一种煤矿开采沉陷区埋地油气管道保护装置及铺设方法与流程

本发明涉及地表沉陷区地表埋地油气管道保护技术领域，尤其涉及一种煤矿开采沉陷区埋地油气管道保护装置及铺设方法。

背景技术：

长期以来煤炭一直是我国的主体能源，且我国95％的煤炭资源采用地下井工开采，地下煤矿开采将造成了采空区上覆岩体冒落、移动与变形，当开采面积达到一定范围后，采动区地表产生沉陷。随着采动沉陷持续增大，地表构筑物将随之变形并破坏。近年来我国加大了能源结构调整，煤炭作为主体资源的地位仍将长期存在，但油气及其他新能源的开发利用将增大，作为油气输送的埋地管道覆盖面也随之增大。我国长距离油气输送的埋地管道穿越了煤田分布区，随着煤矿开采区面积的持续扩大，越来越多的埋地管道将受采动沉陷影响。

油气输送管道按材质主要分为钢管和柔性管两类。我国矿区埋地油气管道材质一般为钢管；相比钢管，柔性油气管有易弯曲、易铺设、可回收、更经济等特点。目前，柔性油气管道已经在海洋环境及油田开发中得到采用，实践表明采用柔性油气管道不但能保证油气资源的安全输送，还可以显著降低工程建设及运营成本。

现有技术中，为保护矿区埋地油气输送管道，主要采取以下措施：(1)预留保护煤柱，即管道附近不开采煤矿；实践表明，当管道穿越煤田时将产生巨大的管道下压煤量，严重影响矿区的可持续发展，以山西朔州某矿为例，该矿区有约10km的埋地管道穿越矿区，压煤量高达1.9亿吨，够大型现代化矿井开采15-20年。(2)通过实施监测管道变形及管道应力，并根据监测结果，通过复杂的升降装置对管道进行调整；该方法操作复杂，且要求持续高强度的监测，人力财力消耗巨大，并存在较大安全隐患。(3)采用悬吊装置，将埋地管道悬吊，地表沉陷过程中，部分土体施加给管道的附加应力由悬吊索承担，等沉陷稳定后重新填埋管道；该方法操作复杂且处理范围十分有限，管道保护过程中且需要修建悬吊构筑物，经济投入大。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术中所存在的技术问题，本发明提供一种对埋地油气管道不产生附加应力，工程造价低且简化工序的煤矿开采沉陷区埋地油气管道保护装置及铺设方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种煤矿开采沉陷区埋地油气管道保护装置，其特征在于，它主要包括：柔性油气管道、多个可伸缩套管和多个滑移机构，其中：

所述的柔性油气管道，沿开采沉陷区的埋地管沟进行分布；

所述的多个可伸缩套管，套设在柔性油气管道的外部，相邻两个可伸缩套管之间通过管道固定板相连接，其中，每个所述可伸缩套管内部的柔性油气管道呈弯曲状态分布；

所述的多个滑移机构，一一对应地固定在管道固定板上，柔性油气管道依次穿设在所述滑移机构中，并与滑移机构滑动连接。

进一步地，所述滑移机构包括滑动支座和多个钢制滚珠，滑动支座通过固定螺栓固定在所述管道固定板上，多个钢制滚珠滚动设置在滑动支座的内圆周上，并与柔性油气管道的外侧壁相配合。

进一步地，所述可伸缩套管和管道固定板通过连接机构相连接，所述连接机构包括法兰盘、上套管固定环、下套管固定环和连接螺栓，法兰盘的一侧固定在管道固定板上，法兰盘的另一侧设有向外延伸的连接凸台，可伸缩套管的端部套设在凸台上，且通过上套管固定环、下套管固定环和连接螺栓与凸台相锁紧。

进一步地，所述法兰盘的上方还设有监测钢管和连接卡套，监测钢管的下端通过连接卡套与法兰盘相连接，监测钢管的上端竖直向上延伸并露出地表至设定距离。

进一步地，相邻的两个管道固定板之间还通过限位钢丝绳相连接。

进一步地，所述管道固定板上设有固定套环，限位钢丝绳穿过固定套环后通过钢丝绳索夹相锁紧。

进一步地，所述可伸缩套管采用内置细钢丝带肋可伸缩的塑料管制作而成。

本发明还提供一种煤矿开采沉陷区埋地油气管道保护装置的铺设方法，其包括以下步骤：

第一步、计算在采动沉陷区规划的埋地油气管道沿线地表的最大变形预计值

根据煤矿开采沉陷学中概率积分法(该方法为煤矿开采损害相关规程推荐采用方法)计算在采动沉陷区规划的埋地油气管道沿线地表的最大变形预计值；

第二步、确定可伸缩套管的伸长量和内径

要求单位长度内可伸缩套管的最大伸长量为铺设管道沿线地表的最大变形值的1.2-1.5倍，且可伸缩套管的内径为柔性油气管道外径的3-5倍；

第三步、确定相邻管道固定板间距及柔性油气管道长度

柔性油气管道长度应满足：相邻管道固定板之间穿入的柔性油气管道的最大可伸长量为沉陷过程管道沿线土体最大变形预计值的1.2倍；相邻管道固定板之间的间距要求不能大于50m；

第四步、开挖埋地管沟

管沟的开挖深度比管道底部设计标高深0.5-0.6m，管沟宽度比可伸缩套管直径大1.2-1.5m；

第五步、铺设第一段可伸缩套管

开挖好埋地管沟后，在埋地管沟底部先用细砂土填埋压实至管底设计标高，根据步骤一、二和三的计算结果铺设第一段可伸缩套管，并保证第一段可伸缩套管置于埋地管沟的正中间位置；

第六步、安装第一段可伸缩套管内的柔性油气管道

在铺设好的第一段可伸缩套管内安装柔性油气管道。详细方法是：

在铺设好的第一段可伸缩套管两端分别布置管道固定板，将滑动支座安装在管道固定板上；根据步骤一、二和三计算该段可伸缩套管内弯曲柔性油气管道的长度，并在柔性油气管道上做好标记。将标记好的第一节柔性油气管道从第一段可伸缩套管一端的管道滑动支座的钢制滚珠间穿入，穿过后，从第一段可伸缩套管另一端管道固定板上的滑动支座的钢制滚珠间穿出，将穿出的第一节柔性油气管道分别从该第一段可伸缩套管的两端向中间压缩，使将标记段的第一节柔性油气管道正好置于第一段可伸缩套管中；

第七步、安装第一段限位钢丝绳

将第一段限位钢丝绳穿入铺设好的第一段可伸缩套管中，限位钢丝绳两端与第一段可伸缩套管两端的管道固定板连接；

第八步、连接固定第一段可伸缩套管及管道固定板

第一段可伸缩套管通过上下两个套管固定环连接在法兰盘上；管道固定板通过连接螺栓固定在法兰盘间；

第九步、安装监测钢管

监测钢管通过焊接固定在连接卡套上，连接卡套通过固定螺栓固定连接在法兰盘上，同时保证各监测钢管延伸出地表面的高度约为1～1.2m；

第十步、填埋管道

重复步骤五至步骤九，铺设好开采沉陷影响区中的各段管道及管道保护装置，最后填埋埋地管沟，并保证填埋管道过程中可伸缩套管的管周0.5m范围内用细沙土覆盖，填埋埋地管沟后整平地表。

本发明的有益效果在于：在地表变形过程中，可伸缩套管可随管周土体变形而伸缩，可伸缩套管内的弯曲柔性管道可以在套管内伸展，柔性油气管道上不产生来自管周土体作用的附加应力，本发明涉及的铺设管道过程中，充分考虑了管道沿线的采动变形，实现了开采沉陷区埋地油气管道的多重科学保护，并且极大地提高了工作效率，降低了管道保护成本，更好的保证了煤矿开采沉陷区埋地油气管道的安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的煤矿开采沉陷区埋地油气管道保护装置的结构示意图；

图2是本发明的煤矿开采沉陷区埋地油气管道保护装置的分布状态示意图，图中的椭圆表示的是沉降等值线；

图3是本发明的煤矿开采沉陷区埋地油气管道保护装置的管道连接部位纵断面图；

图4是本发明的煤矿开采沉陷区埋地油气管道保护装置的管道连接部位横断面图；

图5是本发明的煤矿开采沉陷区埋地油气管道保护装置的铺设方法的方法流程图。

图中：1-柔性油气管道，2-可伸缩套管，3-管道固定板，4-滑移机构，41-滑动支座，42-钢制滚珠，43-固定螺栓，5-连接机构，51-法兰盘，52-上套管固定环，53-下套管固定环，54-连接螺栓，55-凸台，6-连接卡套，7-限位钢丝绳,8-固定套环,9-钢丝绳索夹,10-监测钢管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1-4所示，本发明的煤矿开采沉陷区埋地油气管道保护装置，其包括：

柔性油气管道1，沿开采沉陷区的埋地管沟进行分布；

多个可伸缩套管2，套设在柔性油气管道1的外部，相邻的两个可伸缩套管2之间通过管道固定板3相连接，其中，每个可伸缩套管2内部的柔性油气管道1呈弯曲状态分布；本实施例中的可伸缩套管2可采用内置细钢丝带肋可伸缩的塑料管制作而成，当然，在其他的使用场合下，还可以使用其他材质进行制作加工。

多个滑移机构4，一一对应地固定在管道固定板3上，柔性油气管道1依次穿设在滑移机构4中，并与滑移机构4滑动连接。

本发明中，可伸缩套管2可随管周土体变形而伸缩，可以保护其内部的柔性油气管道1，使柔性油气管道1上不产生来自管周土体作用的附加应力，而且当地表沉陷时，可伸缩套管2被拉伸，沉陷区相邻两管道固定板3之间的间距增大，置于可伸缩套管2之中的弯曲的柔性油气管道1可通过滑移机构4自由伸展，从而进一步提高了对柔性油气管道1的保护。

具体地，滑移机构4包括滑动支座41和多个钢制滚珠42，滑动支座41通过固定螺栓43固定在管道固定板3上，多个钢制滚珠42滚动设置在滑动支座41的内圆周上，并与柔性油气管道1的外侧壁相配合。当地表沉陷或变形时，管道滑动支座41可通过钢制滚珠42与柔性油气管道1相对滑动，实现了对柔性油气管道1的保护。

具体地，可伸缩套管2和管道固定板3通过连接机构5相连接，连接机构5包括法兰盘51、上套管固定环52、下套管固定环53和连接螺栓54，法兰盘51的一侧固定在管道固定板3上，法兰盘51的另一侧设有向外延伸的连接凸台55，可伸缩套管2的端部套设在凸台55上，且通过上套管固定环51、下套管固定环52和连接螺栓54与凸台55相锁紧。本发明中，通过上套管固定环51、下套管固定环52分别卡住可伸缩套管2的端部上下两侧，然后利用连接螺栓54锁紧上套管固定环51、下套管固定环52的两配合边侧，最终实现可伸缩套管2与管道固定板3的锁紧连接，其不仅连接简单可靠、而且后期的更换维修更加方便快捷。

本发明中，管道固定板3及可伸缩套管2采用法兰盘51固定连接，可伸缩套管2可以保证柔性油气管道1免受土体沉陷过程中管周土对柔性油气管道1的附加应力，管道固定板3还可以固定柔性油气管道1，使柔性油气管道1在内压影响时能安全正常运营，此为本发明的保护装置对开采沉陷区埋地油气管道的第一重保护。

优选地，法兰盘51的上方还设有监测钢管10和连接卡套6，监测钢管10的下端通过连接卡套6与法兰盘51相连接，监测钢管10的上端竖直向上延伸并露出地表至设定距离。其中，监测钢管10和连接卡套6可采用较为简单方便的焊接固定方式进行连接，当然，也可以采用其他合适的连接方式，如锁扣或螺接等方式。本实施例中，监测钢管10的上端竖直向上延伸并露出地表的设定距离优选为1-1.2米，在不同的使用场合下，此设定距离也可以进行合理调整。本发明中的监测钢管10的作用在于：一方面可以作为地表管道的沿线的警示标记，另一方面可以在地表沉陷过程中，用于监测埋地管道沿线各管道固定点的变形值，准确掌握埋地管道的变形情况，同时还可以避免突发事故的产生。

本发明中，每段柔性油气管道1的最大可伸长量为沉陷过程管道沿线土体最大变形预计值的1.2倍，但为了进一步提高安全性，防止出现可伸缩套管2中的弯曲柔性油气管道1的拉伸量大于其最大可伸展长度，使管道出现附加应力，相邻的两个管道固定板3之间还通过限位钢丝绳7相连接。其具体的连接方式是：管道固定板3中心位置上设有固定套环8，限位钢丝绳7穿过固定套环8后通过钢丝绳索夹9相锁紧。

参阅图5所示，本发明还提供了一种煤矿开采沉陷区埋地油气管道保护装置的铺设方法，其包括以下步骤：

第一步、计算开采沉陷区中铺设管道沿线地表的最大变形预计值

其中，最大变形预计值的算法是根据煤矿开采沉陷学中概率积分法(该方法为煤矿开采损害相关规程推荐采用方法)计算在采动沉陷区规划的埋地油气管道沿线地表的最大变形预计值。参阅图1-2所示，例如：lab、lbc、lcd、lde段管道沿线在开采沉陷过程中的最大变形预计值分别为δab、δbc、δcd、δde。

第二步、测试可伸缩套管2的伸长量

例如：可伸缩套管2的lab、lbc、lcd、lde段管道最大可伸长量分别为lab、lbc、lcd、lde，可以保证单位长度内可伸缩套管1的最大伸长量为铺设管道沿线地表的最大变形值的1.2-1.5倍，即lab＝1.2-1.5δab、lbc＝1.2-1.5δbc、lcd＝1.2-1.5δcd、lde＝1.2-1.5δde；可伸缩套管2的内径约为柔性油气管道1外径的3-5倍。

第三步、确定相邻管道固定板3间距及柔性油气管道1长度

本实施例中，相邻管道固定板3之间穿入的柔性油气管道1的最大可伸长量为沉陷过程管道沿线土体最大变形值的1.2倍，且相邻管道固定板3之间的间距小于50m。

第四步、开挖埋地管沟

管沟的开挖深度比管道底部设计标高深0.5-0.6m，管沟宽度比可伸缩套管直径大1.2-1.5m。

第五步：铺设第一段可伸缩套管

开挖好埋地管沟后，在埋地管沟底部先用细砂土填埋压实至管底设计标高，根据步骤一、二和三的计算结果铺设第一段可伸缩套管，并保证第一段可伸缩套管置于埋地管沟的正中间位置。

第六步、安装第一段可伸缩套管内的柔性油气管道

在铺设好的第一段可伸缩套管内安装

两端分别布置管道固定板3，将滑动支座41安装在管道固定板3上。根据步骤一、二和三计算该段可伸缩套管内柔性油气管道1的长度，并在柔性油气管道1上做好标记。将标记好的第一节柔性油气管道从第一段可伸缩套管一端的滑动支座的钢制滚珠42间穿入，穿过后，从第一段可伸缩套管2另一端管道固定板上的滑动支座的钢制滚珠42间穿出，将穿出的第一节柔性油气管道分别从该第一段可伸缩套管的两端向中间压缩，使将标记段的第一节柔性油气管道正好置于第一段可伸缩套管中。

第七步、安装第一段限位钢丝绳

将限位钢丝绳7穿入铺设好的第一段可伸缩套管中，限位钢丝绳7两端与第一段可伸缩套管两端的管道固定板3连接，安装时，限位钢丝绳穿过管道固定板3的固定套环8后通过钢丝绳索夹9相锁紧。

第八步、连接固定第一段可伸缩套管及管道固定板

第一段可伸缩套管通过上、下两个套管固定环52和53连接在法兰盘51上；管道固定板3通过连接螺栓54固定在法兰盘51间。

第九步：安装监测钢管

监测钢管10通过焊接固定在连接卡套6上，连接卡套6通过固定螺栓固定连接在法兰盘51上，同时保证各监测钢管10延伸出地表面的高度约为1～1.2m。

第十步：填埋管道

重复步骤五至步骤九，铺设好开采沉陷影响区中的各段管道及管道保护装置，最后填埋埋地管沟，并保证填埋管道过程中可伸缩套管2的管周0.5m范围内用细沙土覆盖，填埋埋地管沟后整平地表。

本发明中，所述的可伸缩套管2可以保证柔性油气管道1免受土体沉陷过程中管周土对埋地油气管的影响，可伸缩套管2内的弯曲柔性管道1可以在套管内伸展，柔性油气管道1上不产生来自管周土体作用的附加应力，此为保护装置对开采沉陷区埋地油气管道的第一重保护。限位钢丝绳7与相邻两管道固定板3连接，限位钢丝绳7的长度小于相邻两管道固定板3间弯曲柔性油气管道1长度，并且，相邻两管道固定板3间弯曲柔性油气管道1可伸长量大于沉陷过程中管道固定板3之间的伸长量，因此，限位钢丝绳7可使柔性油气管道1的最大伸长量始终大于沉陷过程中柔性油气管道1的实际伸长量，此为本发明的保护装置对开采沉陷区埋地油气管道的第二重保护。监测钢管10一方面可以作为地表管道的沿线的警示标记，另一方面可以在地表沉陷过程中，用于监测埋地管道沿线各管道固定点的变形值，准确掌握埋地管道的变形情况，以避免突发事故的产生。此为本发明的保护装置对开采沉陷区埋地油气管道的第三重保护。

综上所述，本发明的优点在于：

(1)、当地表变形过程中，弯曲柔性油气管道1可在可伸缩套管2内自由伸展，避免了开采沉陷对埋地油气管道的影响。

(2)、管道固定板3与滑移机构4的组合装置，使柔性油气管道1的固定方式更加灵活可靠，并且使柔性油气管道1在内压影响时能安全正常运营。

(3)、充分考虑了管道沿线的采动变形，对可伸缩套管2及弯曲柔性管道1的可伸长量进行了关联设定，实现了开采沉陷区埋地油气管道的多重科学保护。

(4)、安全、经济且结构简单，极大提高了工作效率，降低了管道保护成本，更好的保证了管道的安全运营。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。