采空沉降对长输管道应力变形影响研究

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近年来油气管道通过采空区的安全问题日益凸显,本文通过对沉陷严重的西气东输管道山西蒿峪煤矿区段的资料进行分析研究,采用现场调查和数值模拟的方法,对在不同采动条件下浅埋输气管道的变形过程进行分析。研究主要分为两步:首先,考虑“输送介质—管道—岩土”的相互作用,建立反映开采条件下浅埋输气管道变形影响过程的力学模型,并验证模型的准确性。其次,研究煤矿开采工作面推进方向与管道铺设方向夹角(以下简称“夹角”)变化(设计夹角分别为0°、15°、30°、450)对管道变形的影响。通过使用ABAQUS软件计算分析后,得出以下结论:(1)多种工况中,采空区沉陷区中心部位均为管道最大竖直变形部位,管道—土体的变形速率经历了由慢快发展的演化;在管一土(管道底部土体)相互作用上,则经历了由同步→脱空→同步的过程。(2)地表沉陷区周边和中部由于土体受拉容易形成地表开裂现象,主要集中在沉陷区中部和边缘地区。(3)开挖完成后,管道中部附近区段的应力最大,且管道顶部的应力大于管道底部应力。管道不同断面应力演化过程有所差异:管道位于采空区上方的两端处应力随开挖进尺变化不大,且呈现出一定的对称性;管道位于采空区中部区域的应力随煤层开挖的推进变化相对较大。(4)开挖完成后管道整体竖直位移程度从大到小依次是:0°工况>150工况>30°工况>450工况;按管道竖向变形在200cm以上的长度排列,管道受影响范围从大到小依次为:00工况>15°工况>30°工况>450工况;夹角45°时倾斜变形最小,且管道发生最大倾斜变形的位置更靠近管道中部。(5)随着夹角的增大,在开挖的过程中,管道出现超应力现象的时间越来越晚,且超应力点的位置越来越靠近管道中部。综上,不论从管道变形的角度还是从管道所受应力的角度,在工作面推进方向和管道埋设方向夹角为0°、15°、30°、450这四种工况中,夹角为450时管道受地下煤层开采的影响最小,为最优管道埋设方向。本文的研究成果可以为采动条件下浅埋输气管道的设计、建设、运营、预警及防护提供科学依据。
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