一种煤矿采空区埋地管道的综合安全评价方法技术

本发明专利技术公开了一种煤矿采空区埋地管道的综合安全评价方法，涉及油气输送领域，包括获取采空区的地表下沉位移曲线；根据所述地表下沉位移曲线，划分采空区地表位移预警区间；获取管道动态应力曲线，划分管道动态预警区间；结合采空区地表位移预警区间、管道动态预警区间，对采空区埋地管道进行综合评价，得到综合评价等级。本发明专利技术提供一种煤矿采空区埋地管道的综合安全评价方法，以解决现有技术中难以对穿越煤矿采空区的埋地管道进行综合安全评价的问题，实现综合评价穿越煤矿采空区的埋地管道的动态风险，为实际预测预警提供完整模型、为工程评价提供指导依据的目的。为工程评价提供指导依据的目的。为工程评价提供指导依据的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种煤矿采空区埋地管道的综合安全评价方法


[0001]本专利技术涉及油气输送领域，具体涉及一种煤矿采空区埋地管道的综合安全评价方法。

技术介绍

[0002]随着煤矿资源的大量开采，采空区的形成范围逐渐加大。从而对地面诸多建筑物、构筑物的影响不断加大。石油、天然气作为主要能源之一，其长输油气管道作为最大的运输载体素有国民经济动脉之称。油气管道在运输过程中不可避免的会穿越很多复杂地域，进而会遇到许多地质灾害，而煤矿采空沉陷作为比较典型的灾害之一，油气管道在长距离输送过程中难免会穿越煤矿采空区，从而对油气管道造成巨大的破坏。
[0003]以西气东输管线敷设区域为例，西气东输管线一线工程敷设沿线途经9个省，路线途经约76个煤矿开采采空区，其中有8个重大采空区位于山西、宁夏等四个省内，总共受到煤矿采空影响的管段长度约为388千米，油气管道穿越煤矿采空区不仅会影响地下煤矿资源的开采、也会严重影响到油气管道的运输性能。
[0004]对于煤矿采空区而言，过量的开采极有可能造成地表开裂甚至坍塌等次生地质灾害。在油气管道穿越采空区时，由于地表的沉陷作用使管道以弯曲受拉为主，若穿越采空形成的迅速塌陷区可能使管道发生悬空甚至断裂。但是现有技术中，对于油气管道穿越煤矿采空区的临界破坏，还没有具体的、综合性的安全评判标准。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种煤矿采空区埋地管道的综合安全评价方法，以解决现有技术中难以对穿越煤矿采空区的埋地管道进行综合安全评价的问题，实现综合评价穿越煤矿采空区的埋地管道的动态风险，为实际预测预警提供完整模型、为工程评价提供指导依据的目的。
[0006]本专利技术通过下述技术方案实现：一种煤矿采空区埋地管道的综合安全评价方法，包括：获取采空区的地表下沉位移曲线；根据所述地表下沉位移曲线，划分采空区地表位移预警区间；获取管道动态应力曲线，划分管道动态预警区间；结合采空区地表位移预警区间、管道动态预警区间，对采空区埋地管道进行综合评价，得到综合评价等级。
[0007]针对现有技术中难以对穿越煤矿采空区的埋地管道进行综合安全评价的问题，本专利技术提出一种煤矿采空区埋地管道的综合安全评价方法。本案专利技术人在研究过程中发现，地表沉陷变形是由地下煤层逐渐采空而形成的一个自下而上的逐渐影响过程，地表的下沉直接影响到此区域内埋地管道的安全运营，而现有技术完全忽略了这一因素的存在。为此，本方法首先获取采空区的地表下沉位移曲线，然后根据得到的地表下沉位移曲线划分采空区地表位移预警区间；之后，获取管道动态应力曲线，基于应力失效准则来划分管道动态预
警区间；最后结合所得到的采空区地表位移预警区间、管道动态预警区间，来进行采空区埋地管道的综合评价。可以看出，本申请结合了采空区地表下沉位移、和穿越采空区的埋地管道的动态应力，建立起了适用于煤矿采空区埋地管道的综合评价方法，填补了现有技术的空白，可综合评价穿越煤矿采空区的埋地管道的动态安全风险，为实际预测预警提供完整模型、为工程评价提供指导依据的效果。
[0008]进一步的，获取采空区的地表下沉位移曲线的方法包括：设置计算点，计算采空区地表的最大下沉值；基于分段Knothe时间函数得到动态下沉方程，根据动态下沉方程绘制地表下沉位移曲线。
[0009]Knothe时间函数模型符合蠕变理论，认为地表沉陷时刻的下沉速度是地表的最终下沉值，与此时刻动态下沉值之差成一定比例关系。分段Knothe时间函数是对原始Knothe时间函数的改进，其预测得到的地表沉降量更加精确、误差更小。本方案基于分段Knothe时间函数和最大下沉值的结合，得到地表下沉塌陷的方程表达，即可绘制出地表下沉位移曲线。
[0010]此外，本领域技术人员应当理解，Knothe时间函数为本领域通用术语，无标准中文翻译。
[0011]进一步的，所述采空区地表的最大下沉值通过如下公式计算：W
m
=hqcosψ；式中，W
m
为最大下沉值；h为煤层厚度；q为下沉系数；ψ为煤层倾角；所述动态下沉方程为：式中，W(t)为最大下沉点动态下沉值；t为时间；c为时间系数；τ为地表点出现最大下沉速度的时刻；T为下沉总时长；Ф1(t)、Ф2(t)为分段Knothe时间函数；e为自然对数。
[0012]进一步的，获取管道动态应力曲线的方法包括：设置计算点，计算采空区地表的最大下沉值；计算采空区对煤层的影响半径，以所述影响半径的边缘作为管道变形的下沉起始点；计算管道在所述下沉起始点的弯矩；根据所述最大下沉值、影响半径、管道在下沉起始点的弯矩，计算管道动态应力σ1；计算管道因内压受到的应力σ0；计算管道的最终应力σ：σ=σ1+σ0；根据最终应力σ绘制管道动态应力曲线。
[0013]管道动态应力曲线可反应埋地管道在穿过煤矿采空区时的应力应变情况，本方案的动态应力曲线以管道动态应力σ1为基准，在此基础上考虑管道因内压所受的应力情况，以两者之和作为最终应力来绘制管道动态应力曲线。相较于常规的直接以动态应力作为应力分析依据的方式而言，具有更实际的工程应用价值。当然，其中的动态应力可由本领域技
术人员根据现有的应力分析手段获得，在此不做赘述。
[0014]进一步的，所述采空区地表的最大下沉值通过如下公式计算：W
m
=hqcosψ；式中，W
m
为最大下沉值；h为煤层厚度；q为下沉系数；ψ为煤层倾角；所述影响半径通过如下公式计算：r=H/tanα；式中，r为影响半径，H为煤层采深，α为开采影响角；若埋地管道在采空区属于管
‑
土协同变形，则管道在下沉起始点的弯矩通过如下公式计算：式中，M
A
为管道在下沉起始点的弯矩，W(l1,γ)为管道下沉最大点的下沉值，L为下沉起始点到计算点的距离，EI为管道的弯曲刚度，λ为设定系数，且，k为弹性地基系数；若埋地管道在采空区属于管
‑
土非协同变形，则管道在下沉起始点的弯矩通过如下公式计算：式中，M
A
为管道在下沉起始点的弯矩，EI为管道的弯曲刚度，y
D
为暗悬空区域尾端的下沉值，x
D
为下沉起始点到暗悬空区域尾端的距离，i为暗悬空区域尾端所对应的地表倾斜度，λ为设定系数，且，k为弹性地基系数；管道因内压受到的应力σ0通过如下公式计算：σ0=PD/2S；式中，P为管道内压，D为管道外径，S为管道壁厚。
[0015]其中，管
‑
土协同变形是指在开采初期，地表变化较小，此时埋地管道在小的地表变化过程中呈现出管道与土体一起变形的情况；管
‑
土非协同变形是指随着开采的不断进行，地面沉降不断加大，当管道下方土体的变形大于管道变形，此时管道和土体的变形表现为在最大下沉点管道与土体发生分离，出现局部的管道下方暗悬空状态，此时称之为管
‑
土非协同变形。在管
‑
土非协同变形阶段，暗悬空区域的管道承受了管道自重以及管道承受到的来自上方的土本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种煤矿采空区埋地管道的综合安全评价方法，其特征在于，包括：获取采空区的地表下沉位移曲线；根据所述地表下沉位移曲线，划分采空区地表位移预警区间；获取管道动态应力曲线，划分管道动态预警区间；结合采空区地表位移预警区间、管道动态预警区间，对采空区埋地管道进行综合评价，得到综合评价等级。2.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区埋地管道的综合安全评价方法，其特征在于，获取采空区的地表下沉位移曲线的方法包括：设置计算点，计算采空区地表的最大下沉值；基于分段Knothe时间函数得到动态下沉方程，根据动态下沉方程绘制地表下沉位移曲线。3.根据权利要求2所述的一种煤矿采空区埋地管道的综合安全评价方法，其特征在于，所述采空区地表的最大下沉值通过如下公式计算：W
m
=hqcosψ；式中，W
m
为最大下沉值；h为煤层厚度；q为下沉系数；ψ为煤层倾角；所述动态下沉方程为：；式中，W(t)为最大下沉点动态下沉值；t为时间；c为时间系数；τ为地表点出现最大下沉速度的时刻；T为下沉总时长；Ф1(t)、Ф2(t)为分段Knothe时间函数；e为自然对数。4.根据权利要求1所述的一种煤矿采空区埋地管道的综合安全评价方法，其特征在于，获取管道动态应力曲线的方法包括：设置计算点，计算采空区地表的最大下沉值；计算采空区对煤层的影响半径，以所述影响半径的边缘作为管道变形的下沉起始点；计算管道在所述下沉起始点的弯矩；根据所述最大下沉值、影响半径、管道在下沉起始点的弯矩，计算管道动态应力σ1；计算管道因内压受到的应力σ0；计算管道的最终应力σ：σ=σ1+σ0；根据最终应力σ绘制管道动态应力曲线。5.根据权利要求4所述的一种煤矿采空区埋地管道的综合安全评价方法，其特征在于，所述采空区地表的最大下沉值通过如下公式计算：W
m
=hqcosψ；式中，W
m
为最大下沉值；h为煤层厚度；q为下沉系数；ψ为煤层倾角；所述影响半径通过如下公式计算：r=H/tanα；式中，r为影响半径，H为煤层采深，α为开采影响角；若埋地管道在采空区属于管
‑
土协同变形，则管道在下沉起始点的弯矩通过如下公式计算：
；式中，M
A
为管道在下沉起始点的弯矩，W(l1,γ)为管道下沉最大点的下沉值，L为管道下沉起始点到计算点的距离，EI为管道的弯曲刚度，λ为设定系数，且，k为弹性地基系数；若埋地管道在采空区属于管
‑
土非协同变形，则管道在下沉起始点的弯矩通过如下公式计算：；式中，M
A
为管道在下沉起始点的弯矩，EI为管道的弯曲刚度，y
D
为暗悬空区域尾端的下沉值...

【专利技术属性】
技术研发人员：李虎，安兆暾，刘思铭，唐雪梅，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：