资源的合理回收提供科学依据。

目前我国长输油气管线下方压覆大量的煤炭资源，管线运营与压覆煤炭资源形成尖锐矛盾。为此，选择西气东输山西段蒿裕煤矿、鄯乌线碱沟等煤矿及港枣线星村煤矿等地面沉降区，基于数值模拟、物理模型试验及理论分析开展煤矿采动条件下管线变形机理研究。.主要研究内容：.（1）研究煤矿不同采动条件下浅埋输气管线变形机理。.（2）研究煤矿开采条件因子变化对浅埋输气管线变形的影响机理。.（3）研究管线建设条件因子变化对浅埋输气管线变形的影响机理。.重要结果、关键数据及其科学意义： .（1）长壁开采沉陷盆地中部的管-土（管道底部土体）经历了由同步→脱空→接触同步的演化，管道沉陷过程中过量附加应力的增加主要是由于管-土“脱空”造成管道呈现“悬空”而引起的。.（2）基于CAD、ANSYS及FALC3D的三种软件结合，建立了深部开采条件下管线-岩土体的三维模型，实现了简便快速的三维建模；基于第四强度理论，提出了安全系数法表征管线的应力状态新方法，再现了深部开采条件下管线的应力应变演化规律。 .（3）运用安全系数法，揭示了长壁开采过程中不同阶段不同部位的安全系数，开采第一至第五步后，管线中的安全系数很高，最小值为3.45；开采第六步后，出现7处安全系数突变点，其中采空区内侧最小安全系数值为1.74；开采第七步后，出现了3处危险点，分别为开切眼外侧及采空区内侧两个波谷点，1处相对危险点，位于停采线外侧。.（4）集成FLAC3D中的Fish函数和Tecplot 软件，研发了自动获取壳单元预警等级云图软件；急倾斜煤层开采条件下管道断面可能的破坏位置依次是右上侧、左侧、底部及顶部。.（5）揭示了急倾斜邻近煤层开采过程中管线变形机理，发现管线最大变形位于较厚煤层采空区中心附近，在两层煤之间的围岩上方的管线无明显变形；管线最可能的破坏位置出现在峰值压应力处（采空区中部），其次出现在两处峰值拉应力处（较厚煤层采空区外边缘）。.（6）提出了开采沉陷区管线风险评价的初步框架及工作程序..研究结果可为煤矿采动条件下浅埋输气管线监测网的布置 及预警提供科学依据，同时也为浅埋输气管线下方煤炭资源的合理回收提供科学依据。