采空塌陷区埋地输气管道的变形及受力分析

０ 引 言
地 下 矿 体 资 源 被 发 掘 过 后 ，往 往 会 在 开 采 过 程 中遗 留相 应 的 矿 洞 、巷 道 和 残 留 矿 柱 。 在 上 覆 地 层 松 软 、支 护 条 件 不好 和 矿 坑 排 水 不 良 的情 况 下 ，上 方 岩 层 将 在 重 力 作 用 下 发 生 弯 曲 、离 层 乃 至 冒 落 ，可 能 会 导 致 其 顶 板 沉 陷 或 者 冒落 ，形 成 地 面 再 次 沉 陷 ，严 重 的 情 况 下 还 会 出现 地面开 裂和 沉塌 ” 。这 就可 能 使管 道 发生 拉伸 或 压 缩 等形 式 的 破 坏 ，并 进 一 步 引 发 管 体 开 裂 、泄 漏 、燃
第 １２卷 第 ２期 ２０１６年 ２月
中 国 安 全 生 产 科 学 技 术
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
文 章 编 号 ：１６７３—１９３Ｘ（２０１６）一０２—００４５—０７
Ｖｏｌ＿１２ ＮＯ．２ Ｆｅｂ． ２０１６
采 空塌 陷 区埋 地 输 气 பைடு நூலகம்道 的 变 形 及 受 力分 析
蒋 宏 业 ，王 惠 ，徐 涛 龙
（西 南 石 油 大 学 石 油 与 天 然 气 工 程学 院 ，四川 成 都 ６１０５００）
摘 要 ：针 对 采 空 塌 陷对 输 气 管 道 的潜 在 威 胁 ，采 用 管 道 一土 壤 相 互 作 用 （ＰＳＩ）单 元 ，结 合 三 向土 弹 簧 非 线 性 模 型 ，建
立 采 空 塌 陷 区 埋 地 输 气 管 道 的有 限 元计 算 模 型 ，分 析 了 不 同 管 径 、壁 厚 和 内 压 影 响 下 管 道 的 变 形 和 受 力 规 律 ，并 确 定
最 大 变 形 和最 大 受 力 的 位 置 。结 果 表 明 ：适 当 增 加 壁 厚 和 减 少 内压 能 有 效 提 高 管 道 的 安 全 性 ；最 大 Ｖｏｎ—Ｍｉｓｅｓ应 力
关 键 词 ：采 空 塌 陷 ；输 气 管 道 ；有 限元 分 析 ；管 土相 互 作 用
中 图 分 类 号 ：Ｘ９３７
文献 标 志 码 ：Ａ
ｄｏｉ：１０．１１７３１／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—１９３ｘ．２０１６．０２．００８
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｄｅｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｂｕｒｉｅｄ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｎ ｍ ｉｎｅｄ ．．ｏｕｔ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｒｅａ
ｏｆ ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｎ ｍｉｎｅｄ—ｏｕｔ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｒｅａ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｉｐｅ—ｓｏｉｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ （ＰＳＩ）ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ
ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ— ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｏｉｌ ｓｐｒｉｎｇ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｍｏｄｅ１． Ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｆｏｒ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｆ ｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｉｐｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｗａｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｉｎｎｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍａｘｉ－ ｍｕｍ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｔｒｅｓｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｗａｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｐｉｐｅｌｉｎｅ． Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ Ｖｏｎ — Ｍｉｓｅｓ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｖｅ￣ｉｃａｌ ｓｔｒａｉｎ ａｒｅ ｌｏｃａｔｅｄ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｉｎｓｉｄｅ ｅｄｇｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｒｅａ ａｎｄ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｒｅａ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ａｘｉ· ａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ａｘｉａｌ ｓｔｒａｉｎ ａｒｅ ｌｏｃａｔｅｄ ｏｎ ｂｏｔｈ ｓｉｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｒｅａ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｖａｌｕａｂｌｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｒｉｅｄ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｉｎｅｄ —ｏｕｔ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｒｅａ． Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｅｄ— ｏｕｔ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ； ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｐｉｐｅ —ｓｏｉｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ
和 最 大竖 向应 变 位 置 均 在 内边 缘 塌 陷 区 且 靠 近 中间 塌 陷 区 ；最 大 轴 向 应 力 和 最 大 轴 向应 变 位 置 均 位 于 中 间 塌 陷 区两
侧 。所 得 结 果 对埋 地 输 气 管 道 穿 越 采 空 区 的 安 全 防 护 具 有 一 定 参 考 价 值 。
ＪＩＡＮＧ Ｈｏｎｇｙｅ，Ｗ ＡＮＧ Ｈｕｉ，ＸＵ Ｔａｏｌｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｉｌ＆ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ｓｉｃｈｕａｎ ６１０５００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｔｈｒｅａｔｓ ｏｆ ｍｉｎｅｄ —ｏｕｔ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｔｏ ｂｕｒｉｅｄ ｇａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ａ ｆ ｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ