一种浅埋地输气管线下压煤的开采方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种压煤的开采方法，具体是一种浅埋地输气管线下压煤的开采方 法，属于煤炭开采领域。
【背景技术】
[0002] 煤炭开采诱发的地表沉陷会对地表环境及构筑物造成极大的破坏。我国长距离输 气管线穿越了我国主要煤田分布区，随着煤矿开采区面积的持续扩大，越来越多的输气管 线将受采动沉陷影响。管线内高压气体易燃、易爆，一旦发生气体泄漏或管线断裂极易引发 重大事故，造成重大的人员伤亡和财产损失，使社会生产和国民经济遭受严重危害。
[0003] 现有输气管线大部分为浅埋地输气管线，其保护方法主要采用留设保护煤柱。该 方法是在煤矿开采过程中，根据浅埋地输气管线和煤层赋存特征，预计管线保护煤柱范围， 留设保护煤柱不做开采，使浅埋地输气管线不受煤矿开采沉陷的影响。该方法主要存在以 下缺点：
[0004] (1)浅埋地输气管线相对煤矿开采工作面的布置具有随机性，煤矿开采中的管线 保护煤柱将对煤矿开采工作面的布置及矿区煤矿开拓方式造成很大影响。
[0005] (2)通常浅埋地输气管线沿线的保护煤柱较宽，一般情况下保护煤柱的宽度均在 1000m左右，这将造成大量煤炭资源的浪费。
[0006] (3)浅埋地输气管线沿线煤炭资源的滞压将对矿区的生产和经济效益带来巨大影 响，影响矿区的可持续发展。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种浅埋地输气管线下压煤的开采方法，该方法既能够有 效保护输气管线，又能高效率开采管线下压煤。
[0008] 为实现上述目的，一种浅埋地输气管线下压煤的开采方法，包括以下步骤：
[0009] a.根据矿区其他区域煤炭资源回采后地表移动观测资料确定浅埋地输气管线移 动与变形参数，采用概率积分法建立地表下沉曲线方程W，预测资源开采后地表沿管线方向 下沉情况；
[0010] b.根据上述地表下沉曲线方程计算埋地管线弯矩和最大弯曲应力
[0011] 根据连续梁的弯曲理论可得埋地管线弯矩计算方程为：
[0013] 式中，E为管线的抗拉弹性模量，I为管线截面惯性矩，
[0014] 管线最大弯曲应力为：
[0016] 式中d为管线截面的半径；
[0017] c.根据最大弯曲应力确定浅埋地管线轴向拉应力，结合管线容许拉应力确定浅埋 地输气管线需要保护的范围
[0018] 沉陷区内埋地管线沿线轴向拉应力的计算公式为：
[0019] σ η(1) = σ nQ+o ⑴
[0020] 式中〇n°为管线初始轴向拉应力，可根据管线的内压及工作状态得到，管线容许 拉应力为[0]，当〇η(1)多[0]时，对应位置管线的轴向拉应力超过了容许拉应力，由此 确定出埋地管线需要采取保护措施的范围；当σ η(1)〈[ 0 ]时，对应位置管线的轴向拉应力 小于容许拉应力，此处管线不需要设置保护措施；
[0021] d.根据步骤c确定的保护范围沿管线方向架设悬索桥，吊起沉陷区管线；
[0022] e.以常规方式开采管线下压煤炭资源，直至该工作面资源回采完毕；
[0023] f.待上述工作面地表沉陷稳定后拆除悬索桥；重复步骤a至步骤e，完成下一个工 作面煤炭资源开采工作；如此连续开采煤炭资源，直至本采区内的所有工作面资源开采完 毕。
[0024] 本发明能够根据煤炭资源开采时对浅埋输气地管线产生的动态变形影响，采用悬 索桥悬吊管线对浅埋地输气管线进行保护，从而采用常规开采方式即可开采出管线下滞压 的煤炭资源。悬索桥架设简单，主要部件可以重复利用；地表沉陷稳定、悬索桥拆除后，由于 管线自身具有一定的拉伸特性，不会再有突发变形，一般情况下无需填土支撑，工序较为简 单；架设悬索桥所增加的费用不到全部生产成本的1%，却能将管线下的巨量压煤开采出 来，具有极高的经济效益。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明的具体实施例的示意图；
[0026] 图2是本发明中支撑座的示意图；
[0027] 图中：1、支撑墩，2、悬吊钢索，3、支撑墩基础，4、管线，5、吊索，6、管线支撑座，61、 底托，62、上盖，63、凹槽，64、螺栓，65、吊耳。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0029] -种浅埋地输气管线下压煤的开采方法，包括以下步骤：
[0030] a.根据矿区其他区域煤炭资源回采后地表移动观测资料确定浅埋地输气管线移 动与变形参数，采用概率积分法建立地表下沉曲线方程W，预测资源开采后地表沿管线方向 下沉情况；
[0031] b.根据上述地表下沉曲线方程计算埋地管线弯矩和最大弯曲应力
[0032] 根据连续梁的弯曲理论可得埋地管线弯矩计算方程为：
[0034] 式中，E为管线的抗拉弹性模量，I为管线截面惯性矩，
[0035] 管线最大弯曲应力为：
[0037] 式中d为管线截面的半径；
[0038] c.根据最大弯曲应力确定浅埋地管线轴向拉应力，结合管线容许拉应力确定浅埋 地输气管线需要保护的范围
[0039] 沉陷区内埋地管线沿线轴向拉应力的计算公式为：
[0040] σ 口⑴=σ η0+σ ⑴
[0041] 式中〇n0为管线初始轴向拉应力，可根据管线的内压及工作状态得到，管线容许 拉应力为[0]，当〇η(1)多[0]时，对应位置管线的轴向拉应力超过了容许拉应力，由此 确定出埋地管线需要采取保护措施的范围；当σ η(1)〈[ 0 ]时，对应位置管线的轴向拉应力 小于容许拉应力，此处管线不需要设置保护措施；
[0042] d.根据步骤c确定的保护范围沿管线方向架设悬索桥，吊起沉陷区管线；
[0043] e.以常规方式开采管线下压煤炭资源，直至该工作面资源回采完毕；
[0044] f.待上述工作面地表沉陷稳定后拆除悬索桥；重复步骤a至步骤e，完成下一个工 作面煤炭资源开采工作；如此连续开采煤炭资源，直至本采区内的所有工作面资源开采完 毕。
[0045] 本发明能够根据煤炭资源开采时对浅埋输气地管线产生的动态变形影响，采用悬 索桥悬吊管线对浅埋地输气管线进行保护，从而采用常规开采方式即可开采出管线下滞压 的煤炭资源。悬索桥架设简单，主要部件可以重复利用；地表沉陷稳定、悬索桥拆除后，由于 管线自身具有一定的拉伸特性，不会再有突发变形，一般情况下无需填土支撑，工序较为简 单；架设悬索桥所增加的费用不到全部生产成本的1%，却能将管线下的巨量压煤开采出 来，具有极高的经济效益。
[0046] 所述步骤a中地表移动与变形优选参数包括：下沉系数、水平移动系数、拐点偏移 距、煤层开采影响角、岩体的弹性模量及强度，这些优选参数可以全面反映沉陷区地表移动 和变形情况。
[0047] 图1为步骤d中所述悬索桥的一个优选实施例，包括支撑墩1和悬吊钢索2,所述 支撑墩1设置在输气管线4需要保护区域的两端，其下方设有支撑墩基础3,支撑墩基础3 在输气管线4两侧对称设置，输气管线4从两个支撑墩基础3之间穿过，悬吊钢索2架设在 两个支撑墩1之间，吊索5悬挂在悬吊钢索2上。所述支撑墩1采用水泥结构，该悬索桥造 价低。
[0048] 进一步，吊索5通过支撑座6将输气管线4吊起，支撑座6可以有效保护输气管线 4〇
[0049] 图2为支撑座6的一个优选方案，包括底托61和上盖62,所述底托61和上盖62 上分别设置用于安置管线的凹槽63,底托61和上盖62通过螺栓64连接，上盖62设置吊耳 65 ;这样吊起输气管线4既方便又稳固。也可以不用上盖，底座上边缘直接设置若干吊耳， 这样需要相应数量的吊索。
【主权项】
1. 一种浅埋地输气管线下压煤的开采方法，其特征在于，包括以下步骤： a. 根据矿区其他区域煤炭资源回采后地表移动观测资料确定浅埋地输气管线移动与 变形参数，采用概率积分法建立地表下沉曲线方程W，预测资源开采后地表沿管线方向下沉 情况； b. 根据上述地表下沉曲线方程计算埋地管线弯矩和最大弯曲应力 根据连续梁的弯曲理论可得埋地管线弯矩计算方程为：式中，E为管线的抗拉弹性模量，I为管线截面惯性矩， 管线最大弯曲应力为：式中d为管线截面的半径； c. 根据最大弯曲应力确定浅埋地管线轴向拉应力，结合管线容许拉应力确定浅埋地输 气管线需要保护的范围 沉陷区内埋地管线沿线轴向拉应力的计算公式为： 0 n(D = 0 nO+° (1) 式中ση(:为管线初始轴向拉应力，可根据管线的内压及工作状态得到，管线容许拉应 力为[〇]，当ση(1)多[σ]时，对应位置管线的轴向拉应力超过了容许拉应力，由此确定 出埋地管线需要采取保护措施的范围；当ση(1)〈[ 〇 ]时，对应位置管线的轴向拉应力小于 容许拉应力，此处管线不需要设置保护措施； d. 根据步骤c确定的保护范围沿管线方向架设悬索桥，吊起沉陷区管线； e. 以常规方式开采管线下的压煤，直至该工作面资源回采完毕； f. 待上述工作面地表沉陷稳定后拆除悬索桥；重复步骤a至步骤e，完成下一个工作面 煤炭资源开采工作；如此连续开采煤炭资源，直至本采区内的所有工作面资源开采完毕。2. 根据权利要求1所述的浅埋地输气管线下压煤的开采方法，其特征在于，所述步骤a 中地表移动与变形优选参数为：下沉系数、水平移动系数、拐点偏移距、煤层开采影响角、岩 体的弹性模量及强度。3. 根据权利要求2所述的浅埋地输气管线下压煤的开采方法，其特征在于，所述步骤d 中悬索桥包括支撑墩（1)和悬吊钢索（2)，所述支撑墩（1)设置在输气管线（4)需要保护的 区域两端，其下方设有支撑墩基础（3)，支撑墩基础（3)在输气管线（4)两侧对称设置，输气 管线（4)从两个支撑墩基础（3)之间穿过；悬吊钢索（2)架设在两个支撑墩（1)之间，管线 (4)通过吊索（5)悬吊在悬吊钢索⑵上。4. 根据权利要求3所述的浅埋地输气管线下压煤的开采方法，其特征在于，吊索（5)通 过支撑座（6)将输气管线⑷吊起。5. 根据权利要求4所述的浅埋地输气管线下压煤的开采方法，其特征在于，所述管线 支撑座（6)包括底托（61)和上盖（62)，所述底托（61)和上盖（62)上分别设置用于安置输 气管线⑷的凹槽（63)，底托（61)和上盖（62)通过螺栓（64)连接，上盖（62)设置吊耳
【专利摘要】本发明公开了一种浅埋地输气管线下压煤的开采方法，包括以下步骤：(1)建立地表下沉曲线方程W，预测资源开采后地表沿管线方向下沉情况；(2)计算浅埋地输气管线弯矩和管线最大弯曲应力；(3)确定浅埋地输气管线需要保护的范围；(4)根据步骤3确定的保护范围沿管线方向架设悬索桥，吊起沉陷区管线；(5)以常规方式开采管线下煤炭资源，并在沉陷稳定后拆除悬索桥，在下一个工作面回采前重复上述步骤，直至本采区内的所有资源回采完毕。本发明能够根据煤炭资源开采时对浅埋输气地管线产生的动态变形影响，采用悬索桥悬吊管线方法对浅埋地输气管线进行保护，从而采用正常开采方式即可开采出管线下滞压的煤炭资源。
【IPC分类】E21C41/18
【公开号】CN105257293
【申请号】CN201510615096
【发明人】周跃进, 李永峰, 徐平, 张华 , 张奇, 曹正正, 李宁, 汪尔乾, 李佳伟
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年9月24日