一種淺埋地輸氣管線下壓煤的開采方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種壓煤的開采方法，具體是一種淺埋地輸氣管線下壓煤的開采方 法，屬于煤炭開采領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤炭開采誘發(fā)的地表沉陷會對地表環(huán)境及構(gòu)筑物造成極大的破壞。我國長距離輸 氣管線穿越了我國主要煤田分布區(qū)，隨著煤礦開采區(qū)面積的持續(xù)擴大，越來越多的輸氣管 線將受采動沉陷影響。管線內(nèi)高壓氣體易燃、易爆，一旦發(fā)生氣體泄漏或管線斷裂極易引發(fā) 重大事故，造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，使社會生產(chǎn)和國民經(jīng)濟遭受嚴重危害。
[0003] 現(xiàn)有輸氣管線大部分為淺埋地輸氣管線，其保護方法主要采用留設(shè)保護煤柱。該 方法是在煤礦開采過程中，根據(jù)淺埋地輸氣管線和煤層賦存特征，預(yù)計管線保護煤柱范圍， 留設(shè)保護煤柱不做開采，使淺埋地輸氣管線不受煤礦開采沉陷的影響。該方法主要存在以 下缺點：
[0004] (1)淺埋地輸氣管線相對煤礦開采工作面的布置具有隨機性，煤礦開采中的管線 保護煤柱將對煤礦開采工作面的布置及礦區(qū)煤礦開拓方式造成很大影響。
[0005] (2)通常淺埋地輸氣管線沿線的保護煤柱較寬，一般情況下保護煤柱的寬度均在 1000m左右，這將造成大量煤炭資源的浪費。
[0006] (3)淺埋地輸氣管線沿線煤炭資源的滯壓將對礦區(qū)的生產(chǎn)和經(jīng)濟效益帶來巨大影 響，影響礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種淺埋地輸氣管線下壓煤的開采方法，該方法既能夠有 效保護輸氣管線，又能高效率開采管線下壓煤。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，一種淺埋地輸氣管線下壓煤的開采方法，包括以下步驟：
[0009] a.根據(jù)礦區(qū)其他區(qū)域煤炭資源回采后地表移動觀測資料確定淺埋地輸氣管線移 動與變形參數(shù)，采用概率積分法建立地表下沉曲線方程W，預(yù)測資源開采后地表沿管線方向 下沉情況；
[0010] b.根據(jù)上述地表下沉曲線方程計算埋地管線彎矩和最大彎曲應(yīng)力
[0011] 根據(jù)連續(xù)梁的彎曲理論可得埋地管線彎矩計算方程為：
[0013] 式中，E為管線的抗拉彈性模量，I為管線截面慣性矩，
[0014] 管線最大彎曲應(yīng)力為：
[0016] 式中d為管線截面的半徑；
[0017] c.根據(jù)最大彎曲應(yīng)力確定淺埋地管線軸向拉應(yīng)力，結(jié)合管線容許拉應(yīng)力確定淺埋 地輸氣管線需要保護的范圍
[0018] 沉陷區(qū)內(nèi)埋地管線沿線軸向拉應(yīng)力的計算公式為：
[0019] σ η(1) = σ nQ+o ⑴
[0020] 式中〇n°為管線初始軸向拉應(yīng)力，可根據(jù)管線的內(nèi)壓及工作狀態(tài)得到，管線容許 拉應(yīng)力為[0]，當(dāng)〇η(1)多[0]時，對應(yīng)位置管線的軸向拉應(yīng)力超過了容許拉應(yīng)力，由此 確定出埋地管線需要采取保護措施的范圍；當(dāng)σ η(1)〈[ 0 ]時，對應(yīng)位置管線的軸向拉應(yīng)力 小于容許拉應(yīng)力，此處管線不需要設(shè)置保護措施；
[0021] d.根據(jù)步驟c確定的保護范圍沿管線方向架設(shè)懸索橋，吊起沉陷區(qū)管線；
[0022] e.以常規(guī)方式開采管線下壓煤炭資源，直至該工作面資源回采完畢；
[0023] f.待上述工作面地表沉陷穩(wěn)定后拆除懸索橋；重復(fù)步驟a至步驟e，完成下一個工 作面煤炭資源開采工作；如此連續(xù)開采煤炭資源，直至本采區(qū)內(nèi)的所有工作面資源開采完 畢。
[0024] 本發(fā)明能夠根據(jù)煤炭資源開采時對淺埋輸氣地管線產(chǎn)生的動態(tài)變形影響，采用懸 索橋懸吊管線對淺埋地輸氣管線進行保護，從而采用常規(guī)開采方式即可開采出管線下滯壓 的煤炭資源。懸索橋架設(shè)簡單，主要部件可以重復(fù)利用；地表沉陷穩(wěn)定、懸索橋拆除后，由于 管線自身具有一定的拉伸特性，不會再有突發(fā)變形，一般情況下無需填土支撐，工序較為簡 單；架設(shè)懸索橋所增加的費用不到全部生產(chǎn)成本的1%，卻能將管線下的巨量壓煤開采出 來，具有極高的經(jīng)濟效益。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明的具體實施例的示意圖；
[0026] 圖2是本發(fā)明中支撐座的示意圖；
[0027] 圖中：1、支撐墩，2、懸吊鋼索，3、支撐墩基礎(chǔ)，4、管線，5、吊索，6、管線支撐座，61、 底托，62、上蓋，63、凹槽，64、螺栓，65、吊耳。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0029] -種淺埋地輸氣管線下壓煤的開采方法，包括以下步驟：
[0030] a.根據(jù)礦區(qū)其他區(qū)域煤炭資源回采后地表移動觀測資料確定淺埋地輸氣管線移 動與變形參數(shù)，采用概率積分法建立地表下沉曲線方程W，預(yù)測資源開采后地表沿管線方向 下沉情況；
[0031] b.根據(jù)上述地表下沉曲線方程計算埋地管線彎矩和最大彎曲應(yīng)力
[0032] 根據(jù)連續(xù)梁的彎曲理論可得埋地管線彎矩計算方程為：
[0034] 式中，E為管線的抗拉彈性模量，I為管線截面慣性矩，
[0035] 管線最大彎曲應(yīng)力為：
[0037] 式中d為管線截面的半徑；
[0038] c.根據(jù)最大彎曲應(yīng)力確定淺埋地管線軸向拉應(yīng)力，結(jié)合管線容許拉應(yīng)力確定淺埋 地輸氣管線需要保護的范圍
[0039] 沉陷區(qū)內(nèi)埋地管線沿線軸向拉應(yīng)力的計算公式為：
[0040] σ 口⑴=σ η0+σ ⑴
[0041] 式中〇n0為管線初始軸向拉應(yīng)力，可根據(jù)管線的內(nèi)壓及工作狀態(tài)得到，管線容許 拉應(yīng)力為[0]，當(dāng)〇η(1)多[0]時，對應(yīng)位置管線的軸向拉應(yīng)力超過了容許拉應(yīng)力，由此 確定出埋地管線需要采取保護措施的范圍；當(dāng)σ η(1)〈[ 0 ]時，對應(yīng)位置管線的軸向拉應(yīng)力 小于容許拉應(yīng)力，此處管線不需要設(shè)置保護措施；
[0042] d.根據(jù)步驟c確定的保護范圍沿管線方向架設(shè)懸索橋，吊起沉陷區(qū)管線；
[0043] e.以常規(guī)方式開采管線下壓煤炭資源，直至該工作面資源回采完畢；
[0044] f.待上述工作面地表沉陷穩(wěn)定后拆除懸索橋；重復(fù)步驟a至步驟e，完成下一個工 作面煤炭資源開采工作；如此連續(xù)開采煤炭資源，直至本采區(qū)內(nèi)的所有工作面資源開采完 畢。
[0045] 本發(fā)明能夠根據(jù)煤炭資源開采時對淺埋輸氣地管線產(chǎn)生的動態(tài)變形影響，采用懸 索橋懸吊管線對淺埋地輸氣管線進行保護，從而采用常規(guī)開采方式即可開采出管線下滯壓 的煤炭資源。懸索橋架設(shè)簡單，主要部件可以重復(fù)利用；地表沉陷穩(wěn)定、懸索橋拆除后，由于 管線自身具有一定的拉伸特性，不會再有突發(fā)變形，一般情況下無需填土支撐，工序較為簡 單；架設(shè)懸索橋所增加的費用不到全部生產(chǎn)成本的1%，卻能將管線下的巨量壓煤開采出 來，具有極高的經(jīng)濟效益。
[0046] 所述步驟a中地表移動與變形優(yōu)選參數(shù)包括：下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、拐點偏移 距、煤層開采影響角、巖體的彈性模量及強度，這些優(yōu)選參數(shù)可以全面反映沉陷區(qū)地表移動 和變形情況。
[0047] 圖1為步驟d中所述懸索橋的一個優(yōu)選實施例，包括支撐墩1和懸吊鋼索2,所述 支撐墩1設(shè)置在輸氣管線4需要保護區(qū)域的兩端，其下方設(shè)有支撐墩基礎(chǔ)3,支撐墩基礎(chǔ)3 在輸氣管線4兩側(cè)對稱設(shè)置，輸氣管線4從兩個支撐墩基礎(chǔ)3之間穿過，懸吊鋼索2架設(shè)在 兩個支撐墩1之間，吊索5懸掛在懸吊鋼索2上。所述支撐墩1采用水泥結(jié)構(gòu)，該懸索橋造 價低。
[0048] 進一步，吊索5通過支撐座6將輸氣管線4吊起，支撐座6可以有效保護輸氣管線 4〇
[0049] 圖2為支撐座6的一個優(yōu)選方案，包括底托61和上蓋62,所述底托61和上蓋62 上分別設(shè)置用于安置管線的凹槽63,底托61和上蓋62通過螺栓64連接，上蓋62設(shè)置吊耳 65 ;這樣吊起輸氣管線4既方便又穩(wěn)固。也可以不用上蓋，底座上邊緣直接設(shè)置若干吊耳， 這樣需要相應(yīng)數(shù)量的吊索。
【主權(quán)項】
1. 一種淺埋地輸氣管線下壓煤的開采方法，其特征在于，包括以下步驟： a. 根據(jù)礦區(qū)其他區(qū)域煤炭資源回采后地表移動觀測資料確定淺埋地輸氣管線移動與 變形參數(shù)，采用概率積分法建立地表下沉曲線方程W，預(yù)測資源開采后地表沿管線方向下沉 情況； b. 根據(jù)上述地表下沉曲線方程計算埋地管線彎矩和最大彎曲應(yīng)力 根據(jù)連續(xù)梁的彎曲理論可得埋地管線彎矩計算方程為：式中，E為管線的抗拉彈性模量，I為管線截面慣性矩， 管線最大彎曲應(yīng)力為：式中d為管線截面的半徑； c. 根據(jù)最大彎曲應(yīng)力確定淺埋地管線軸向拉應(yīng)力，結(jié)合管線容許拉應(yīng)力確定淺埋地輸 氣管線需要保護的范圍 沉陷區(qū)內(nèi)埋地管線沿線軸向拉應(yīng)力的計算公式為： 0 n(D = 0 nO+° (1) 式中ση(:為管線初始軸向拉應(yīng)力，可根據(jù)管線的內(nèi)壓及工作狀態(tài)得到，管線容許拉應(yīng) 力為[〇]，當(dāng)ση(1)多[σ]時，對應(yīng)位置管線的軸向拉應(yīng)力超過了容許拉應(yīng)力，由此確定 出埋地管線需要采取保護措施的范圍；當(dāng)ση(1)〈[ 〇 ]時，對應(yīng)位置管線的軸向拉應(yīng)力小于 容許拉應(yīng)力，此處管線不需要設(shè)置保護措施； d. 根據(jù)步驟c確定的保護范圍沿管線方向架設(shè)懸索橋，吊起沉陷區(qū)管線； e. 以常規(guī)方式開采管線下的壓煤，直至該工作面資源回采完畢； f. 待上述工作面地表沉陷穩(wěn)定后拆除懸索橋；重復(fù)步驟a至步驟e，完成下一個工作面 煤炭資源開采工作；如此連續(xù)開采煤炭資源，直至本采區(qū)內(nèi)的所有工作面資源開采完畢。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺埋地輸氣管線下壓煤的開采方法，其特征在于，所述步驟a 中地表移動與變形優(yōu)選參數(shù)為：下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、拐點偏移距、煤層開采影響角、巖 體的彈性模量及強度。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的淺埋地輸氣管線下壓煤的開采方法，其特征在于，所述步驟d 中懸索橋包括支撐墩（1)和懸吊鋼索（2)，所述支撐墩（1)設(shè)置在輸氣管線（4)需要保護的 區(qū)域兩端，其下方設(shè)有支撐墩基礎(chǔ)（3)，支撐墩基礎(chǔ)（3)在輸氣管線（4)兩側(cè)對稱設(shè)置，輸氣 管線（4)從兩個支撐墩基礎(chǔ)（3)之間穿過；懸吊鋼索（2)架設(shè)在兩個支撐墩（1)之間，管線 (4)通過吊索（5)懸吊在懸吊鋼索⑵上。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的淺埋地輸氣管線下壓煤的開采方法，其特征在于，吊索（5)通 過支撐座（6)將輸氣管線⑷吊起。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的淺埋地輸氣管線下壓煤的開采方法，其特征在于，所述管線 支撐座（6)包括底托（61)和上蓋（62)，所述底托（61)和上蓋（62)上分別設(shè)置用于安置輸 氣管線⑷的凹槽（63)，底托（61)和上蓋（62)通過螺栓（64)連接，上蓋（62)設(shè)置吊耳
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種淺埋地輸氣管線下壓煤的開采方法，包括以下步驟：(1)建立地表下沉曲線方程W，預(yù)測資源開采后地表沿管線方向下沉情況；(2)計算淺埋地輸氣管線彎矩和管線最大彎曲應(yīng)力；(3)確定淺埋地輸氣管線需要保護的范圍；(4)根據(jù)步驟3確定的保護范圍沿管線方向架設(shè)懸索橋，吊起沉陷區(qū)管線；(5)以常規(guī)方式開采管線下煤炭資源，并在沉陷穩(wěn)定后拆除懸索橋，在下一個工作面回采前重復(fù)上述步驟，直至本采區(qū)內(nèi)的所有資源回采完畢。本發(fā)明能夠根據(jù)煤炭資源開采時對淺埋輸氣地管線產(chǎn)生的動態(tài)變形影響，采用懸索橋懸吊管線方法對淺埋地輸氣管線進行保護，從而采用正常開采方式即可開采出管線下滯壓的煤炭資源。
【IPC分類】E21C41/18
【公開號】CN105257293
【申請?zhí)枴緾N201510615096
【發(fā)明人】周躍進, 李永峰, 徐平, 張華 , 張奇, 曹正正, 李寧, 汪爾乾, 李佳偉
【申請人】中國礦業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年9月24日