Q／SY 1487-2012 采空区油气管道安全设计与防护技术规范.pdf
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Q／SY 1487-2012 采空区油气管道安全设计与防护技术规范
Q/SY1487—2012区场地的一般、不利和危险地段作出综合评价，宜避开不利地段和危险地段。5.2.2宜避绕I级～IV级采空区，必须通过时，应采取防治措施，并提出运营期安全维护方案。5.2.3除满足5.2.2的规定外，管线宜避绕下列地区：a)老采空区分布地带和难以治理的采空区及其影响范围。b)开采过程中可能出现非连续变形地段。c)地表处于移动活跃阶段或位于移动盆地边缘强烈大变形地带。d)易引发次生地质灾害地段e)特厚煤层和倾角大于55°厚煤层的露头地段。6采空区管道安全性设计6.1一般要求6.1.1在对管道开展设计前，应进行采空区稳定性评价，确定采空区稳定性等级，并评估采空区地质灾害情况。6.1.2位于I级～IV级采空区的管道，均应进行管道抗拉伸和抗压缩校核。6.1.3采空区内不应设计带有阀门、法兰的管道。6.1.4不宜在采空区内建立阀室、站场。6. 2采空区稳定性评价6.2.1按4.3.2获得的资料进行评价。6.2.2应对地表移动与变形进行计算，并符合以下规定：a）地表移动与变形值的预计及参数求取方法应按照《建筑物、水体、铁路及主要并巷煤柱留设与压煤开采规程》（煤行管字L2000」第81号）推荐的方法进行计算。b)根据采空区安全评价需要，计算成果应有能反映采空区地表水平、垂直变形特征的相关图件。6.2.3根据现场调查及计算结果，按表2对采空区稳定性进行分级。6.3采空区管道安全校核6.3.1采空区管道材料应符合GB50251或GB50253的有关规定。通过采空区的管道，宜做出材料的应力一应变关系曲线，焊缝应进行100%射线或超声波检测且检验合格，标准应不低于SY/T4109中规定的Ⅱ级。6.3.2通过采空区的管道，当符合以下情况之一时，宜采用应力校核，管道轴向拉伸或压缩容许应力［o］或［α。］应按SY/T6828的规定确定：a）L450（X65）及以下钢级。b)管道受力采用简支梁力学模型分析。c)不连续变形管道。6.3.3通过采空区的L485（X70）及以上钢级或连续变形管道，宜采用应变校核，容许应变应满足下列要求。6.3.3.1埋地管道轴向容许拉伸应变按公式（1）计算：[e,] = Puerit(1)式中：[e,] 埋地管道轴向容许拉伸应变；5
—拉伸应变承载系数，取0.7； erit——钢管及组焊管段的极限拉伸应变，按实测值或宜按照附录A中的公式确定，公式应用的 基本条件应符合GB50470中的相关要求。 .3.2埋地管道轴向容许压缩应变应按公式（2）和公式（3）计算，并应取较小值：
路桥管理及其他[Ee.] = 0. 3 [e] = 0. 8ecrit
式中： ［e。］一埋地管道轴向容许压缩应变； 管道壁厚，单位为米（m）； D一一管道外径，单位为米（m）； ecrit———钢管及组焊管段的极限压缩应变，按实测值或宜按照附录A中的公式确定，公式应用的 基本条件应符合GB50470中的相关要求， 6.3.4当符合下列情况之一时，可采用有限元方法进行安全校核。 a 位于斜坡、崩塌地段及复杂地质条件地区的管道。 b) 位于煤层倾角大于45的采空区管道。 6.3.5 当采用有限元法进行采空区油气管道安全校核时，应合理确定有限单元的类型和数量，并应 符合以下规定： a 应采用能分析几何大变形和材料非线性的有限元计算方法。 b） 可能发生大变形的管道部分，管道单元的长度不应大于管道的直径。 C） 管土相互作用可按GB50470中的规定，采用土弹簧进行模拟。 6.3.6不符合6.3.4规定的情况时，可按6.3.7和6.3.8对采空区管道进行安全校核。 6.3.7 当符合下列情况之一时，可参考附录B中的方法进行计算。 a 采用应力设计的管道。 b） 通过未来采空区的管道。 6.3.8当不符合6.3.7规定的情况时，通过采空塌陷区的管道校核计算，宜按下列规定。 6.3.8.1 沿管道轴向方向土壤与管道外表面之间单位长度上的摩擦力按GB50470中的相关规定 计算。 6.3.8.2由采空塌陷引起的管道几何伸长，可按公式（4）计算：
式中： [e] 埋地管道轴向容许压缩应变： 一管道壁厚，单位为米（m）； D一管道外径，单位为米（m）； ecrit——钢管及组焊管段的极限压缩应
式中： △LG一一采空塌陷引起的管道几何伸长，单位为米（m）； 一管道轴向位置； y——管道的挠曲方程，参考附录C中的方法计算； L一一采空塌陷时管道受塌陷影响长度，单位为米（m）。 3.8.3采空塌陷引起的管道物理伸长可按公式（5）计算：
式中： 采空塌陷引起的管道物理伸长，单位为米（m）；
式中： 采空塌陷引起的管道物理伸长，单位为米（m）；
△L一一塌陷区管段的物理伸长，单位为米（m），宜按照附录C中的方法计算； △L2—一非塌陷区埋设管段的物理伸长，单位为米（m），宜按照按附录C中的方法计算 6.3.8.4管道伸长量可采用迭代法按公式（6）计算：
6.3.8.5管道最大应变按公式（7）计算
8.5管道最大应变按公式（7）计算：
采空塌陷引起的管道最大应变
ALG = △Lp ....
ALG=ALp ....................·.....·.......
3.9进行管道安全校核时应计入实际可能存在的偏差，计算荷载应乘以附加荷载加大系数，荷 大系数按表3选取
表3计算荷载加大系数
6.3.10管道安全校核应符合下列规定
1）.≥[.]或≥[]时，应采取应急防治措施，按10.4执行； 20.<[.]或。<[]时，参考附录D采取相应的防护措施。 采用应变校核时： 1）mx≥[e.]或emax≥[e。]时，应采取应急防治措施，按10.4执行： 2）Emax<[e.]或εmax<[e。]时，参考附录D采取相应的防护措施。
7.1.1采空区管道敷设应符合GB50369的有关规定。 7.1.2采空区管道宜宽沟浅埋、弹性敷设，不宜敷设弯管，有条件时可采用地面或地上（跨越） 敷设。 7.1.3 采空区内应减少连头焊口的数量，对焊口应逐一进行外观检查。
在管道线路工程设计交底及图纸会审工作中，设计部门应对设计图纸中有关采空区管道敷设 规定部分进行专项交底，并应做好会审记录。 b 承担采空区管道敷设施工的单位应对参加施工的各级人员进行专项作业培训
.2.1弹性敷设应结合管道敷设区域预测可能发生的局部环境地质变化，在设计阶段应充分考虑未 来管道可能面临的环境变形风险，具体包括以下措施 a）宜加宽加深管沟，在管沟中大面积长距离回填细砂或发泡颗粒轻量土等松散物质。 b）可适当增大管道焊接强度、提高管道壁厚和防腐等级等措施，增强管道自身安全性。 7.2.2管道弹性弯曲曲率半径按GB50251中的方法设计，沿管道方向地表曲率半径不应小于管道 弹性弯曲的曲率半径。 7.2.3埋地敷设时，管底应与沟底贴合，沟底宜铺设0.3m～0.5m厚的细颗粒土。 7.2.4管沟宜采用保温疏松材料回填，宜按照GB50470中的回填要求执行。 7.2.5管线上所有特殊安装位置应进行检查并宜按照GB50470中的检查要求执行，
8.1.1采空区油气管道巡检及专业监测应符合SY/T6828中的要求。 8.1.2应建立巡检机制，对采空区地质灾害易发段定期巡检，每次巡检均应有记录，地质灾害的巡 检可与日常巡检相结合， 8.1.3I级Ⅲ级采空区及管道宜进行专业监测，监测内容宜符合以下规定： a I级、IⅡ级采空区宜进行地表变形、管体应变及管体位移监测。 b Ⅲ级采空区宜进行地表变形及管体应变监测。 8.1.4进行管体应力应变监测并将管体轴向应力应变作为管道失效预报、预警依据的，可根据以下 要求确定预报预警阅值： a） 以应力准则设计的管段，用管材容许应力作为管道失效预报阅值，最小屈服极限作为管道失 效预警阀值。 b） 以应变准则设计的管段，用管材容许应变作为管道失效预报阈值，极限应变作为管道失效 预警國值
8.2采空区地表变形监测
8.2.1采空区地表变形监测包括地表位移监测和与变形有关的物理量监测，地表位移监测分为绝对 位移监测和相对位移监测： a）绝对位移监测：监测采空区三维（X，Y，Z）位移量与位移速率，采空区内外边缘区应监 测水平位移和垂直沉降，中间区重点监测垂直沉降量和沉降速率。 b） 相对位移监测：监测采空区地表移动盆地内外边缘区地表的压缩、拉伸变形（外边缘区地 表或建筑物裂缝两侧点与点之间的相对位移量，如张开、闭合、错动、抬升、下沉等）。 与采空区变形有关的物理量监测：可采用地应力、地声监测等。 d） 采空区形成和变形相关因素监测：宜对地下水活动进行监测，包括采空区及采空区钻孔、 井、洞、坑、盲沟等地下水的水位、水压、水量、水温、水质等动态变化，抽水井和泉水 的流量、水温、水质等动态变化，土体含水量等的动态变化。
Q/SY1487—2012a)根据地表移动盆地和管道的敷设位置布设监测网，并能完全覆盖受塌陷影响的管段测线根据地表移动盆地形状和管道敷设情况布置，并有与管道走向平行或重合的测线。c)地表测点布设尽可能兼顾各个变形区域和管道，在局部变形活动严重区域可增布测点；管道应力应变监测截面布置在地表移动盆地的各个区域的典型位置，在变形严重区域重点布设。8.2.3地表位移监测点的布设宜按照YS5229中的相关要求执行。8.2.4地表位移监测应等间距布设，间距不宜大于表4中的数值，重点及特殊区域可适当加密。表4地表位移监测点间距平均开采深度HH≤5050
a 符合6.3的安全规定。 对管道采取可靠的监控措施，能使管道在地表沉陷期间符合6.3的安全规定。 c） 薄及中厚煤层的采深与单层采厚比大于或等于400，并对管道采取可靠的监控措施。 d） 厚煤层及煤层群的采深与分层采厚比大于或等于500，并对管道采取可靠的监控措施。 根据该矿井在管道下采煤的经验和数据，表明能保证管道安全的。 9.1.4在管道下采煤时，最小深度中的基岩厚度应大于垮落带高度 9.1.5对采深采厚比小于9.1.3的煤层，在技术上可能和经济上合理的条件下，可采用充填法或条 带法试采。 9.1.6管道压煤开采设计可分为方案设计和初步设计两个步骤。对于生产矿井，方案设计应在提出 开采计划后完成，初步设计则应在方案批准后编制。 9.1.6.1方案设计应包括以下内容： a 管道特征及其压煤开采的必要性、可能性和安全可靠性。 实现管道下采煤的各种技术方案，包括采煤方法和顶板管理方法的选择与论证，开采技术 措施、管道运营安全措施及应急方法。 c）开采技术方案及管道安全措施的技术、经济评价和费用概算。 9.1.6.2初步设计应包括以下内容： 开采方法，应包括采煤方法和顶板管理方法、工作面布置、推进速度和开采顺序，以及有关 的巷道布置及生产系统。 b） 地表移动与变形预计，应阐明选用的计算公式、软件和参数，管道所在处地表的下沉、水 平移动、水平变形、曲率等计算结果及有关图表。 管道监测和调控方法及安排。 d 设计概算及经济效益分析与评价
9.1.6.1方案设计应包括以下内客
9.2管道保护煤柱的留设
9.2.1 符合以下条件之一时，应为管道及其附属设施或配套建筑留设保护煤柱。 a 管道安全校核情况同6.3.10a）。 b） 薄及中厚煤层的采深与单层采厚比小于120。 C） 厚煤层及煤层群的采深与分层采厚比小于160。 d） 管道隧道。 e） 站场。 地下储库等。 9.2.2 留设保护煤柱时，管道受护面积不应小于管沟沟底宽度 9.2.3受护对象边界按20m向外留设围护带。 9.2.4 保护煤柱应在管道线路的横剖面上按垂直剖面法设计，管道与煤层走向斜交时，应采用斜交 割面移动角进行留设，留设方法按《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（煤 行管字「20001第81号）的要求执行
采空区灾害防治与应急处
10.1.1采空区地质灾害治理和管道防护应符合SY/T6828的要求，并应采取适宜的措施 少采空区地质灾害对管道的危害。
1.1采空区地质灾害治理和管道防护应符合SY/T6828的要求，并应采取适宜的措施防止或 采空区地质灾害对管道的危害。 1.2短期不易查明采空区性质时，可结合监测措施，分期治理，并制定应急抢险预案。
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10.1.3采空区地质灾害治理应确定管道中心线的准确位置，并在工程地质测绘和地形测绘时将管道 及附属设施位置标出，管道中心线位置误差不应大于0.5m。
0.2.1采空区滑理应任按6.2.2计异采空期陷范围及现项 综合确定滑理的长度（治 管道轴线方向）、宽度（垂直管道轴线方向）和深度 10.2.2采空区治理可选用充填法及地基加筋抗变形方法综合开展，
道轴线方向）、宽度（垂直管道轴线方向）和深度 0.2.2采空区治理可选用充填法及地基加筋抗变形方法综合开展 0.2.2.1充填法宜采取地面注浆充填、开挖回填及井下砰石充填等，并应符合以下规定： a 注浆充填适用于不具备井下人工施工条件的采空区，施工前应选择一试验段，按设计注浆钻 孔总数5%~10%的孔进行现场注浆试验。 b） 开挖回填可用于管道下浅层及高边坡地段的采空区，可开挖至采空区部位，用灰土或素土 分层回填夯实。 c）井下研石充填适用于井下巷道完整的采空区。 0.2.2.2地基加筋抗变形方法可在管沟及地基结构中采用土工格栅、土工格室等加筋措施来减少和 延缓地层的变形，
10.3.1 管道防护可分为释放应力法、管道反向十预法等猎施。 10.3.2 释放应力方法应充分评估开挖和管道悬空的安全性，具体包括以下措施： a 在采空塌陷地表移动盆地全长开挖沟槽并沿管道轴向向两侧适当延伸。 b） 宜劵实密实管道下方土壤，避免管体悬空。 C） 管沟周边宜填置耐腐蚀且保温的稻草或泡沫等材料，并留有变形区间，管体上覆回填细砂或 发泡颗粒轻量土等松散物质 10.3.3 塌陷裂缝应回填劵实，防止地表水下渗。 10.3.4管道反向干预法适用于采空区顶板在较长时间段内缓慢变形的情况，实施时应充分评估开挖 和管道悬空的安全性；当采取牵引、举升等手段时应设置管体应力应变实时监测措施。 10.3.5不同级别下的采空区治理及管道防护建议措施参见附录D
10.4.1当管道通过1级～IV级采空区时，应编制采空区油气管道应急抢险预案， 10.4.2管道应急处置措施可参考10.3选择快速有效的方法，也可在评价管体安全性的基础上参考 5Y/T0330执行，对于因采空塌陷造成管道连续悬空超过20m时，可采用悬索跨越方式， 10.4.3当采取吊、抬管等手段时，宜设置管体应力应变实时监测措施。 10.4.4当监测或其他迹象表明管道应力应变超过容许值，且无充足时间组织工程治理时，应及时处 理，采取有效措施
附录A （资料性附录） 钢管及组焊管段极限应变值
A.1在资料缺乏时，可采取公式（A.1）和公式（A.2）估算钢管及组焊管段的极限拉伸应变值：
图A.1管壁表面型缺欠尺寸示意图
A.3在资料缺乏时，可采取公式（A.3）和公式（A.4）估算钢管及组焊管段的极限压缩应变值：
式中： ecrit—钢管及组焊管段的极限压缩应变；
scrit = 0. 5 0. 0025 + 3000 pD. <0.4 (A.3) 200y ecrit = 0. 5 0 0. 0025+ 3000 0. 4oy 280. (A. 4) D H
ecrit = 0. 5 0.0025 + 3000 200y (A.3) D 20F ecrit = 0. 5 0 0. 0025+ 3000 0. 4oy 280 (A. 4) D H
管材的弹性模量，单位为帕（Pa）：
管壁深埋型缺欠尺寸示
B.1采空区管道的附加轴向应力或应变，按公式（B.1）～公式（B.3）计算：
修正顿涅茨工业建筑科学技术研究设计院法
(B. 1) =[1+()] (B. 2) l↑ = + f (B. 3)
表B.1地表移动盆地变形区外管道变形区的长度选取表
B.2变形区内管道的最大位移量按公式（B.4）和公式（B.5）计算
3.75 o Eo PE Wa=$+ Eo d
一半移动盆地内地面最大剪切位移，单位为米（m）； 相当于作用力极限值为Q。时，土的临界剪移；黏土取0.03m，亚黏土（粉质黏土）取 0.02m，砂±取0.01m; Q。一一变形土作用力的极限值，单位为帕（Pa）； Φ一一考虑地表半移动盆地内土与管道变形区的相关系数，可根据（1/lr）值，按图B.1确定。 3变形土作用力的极限值按公式（B.6）计算：
—管道上方覆土容重，单位为牛每立方米（N/m）； H一一管道埋深，单位为米（m）；
Q,=k,(kr,Htang+c）
——管道上方覆土容重，单位为牛每立方米（N/m"）； H一—管道埋深，单位为米（m）；
一一土壤的内摩擦角，单位为度（°）； 一荷载集中系数，与管道埋深H和管沟宽度B有关，可按表B.2选取：
表 B. 2系数 k的确定
纵向荷载松弛系数，由管道线路上未扰动结构黏性土的持久强度试验结果确定，缺少这 资料时按公式（B.7）确定：
—一从采掘开始到规定的时刻为止的时间，单位以月计，对砂土k，=1。 B.4管道对土的弹性剪切系数k可按表B.3或公式（B.8）确定
.............
表B.3管道对土的弹性剪切系数k的取值
C.1当采空塌陷区埋设管道的土层发生变形时， 管道下方的土体向下塌陷，管道在上覆土体的作用 下发生变形，可将该问题转化为弹性支承变形梁问题，计算模型见图C.1
C.2管道的挠曲方程按公式（C.1）和公式（C.2）计算
图C.1采空区油气管道计算模型
式中： y(),— 管道拉伸挠曲方程； y（r)。管道压缩挠曲方程； Sa—采空区管道的当量轴向力，单位为牛（N)； 管道所受荷载，单位为牛每米（N/m）； 简化系数； E 管材的弹性模量，单位为帕（Pa)； I 管道横截面惯性矩，单位为米的四次方（m*）； Uo 管道在=0处的挠度，单位为米（m）；
M。管道在a=0截面的弯矩，单位为牛［顿」米（N·m）。 2.1采空区管道的当量轴向力按公式（C.3）和公式（C.4）计算
+Ea△TA (C. 3) pπd2 +Ea△TA N (C.4)
Ea△TA prd2 +Ea△TA
Sar，Soe一拉伸和压缩当量轴向力，单位为牛（N)； N。一一管道在r=0截面的轴力，单位为牛（N)； D 管道输送压力，单位为帕（Pa）； d 管道内径，单位为米（m）； E—管材的弹性模量，单位为帕（Pa)； a—一钢材的线膨胀系数，单位为米每米摄氏度［m／（m·℃）］，应按GB50253中的规定选取； △T一一管体正温差，单位为摄氏度（℃）。
有可能发生突发沉陷时：
.....(C.5)
式中： D 管道外径，单位为米（m）； Pp 管材密度，单位为千克每立方米（kg/m）； 重力加速度，单位为牛每千克（N/kg）； Po 输送介质密度，单位为千克每立方米（kg/m）； Y 管道上方覆土容重，单位为牛每立方米（N/m3）： 一 覆土高度（管道中心距填土表面的深度），单位为米（m）； P 土壤的内摩擦角，单位为度（）； 覆土体抗剪强度极限值，单位为帕（Pa），按试验值或当地经验值选取。 2.3管道在=0处的挠度按公式（C.7）计算：
式中： 一简化系数：
Vo= CD (qL + 2MoE β=cmD/4EI
(C. 7 β=cmD/4EI
Cyo——管道在xy面发生变形时，土壤的横向阻力综合系数，可按C.2.5计算。 C.2.4管道在=0截面的弯矩按公式（C.8）和公式（C.9）计算：
C.2.4管道在=0截面的弯矩按公式（C.8）和公式（C.9）计算：
Vot ，IMoc C.2.5土壤的横向阻力综合系数按公式（C.10）计算
E。一管体下方土的弹性模量，单位为帕（Pa)； lo一管道的单位长度，单位为米（m），可取1m； C.3管道内轴向应变引起的物理伸长按公式（C.11）和公式（C.12）计算：
AL = " [1 + ()/1+ () da
AL2 = f,L,2 f,7+1L,+2 L.=S
一埋设管段的变形长度，单位为米（m）； f、一一沿管道轴向方向土壤与管道外表面之间单位长度上的摩擦力，单位为牛每米（N/m），按 GB50470中的相关要求计算
不同稳定性级别的采空区治理及管道防护建议措施见表D.1。
附录D （资料性附录） 采空区油气管道防治与应急处置措施
表D.1管道通过采空区防治措施分类列表
E.1采空区管体监测点宜采用三个相隔90°或120°排列的应变计布设方式，如图E.1所示
a）三个相陷90°排列
国家电网标准规范范本图E.1采空区油气管体监测点布置示意图
式中： 之一一管体最大轴向应变值； ，y一最大或最小应变出现的位置。 E.3三个相隔120°排列的应变计按公式（E.4）公式（E.6）计算管体最大轴向应变的大小和 方位：
.........(E.4)
[1］GB/T1596用于水泥和混凝土中的粉煤灰 [2］Q/SY1445一2011输气管道工程线路阀室设计规范 [3］Q/SY1446一2011输油管道工程线路阀室设计规范 ［4高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册（山西省交通厅、中交通力公路勘察设 计工程有限公司） 『5]CSA Z6622007 Oil and gas pipelinesystems
Q/SY 14872012
卫生标准中国石油天然气集团公司 企业标准 采空区油气管道安全设计与 防护技术规范 Q/SY1487—2012 石油工业出版社出版 (北京安定门外安华里二区一号楼 北京中石油彩色印刷有限责任公司排版印 （内部发行） 1230毫米16开本1.75印张47千字印 年9月北京第1版2012年9月北京第1 书号：155021·17367定价：24.00元 版权专有不得翻印
80×1230毫米16开本 2012年9月北京第1版2012年9月北京第1次印剧 书号：155021·17367定价：24.00元 版权专有不得翻印
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