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塌陷断裂带直埋供热管道稳定性与安全措施

文档作者：杨仪涛高百争王进文档来源： 1．中国平煤神马集团阳光物业有限公司 2．中国市政工程华北设计研究总院		点击数：	更新时间： 2022年11月19日
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第33卷第7期
2013年7月
煤气与热力
GAS &amp;amp; HEAT
Vo1．33 No．7
Ju1．2013
· 供热热网与热力站·
塌陷断裂带直埋供热管道稳定性与安全措施
杨仪涛 ， 高百争 ， 王 进
(1．中国平煤神马集团阳光物业有限公司，河南平顶山467000；
2．中国市政3-_程华北设计研究总院，天津300070)
摘要： 针对塌陷区沉降对直埋热水供热管道的影响，对塌陷断裂带直埋热水供热管道进行
受力分析及稳定性判定条件分析。推导塌陷区允许沉降量的计算式，对接近或达到允许沉降量时
的安全措施进行了探讨。
关键词： 塌陷断裂带； 沉降； 直埋热水供热管道； 稳定性； 安全措施
中图分类号：TU995 文献标识码：B 文章编号：1000～4416(2013)07—0A06—03
作者简介：杨仪涛(1980一 )，男，河南周日人，工程师，
大学，从事供热运行管理及技术改造工作。
1 概述
河南省平顶山煤业集团的一矿、三矿、四矿、五
矿、六矿、七矿、九矿、十一矿等矿井，距坑口电厂最
远也只有9 km，特别是九矿与坑口电厂仅一墙之
隔。在这片矿井密集区域内，地下大面积被采空。
煤炭行业把地下采过煤的区域称为采空区。地下被
采空，采空区上方的地面会逐步或突然沉降，采空区
上方的区域称为塌陷区。根据采煤厚度、采空区距
地面的深度、采空区上方地质构造等情况，很难准确
预测塌陷区的塌陷时间或塌陷速度。若为这些矿井
供热，部分直埋供热管道必然通过处于沉降过程中
的塌陷区。在管道由非塌陷区进入塌陷区(或由塌
陷区进入非塌陷区)的过程中，塌陷断裂带两侧地
面可能会逐步或突然形成落差¨ 。因此，研究塌陷
区沉降对塌陷断裂带直埋供热管道的影响，具有十
分重要的意义。本文对塌陷断裂带直埋热水供热管
道(以下简称管道)稳定性判定与安全措施进行探
讨。
2 稳定性判定
在正常情况下，管道自重(包括供热介质重量)
加上部土壤重量等于管道下部土壤的支撑力，无论
是有补偿管道还是无补偿管道，管道不会出现弯曲
变形。然而，当塌陷区发生沉降时，由于管道的连续
性，塌陷断裂带的塌陷区一侧部分管段将发生弯曲
变形(见图1)，并出现悬空现象，使得管道上部出现
均布荷载，直至弯曲变形终止。当塌陷区发生沉降
时发生弯曲变形管段的受力分析见图1。
塌陷断裂带 ，
图1 当塌陷区发生沉降时发生弯曲变形
管段的受力分析
图中 ——塌陷区地面沉降量，m
，J——点4(塌陷断裂带所在位置)至点B(弯
曲变形终止位置)的距离，m
— — 点B处的弯矩，N·m
· A 06 ·
杨仪涛，等：塌陷断裂带直埋供热管道稳定性与安全措施 第33卷第7期
产_ 弯曲变形管道承受的均布荷载，N／m
发生弯曲变形管段AB承受的均布荷载l厂的计
算式为：
f=fl+ (1)
=pgD h (2)
式中 ——单位长度管道的自重(包括供热介质
的重量)，N／m
— — 单位长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 ——预制直埋保温管外壳的外直径，1TI
— — 设计管顶覆土深度，In
点B处弯矩 的计算式为：
： f (3)
，： 堕 (4)
64
式中E—— 钢材的弹性模量，Pa
，—一管段形心惯性矩，m
D。 ——钢管的外直径，m
D， ——钢管的内直径，ITI
点 至点B距离 的计算式为：
： ( ) (5)
点4处管道截面承受弯曲应力or 的计算式
为：
O"a ：(【 J ㈩
式中or ——点 处管道截面承受的弯曲应力，Pa
忽略由热胀冷缩产生的二次应力，弯曲变形管
段的稳定性判别式为：
pDi2
~
O-A+O'ny 蕊
df~<3o- ll (7)
式中 ——弯曲应力及由内压产生的一次应力
的当量应力，Pa
— — 内压产生的一次应力，Pa
p——管道设计压力，Pa
— — 钢材在计算温度下的基本许用应力，
Pa
式(7)可作为当塌陷区地面出现沉降时，判定
发生弯曲变形管段是否稳定的判别式，也可作为计
算塌陷区允许沉降量的计算式。
3 允许沉降量计算
由式(7)可得到塌陷区允许沉降量 的计算
式为：
≤ —
pD2 )2竺㈦
分别计算塌陷区为农田、道路情况下的允许沉
降量。农田下土壤密度按1 000 kg／m 计算，路面
下土壤密度按1 450 kg／in 计算。由于管道周围及
上部的砂可向悬空区流动，因此管道上部砂层的高
度不计人覆土深度。砂层以上的覆土深度按0．5 m
计算，预制直埋保温管的高密度聚乙烯外壳外直径
比钢管外直径大0．15 m。
当计算温度为130℃ 时，Q235A、Q235B钢材的
弹性模量 为2×10“Pa，许用应力or 。为118．5×
10。Pa。将以上已知数据代入式(8)，可得农田、道
路塌陷区允许沉降量h 、h 的计算式分别为：
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— — 农田塌陷区允许沉降量，in
— — 农田塌陷区发生弯曲变形管段承受的
均布荷载，N／m
hL ——道路塌陷区允许沉降量， ,
．n m
．
— — 道路塌陷区发生弯曲变形管段承受的
均布荷载，N／m
塌陷区为农田时，发生弯曲变形管段承受的均
布荷载． 的计算式为：
= 500g(D。 +0．15)+250gwDi~+
3 900gvD (D。 一Di ) (11)
塌陷区为道路时，发生弯曲变形管段承受的均
布荷载 的计算式为：
fL=725g(D。 +0．15)+250gwD~+
3 900g,rrD。 (D。 一Di ) (12)
由式(9)～(12)可计算得到，不同规格管道在
设计压力分别为1．6、2．5 MPa下，农田、道路塌陷区
· A 07 ·
第33卷第7期 煤气与热力
的允许沉降量(见表1)。
表1 不同规格管道在不同设计压力下农田、
道路塌陷区的允许沉降量
ht
,all／ram hL
,~n／mm
管道规格 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，当D。 、D。 P、E、r， 。一定时，提
高发生弯曲变形管段稳定性的安全措施是减轻匀布
荷载。由式(1)、(2)可知，匀布荷载与管顶覆土深
度、土壤密度有关。cJJ／T 81_98《城镇直埋供热管
道工程技术规程》对覆土深度有要求，不得随意减
小覆土深度。我们采取的安全措施是将管道周围及
上部的回填砂层适当增厚，一方面可降低土壤密度，
另一方面当塌陷区发生沉降时，管道周围及上部的
砂可向悬空管道下部流动，填充悬空区域，以降低管
道承受的均布荷载。
当塌陷区接近或达到允许沉降量时，点A处的
管道将出现失稳，必须采取安全措施降低当量应力。
安全措施的具体方法为：将管段AB上方的覆土挖
走，将土壤荷载卸载。再从点A向塌陷断裂带非塌
陷区一侧开挖一段距离到达点C，并将管段 下部
掏空，以缓解管段AB的弯曲变形，以便较好地应对
下一次沉降，将管段下部悬空部分填实后回填至沉
降后地面高度。在实际操作中我们关心的是如何确
定塌陷断裂带非塌陷区一侧开挖长度。采取安全措
施时管段的受力分析见图2。
塌陷区地回
厂
， I I
c ， r —— -—～
图2 采取安全措施时管段的受力分析
式中．厂— —管段CB承受的均布荷载，N／m
— — 塌陷断裂带非塌陷区一侧开挖长度，
管段BC被挖开后，点C处管道截面承受的弯
曲应力最大，点A处管道截面承受的弯曲应力大幅
降低。点c处管道弯曲截面承受弯曲应力 的计
算式为：
一 (I — J c 3
式中 ——点c处管道截面承受的弯曲应力，Pa
由式(13)得：
： _ f14)
13．588D~0
hE
由于采取安全措施前后弯曲管段受力情况类
似，将式(5)中 替换成厂，将，J替换成 + ，得到
的计算式为：
“ ：一[【 三 墨2cj L 4 一D4io)J] 一 ( 5J√)
由式(15)可知，，J 越大r， 越小，说明塌陷断裂
带非塌陷区一侧开挖长度越长，点c处管道弯曲截
面承受的弯曲应力越小，但工程费用将增大。
我们将O-。与O- 相同确定为采取安全措施的
目标经济值，将式(4)代人式(15)，并根据已知参
数：E为2 X 10“Pa， a¨为118．5×10。Pa，可得到塌
陷断裂带非塌陷区一侧经济开挖长度L 的计算式：
L。=(4．557 7×10 h D 笛一 (16)
式中，J ——塌陷断裂带非塌陷区一侧经济开挖长
度，in
采用前面计算方法，分别计算出农田、道路塌陷
区对应的 ，并将表1数据代入式(16)，可计算得不
同规格管道在不同设计压力下农田、道路塌陷断裂
带非塌陷区一侧经济开挖长度 、，J。．．．，见表2。
(下转第A18页)
· A 08 ·
第33卷 第7期 煤气与热力 WWW．watergasheat．COIII
系统的探讨[J]．煤气与热力，2006，26(6)：53—54．
[10] 姜述杰，薛子畅．分布式能源站的发展问题[J]．发
电设备，2009，23(5)：318—321．
[1 1] 张任国．天然气行业发展分布式能源系统有关问题
的分析[J]．城市燃气，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
作者简介：陈红盛(t978一 )，男，湖南邵阳人，工程师，硕
士生，主要从事能源战略规划方面的工作。
收稿日期：2012—09—10； 修回日期：2012—10—23
(上接第A08页)
表2 不同规格管道在不同设计压力下的农田、道路
塌陷断裂带非塌陷区一侧经济开挖长度
L
． t
／m Le,
L
／m
管道规格 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 结论
① 本文对塌陷区断裂带直埋供热管道的稳定
性判定条件仅限于直埋热水供热管道，对于钢套钢
结构的直埋蒸汽供热管道，稳定性判定式的推导与
本文的推导过程基本相同，但直埋蒸汽供热管道的
形心惯性距应为内管与外管叠加在一起的复合惯性
距。
② 对于塌陷断裂带直埋热水供热管道，在满
足相关规范规定及校核计算的前提下，宜适当降低
管道上部荷载。管道周围及上部的砂层宜适当增
厚，当塌陷区沉降量接近或达到允许沉降量时，应及
时采取安全措施，保证塌陷断裂带管段的稳定。
参考文献：
[1] 高百争，张国强，吴伟逊．煤矿塌陷区架空敷设供热管
道安全可靠研究[J]．煤气与热力，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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