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塌陷斷裂帶直埋供熱管道穩(wěn)定性與安全措施

文檔作者：楊儀濤高百爭王進文檔來源： 1．中國平煤神馬集團陽光物業(yè)有限公司 2．中國市政工程華北設計研究總院		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月19日
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第33卷第7期
2013年7月
煤氣與熱力
GAS &amp;amp; HEAT
Vo1．33 No．7
Ju1．2013
· 供熱熱網(wǎng)與熱力站·
塌陷斷裂帶直埋供熱管道穩(wěn)定性與安全措施
楊儀濤 ， 高百爭 ， 王 進
(1．中國平煤神馬集團陽光物業(yè)有限公司，河南平頂山467000；
2．中國市政3-_程華北設計研究總院，天津300070)
摘要： 針對塌陷區(qū)沉降對直埋熱水供熱管道的影響，對塌陷斷裂帶直埋熱水供熱管道進行
受力分析及穩(wěn)定性判定條件分析。推導塌陷區(qū)允許沉降量的計算式，對接近或達到允許沉降量時
的安全措施進行了探討。
關鍵詞： 塌陷斷裂帶； 沉降； 直埋熱水供熱管道； 穩(wěn)定性； 安全措施
中圖分類號：TU995 文獻標識碼：B 文章編號：1000～4416(2013)07—0A06—03
作者簡介：楊儀濤(1980一 )，男，河南周日人，工程師，
大學，從事供熱運行管理及技術改造工作。
1 概述
河南省平頂山煤業(yè)集團的一礦、三礦、四礦、五
礦、六礦、七礦、九礦、十一礦等礦井，距坑口電廠最
遠也只有9 km，特別是九礦與坑口電廠僅一墻之
隔。在這片礦井密集區(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)。地下被
采空，采空區(qū)上方的地面會逐步或突然沉降，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)上方地質(zhì)構造等情況，很難準確
預測塌陷區(qū)的塌陷時間或塌陷速度。若為這些礦井
供熱，部分直埋供熱管道必然通過處于沉降過程中
的塌陷區(qū)。在管道由非塌陷區(qū)進入塌陷區(qū)(或由塌
陷區(qū)進入非塌陷區(qū))的過程中，塌陷斷裂帶兩側地
面可能會逐步或突然形成落差¨ 。因此，研究塌陷
區(qū)沉降對塌陷斷裂帶直埋供熱管道的影響，具有十
分重要的意義。本文對塌陷斷裂帶直埋熱水供熱管
道(以下簡稱管道)穩(wěn)定性判定與安全措施進行探
討。
2 穩(wěn)定性判定
在正常情況下，管道自重(包括供熱介質(zhì)重量)
加上部土壤重量等于管道下部土壤的支撐力，無論
是有補償管道還是無補償管道，管道不會出現(xiàn)彎曲
變形。然而，當塌陷區(qū)發(fā)生沉降時，由于管道的連續(xù)
性，塌陷斷裂帶的塌陷區(qū)一側部分管段將發(fā)生彎曲
變形(見圖1)，并出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，使得管道上部出現(xiàn)
均布荷載，直至彎曲變形終止。當塌陷區(qū)發(fā)生沉降
時發(fā)生彎曲變形管段的受力分析見圖1。
塌陷斷裂帶 ，
圖1 當塌陷區(qū)發(fā)生沉降時發(fā)生彎曲變形
管段的受力分析
圖中 ——塌陷區(qū)地面沉降量，m
，J——點4(塌陷斷裂帶所在位置)至點B(彎
曲變形終止位置)的距離，m
— — 點B處的彎矩，N·m
· A 06 ·
楊儀濤，等：塌陷斷裂帶直埋供熱管道穩(wěn)定性與安全措施 第33卷第7期
產(chǎn)_ 彎曲變形管道承受的均布荷載，N／m
發(fā)生彎曲變形管段AB承受的均布荷載l廠的計
算式為：
f=fl+ (1)
=pgD h (2)
式中 ——單位長度管道的自重(包括供熱介質(zhì)
的重量)，N／m
— — 單位長度管道上方土壤重量，N／m
p—— 土壤密度，k#m
g— — 重力加速度，m／s
D ——預制直埋保溫管外殼的外直徑，1TI
— — 設計管頂覆土深度，In
點B處彎矩 的計算式為：
： f (3)
，： 墮 (4)
64
式中E—— 鋼材的彈性模量，Pa
，—一管段形心慣性矩，m
D。 ——鋼管的外直徑，m
D， ——鋼管的內(nèi)直徑，ITI
點 至點B距離 的計算式為：
： ( ) (5)
點4處管道截面承受彎曲應力or 的計算式
為：
O"a ：(【 J ㈩
式中or ——點 處管道截面承受的彎曲應力，Pa
忽略由熱脹冷縮產(chǎn)生的二次應力，彎曲變形管
段的穩(wěn)定性判別式為：
pDi2
~
O-A+O'ny 蕊
df~<3o- ll (7)
式中 ——彎曲應力及由內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應力
的當量應力，Pa
— — 內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應力，Pa
p——管道設計壓力，Pa
— — 鋼材在計算溫度下的基本許用應力，
Pa
式(7)可作為當塌陷區(qū)地面出現(xiàn)沉降時，判定
發(fā)生彎曲變形管段是否穩(wěn)定的判別式，也可作為計
算塌陷區(qū)允許沉降量的計算式。
3 允許沉降量計算
由式(7)可得到塌陷區(qū)允許沉降量 的計算
式為：
≤ —
pD2 )2竺㈦
分別計算塌陷區(qū)為農(nóng)田、道路情況下的允許沉
降量。農(nóng)田下土壤密度按1 000 kg／m 計算，路面
下土壤密度按1 450 kg／in 計算。由于管道周圍及
上部的砂可向懸空區(qū)流動，因此管道上部砂層的高
度不計人覆土深度。砂層以上的覆土深度按0．5 m
計算，預制直埋保溫管的高密度聚乙烯外殼外直徑
比鋼管外直徑大0．15 m。
當計算溫度為130℃ 時，Q235A、Q235B鋼材的
彈性模量 為2×10“Pa，許用應力or 。為118．5×
10。Pa。將以上已知數(shù)據(jù)代入式(8)，可得農(nóng)田、道
路塌陷區(qū)允許沉降量h 、h 的計算式分別為：
kan= 3．555 x 108- D2
? ) ·
二
2．718×10 D：
= 3．555 ~108一
D
韭
2
o~, - Di2
n J
— 2 (10)
．
718×10 02
。
式中ht,
all— — 農(nóng)田塌陷區(qū)允許沉降量，in
— — 農(nóng)田塌陷區(qū)發(fā)生彎曲變形管段承受的
均布荷載，N／m
hL ——道路塌陷區(qū)允許沉降量， ,
．n m
．
— — 道路塌陷區(qū)發(fā)生彎曲變形管段承受的
均布荷載，N／m
塌陷區(qū)為農(nóng)田時，發(fā)生彎曲變形管段承受的均
布荷載． 的計算式為：
= 500g(D。 +0．15)+250gwDi~+
3 900gvD (D。 一Di ) (11)
塌陷區(qū)為道路時，發(fā)生彎曲變形管段承受的均
布荷載 的計算式為：
fL=725g(D。 +0．15)+250gwD~+
3 900g,rrD。 (D。 一Di ) (12)
由式(9)～(12)可計算得到，不同規(guī)格管道在
設計壓力分別為1．6、2．5 MPa下，農(nóng)田、道路塌陷區(qū)
· A 07 ·
第33卷第7期 煤氣與熱力
的允許沉降量(見表1)。
表1 不同規(guī)格管道在不同設計壓力下農(nóng)田、
道路塌陷區(qū)的允許沉降量
ht
,all／ram hL
,~n／mm
管道規(guī)格 p= p= p= p=
1．6 MPa 2．5 MPa 1．6 MPa 2．5 MPa
089×4．5 87．7 85．8 63．8 62．4
0108×4．5 97．2 94．6 71．3 69．3
133×4．5 106．1 102．5 78．6 75．9
159×5．0 122．6 118．0 92．0 88．6
02l9×6．0 151．5 144．9 1】6．9 l11．8
0273×7．0 173．9 165．8 137．2 130．7
0325×7．0 173．3 l63．4 138．3 l30．4
0377 X 8．0 190．0 179．0 154．2 145．3
0426 X8．0 186．4 174．0 152．5 142．4
I478×8．0 181．7 168．0 149．9 138．6
0529×9．0 194．9 180．5 162．8 150．7
O630×9．0 184．0 167．5 155．5 141．6
0720×9．0 174．0 156．0 148．4 133．0
0820 X 10．0 179．9 160．7 155．4 138．8
0920×10．0 l69．3 148．7 147．3 129．5
01020 X11．0 174．4 153．0 153．3 134．5
4 安全措施
由式(7)可知，當D。 、D。 P、E、r， 。一定時，提
高發(fā)生彎曲變形管段穩(wěn)定性的安全措施是減輕勻布
荷載。由式(1)、(2)可知，勻布荷載與管頂覆土深
度、土壤密度有關。cJJ／T 81_98《城鎮(zhèn)直埋供熱管
道工程技術規(guī)程》對覆土深度有要求，不得隨意減
小覆土深度。我們采取的安全措施是將管道周圍及
上部的回填砂層適當增厚，一方面可降低土壤密度，
另一方面當塌陷區(qū)發(fā)生沉降時，管道周圍及上部的
砂可向懸空管道下部流動，填充懸空區(qū)域，以降低管
道承受的均布荷載。
當塌陷區(qū)接近或達到允許沉降量時，點A處的
管道將出現(xiàn)失穩(wěn)，必須采取安全措施降低當量應力。
安全措施的具體方法為：將管段AB上方的覆土挖
走，將土壤荷載卸載。再從點A向塌陷斷裂帶非塌
陷區(qū)一側開挖一段距離到達點C，并將管段 下部
掏空，以緩解管段AB的彎曲變形，以便較好地應對
下一次沉降，將管段下部懸空部分填實后回填至沉
降后地面高度。在實際操作中我們關心的是如何確
定塌陷斷裂帶非塌陷區(qū)一側開挖長度。采取安全措
施時管段的受力分析見圖2。
塌陷區(qū)地回
廠
， I I
c ， r —— -—～
圖2 采取安全措施時管段的受力分析
式中．廠— —管段CB承受的均布荷載，N／m
— — 塌陷斷裂帶非塌陷區(qū)一側開挖長度，
管段BC被挖開后，點C處管道截面承受的彎
曲應力最大，點A處管道截面承受的彎曲應力大幅
降低。點c處管道彎曲截面承受彎曲應力 的計
算式為：
一 (I — J c 3
式中 ——點c處管道截面承受的彎曲應力，Pa
由式(13)得：
： _ f14)
13．588D~0
hE
由于采取安全措施前后彎曲管段受力情況類
似，將式(5)中 替換成廠，將，J替換成 + ，得到
的計算式為：
“ ：一[【 三 墨2cj L 4 一D4io)J] 一 ( 5J√)
由式(15)可知，，J 越大r， 越小，說明塌陷斷裂
帶非塌陷區(qū)一側開挖長度越長，點c處管道彎曲截
面承受的彎曲應力越小，但工程費用將增大。
我們將O-。與O- 相同確定為采取安全措施的
目標經(jīng)濟值，將式(4)代人式(15)，并根據(jù)已知參
數(shù)：E為2 X 10“Pa， a¨為118．5×10。Pa，可得到塌
陷斷裂帶非塌陷區(qū)一側經(jīng)濟開挖長度L 的計算式：
L。=(4．557 7×10 h D 笛一 (16)
式中，J ——塌陷斷裂帶非塌陷區(qū)一側經(jīng)濟開挖長
度，in
采用前面計算方法，分別計算出農(nóng)田、道路塌陷
區(qū)對應的 ，并將表1數(shù)據(jù)代入式(16)，可計算得不
同規(guī)格管道在不同設計壓力下農(nóng)田、道路塌陷斷裂
帶非塌陷區(qū)一側經(jīng)濟開挖長度 、，J。．．．，見表2。
(下轉第A18頁)
· A 08 ·
第33卷 第7期 煤氣與熱力 WWW．watergasheat．COIII
系統(tǒng)的探討[J]．煤氣與熱力，2006，26(6)：53—54．
[10] 姜述杰，薛子暢．分布式能源站的發(fā)展問題[J]．發(fā)
電設備，2009，23(5)：318—321．
[1 1] 張任國．天然氣行業(yè)發(fā)展分布式能源系統(tǒng)有關問題
的分析[J]．城市燃氣，2011(10)：27—32．
Problems Faced by Development of Natural
Gas Distributed Energy System and
Suggestions
CHEN Hongsheng
Abstract： The main problems faced by develop—
ment of natural gas distributed energy system in China
are analyzed．Drawing on the development and man．
agement experience of natural gas distributed energy
system of the United States，Japan，Denmark，Holland
and other developed countries，the suggestions for pro—
moting development of natural gas distributed energy
system in China are made．
Key words： natural gas distributed energy sys—
tem；combined cooling，heating and power(CCHP)；
policy
作者簡介：陳紅盛(t978一 )，男，湖南邵陽人，工程師，碩
士生，主要從事能源戰(zhàn)略規(guī)劃方面的工作。
收稿日期：2012—09—10； 修回日期：2012—10—23
(上接第A08頁)
表2 不同規(guī)格管道在不同設計壓力下的農(nóng)田、道路
塌陷斷裂帶非塌陷區(qū)一側經(jīng)濟開挖長度
L
． t
／m Le,
L
／m
管道規(guī)格 p= p= p= p=
1．6 MPa 2．5 MPa 1．6 MPa 2．5 MPa
089×4．5 2．17 2．12 1．78 1．74
108 X4．5 2．65 2．58 2．20 2．14
0133×4．5 3．23 3．12 2．70 2．6l
0159×5．0 3．95 3．81 3．34 3．22
0219×6．0 5．45 5．22 4．69 4．50
(D273 X7．0 6．71 6．42 5．86 5．6O
(0325×7．0 7．38 6．99 6．5O 6．15
(0377×8．0 8．44 7．99 7．5l 7．11
(弛26×8．0 8．91 8．37 7．97 7．49
I478 ×8．0 8．72 8．02 7．8l 7．18
529 ×9．0 9．33 8．69 8．39 7．81
0630×9．0 10．24 9．56 9．28 8．65
720 ×9．0 l0．83 9．95 9．88 9．07
820 X10．0 l1．21 10．14 10．29 9．30
O920 ×10．0 11．51 10．23 10．62 9．43
01020 X11．0 12．20 11．O1 11．28 10．17
5 結論
① 本文對塌陷區(qū)斷裂帶直埋供熱管道的穩(wěn)定
性判定條件僅限于直埋熱水供熱管道，對于鋼套鋼
結構的直埋蒸汽供熱管道，穩(wěn)定性判定式的推導與
本文的推導過程基本相同，但直埋蒸汽供熱管道的
形心慣性距應為內(nèi)管與外管疊加在一起的復合慣性
距。
② 對于塌陷斷裂帶直埋熱水供熱管道，在滿
足相關規(guī)范規(guī)定及校核計算的前提下，宜適當降低
管道上部荷載。管道周圍及上部的砂層宜適當增
厚，當塌陷區(qū)沉降量接近或達到允許沉降量時，應及
時采取安全措施，保證塌陷斷裂帶管段的穩(wěn)定。
參考文獻：
[1] 高百爭，張國強，吳偉遜．煤礦塌陷區(qū)架空敷設供熱管
道安全可靠研究[J]．煤氣與熱力，2008，28(12)：A16
一A19．
Stability and Safety M easures of Buried
Heat-supply Pipeline in Subsidence Area
YANG Yitao，GA0 Baizheng，WANG Jin
Abstract： Aimed at the effect of settlement in
subsidence area on buried hot--water heat-·supply pipe--
line，the stress analysis and stability judgment analysis
of buried hot--water heat--supply pipeline in subsidence
rupture zone are performed．The calculation formula of
allowable settlement in subsidence area is deduced．
The safety measures taken when approaching and reac—
hing the allowable settlement are discussed．
Key words： subsidence rupture zone； settle—
lnent；buried hot—water heat—supply pipeline；stability；
safety measures
收稿日期：2012—10—16； 修回日期：2012—12—12
· A 18 ·

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