高壓線塔下特厚急傾斜煤層首采面開切眼位置優化研究

閻躍觀，戴華陽，范振東，鄒　彪，靳瑞青，韓春云

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京100083; 2.華亭煤業集團公司中東峽煤礦，甘肅平涼744100; 3.淮南礦業(集團)有限責任公司，安徽淮南232000)

?

高壓線塔下特厚急傾斜煤層首采面開切眼位置優化研究

閻躍觀1，戴華陽1，范振東2，鄒彪1，靳瑞青2，韓春云3

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京100083; 2.華亭煤業集團公司中東峽煤礦，甘肅平涼744100; 3.淮南礦業(集團)有限責任公司，安徽淮南232000)

［摘要］以甘肅華亭某礦特厚急傾斜煤層開采為研究對象，采用開采沉陷預計和開采實踐，針對采動影響區多基高壓線塔進行了首采面開切眼優化設計。揭示了不同開切眼位置對各基高壓線塔的采動影響情況，得出了各塔塔頂偏移量與開切眼位置的關系曲線，分析了高壓線塔與工作面的相對位置和塔頂偏移量的關系，確定了首采面開切眼優化位置，進行了開采實踐和地面監測。在未采取任何糾偏維護措施的情況下，地面10基高壓線塔均安全運行，說明首采面開切眼優化位置基本合理，可為類似的多基高壓線塔下采煤提供依據。

［關鍵詞］高壓線塔，特厚急傾斜煤層，開切眼，位置優化，塔頂偏移量

［引用格式］閻躍觀，戴華陽，范振東，等.高壓線塔下特厚急傾斜煤層首采面開切眼位置優化研究［J］.煤礦開采，2015，20(2) : 66－69.

我國礦區眾多，大小礦井幾十萬個，遍布全國各地。高壓線路過采動影響區幾乎是一個不能回避的現實問題［1］。地下礦產的大面積開采，必然引起采空區上方地表的移動和變形，有時會造成礦區建(構)筑物的損害［2－3］。對于高壓線塔，輕則可造成基礎傾斜、開裂、桿塔變形，重則造成基礎沉陷、桿塔傾倒、檔距變化，嚴重威脅輸電線路的安全運行［4－5］。國內外學者對高壓線塔下采煤進行了相關的研究［6－14］。美國Bernett，T.W針對Brunot Island－Collier 345kV高壓線路，其中有40個線桿、5個線塔經過Pittsburgh礦區，采用打鉆(直徑152.4mm)向采空區充填骨料的方法增強穩定性，減少空洞塌陷來保證高壓線塔的安全運營［6］。郭文兵、鄭彬等指出對于高壓線塔，應建立基于鐵塔結構、地基基礎、線路協同變形理論的高壓線鐵塔下采煤安全防護理論和技術維護措施［7－9］，共對金龍煤業公司高壓線塔下21081工作面放頂煤開采進行了研究，結果表明高壓線鐵塔抵抗地表變形能力大于一般建(構)筑物，隨工作面推進過鐵塔距離的增大，鐵塔中心下沉速度呈對數衰減［7］。

綜合分析可知，研究成果主要集中在單基高壓線塔下緩傾斜煤層開采和高壓線塔的安全防護以及技術維護措施等方面，對多基高壓線塔下特厚急傾斜煤層開采的相關研究并不多。甘肅華亭某礦首采面220開采就影響到地面10基高壓線塔，且高壓線塔的移動變形值與開切眼的位置選擇有直接關系。因此本文以高壓線塔安全運行、盡可能多回收煤炭資源為指導思想，針對該區域具體的地質采礦條件，以及無法移線、換塔的實際情況，通過開采沉陷預計和開采實踐，進行了多基高壓線塔下特厚急傾斜煤層首采工作面開切眼位置優化研究。

1　工作面與高壓線塔概況

1.1工作面概況

井田內地勢東南高，西北低，最高海拔高度+ 1701.3m，最低海拔高度+1525.1m。松散層厚度平均約100m，頂底板主要以砂巖為主，屬于中硬巖性，沒有大的斷裂和褶曲構造，主采6號煤層，煤層傾角53°，開采厚度10m，為特厚急傾斜煤層。220工作面位于井田邊界，為區段內首采面，采用分水平區段，區段內大傾角傾斜走向長壁綜合機械化放頂煤采煤法，采2.5m放7.5m的采放比，采出率85%。工作面斜長60m，階段垂高41m，下巷開采深度540m。

1.2 10基高壓線塔分布情況

220工作面采動影響范圍內有2條110kV高壓線路，共涉及10基高壓線塔，其中轉角塔4基，直線塔6基，塔高31.6m，基礎間距為4.5m，高壓線塔均位于220工作面開切眼一側，各塔均位于頂板一側，其分布情況與工作面位置關系見圖1。

圖1　10基高壓線塔與工作面位置關系

2　首采面開切眼位置方案

2.1工作面不同開切眼位置方案

設計12種開切眼位置方案并分別對其進行采動影響分析。方案一為全采，即220工作面開切眼位于井田西北邊界處，其余方案為開切眼位置分別向東南方向縮短50m，即方案二、三、……、十二的開切眼分別距離井田邊界50m，100m，……，550m，如圖1中①，……，(12)。

2.2預計參數選取

采用皮爾遜Ⅲ型公式法進行預計分析［10－11］，高壓輸電線路屬于線型地物，預計時選擇線路的走向方向作為計算方向。根據歷年來實測分析、現場調研和工作經驗，確定220工作面開采預計參數，如表1所示。

表1　沉陷預計參數

3　采動影響分析

限于篇幅，僅給出按照方案一開采后，首采面220全采后地表下沉等值線圖和傾斜等值線圖，如圖2和圖3所示。

圖2　方案一220工作面開采后地表下沉等值線

圖3　方案一220工作面開采后地表傾斜等值線

就高壓線塔本身而言，屬于點狀地物，是底面積很小而高度很大的高聳構筑物，傾斜變形對其影響最嚴重［12］，通過地表最大的傾斜變形值和高壓線塔高度，可以計算出塔頂偏移量，表2為按照各方案開采后地表最大傾斜變形與高壓線塔塔頂偏移量。繪制出10基高壓線塔塔頂偏移量與開切眼距井田邊界距離關系圖，見圖4。

表2　各方案地表最大傾斜變形與高壓線塔塔頂偏移量

由表2和圖4分析可知:同一方案對不同地面位置的影響差別較大，因此很難確定一種對10基高壓線塔都影響輕微的開切眼方案。總體上看首采面220開切眼離井田邊界越近，則對各基塔的影響越大，塔頂偏移量隨開切眼離井田邊界距離增大而減小。對于1號、2號、3號和53號塔，距離工作面較近，當開切眼位于該塔附近時，其塔頂偏移量可能會劇增，此時應采取適當的糾偏維護措施。對于4N號、4S號、5N號、5S號和54號塔，位于工作面下山一側較遠的位置，開切眼位置選擇不會對塔頂偏移量造成劇增。對于6號塔，距離工作面最遠，其塔頂偏移量也最小，移動變形量也最平穩。

圖4　各基塔塔頂偏移量與開切眼距井田邊界距離關系

110～500kV架空送電線路施工及驗收規范(GB 50233－2005)中規定，輸電線路高壓線塔基礎的最大傾斜為3‰，按塔高31.6m計算，塔頂最大允許偏移量為95mm。由圖4分析可知，當首采面開切眼位置距離井田邊界320m時，除1號和53號塔外，其余8基高壓線塔均在最大允許移動變形范圍內。若距離小于320m，則會有5基塔超過最大允許偏移量。

通過綜合分析，確定首采面220開切眼距離井田邊界320m時作為優化位置。該位置開采后對1號和53號高壓線塔的影響較大，塔頂最大偏移量分別達到135mm和110mm，工作面開采期間需要對這2基采取適當的糾偏維護措施。對其余8基塔的影響較小，工作面開采期間應加強監測。

4　開采實踐與實測數據分析

根據開切眼優化設計位置，在現場進行了220工作面的開采實踐并布設了地表移動觀測站。由于在巷道掘進過程中揭露導水斷層，不能按照優化位置布置開切眼，而改為距離井田西北邊界360m處布設開切眼。目前220工作面已經回采420m。在工作面推進過程中共進行了4次觀測，并根據1號和53號高壓線塔處地表觀測數據進行了分析。圖5為地表觀測線實測下沉曲線，圖6為1號和53號高壓線塔基處不同時間地表最大傾斜變形值。

圖5　地表觀測線實測下沉曲線

圖6　1號和53號高壓線塔基處地表最大傾斜變形值

1號塔附近地表最大傾斜變形為2.0mm/m，可得塔頂偏移量為63mm，53號塔附近地表最大傾斜變形為3.5mm/m，可得塔頂偏移量為111mm。預測結果與實測數據吻合，在沒有采取任何糾偏維護措施的情況下，地面10基高壓線塔均安全運行，驗證了首采面開采眼優化位置基本合理。

5　結論

(1)針對多基高壓線塔下特厚急傾斜煤層開采問題，設計了12種首采面開切眼位置方案，采用皮爾遜Ⅲ型公式對各基塔進行了采動影響分析，得出了不同方案各基塔的塔頂偏移量。

(2)分析了高壓線塔與工作面的相對位置和塔頂偏移量的關系。高壓線塔離開切眼位置越近，其塔頂偏移量越容易劇增;距離開切眼位置越遠，其塔頂偏移量變化越平穩。

(3)分析確定了首采面220開切眼距離井田邊界320m時作為優化方案。受導水斷層影響，布置首采面實際開切眼距離井田邊界360m，根據1號和53號高壓線塔附近的地表實測資料進行了塔頂偏移量計算，分別為63mm和111mm。實測與預測結果比較吻合，地面10基高壓線塔在未采取任何糾偏維護措施的情況下均正常安全運行，表明首采面開采眼優化位置基本合理。

［參考文獻］

［1］Dai Hua－yang，Yan Yue－guan，Gao Wen－long，et al.Study of the stability and measure of Ultra－high voltage transmission line foundation above goafs［A］.International Society for Mining SurveyingⅧInternational Congress［C］.Budapest Hungary: 2007.

［2］胡青峰，崔希民，袁德寶，等.厚煤層開采地表裂縫形成機理與危害性分析［J］.采礦與安全工程學報，2011，19 (6) : 864－869.

［3］郭麒麟，喬世范，劉寶琛.開采影響下的巖土體移動與變形規律［J］.采礦與安全工程學報，2011，28 (1) : 109－114.

［4］劉朝安，高文龍，闕金聲.多種采動影響區桿塔地基穩定性數值分析［J］.工程地質學報，2012，29 (6) : 922－927.

［5］張廣學.濟三煤礦4301工作面地表移動變形及高壓線桿觀測研究［J］.礦山測量，2007 (1) : 77－78，82.

［6］Bernett，T.W.Structural of 345kV overhead transmission structures emdash Brunot Island－Collier［A］.Minutes of the Meeting-Pennsylvania Electric Association，Engineering Section［R］.1978: 16－18.

［7］郭文兵，鄭彬.高壓線鐵塔下放頂煤開采及其安全性研究［J］.采礦與安全工程學報，2011，28 (2) : 267－272.

［8］郭文兵，鄧喀中.高壓輸電線鐵塔采動損害與保護技術現狀及展望［J］.煤炭科學技術，2011，39 (1) : 97－101，106.

［9］文運平，郭文兵，鄭彬.高壓輸電鐵塔下采煤的安全性分析［J］.煤礦開采，2010，15 (4) : 35－37，11.

［10］戴華陽，易四海，鞠文君，等.急傾斜煤層水平分層綜放開采巖層移動規律［J］.北京科技大學學報，2006，28 (5) : 409－412，467.

［11］楊帆.急傾斜煤層采動覆巖移動模式及機理研究［D］.阜新:遼寧工程技術大學，2006.

［12］何國清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1994.

［13］高文龍.采空區特高壓輸電桿塔的穩定性研究［D］.北京:中國礦業大學(北京)，2009.

［14］張勇，高文龍，趙云云.煤層開采與1000kV特高壓輸電桿塔地基穩定性影響研究［J］.巖土力學，2009，30 (4) : 1063－1067.

［15］杜長林.煤礦采空區對輸電線路的影響及防范措施［J］.電力安全技術，2007 (10) : 51.

［責任編輯:徐乃忠］

Location Optimization of Open-off Cut in Steeply-inclined and Extremely-thick Coal-seam under High-voltage Line Tower

YAN Yue-guan1，DAI Hua-yang1，FAN Zhen-dong2，ZOU Biao1，JIN Rui-qing2，HAN Chun-yun3

(1.Earth Science＆Surveying Engineering School，China University of Mining＆Technology (Beijing)，Beijing 100083，China;
2.Zhongdongxia Colliery，Huating Coal Group Corporation，Pingliang 744100，China;
3.Huainan Coal Mining Group Corporation Ltd.，Huainan 232000，China)

Abstract:In order to optimizing open-off cut location of first mining face in extremely-thick and steeply-inclined coal-seam in a mine of Huating Coal，mining influence of different open-off cut location on every high-voltage line tower was revealed.The relationship curve of offset of tower top and open-off cut location was obtained and national open-off cut location was decided.By mining practice and surface monitoring，it was found that all high-voltage line towers were in safe operation without applying any protection measures，which showed that the open-off cut location was rational and could provide reference for similar condition.

Keywords:high-voltage line tower; extremely-thick steeply-inclined coalseam; open-off cut; location optimization; offset of tower top

［作者簡介］閻躍觀(1981－)，男，山西太原人，講師，工學博士，從事開采沉陷、大地測量、變形監測等方面的研究。

［基金項目］國家自然科學基金資助項目(51404272) ;高等學校博士學科點專項科研基金項目(20110023110014) ;中國礦業大學(北京)大學生創新訓練項目(Y20131208，Y20141202)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.019

［收稿日期］2014－09－15

［中圖分類號］TD822.2

［文獻標識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0066-04