蒲圻電廠～咸寧500kV輸電線路某采空區穩定性評價

曹文慶，黃 河，王 禹

(湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢 430040)

1 概述

蒲圻電廠～咸寧500kV輸電線路工程起自蒲圻電廠二期500kV出線構架，止于咸寧500kV變電站，路徑途徑湖北省赤壁市、崇陽縣和咸寧市咸安區，線路長約73.0km(折合雙回路)，其中單回路長約4.7km，雙回路長約70.6km，導線主要采用4×LGJ－400/35鋼芯鋁絞線。線路在G75～G77塔地段下伏游家山煤礦采空區，而該段周邊又存在多個礦區，改線難度較大，對該地段已有路徑塔基下的采空區進行穩定性評價相當必要。

2 采空區概況及地質模型的簡化

2.1 采空區概況

赤壁市游家山煤礦采空區位于蒲圻市區南東98°方向，直距18km，隸屬赤壁市官塘鎮。礦區中心坐標：3292246，20220945。二疊系下統梁山組為本煤礦采空區含煤巖系，煤系一般含煤一層，產于煤系的近底部，煤層厚平均1.22m，最大埋深350m，煤層形態為透鏡狀、雞窩狀。煤種為高硫、高灰無煙煤。1971年12月湖北省燃化局以鄂革燃化字(72)第005號意見書批準煤炭表內儲量112b 5.92×108kg；該礦為閉坑礦山，所剩保有量僅6×107kg，且地質構造及水文地質情況復雜，已無開采價值。游家山煤礦與擬建線路地質情況見圖1。

圖1 線路與游家山煤礦的相對關系及地質概略圖

所在采空區區域地質情況如下：

第四系(Q)：主要為粘性土，黃褐色，紅褐色，稍濕，可塑為主，局部呈硬塑狀。層厚一般為0.5m～10m。

棲霞組(P1q)：深灰、灰黑色薄－中厚層狀碳質瘤狀灰巖、瘤狀生物碎屑灰巖、含碳質灰泥巖及碳質頁巖夾生物屑灰巖。厚約百米。

梁山組(P1l)：以砂巖為主(或石英砂巖)，夾粉砂巖、泥巖及煤層，一般含煤1－3層，個別地段可達4層，與下伏地層呈平行不整合接觸。該層位底部為煤層，是赤壁市煤礦的主要采區。

游家山煤礦采空區上覆地層分布主要為梁山組砂巖及棲霞組灰巖，上覆土層一般較薄，第四系覆蓋層主要為可塑狀粘性土，厚度一般為0～7.0m。該采空區已停采10年以上，G75～G77塔塔位位于該地段的丘頂，基礎入土點高程為199m～236m，采空區上覆巖土層厚度為202m～321m，采空區厚度為1.7m～4.1m。

2.2 地質模型

根據塔位附近該采空區的概況，其中G77的采厚比相對最小，為安全系數最小的塔位。根據其地質特征、塔腿基礎型式及塔位荷載情況，以G77塔為例，進行地質模型的簡化。G77塔為雙回路直線塔，上覆土層1.5m，下部以中風化灰巖及砂巖為主，塔基主要采用QH40型嵌固基礎，基礎埋深6.0m，鐵塔基底單位壓力(包括其它荷載)約300kN/m2，采空區上基底頂板厚202m。簡化圖見圖2。

圖2 地質模型簡化圖

3 采空區塔基穩定性評價

3.1 應用采空區采厚比半定量評價

根據圖2可知，塔基采厚比(H/M)為49，大于30，塔位附近無明顯地表位移塌陷現象。根據文獻[4]中5.5.7條，塔基穩定。

3.2 應用臨界深度法的定量評價

結合文獻[1]，根據頂板巖層自然平衡原理驗算地基穩定性，采空區頂板地基壓力Q為：

當H增大到某一深度，Q=0時，頂板巖層恰好自然平衡，此時可以求得采空區建筑物地基以下巖體臨界深度計算公式：

(1)、(2)式中γ為巖土體重度，B為巷道寬度，P0為鐵塔基底單位壓力，φ為巖體內摩擦角。

當HH<1.5H0時，頂板基本穩定；H>1.5H0時，頂板穩定。

游家山煤礦頂板穩定性評價參數如下：巷道寬度B取6m；頂板為中風化灰巖及砂巖，巖體重度γ取23.0kN/m3；鐵塔基底單位壓力(包括其它荷載)P0約300kN/m2；φ為巖體內摩擦角30°。根據地質模型簡化圖(圖2)，經過計算，煤礦采空區上方鐵塔基底以下巖體臨界深度H0=41.08m。1.5H0=61.62m。塔基滿足H>1.5H0，擬建線路地基穩定。

3.3 覆巖破壞高度及荷載影響深度綜合評價法

煤層開采后，一般上覆巖層形成垮落帶、斷裂帶、彎曲帶。在垮落帶，巖層被斷裂成塊狀，巖塊間存在較大孔隙和裂縫。在斷裂帶，巖層產生斷裂、離層、裂縫，巖體內部結構遭到破壞。在彎曲帶，巖層基本上呈整體下沉，但軟硬巖層間可形成暫時性離層，其巖體結構破壞輕微。因此，垮落帶、斷裂帶的巖層雖經多年的壓實，仍不可避免地存在一定的裂縫和離層，其抗拉、抗壓、抗剪強度明顯低于原巖的強度。如果新建構筑物荷載傳遞到這兩帶，在附加荷載作用下會進一步引起沉降和變形，甚至造成構筑物的破壞。

(1)垮落斷裂帶厚度

垮落斷裂帶的發育高度，主要與開采煤層的厚度、傾角、開采尺寸、覆巖巖性、頂板管理方法等有關，參照文獻[2]，按堅硬巖，選取計算公式如下：

垮落帶高度計算：

取∑M=4.1m，Hk=19m。

斷裂帶高度計算：

Hli=70m。

(3)、(4)式中∑M為煤層累計采厚。

由上可知，垮落斷裂帶的最大高度位于頂板以上89m。

(2)基底荷載影響深度

建(構)筑物的建造使地基巖土中原有的應力狀態發生變化，從而引起巖土變形，產生基礎沉降。建(構)筑物荷載的影響深度隨建筑荷載的增加而增大。一般地，當地基中建筑荷載產生的附加應力等于相應深度處地基層的自重應力的20%時，即可以認為附加應力對該深度處地基產生的影響可忽略不計，但當其下方有高壓縮性土或別的不穩定性因素，如采空區垮落、斷裂帶時，則應計算附加應力直至地基自重應力10%位置處，方可認為附加應力對該深度處的地基不產生多大影響。該深度即為建(構)筑物荷載影響深度(Hp)。

地基中自重應力用下式計算：

式中：γi為分層巖土層重度；Hi為各分層厚度。地基附加應力按下式計算：

式中：K0為附加應力系數；P為基底附加應力。

取巖土層容重為23kN/m3，基礎底面直徑為1.8m，K0參照文獻[5]取值，荷載影響深度計算表見表1。

表1 荷載影響深度計算

根據表1，考慮到其他荷載因素影響，荷載影響深度HP取12m。

(3)地基穩定性評價

當頂板厚度H滿足下式時：

塔基荷載不會使垮落斷裂帶重新移動，反之，則會影響地基的穩定性。

因為：H>101m，所以，擬建線路塔基穩定。

4 采空區穩定性評價方法對比

本文通過采用三種方法對游家山煤礦老采空區穩定性進行了評價，分別得出了不同的頂板穩定厚度。

文獻[4]中采空區采厚比半定量評價的方法是在大量經驗總結的基礎上得出的，一般垮落帶、破裂帶、彎曲帶總厚度約為20倍的采厚比，考慮到其它的影響，30倍采厚比相對較安全。采厚比小于30的地段地面易產生非連續變形，煤礦開采后，自下而上會產生垮落帶、斷裂帶、彎曲帶。因此線路路徑選擇應盡量避開采厚比小于30的地段。應用該方法計算出老采空區頂板臨界深度：H臨=30m=123m，為三種方法中安全厚度最大值。應用該方法評價采空區相對較安全。

應用文獻[1]中臨界深度定量評價方法，只考慮了頂板上受荷平衡的情況，未考慮冒落斷裂帶對頂板穩定性的影響。應用此法求得H臨>62m即滿足要求。本評價方法評價結果雖取了1.5的安全系數，但與其他兩種評價結果相比，所需安全厚度相對偏小。本計算方法未考慮空洞高度對上部頂板穩定的影響以及附加荷載對冒落斷裂帶的影響。當上部荷載較大時或采厚較大的淺層開采區更顯其應用局限性，該方法只適用于小窯頂板上無大的斷裂變形的采空區，不適用于大型采空區、較厚冒落斷裂帶區及大荷載區的穩定性評價。

覆巖破壞高度及荷載影響深度綜合評價法，考慮了頂板荷載以及荷載對冒落斷裂帶的影響，計算得出頂板厚度大于101m即滿足頂板穩定性要求。該定量評價法依據充分，適合在工程建設中推廣使用。

5 結論

(1)本文介紹了蒲圻電廠～咸寧500kV輸電線路經過游家山煤礦采空區的基本情況，并建立了相應有代表性的地質模型進行了穩定性分析與評價，通過穩定性分析得出本采空區上方擬建線路塔基穩定。

(2)通過對采空區應用三種方法進行穩定性分析得出了不同的頂板穩定厚度，并對三種穩定性分析方法進行了初步的對比。通過對比得出采空區采厚比半定量評價法相對較安全；臨界深度定量評價方法只適用于小窯上無大的斷裂變形的采空區，不適用于大型采空區、較厚冒落斷裂帶區及大荷載區的穩定性評價；覆巖破壞高度及荷載影響深度綜合評價法相對科學合理，該方法可在類似采空區工程中推廣使用。

[1]工程地質手冊編委會．工程地質手冊(第四版)[M]．北京：中國建筑工業出版社，2007．

[2]國家煤炭工業局．建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M]．北京：煤炭工業出版社，2000．

[3]陳仲頤，周景星，王洪瑾．土力學[M]．北京：清華大學出版社，1994．

[4]GB50021－2001，巖土工程勘察規范(2009年版)[S]．

[5]GB50007－2011，建筑地基基礎設計規范[S]．