1. 引言
矿区地下采空部分出现的塌陷会引起不同程度的地表变形，当管道在这些地区敷设时，变形地表会引发管道产生应力应变，严重时甚至会导致管道塑性变形直至破裂，带来巨大的经济损失。为解决这一难题，管道建设者从管道本身可接受的应力应变水平出发，评估未来可能的地表变形对管道安全运营的危害程度，进而采取相应的应对措施，确保管道的安全运营。在日照–东明原油管道工程设计建设过程中，模拟了赵楼煤矿矿区未来可能发生的沉陷及地表变形，研究了管道应力应变状态及敷设方式，提出了相应的工程措施。
2. 赵楼煤矿的开采状态及地质特征
赵楼煤矿煤层平均总厚约243.57 m，含煤25层。可采及局部可采煤层平均总厚度9.86 m，占煤层总厚度的69%。其中3号煤层占可采煤层总厚度的60%，是主采煤层，其他煤层均为暂不可开采煤层。赵楼煤矿开采工艺为长臂式全部垮落法管理顶板开采，煤层为水平煤层，开采范围内充分采动，平均开采厚度10.3 m，平均开采深度780 m。
3. 赵楼煤矿地表沉陷预测及管道敷设分析
3.1. 设计方法
用基于概率积分法的采空区沉陷预测模型对采空区未来地表变形进行预测分析，得出采空区沉陷位移及沉陷影响范围。建立管道和土壤间的相互作用模型，结合土壤、管道特性参数等，用有限元分析的方法判定管道在最苛刻条件下的应力应变状态 [1] [2]，根据分析结果制定相应的工程措施。
3.2. 基本参数及分析模型
赵楼煤矿矿区采空基本参数和管道及敷设基本参数见表1、表2。赵楼煤矿属近水平煤层，开采深度为780 m，开采厚度为10.3 m，采深采厚比为75.73，大于规定的地表不连续变形的采深采厚比临界值40，因此采用地表均匀连续变形模型进行分析，不考虑地表的不均匀沉降。
Table 1. The basic parameters of subsidence
表1. 采空基本参数
Table 2. The basic parameters of pipeline and its laying
表2. 管道及敷设基本参数
3.3. 煤矿采空区沉陷预测
根据煤矿开采基本参数及地质情况，用采空区沉陷预测分析软件对沿管道敷设方向对应的地表变形轴向、横向和竖向位移情况进行预测分析(图1)，结果显示，地表变形的影响范围约为2000 m，其中最大竖向位移为7.7 m，最大轴向位移为2.8 m，无横向位移。
Figure 1. The surface deformation and displacement of pipeline location
图1. 管道所在位置地表变形位移
3.4. 管道应力分析
采用三向土弹簧模型进行土壤对管道的约束作用分析。将土壤对管道的约束作用简化为3个方向上离散的非线性弹簧(图2)。采用管单元和弹簧单元对采空区管道受力情况进行分析，模拟给定地表变形情况下，管道与土体之间的相互作用，确定管道在该工况下的力学反应。
3.5. 变形分析结果
当回填土为中密黏土时，在地表沉陷变形最大的工况下，管道最大等效应力、最大应变校核计算结果见图3。管道受到的最大等效应力为277 MPa，小于钢管许用应力，拉伸和压缩应变也均小于容许值，表明采取土壤换填后，可满足要求。
Figure 3. The distribution diagram of maximum equivalent stress
图3. 最大等效应力分布图
4. 赵楼煤矿管道敷设工程措施
针对赵楼煤矿矿区充分采动后的沉陷预测及管道变形分析结果，结合采空区管道敷设基本要求 [3]，制定工程措施。
1) 编写赵楼煤矿区管道施工技术要求及详细技术方案，对施工过程进行重点监管。对参加施工的各级人员进行专项作业培训，掌握采空区管段施工技术要求。
2) 对矿区管段管沟进行单独验槽，严格把控管沟尺寸、沟底平整度和纵向边坡。
3) 对采空区管段的焊口进行外观检查、100%超声波和100%射线检查，检测的合格等级应达到规定的验收标准。
4) 采空区管段应尽量保持顺直，不宜设置水平转角及热煨弯头，尽量减少冷弯弯管的数量。
5) 加大管沟尺寸，管沟内采取砂土换填措施，管底预埋300 mm厚砂土(砂土的塑性指数IP ≤ 3，且0.1 mm以下的颗粒不应超过15%)。
6) 运营过程中加强监管，建立应变监测系统，实时监测管道应变状态，确保运营安全。
5. 结语
1) 赵楼煤矿矿区在采取适当工程措施后，管道可通过赵楼煤矿矿区敷设。
2) 管道通过赵楼煤矿敷设时，换填砂土后，管道应力应变值均小于容许值，满足工程要求。