煤炭采空區輸電線路塔基變形監測及治理

王克東，古廣林，高 森，張 偉

(陜西省電力設計院，陜西 西安 710054)

煤炭采空區輸電線路塔基變形監測及治理

王克東，古廣林，高 森，張 偉

(陜西省電力設計院，陜西 西安 710054)

對采空區地表變形及鐵塔傾斜進行監測，通過對監測數據的分析得出了地表變形的特征及變形的發展趨勢，對采空區地表變形做了預測，并提出了巖土工程治理措施 。

采空區；輸電線路；變形監測；治理。

1 概述

輸電線路工程一般路徑較長，在煤炭資源豐富的地區，線路工程不可避免會遇到采空區問題。預留煤柱一般是比較穩妥的做法，但往往因為經濟原因無法實現。750kV渭南～延安送電線路工程150＃鐵塔位于陜北黃土高原的黃土臺塬上，海拔約955m，塔基位于銅川礦務局東坡煤礦的開采范圍內。2009年底鐵塔基礎施工、組塔完畢以后，鐵塔周圍出現了大量沉降裂縫。

2 原因分析

2.1 地質條件

150＃鐵塔位于陜北黃土高原的黃土臺塬上，海拔約955m，所在區地質構造簡單，整體為一向北西傾斜的單斜層，地層產狀總體較平緩，傾角2°～9°。區內覆蓋層為第四系黃土層，下伏基巖主要為二疊系粉砂巖、泥巖及細砂巖。該區共有9個煤層，但多為不可采煤層，目前主要開采分布厚度穩定的5-2＃煤層。該煤層埋深222.39m～325.38m，平均埋深291.73m；煤層上覆基巖厚度76.39m～252.43m，平均175.10m。150＃鐵塔位于某國營礦務局開采范圍內，塔基附近地勢平坦，南、北側稍遠處為遞降的緩坡。塔基處地表主要覆蓋第四系黃土層，厚度約210m，其下基巖主要為二疊系石英砂巖、粉砂巖、泥巖等組成，至開采煤層頂板厚度約130m(見圖1)，塔基處采厚比(開采深度與開采厚度之比)約為131。

圖1 塔基地質剖面示意圖

2.2 變形特征及原因

到2010年3月為止，地表裂縫及沉降情況已較嚴重，地表的高角度張剪裂縫達十余條，裂縫延伸長度12m～167m不等，最大裂縫落距近0.7m，最大裂縫寬度達0.5m，裂縫延伸方向與煤層開采方向大致呈25°～40°夾角。

根據現場調查，地表以下煤炭開采是引起地表沉降的主要原因。引起地表變形的采空區位于150＃塔位東南側(見圖2)，呈帶狀分布，開采煤層厚度約2.6m，工作面寬度約150m。煤層的開采方式為機械回采，回采率較高。根據塔位與采空區的位置關系及地表變形特征，可知塔基位于地表移動盆地的外邊緣區。該區煤層于2009年4月開始開采，開采進度一般為2m/d，至2010年2月初工作面已經逐漸遠離150＃塔位。可見，在回采率高、工作面大、松散層很厚的地段即使采厚比較大，仍有可能發生較大的地表變形。

圖2 采空區與塔位的平面位置關系

3 變形監測

3.1 變形監測網建立

2010年1月初，按照三等水準測量標準的要求，在穩定地塊上埋設控制樁，建立測量控制網，用于監測150#塔及塔基周圍地表的變形規律。觀測網于2010年1月15日建成，共埋設水泥控制樁4個，在鐵塔及周圍布置三條剖面線(剖面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，在剖面線上、4個塔腿及鐵塔中心點，布設變形觀測點總共45個(見圖3)。

3.2 地表下沉變形

(1)下沉量

變形監測得出了各監測點監測期間的沉降值，將累積沉降繪制成地面沉降等值線圖(見圖4)。從圖中可以看出：距采空區越近，地表沉降越劇烈。地表最大沉降量發生在觀測點II-5(距采空區最近)，沉降量為461mm；最小沉降量發生在觀測點III-1(距采空區最遠)，沉降量僅為10mm。

圖4 塔基地面沉降等值線圖

(2)下沉速度

下沉速度是相鄰兩次觀測時間內單位時間的地表下沉值，它反映了地表變形劇烈程度，一般將下沉速度大于1.7mm/d的這段時間稱為地表移動活躍期。塔中心點及四個塔腿沉降、下沉速度及變形時期見表1。

表1 沉降、下沉速度及變形時期

截至最后一次監測，各監測點的下沉速度均已小于1.7mm/d，地表移動從上個觀測期的“活躍期”減緩到目前的“衰退期”。在最近的一個監測時段內，地表下沉速度明顯下降，下沉速度降幅均在80%以上，地表下沉速度已經明顯減緩。

3.3 鐵塔傾斜變形

截至2010年5月監測，共進行了6次鐵塔測斜工作，測量結果見圖5。由圖5可以看出，偏移量基本隨時間遞增，但偏移速度總體上已經開始變緩。得出，不均勻沉降主要發生在地表變形前期，以后不均勻沉降量顯著減小，這與鐵塔傾斜偏移的變形趨勢基本吻合。

圖5 塔頂部隨時間偏移曲線

4 地表移動變形的預測

4.1 地表最終最大沉降

塔基不均勻沉降是引起鐵塔傾斜偏移的主要原因，從塔腿各個監測時段不均勻沉降結果

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，地表最終最大沉降Wmax為：

式中：q為下沉系數，M為礦層厚度(m)，α為礦層傾角(°)。

對現采空區，礦層厚度M為2.6m；礦層傾角2°～9°，在此按平均值取5°；下沉系數q可根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》附錄5的附表中采空區附近的銅川礦區的經驗公式取值：

式中：H土為煤層以上土層厚度(m)，H巖為煤層以上巖層厚度(m)，H0為工作面采深(m)。

將H土＝210m，H巖＝130m，H0＝340m代入(2)得q＝0.91，將q代入(1)得地表最終最大沉降Wmax＝2.35m。

4.2 地表移動延續時間

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，地表移動延續時間可根據最大下沉點的下沉與時間關系曲線和下沉速度曲線求得，從地表移動期開始到結束的整個時間稱為地表移動的延續時間。影響地表變形持續時間的因素，主要是巖石的物理力學性質、開采深度和工作面推進速度。在其他條件相同的條件下，開采深度與移動持續時間之間的關系比較穩定，即開采深度越大移動總時間越長，地表移動變形也較平緩。無實測資料時，地表移動的延續時間(T)可根據下式計算：

式中：H0為工作面采深(m)。代入可得，T＝850(d)＝2.3(y)。與調查所得附近其他采空區變形持續時間基本一致。因此，目前的地表變形還有很長的持續時間。

5 巖土工程治理

根據以上對采空區地質條件的分析、采空區的概況、塔基與采空區的位置關系及目前下沉區地表變形特征等，提出以下治理措施。

(1)夯填裂縫

塔位附近產生了十余條裂縫，裂縫貫通長度大，寬度及錯距也具有一定規模。為防止降水滲入地表裂縫后浸泡地基土層，產生更大的地表沉降而影響塔基穩定性，可用28灰土夯實填充覆蓋裂縫。

(2)糾偏、修復鐵塔

根據鐵塔的傾斜程度，調整塔位預留的地腳螺栓，然后頂托沉降較大的塔基，將基礎復位。此外，撤換已經變形的塔材，在此基礎上，在受力較大的部位應增加塔材。

(3)加強后期變形監測

變形監測是十分必要的。塔基變形成果可以反映目前的變形特征，還可以根據其變化預測變形的發展趨勢。一定周期內的變形速度可以反映地表變形的劇烈程度。

6 結語

(1)一般的，將“采厚比”做為設計時是否采取基礎和上部結構措施以及采取哪種處理措施的依據。例如《巖土工程勘察規范》GB50021-2001(2009年版)中，提出的采厚比30做為建筑場地適宜性評價的界限標準，大多數設計單位在過去的時間里運用采厚比40做為是否考慮采取結構措施的劃分界限。本文中采厚比為131，依然發生了較大的地表表形，影響了鐵塔的正常運行。可見，即使采厚比大于100，也不應輕易下不做處理的結論。在回采率高、工作面大、松散層很厚的地段都應考慮采取結構措施。

(2)監測顯示，距采空區越近，地表沉降越劇烈。截止最后一個監測周期，四個塔腿下沉速度均已小于1.7mm/d，地表下沉從“活躍期”減緩到“衰退期”，地表下沉速度已明顯減緩。

(3)理論上，該采空區引起的地表最終最大沉降Wmax＝2.35m，地表移動的延續時間T＝2.3y，與調查所得附近其他采空區變形規律基本一致。

(4)根據對采空區地質條件的分析、采空區的概況、塔基與采空區的位置關系及目前下沉區地表變形特征等，可采取夯填裂縫，糾偏、修復鐵塔及加強后期變形監測等巖土工程治理措施。

[1]《工程地質手冊》編委會．工程地質手冊，第四版[K]．北京：中國建筑工業出版社，2007．

[2]GB50021-2001，巖土工程勘察規范(2009年版)[S]．

[3]陳海波． 急傾斜煤層采空區某鐵塔變形治理與監測[J]．巖土力學，2003，24(S)．

[4]陳海波，陳富生．采空區架空送電線路塔基穩定性評價[J]．電力勘測，2000，(01)．

[5]白新春，馬領康．架空送電線路中采空區評價方法[J]．山西電力，2009，152(S1)．

Monitoring and Control of Deformation of Power Transmission Tower Ground in Gob

WANG Ke-dong, GU Guang-lin, GAO Sen, ZHANG Wei
(Shanxi Electric Power Design Institute, Xi'an 710054, China)

Deformation of tower ground and inclination of tower have been monitored in gob. By analyzing monitoring data, surface deformation characteristics and tendency have been obtained. Then taken a predict about surface deformation of gob and given some geotechnical engineering measures.

gob; deformation monitoring; power transmission line; treatment.

TU4

B

1671-9913(2011)03-0004-04

2011-03-14

王克東(1980- )，男，甘肅張掖人，碩士，工程師。