книги / Сдвижение горных пород.-1

станциях упрощенной конструкции, для оборудования которых нужна площадка небольших размеров. Учитывая, что на мес­ торождениях, • сложенных крепкими скальнымй породами, вели­ чины сдвижения пород за крайней трещиной невелики и обыч­ но не превышают 20—30 мм, нами была.предложена простая кон­ струкция наблюдательной станции, позволяющая простыми ру­ леточными промерами и нивелировкой реперов получить полный вектор сдвижения на границах сдвигающихся участков.

Наблюдательная станция состоит из 3—4 реперов, располо­ женных в форме квадрата или равностороннего треугольни­ ка. Два репера расположены на «неподвижной» части поверх­ ности (за крайней трещиной) и образуют базис. Измерением длин сторон и диагоналей (линейными засечками) определяются по­ ложения сдвигающихся реперов в плане. Относительные смеще­ ния определяются нивелировкой.

Величину смещения точек,, полученных линейной засечкой, можно определять обычным графическим построением в мас­ штабе 1:100— 1:50 в зависимости, от длины сторон. Масштаб по­ строения определяет точность графического способа.

Для более точного определения направления и величины смещения оползней проф. Н.Г.Келль предложил применять диф­ ференциальный графический метод [3]. Дифференциальный ме­ тод позволяет сочетать простоту и наглядность графического спо­ соба обработки с высокой точностью определения величин сме­ щения. Однако этот метод не может быть использован при ко­ ротких сторонах засечки и' смещениях, достигающих несколь­ ких метров. В этом случае величина смещения может быть опре­

делена аналитическим способом.		В	. прямоугольной				сис­
		теме • координат с				началом
		в точке 1 (см. рисунок) ось
		X совпадает			со	стороной
		1—2,	которая		является		ба­
		зисом.		Тогда	координаты
		точки	3	определятся урав­
		нениями:
			х >— Ъ		г + т
			у»_V<<?—*?'■
Схема к вычислению координат точ		где!	— длина		базиса;		di
	ки при линейной засечке	и d2— длины сторон.
По	результатам последующих измерений			расстояний		d ,,	2»
d , d£	и т.д. вычисляются координаты точек <?’, <?” ... и т.д. Вели­

чину и направление смещения точки 3 в плане относительно ис-

ходной серии наблюдений удобно определять графически на пла: не смещений в масштабе 1:2—1:5.

Методика исследований характера процесса сдвижения кру­ того склона с помощью наблюдений на станциях упрощенной кон­ струкции была с успехом применена на Тырныаузском место­ рождении.

Изучавшийся участок склона расположен на высоте около 3000 м в верхней части хребта, сильно изрезанные склоны кото-, рого имеют углы наклона от 35 до 60°.

В результате отработки мощного крутопадающего рудного тела часть склона, не попадающего в зону непосредственной под­ работки, пришла в сдвижение.

Наблюдениями на 3 станциях упрощенного типа были уста­ новлены величины и направления полных векторов сдвижения и определены средние скорости сдвижения в трех характерных точках участка.

Для контроля на склоне сдвигающегося участка была зало­ жена одна профильная линия длиной около 100 м, состоящая из 5 реперов. Наблюдениями в течение 22 месяцев было установле­ но, что вертикальные смещения репера в непосредственной бли­ зости от крайней трещины, ограничивающей участок, равны 23 мм, т.е. получено подтверждение того, что за крайней трещиной сдви­ жения земной поверхности малы.

Данные наблюдений на станциях упрощенного типа позволи­ ли . оперативно установить оползневый характер сдвижения мас­ сива пород на данном участке, определить динамику развития оползня и выяснить причины его возникновения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и зем­ ной поверхности при подземной разработке рудных месторождений.

ВНИМИ, 1959. '
2.	Т е р - С т е п а н я н	Г.И. Геодезические методы изучения дина­
мики	оползней. «Недра»,	1972.
3.	К е л л ь Н.Г. и Б ел ол и к ов А.Н. Определение смещений то­

чек на оползнях дифференциальным методом. Углетехиздат, 1954.

ТРУДЫ ВСЕСОЮЗНОГО НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ИНСТИТУТА

ГОРНОЙ ГЕОМЕХАНИКИ И МАРКШЕЙДЕРСКОГО ДЕЛА (В НИМИ)

Сб. 89

1973 г.

Инж. М.Д. Матюшенко

НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СТАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА В ЗАВИСИМОСТИ

ОТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ

Выемка угля под магистральными газопроводами при сохра­ нении их нормальной работы является весьма актуальной зада­ чей, так как позволяет расконсервировать значительные запасы угля.

Украинским филиалом ВНИМИ в течение 1963—1971 гг. про­ водились исследования по установлёнию условий возможности подработки магйстральных стальных газопроводов в условиях пологого падения пластов. Задачи исследований:

1) установление параметров взаимосвязи между горизонталь­ ными деформациями грунта (£Гр) и напряженими в трубах (<$тр );

2)разработка способов защиты газопроводов от влияния подработки;

3)обоснование допустимых величин деформаций грунта при подработке магистральных газопроводов с .применением й без применения защитных мероприятий.

Поставленные задачи исследовались в условиях многократ­ ной подработки магистрального газопровода Амвросиевка—Ма­ кеевка—Донецк четырьмя шахтами в Донбассе, разрабатываю­ щими пологие пласты мощностью 0,7—2,0 м на глубине 350— —570 ‘М.

Техническая характеристика подрабатываемого газопровода

Трубы стальные диаметром (наружным), мм		529
Толщина стенки труб, мм	. . . .	. 8
Год строительства газопровода		1959
Предел текучести металла, кг/см2 ......................	не ниже 3600
Расчетное сопротивление труб при растяжении, кг/сл2		3060
Расчетная прочность, кг/см2	. . .	2755
Расчетное давление газа, атм		64
Фактическое давление, атм	......................16—25
Укладка в грунт	песок, глина, шлаковата
Год сдачи в эксплуатацию		1959

Наблюдения за процессом сдвижения земной поверхности при. подработке газопровода проводились по грунтовым реперам, за­ ложенным с интервалом в 20 м. Наблюдения по изучению напря­ женного состояния газопровода в различных его точках при пере­ сечении мульды сдвижения проводились в специально выстроен­ ных колодцах, заложенных на расстоянии 40 м друг от друга. Колодцы были оборудованы замерными устройствами для наблю­ дения за поведением трубы в период подработки. Деформации трубопровода измерялись индикаторами часового типа. По вели­

чине замеренных деформаций		рассчитывались	напряжения (точ­
ность определения напряжений		± 150 кг]см2).
в	Измерения для определения напряжений имеют смысл только
	том случае, если деформирование трубопроводов происходит
в	его начальной стадии, т. е. не выходит за		пределы упругости.

Трубопровод подземной укладки испытывает одновременное совместное воздействие от изменения температуры и от подра­ ботки.

Исследования по установлению взаимосвязи между горизон­ тальными деформациями грунта (еГр) и напряжениями в трубах (6Тр), вызванными влиянием подработки, проводились как в условиях укладки труб в глинистый грунт обратной засыпки, так

и в условиях	применения	защитного мероприятия — укладки-в
малозащемляющий грунт		(песок,	шлаковату),	благодаря чему
уменьшается	продольное	усилие,	испытываемое	трубопроводом
при его подработке.

В вычисленные по замеренным деформациям напряжения тру­ бопровода вводились поправки, исключающие напряжения, выз­ ванные температурным перепадом газопровода, уложенного в •грунт:

йтр = 6 е -> (1)

где 6тр — напряжения в трубопроводе по измеренным деформа­ циям в натуре, вызванные подработкой, перепадом температуры трубы и перепадом давления газа;б^0+р — напряжения, вызван­

ные перепадом t°	и давления р; ое — напряжения, вызванные
подработкой.
Поправка ôt o+p	получена ро результатам наблюдений за на­

пряженным состоянием участка трубы, находящегося вне зоны подработки.

Распределение замеренных напряжений и горизонтальных де­

формаций грунта по длине трубопровода	оказалось подобным
как при укладке трубопровода в' обычный	грунт (глина), так и

в малозащемляющий грунт — песок, шлаковата (рис. 1).

Таким образом, результаты наблюдений позволяют устано­ вить следующую эмпирическую зависимость между напряжения-

é

в

Рис. 1. Графики зависимости между горизонтальными деформа­ циями грунта ( е Гр ) и напряжениями в трубах ( ôe ) :

а — при	укладке	труб	D	глинистый грунт (наблюдения			25.IX.1963		г. - 1 Л 1.65		г.);
о — при	укладке	труб в	песок (9Л11.1964 г. — 16.VI.1966				г.); в — при		укладке	о	шла-
ковату	(V.1969	г.—JV.1970		г.);	/ — графики	горизонтальных		деформаций		грунта;
2 — графики напряжений			о	трубах;	3 — колодцы	на газопроводе		дли	замера	напря­
			жений; 4 — профильная линия реперов

ми в трубопроводе, вызванными влиянием подработки, и горизон­ тальными деформациями грунта:

6^ = kEГр	,	(2)
где £ гр— горизонтальные деформации	грунта	вдоль участка га­

зопровода; Е — модуль упругости стального газопровода, кг/см2; к — коэффициент перехода от горизонтальных деформаций трубы к горизонтальным деформациям грунта.

Корректность формулы (2) подтверждается анализом зависи­ мости между развитием во времени горизонтальных деформаций грунта (вгр) и напряжений в трубах (6е ), вызванных только фактором подработки (рис. 2 и 3).

Рис. 2. Графики зависимости между горизонтальными деформа­ циями грунта (е Гр) и напряжениями в трубах (ôg ) от подработ­ ки на две даты наблюдений в процессе развития мульды сдви­ жения при укладке труб в песок:

/ — горизонтальные		деформации		грунта	за	перибд 30.V.1963	г.—24.V.1965 г.;	/	—
то же, за	период	30.V.1963	г,—I5.IX.I965			г.; 2 — напряжения	от подработки	за	пе­
риод V.1963	г.—V.I965 г.; 2		— то	же,	за	период ЗО.у.1963 г.—15.IX.1965 г.; 3		—гори­
		зонтальные деформации грунта на даггу разрезки

Сравнивая графики на рис. 2 и 3, совершенно очевидно, что горизонтальные деформации сжатия грунта, измеренные по ре­ перам 6—7 (рис. 3,6), в течение исследуемого периода сдвижения обусловили возникновение напряжений сжатия того же участка трубопровода. В то же время изменение горизонтальных дефор­ маций растяжения на сжатие (см. рис. 2) по реперам 1—2 в про­ цессе развития мульды сдвижения обусловило также изменение

знака напряжений и в трубопроводе (см. рис.	3,а) в течение
того же периода, развития мульды сдвижения (см. рис. 2,		коло­
дец 1).
Взаимосвязь величин этих изменений отражена	в табл.	1 и 2.

Разрезка, произведенная в июне 1964 г., на участке газопро­ вода, уложенного в малозащемляющий грунт, зафиксировала снятие напряжений порядка 300—400 кг!см2. Анализ влияния разрезки показал, что эти напряжения являются результатом

6

Рис. 3. Графики зависимости между развитием во времени гори­ зонтальных деформаций грунта (Егр) и напряжениями в трубах (<*£ ), вызванных подработкой при укладке трубопровода в песок:

о-колодец	№	10 Rp 1—2; б — колодец			№ 3, Rp	6—7;	/ — графики	горизонтальных
деформацнй;	2 —*графики		напряжений;	3 — графики		напряжений в		трубах, вызван­
ные суммарным		влиянием	перепада	t°,	давления	(р)	газопровода	н подработкой

перепада температуры между температурой укладки газопрово­ да в грунт и температурой в период разрезки. Напряжения же от подработки оказались равными нулю, что соответствует нуле­ вым горизонтальным деформациям грунта в точке разрезания газопровода в июне 1964 г. (см. рис. 2).

Таким образом, данные примеры подтверждают, что напря­ жения в трубах, вызванные подработкой, пропорциональны гори­ зонтальным деформациям грунта и носят тот же характер (сжа­ тия или растяжения) в период роста горизонтальных деформаций до максимальных значений.

Результаты исследований, приведенные в табл. I и 2, позво­ ляют обосновать эмпирические коэффициенты перехода от гори­ зонтальных деформаций трубы к горизонтальным деформациям грунта в зависимости от его защемляющих свойств:

—малозащемляющий грунт

к= 0,19;

Т аблица 1

Пе р и о д

на б л ю д е н и й

			о
			1
		с*	О		_Ô£
омераН олкодцев	■		X
		*
		о«0	(0	- е тр	Б \ v = r l l L
	. ^
	• 1\Г		о.	IX	10-*	*	Êrp

L.

Укла дка в гл\инистый грунт

25.IX.63 г,— I.XI.65 г.	6	+	160	+ 0,25		+ 0,071		+	0,27
»	5	+	190	+ 0,30		+	0,089	+ 0,29
»	4	+	8	. + 0,35		+	0,004	+	0,01
»	3	-5 7 3		-	0.70	-	0,229	-	0,32
>	2	-	470	-	0,40	-	0,223	-	0,55
»	1	-	166	-	0,20	-	0,078	-	0,29

								Среднеье	± 0,26
	Укладка в	мсхлозащем.ляющий			грунт — песок
31.111.65 г.—25.Х1.70 г.		111	+ 650		+	1,3	+ 0,309		+ 0,23
к	»	1	-	450	-	1.1	-	0,210	-	0,19
31.111.65 г.— 16.V 1.66 г.		VI	-	740	-	1.1	-	0,350	-	0,31
	»	V	-	210	-	0,6	—0,100		-	0,18
	»	III	+ 450		+	1.2	+	0,210	+	0,18
	>	11	+ 446		+ 0,9		+	0.210	+	0,23
	>	I	-	2.00	“	0,6	-	0,095	+ 0,16
17.XI.65 г . - 14.V 1.66 г.		XI	+ 100		+	0,3	+	0,049	+	0,16
	»	XII	+ 450		+ 0,7		+ 0,210		+ 0,30
								Средне;е	± 0,21
	Укладка в малозащемляющий грунт— шлаковату
I.V 11.69 г.— 6.Х.69 г.		19	+ 200		+ 0,50		+	0,095	+	0,19
	»	20	+	150	+ 0;40		+	0,71	+	0,17
I.V II.69	Г.-З.Х1.69 г.	21	-	100	-0 ,2 5		-	0,047	+	0,19
		19	+ 200		+ 0,30		+	0,095	+ 0,31
	»	20	+	150	+	0,40	+	0,071	+ 0,17
	»	21	-	70	- 0,20		-	0,033	+	0,16
1.VII.69 г.— II.V.70 г.		20	+ 320		+ 0,80		+	0,150	+ 0,19
	>	21	+ 90		+ 0,20		+ 0,043		+ 0,21
		22	-	960	-	2,70	“	0,460	+ 0,17
3.XI.69 г.—5.V.70 г.		23	+ 40		+ 0,10		+	0,019	+ 0,19
	»	24	+	130	+ 0,30		+	0,062	+ 0,20
	»	25	+ 350		+ 0,60		+	0,168	+ 0,25
								С реднее	+ 0,19
		Укладка в		песок
V.1963 г.—V.65 г.		3	-	830		2,1
»		2
		1			+ 1,0
V 1.64 г.—V.65 г.		1	+ 445
V.63 Г .-1Х .65 г.		5	+ 40		+ 0,1
		3	-	480	-	1,2
VI.64 г.—- V.65 г.		2	-	80	— 0,2
		4	+ 100		+ 0,4
V.63 T .-V L 6 6 г.		3	- 330		-	0,8
V 1.64 г.—V I.66 г.		2	-	763	—’1.9
		1	-	406	-	1,0

									Т а б л и ц а 2
					тч		1
					а;		X
П е р и о д			- 1		*			с _ 0 •£		»
н а б л ю д е н и й			Г g				о.	Ьф -			его
					ù>			|Х I0-J
			J	1			со
					О		<0
			~	2
2 1 .8 .1 9 6 3 г . - 2 1 . 8 . 1 9 6 4 г„			1		0		0		—
2 1 .6 .1 9 6 4 г .	- 2 5 . 5 . 1 9 6 5	г .	1	•	Ь -150	4-	М О	+	0 .2 1 4	+	0 . 1 9
2 .6 .1 9 6 4 г . - 1 5 . 9 . 1 9 6 5 г .			1		f 0 7	+ 0 . 2 5		+	0 . 0 4 6	+ 0 . 1 9
2 .6 .1 9 6 4 г .	1 8 . 6 . 1 9 6 6 г .		1			- 1 .0 0		-	0 , 1 9 0	- 0 . 1 9
2 1 .8 .1 9 6 3 г .	2 6 . V . 1 9 6 4	г .	3		2 7 0	•	0,0	-	0 . 1 3 0	-	0 ,2 0
2 1 .8 .1 9 6 3 г .	- 9 . X I I . I 9 6 1 г .		3		2 0 0	- 0 . 5		- 0 ,0 9 8		- 0 , 1 9
2 1 .8 .1 9 6 3 г .	2 4 . V . 1 9 6 5	г .	3		к.чо		2.1)		0 . 3 9 4	- 0 . 2 0
2 1 .8 .1 9 6 3 г .	1 6 . V I . 1 9 6 5 г		3		10 0		1.0	. - 0 .1 9 1 )		- 0 . 1 9

— глинистый грунт, со сроком укладки газопровода ^ 5 лет к2 = 0,25.

Значение коэффициента к для разных грунтов требует уточ­ нения, однако очевидно, что напряжения в любой точке стального трубопровода при пологом залегании пластов и глубине подра­ ботки, равной 300—600 м, пропорциональны горизонтальным деформациям грунта в той же точке и модулю упругости мате­ риала трубы.

Исходя из полученных значений к,					и к2, установленных для
различных	условий	защемления		трубопровода грунтом,			видно,
что применение защитного			мероприятия — укладка			в	малоза-
щемляющий	грунт	(песок,	шлаковату)		уменьшает	напряжение
в грунте в 1,3— 1,5 раза:
		l â L =	к2_Q.25 = 1Д
		6ie	*7	0,19

где 6 *£ и б2е— напряжения в трубопроводе, вычисленные по (2), соответственно, для к, и к2.

Установленная зависимость напряжений в трубах (ôgi) от горизонтальных деформаций грунта (еГр) позволяет уточнить по­ ложение максимальных напряжений в трубах, соответствующих положению максимальных горизонтальных деформаций грунта, определенных либо ^расчетным путем, либо путем маркшейдер­ ских наблюдений за (процессом сдвижения.

Суммарные напряжения при подработке в любой точке газо­

провода в подобных условиях определяются по формуле:
0 тр — 6 to +dp + 6 Б ,	(3)

где0 Тр — Суммарные продольные напряжения; 6t o— напряже­ ния вызванные перепадом температур в газопроводе (рассчиты­ ваются согласно РСН-156-65); ôp — напряжения, вызванные

перепадом давления в газопроводе (рассчитываются согласно

РСН-156-65);	— напряжения,	вызванные	фактором	подра­
ботки (определяются по формуле		(2)).	газопроводе	от го­
Установление	зависимости напряжений в

ризонтальных деформаций грунта при подработке особенно важ­ но в случае решения вопроса о величинах напряжений и опреде­ ления места максимальных деформаций при подработке трубо­ провода свитой пластов. Алгебраическое суммирование горизон­ тальных деформаций грунта от всех пластов, входящих в свиту, позволит определить место максимальных деформаций грунта, а следовательно, и напряжений в трубах, а коэффициент пере­ хода к позволит определить величину этих напряжений.

Кроме того, проверка продольных напряжений по условию m3Rp > б Тр позволяет ориентировочно назвать допустимую вели­ чину горизонтальных деформаций грунта, вызванных подработ­ кой. Здесь 6Тр — сумма продольных растягивающих напряжений в рассчитываемом сечении трубопровода, рассчитывается по (3); -Rp — расчетное сопротивление растяжению сварных соединений трубопровода, принимается по СНиП II-B3-62; ш3— коэффициент условий работы трубопровода, принимается равным 0,8 (для ма­ гистральных трубопроводов).

Исследованиями за изменением напряженного состояния ма­ гистрального газопровода, вызванного факторами температур­ ного перепада (6^0) и перепадом давления газа в трубопроводе

(бр ), было установлено, что 0tp -f-ôp^ 600 кг{см2.	св
Расчетное сопротивление сварного стыка газопровода	m3Rp =

= 2755 кг/см2.

Допустимые напряжения на данном газопроводе, вызванные

только фактором, подработки, будут равны:

СВ

= m 3Rp— (ôto-f ôp) = 2755—600=2155 кг/см2.

По формуле (2) определяем допустимые горизонтальные дефор­ мации грунта:

а) в глинистом грунте:
2155	= 4Х Ю -3;
ô rp.3on~ 0,25-2,1 • 106

б) в малозащемляющем грунте (песок, шлаковата):

^грЛоп = 0,19-2,15-5 10е. =£>х 10 3-

Таким образом, полученные результаты наблюдений на ма­ гистральном газопроводе Амвросиевна—Макеевка—Донецк, по­ зволили установить допустимые величины деформаций грунта для аналогичных случаев подработки.