Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 [ 44 ] 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56

ГЛАВА 14

расчет трубопроводов, прокладываемых в районах горных разработок

Деформации земной поверхности происходят по многим причинам, ко- торые можно разделить на две группы. К первой относятся землетрясения,! обвалы, вызванные атмосферными водами, разрушающими породы, иаходян щиеся в недрах земли, оползни и т. д.; ко второй группе - различные вы емки, образованные в земной коре в результате деятельности человека, как, например, горные разработки при выемке угля, руды и других полезиыз! ископаемых. Подземные трубопроводы весьма чувствительны к деформа цияt земной новерхиости. В процессе горных разработок деформащш зсм-1 ной поверхности охватывают довольно значительные районы. Деформации,.! начавшиеся в недрах земли при выемке полезных ископаемых, распростра-Г няются в верхние слои, при определенных размерах очистных работ дости-J гают дневной поверхности и оказывают влияние на расположенные в этих! районах сооружения, и в особенности подземные трубопроводы. С разви-1 тием горнорудной промышлеииостн, концентрации промышленных прсднрп-1 ятий на территориях, недра которых богаты полезными ископаемыми, к] ростом городов все острее стали вопросы защиты сооружений, и в частности трубопроводов, от разрушающего влияния горных разработок.

В настоящее время благодаря обширным экспериментальным н тсоре-1 тическим исспедопаниям, выполненным коллективом Донецкого Промстрой-j ПИИпроекта и Всесоюзного научно-исследовательского института горной] геомехаинки и маркшейдерского дела Минуглепрома СССР, прсдставнлось возможным более полно изучить характер деформаций грунтов при горных) разработках и дать научпообоснованную методику расчета сооруже тн, возводимых в районах горных разработок.

§ 1. Характер деформаций земной поверхности в районах горных разработок

Характер деформаций земной поверхности определяется особенностями процесса сдвижения всей толщи горных пород, находящихся над выработками. Д.,1я расчета трубопроводов практическое значение имеет деформация верхнего слоя земной поверхности, ограниченного глубиной укладки трубопровода. Район земной поверхности, подверженный влиянию горных разработок, образует мульду сдвижения, представляющую собой определенный участок, в котором происходит оседаняе земной поверхности. Прн горизонтальном залегании пластов полезных ископаемых, что встречается редко, образуется симметричная мульда сдвижения относительно вырабо-.I тайного пространства, а прн наклонном залегании мульда сдвижения сме-j щастся от выработки п сторону падения пласта. При выемке полезных! ископаемых, вышележащие породы приходят в движение и начинают пере- мещаться к центру образовавшейся пустоты В результате на поверхност земли в му,пьде сдвижения происходят довольно сложные деформации.!

При двнженпн земной поверхности перемещение отдельных точек имеет определенную закономерность. Все точки перемешаются навстречу очи-i стпым работам, т. е. к образовавшейся в недрах пустоте. Раз.чожив nepc-f мещение точек земной поверхности на вертикальные и горизонтальные со-Ч ставляющие, увнднм, что наряду с оссдаинем в мульде происходит таьже горизонтальное сдвижение грунта. В результате горизонтальных двнженнп на зе.мной поверхности образуется как область растяжения, так и облас сжатия (рис. 78).

Согласно исследовапиям устаповлепо, что горизоптальпое дпнжигие

О&ааст

Область ОВйасть статт растяжения

Рис. 78. Схема перемещения отдельных точек земной поверхности при пропедснии горных работ

.достигает максимума у границ выработок, т. е. на крайних участках мульды сдвижения. Наоборот, к середине мульды горизонтальные .пнжепня почвы уменьшаются, но тдесь имеют место не деформации растяжения, а деформации сжатия (см. рис. 78). Деформации земной поперхностп зависят от ря.аа факторов; характера залегания разрабатываемых пластов и их мощности, \гла наклона, литологического состава горных пород, глубины подработки, технологии ведепня горных работ п др.

Рассмотрим влияние деформаций земной поверхности на jinpn-жешюе состояние подземных трубопроводов.

Горизонтальные деформации грунта, в котором уложены трубопроводы, являются наиболее опасными с точки зрения их влияния на несуп1ую способность трубопроводов. Поскольку трубопроводы защемлены в грунте, то горизонтальные передвижепия грунта увлекают за собой трубопровод и Б последнем возникают растягивающие или сжимающие (в центре мульды) напряжения. Исслсдоваиня показали, что деформации, возникающие в трубопроводах во время подработки, спедуют за деформациями грунта. Работу трубопроводов в этих условиях можно в известной степени сравнить с работой арматуры в растянутой и сжатой зонах железобетонных конструк-ци11. Однако" в отличие от этих конструкций трубопроводы не полшэстью защемлены, и грунт как бы сползает по трубопроводам, т. е. наблюдается его смещение относительно трубопровода. Таким образом, иапряженпое состояние трубопроводов в большой степени зависит от пх защемлепня, т. е. от предельного значения силового воздействия деформирующегося грунта Qr, при продольном смещении по трубопроводу. Эта величина завислт от ряда факторов, как например физико механических свойств грунтовой засыпкп: объемного веса, коэффициента внутреннего трепня и сцеп.гюния ipvhta, срока эксплуатации, коэффициента релаксации нагрузок и глубины заложения. Так д.пя плотных глинистых грунтов величина Qo во много раз больше, чем для слабосвязапных песчаных грунтов. Величина Qo может определяться нс только эксперимента,пьио, ио и теоретически, поскольку, как показали исследования, при перемещении грунта по трубопроводу наб.1ю-дается явление среза перемещающегося грунта по грунту, плотно соединенному (при длительной эксплуатации) с поверхностью трубопровода. Поодольиые деформации из.\1еряются п относительных велнчгшах (мм/м), аабсолютные деформации в сантиметрах. Указанные ве.пичины и силовое воздействие защемления являются наиболее важными характеристиками, необходимыми для расчетов трубопроводов. Относительные продольные деформации достигают значительных величин от 1 до 15-20 мм/м. Если бы продольные деформации трубопровода полностью следовали за деформациями грунта, то даже при незначительных деформациях растяжения I мм/м в трубопроводе возникли бы напряжения, равные 210 МПа. Как показали исследования, наиболее опасными являются растягивающие напряжения. Деформации сжатия не являются столь опасными и прн расчете магистра.пьных трубопроводов могут ие учитываться. Однако в том случае, когда по тр\бопроволу транспортируются горячие продукты и трубопровод работает в" усповиях сжатия, дополиитспьными сжимающими напряжепи-ями пренебрегать не следует. При ведении горных работ происходит также оседание почвы и на поверхности земли п мульде сдвижения образуется впадпна, имеющая определйшую кривизну. В больпнщстве случаев эта величина небольшая, поскадьку радиус кривой измеряется километрами.

Рис. 79. Схема образопаиия деформаций наклона земной поверхности при горных работах

В том случае, когда радиус невелик дополнительные изгибные напряжс ния следует учитывать. I

В связи с тем, что оседание зем-] пой поверхности при подработке) происходит неравномерно, отдель- ] ные участки му.пьды сдвижения получают различные нак.чоны. Рас-, CjfOTpHM этот вид деформации, называемый деформацией наклона. По- ( ложение точек 1, 2, 3, 4 (рис. 79)1 иаходящи.хся одна от другой на рае-1 стоянии /, соответствует положепшо) земной поверхности до подработки.] После подработки происходит осе- дание земной поверхности и точки] 2, 8, 4 перемещаются в положение 2, 3, 4, причем раз.меры вертикаль ных оседа1шй будут соответственно fts, hs, hi. Деформации наклона каждог участка поверхности рассматриваются по отношению к его первоначальном, положению. Например, вертикальное перемещение участка 2-3 будет p?Pio Лз минус /гг. Эта дефор.мация также определяется в относительных ед11 -цах (в мм/м) и обозначается д

В большинстве случаев паклопы соседних интервалов мульды сдвнже-] ния не одинаковы, что обусповливает собой второй вид деформаций - неравномерность наклонов. Неравпомер1Юсть наклонов также оиепивается, в относительных единицах и представляет собой разность наклонов дпу. соседних интервалов мульды сдвижения. Так, перавпомерпость паклонов. двух соседних интервалов 3-4 и 2-3

P={hi~hs)l(hs-h.,yi.

На практике деформации наклона и неравномерности наклонов колеблю в пределах 2-25 мм/м. Этот вид деформации приводит к появлению, я трубопроводах дополиитсльных касвтсльяых напряжений.

Значительные деформации земной поверхности имеют место при под-] работке свиты крутопадающих пластов, которые характеризуются бадьшими горизонтальными сдвижениями грунта с проявлением локальных дсфор.ма- цнй в виде трещин земной поверхности и образованием уступов. Исслсдо- вания показали, что уступы возникают преимуществещю в полу мульде по падению пластов.

Весь процесс сдвижения зсмион поверхности можно разделить на три стадии: начальную, активную и затухающую, каждая из которых имеет свои особеппости и количественные и качественные показатели. Под начальной стадией процесса сдвижения земной поверхности понимается отре зок времени, в течение которого скорость оседания не превышает 50 .м: в месяц. Во многих случаях эта стадия наблюдается до подхода очистим: работ к трубопроводу. Появление и продолжителыюсть начальной стад! зависит от характеристики горных пород, расположенных над выработками, Наиболее опасной стадией для трубопроводов является активная, котора: характеризуется большими скоростями деформаций. В этот период труГ проводы испытывают максимальные напряжения. Как показала практик; общая продолжительность деформаций земной повер-хностн составляет 8 до 60 месяцев, в то время как активная стадия от 2 до 8 месяцев.

Ориентировочные расчеты максимальной скорости оседания земной по верхпости могут быть выполнены по формуле

v - ur]H, (14.1)

где V(, - максимальная скорость оседания, и - скорость продвижения очи стиого забоя лавы, т) - максимальное оседание, Н - глубина горных работ.

§ 2. Расчет трубопроводов на прочность

Расчет трубопроводов, укладываемых в районах горпы.х разработок, [шразрывно связан с опреде.чбписм деформаций земной поверхности, возникающих при проведении горных работ. Иижсиеры, проектируюшие трубопроводы, должны предварительно получить от шахтоуправ.псиий илн органов горно технического надзора подробные прогнозные данные о возмож-иы-ч деформациях земной поверхности па трассе проектируемых трубопроводов. Однако следует иметь в виду, что деформация зомной поверхности Б результате проведения горных работ является очень сложным процессом, чавясяпшм от большого числа факторов.

Расчет трубопроводов сводится к определению дополнительных продольных напряжений, которые возникают в трубопроводе в результате деформации земной поверхности. Полученные папряження сум.мируются с напряжениями, возникающими в трубопроводах от внутреппего давления, изменения температуры, изгиба и других воздействий Расчет трубопроводов екомендуетси проводить по методике Дотгецкого ПромстроШИИпроекта 38].

Дополпительныс продольные напряжения п трубопроводах, проклады-пасмых на участках, пересекающих зону однозначных сдвижений земной поверхности, определяются по формуле

П4.2)

где £ -модуль упругости ста.аи, .МПа; Яо -максимальные пере*1ещснпя трубопровода в зоне деформаций, см; /т -длина зон деформации трубо-iipmo.is lr=l-l-f, c\j; /-длина зоны растяжетшя в полумульде, lniL, ж - коэффициент, принимаемый по табл. 12 согласно данных шахтоуправлений; L -длина по.пуму.пьды, см; f -длииа зоны дсформаиин трубопровода за пределами участка мульды однозначных деформаций, определяемая в зависимости от коэффициента упругого сдвига трубы относит ельпо гп\нта К:

............... 0,1 0.2 0,3 0,4 0,5 0,6

............... 100 70 60 50 40 30

Таблица 12

Значение коэффициента т, характеризующего длину зоны растяжения

£

•в--е-

я

о о о о о

-* W са CMfN

иэ 9

ИЛНЭ1Э

LO 00 ч* (N

СО CN са tM <га О О О о"о

со 00 00

са сч CJ -- осГооо"

to со - OJ~i - - -

осоос

Ю1Ч 1Л CS1 >л со со

о сз о о"о

m 00 о* о о оо

С4 1С Ot-

г5 см CS) о ООО о

1Л 00 00 со С сч сч

о о о о о

сч - - -

о" оо" о" о"

t- со Ю г- CD Л Ю

о о о о"о

Ci сз о о о

ОО с t- 1Л

!D С0 со

сГ сз сз о о""

-in 00 1Л со со сч

о* оо" оо

1Л ОС сч

со счсчсчс

с> о

Коэффициент й принимается ni табл. 13 или вычисляется по формул*

ДоЕб

(14.3i

где Qo - предельное .значение снловог воздействия деформирующегося грун-j та, МПа, Д( - критический сдвиг rpynJ та, соответсгвующий предельному зна чению его силового воздействия Qo, принимаемый для глин 3 ем, суглинков 2 см и песков 1 см; 6 - толщина ст нок труб, см; X-расстояние от границ участка дсфор-мацип трубопровода до рассматриваемого сечения, см.

Максимальное перемещение трубо-] провода в зоне его дефор*)акий опре- деляется по формуле

о i6

(14.4)1

(14.Е

S максимальный сдвиг земной пс верхпостн в полумулъдс, см;

Ф - коэффициент, учитывающий отношение зон деформаций грунта трубопровода в полумульдс, которы определяется по графику рис. 80 в за-5 висимости от соотношения

Предельное значение силового воз- действия деформирующегося грунта QT прн его продольном суендеиии ло труд бопроводу зависит от физико-механи ческих свойств грунта, продолжитель носгн эксп.туагацни, глубины заложс ния и других факторов и определяется по формуле

Qo=fec(ftTTrptg«Prp Сгр)*/,

(14.6

где fee - коэффициент, зависящий от] срока эксплуатации трубопровода до подработки U:

i годы............... 2 4 6 8 10 12

ь" для песчаных грунтов....... 0.37 0,55 0,75 0,9 1 1

Д.ПЯ глинистых грунтов...... 0,45 0,67 0,73 0,88 0,93 I

fi коэффициент концентрации нагрузок, зависящий от глубины заложения трубопровода Н и ширины траншеи В:

f;,B.................... 0,5 1 1.5 2 2,5

тля песчаных грунтов.......... 0.8 0,72 0.65 0,6 0,57

k] для глинистых rpyHTtiB......... 0,87 0.78 0,72 0,67 0,65

Vrp, фгр. Сгр - физико-механические характеристики грунта: соответственно объемный вес, угол внутреннего трения и сцеплепнс грунта, опре-деляе.«ые по данным ииженерио-геологичееких изыскапий на трассе трубопровода или СНиП по проектированию оснований зданий и сооружении; k, - коэффициент релаксации продольных нагрузок, определяется по ре-зультатам нспытаяня длительной прочности глинистых грунтов ненарушенной структуры на трассе трубопровода, а при отсутствии таких данных по формуле

-1-(14.7>

1 4 0.3 (0.4 i)

t - период от начала подработки до фиксированного момента времени, мес; для пссчвных грунтов fe/=l.

Для приближенной оценки величины Qo можно пользоваться графиком па рпс. 81.

fig, МПа

0,9 0,8 0,7 ОБ

ом 0,3

as 0£ Й7 0.8 G,3Lftj

75 t.Jem

Рис. 80. График для определення коэффициента Ф

Рнс. 81. График для определения силового воздействия Qo на трубопровод (зап1емление) при сдви-жеили гр) нта:

глииа: - -.- суглинок:

---- песчаный грунт