煤礦塌陷區(qū)架空敷設(shè)供熱管道安全可靠研究

作者：高百爭張國強吳偉遜　　評論：　更新日期：2012年08月19日

?摘要：以通過煤礦塌陷區(qū)的架空敷設(shè)供熱管道為研究對象，對通過塌陷區(qū)邊界采用常規(guī)非預(yù)應(yīng)力安裝的管道進行了危險性分析，采取了適當(dāng)縮短支架間距及預(yù)應(yīng)力安裝的解決方法。

關(guān)鍵詞：煤礦；塌陷區(qū)；供熱管道；支架；斷裂帶；沉降；預(yù)應(yīng)力安裝

Study on Safety and Reliability of Overhead Heating Pipeline in Coal Mine Subsidence Area

GA0 Bai-zheng，ZHANG Guo-qiang，WU Wei-xun

Abstract：Taking the overhead heating pipeline passing across the coal mine subsidence area as research object，the risk of conventionally installed(without prestress)pipeline passing across the boundary of subsidence area is analyzed. The solving methods include appropriately shortening the space between the supports and using prestress installation.

Key words：coal mine；subsidence area；heating pipeline；support；fracture zone；sedimentation；prestress installation

1 工程概況

??? 河南省平頂山煤業(yè)集團的三礦、四礦、五礦、六礦、七礦、九礦、十一礦等礦井，距坑口熱電廠最遠的也只有9km，特別是九礦與坑口熱電廠一墻之隔。在這片礦井密集的區(qū)域內(nèi)，地下大面積被采空。煤炭行業(yè)把地下采過煤的區(qū)域稱為采空區(qū)，由于地下被采空，采空區(qū)上方的地面逐步沉降，采空區(qū)上方的區(qū)域稱為塌陷區(qū)。根據(jù)采煤厚度、采空區(qū)距地面的深度、采空區(qū)上方的地質(zhì)構(gòu)造等情況，很難準(zhǔn)確預(yù)測塌陷區(qū)的塌陷時間或塌陷速率。若為這些礦井供熱，部分供熱管道必須通過處于沉降過程中的塌陷區(qū)。由于在塌陷區(qū)敷設(shè)供熱管道存在困難，除九礦以外，其他宜由坑口熱電廠集中供熱的6座礦井均采用小型鍋爐房分散供熱。為了節(jié)能減排，實現(xiàn)塌陷區(qū)礦井集中供熱尤為重要。

??? 供熱管道由非塌陷區(qū)進入塌陷區(qū)(或由塌陷區(qū)進入非塌陷區(qū))的過程中，塌陷斷裂帶地面可能會逐步或突然形成落差。因此，在煤礦塌陷區(qū)供熱管道敷設(shè)技術(shù)研究的課題中，地面沉降深度對供熱管道的影響是重點問題之一。根據(jù)研究結(jié)果，在地面沉降深度不超過一定范圍時，塌陷斷裂帶局部采用安裝預(yù)應(yīng)力的設(shè)計施工方法，可以保證架空敷設(shè)供熱管道安全運行。

2 通過塌陷斷裂帶的危險性分析

2.1 供熱管道的安裝位置

? ??供熱管道在塌陷區(qū)的安裝示意圖見圖1。在圖1中，設(shè)支架-1、-2、-3～-n位于塌陷區(qū)，支架1、2、3～n位于非塌陷區(qū)。由于當(dāng)?shù)孛簩雍穸茸兓淮螅煽諈^(qū)的采空高度差別較小，塌陷區(qū)內(nèi)的沉降深度變化不大。因此，在塌陷過程中，支架-2、-3、-4～-n的柱頂標(biāo)高變化差別較小，根據(jù)塌陷區(qū)的塌陷情況，采取少量調(diào)整柱頂高度的方法，可以采用常規(guī)的架空敷設(shè)技術(shù)，不會由于塌陷造成管道變形破壞。處于非塌陷區(qū)支架2、3、4～n的柱頂標(biāo)高與塌陷無關(guān)，采用常規(guī)的架空敷設(shè)技術(shù)即可?。

2.2 危險性分析

??? 由于支架-1位于塌陷區(qū)，支架1位于非塌陷區(qū)，相鄰兩個支架隨地面沉降將形成落差。設(shè)支架-1某一階段的沉降深度為h(單位為m)，支架間距為L(單位為m)，塌陷前后管道均屬于受勻布荷載的等距多跨連續(xù)梁，設(shè)支架-1、-2、-3～-n的沉降深度均為h。實際數(shù)據(jù)表明，沉降深度相對支架間距較小，對于支架-1、-2、-3～-n沉降深度較小的管道，假設(shè)塌陷后支架-2和2處管道截面轉(zhuǎn)角仍為0，這種假設(shè)求得的力學(xué)近似解誤差較小，可以滿足工程力學(xué)分析需要。根據(jù)以上假設(shè)和材料力學(xué)中的疊加原理，繪制出地面沉降使管道變形的附加力和附加彎矩作用下的受力圖，見圖2。設(shè)圖2中附加彎矩所畫的方向為正，反之為負；轉(zhuǎn)角方向順時針為正，逆時針為負；附加力及位移向下為正，向上為負。