鲍店矿采动区南水北调管线变形分析与监测方案设计

摘要

随着我国能源资源不断开发与基础设施建设持续开展，煤矿开采扰动盆地与矿区地表建（构）筑物间存在着冲突。对沉陷区建（构）筑物失稳机理、破坏形式、保护措施等研究应运而生。而对矿区建（构）筑物开展变形监测，采集形变信息是上述研究分析与验证的基础。本文针对过兖矿鲍店矿5302工作面采动影响范围内南水北调管线东线段开展变形分析与监测方案设计，从管线变形监测方法、管土变形规律研究到最后整合资料形成完整监测方案，取得了以下成果： （1）对管线的位移监测、应变监测与损害监测三种类型监测方法原理进行学习。管线位移监测选择传统测绘手段开展；对于应变监测方法，选择分布式光纤监测手段，对光纤传感原理进行研究；对于管线损害监测，从声发射监测系统相较其他管线损害监测方式优劣势方面分析其针对本文开采扰动区埋地管线损害监测适用性。 （2）开展了5302工作面开采沉陷预计计算研究。收集5302工作面工程概况、自然地理环境资料与地质采矿条件信息，对5302工作面开采过程划分“未充分采动”、“充分采动”与“全采”三个阶段，采用概率积分法为理论基础、MSPS软件为计算基础对各阶段工作面进行地表沉陷预计。以等值线表示地表影响范围下沉值、水平移动值（两方向）分布规律；计算管线所在位置各阶段地表下沉值与水平移动值（两方向）；利用边界角对概率积分法预计边界进行修正。其中，管线位置地表沉陷变形值计算结果为后续管土数值模拟提供边界条件，为管线、地表位移变形监测方案设计提供依据。 （3）开展了5302工作面开采影响范围管线数值模拟研究。以前述沉陷预计三阶段为模型构建思路，选择有限元分析软件ABAQUS对管土模型进行几何模型构建、本构模型构建、分析设置、载荷与边界条件施加、模型格网划分与计算工作。提取与分析管线三向位移模拟结果与管-土位移差异作为后续管、土位移监测依据；分析管线轴向应力值分布规律作为后续管线损害监测方案设计依据。 （4）整合前述研究成果与项目实际目标，设计管线、地表位移监测方案，管线应变监测方案与损害监测方案。通过对监测测线长度选择、测线位置选择、测点数目密度及点位选择、监测标志设计、监测系统布设、监测项目设计与监测时间安排等进行设计，完成了各监测方案的设计工作。 本文研究成果为南水北调东线鲍店段管线变形监测方案实施提供依据。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2.1采空区沉陷理论与预计研究

1.2.2埋地管线力学响应与监测方法研究

1.3 主要研究内容与技术路线

1.3.1主要研究内容

1.3.2技术路线

2 管线变形监测方法研究

2.1位移监测方法

2.2应变监测方法

2.2.1分布式光纤传感技术

2.2.2基于布里渊光时域反射分布式传感器

2.3管线损害监测方法

2.3.1声发射监测基本原理

2.3.2声发射检测技术特点与管线损害监测适用性

2.4本章小结

3地表沉陷预计

3.1.1研究区域位置交通状况

3.1.2自然地理状况

3.1.3研究区域地质采矿条件

3.2.1预计软件介绍

3.3.2预计模型选取

3.2.3预计参数选取

3.2.4研究区域地表沉陷预计结果

3.3本章小结

4 埋地管线采动变形破坏数值模拟

4.1.1计算软件选择

4.1.2计算循环及技术路线

4.2.1几何模型构建

4.2.2本构模型构建

4.2.3载荷与边界条件

4.2.4格网控制

4.3.1沉陷引起的管线形变计算结果

4.3.2沉陷过程中的管土变形差异

4.3.3沉陷引起的管线轴向应力分布

4.4本章小结

5 管线变形监测方案设计

5.1.1监测总体目标

5.1.2监测原则

5.2地表及管线位移监测方案

5.2.1方案编制依据

5.2.2测线设置

5.2.3点位设置及测点布设方法

5.2.4监测项目、方法、精度及时间设备安排

5.3.1方案编制依据

5.3.2应变监测系统布设

5.3.3监测项目、方法及时间安排

5.4.1方案编制依据

5.4.2声发射系统监测网建立

5.4.3监测项目、方法安排

5.5整体方案设备、时间安排与预期监测成果

5.5.1整体方案设备安排

5.5.2整体时间安排

5.5.3预期监测成果

5.6本章小结

6 结论与展望

6.1主要研究结论

6.2研究工作展望

参考文献

作者简历