煤礦采空區對輸電線路塔基穩定性的影響

柳劍鋒

(國核電力規劃設計研究，北京 100094)

?

煤礦采空區對輸電線路塔基穩定性的影響

柳劍鋒

(國核電力規劃設計研究，北京 100094)

摘要：在煤礦采空區架設輸電線路存在很大的風險，如何正確客觀評價其影響，直接影響線路安全和投資造價，本文從煤礦采空區的破壞機理入手，通過采用采厚比法、采空區臨界深度與實際采深比較法和概率積分計算法，對某輸電線路經過的采空區和未來采空區桿塔進行了穩定性分析，經運行驗證，評價結果較好，可以借鑒。

關鍵詞：輸電線路；采空區；破壞機理；穩定性。

近年我國加快了以特高壓為骨干電網的建設步伐，線路沿線規劃區、工業區等逐步的增多，可選的路徑走廊越來越少，特高壓輸電線路工程不可避免的要穿越煤礦采空區，其塔基穩定性對整個區域電網的安全性影響較大，另一方面，采取避讓或處理又會大大提高投資造價，因此，正確客觀評價煤礦采空區的塔基穩定性顯得尤為重要。

1 破壞機理及影響

1.1 采空區的破壞機理

地下煤層被開采以后，上部巖石失去支撐，會產生移動、變形和破裂，以致發展到地表，造成地表塌陷，形成凹地，隨著采空區的不斷擴大，凹陷地段不斷發展而形成凹陷盆地，即地表移動盆地。根據形成的移動盆地的特點和不同，在采空區的正上方(凹陷盆地的中心)，地表下沉均勻，下沉值最大，地面平坦，凹陷盆地邊緣變形不均勻，下沉值較小，傾斜值大。采空區的上方，頂板巖層垮落在采空區內，充填采空區的這部分巖層叫垮落帶或冒落帶(見圖1)，冒落帶內巖層被破壞呈不規則形狀，除了極堅硬的巖層頂板會發生整體垮落外，一般巖層頂板垮落的巖塊都是雜亂無章、大小不等的，沿礦層頂板向上，垮落的巖塊逐漸變大，近似呈層狀。

冒落帶之上的巖層由于受到冒落帶巖石的支撐而產生斷裂、裂縫和離層，但仍保持原有層狀結構，這部分巖層叫破碎帶或裂縫帶，破碎帶內的巖層發生垂直于礦層方向的斷開或裂縫，整體保持著原有巖層的層次，破碎帶的下部裂縫最為發育，向上則逐漸減弱。

采空區上方巖層中只產生彎曲沉降，并未破裂的這部分巖層稱為彎曲帶，它在破裂帶之上可直達地表。彎曲帶內巖層是整體移動，巖層內不產生大的裂縫，彎曲帶內的巖層仍為層狀結構，移動過程不但連續并有規律，而且是慢慢出現的，地表不產生劇烈變形。

圖1　采空區破壞機理示意圖

1.2 采空區活動分期

從地表移動開始到地表移動結束，分為地表移動初始期、活躍期和衰退期三個階段。在實際工作中，把地表下沉10 mm時作為地表移動期的開始；把地表下沉速度大于50 mm/月(煤層傾角小于45°)或大于30 mm/月(煤層傾角大于等于45°)的時間稱為地表移動活躍期；如果連續6個月地表下沉值累計不超過30 mm時，可認為地表移動基本結束，從地表移動活躍期結束到地表移動期結束的階段稱為地表移動衰退期。地表移動的初始期一般有1～3個月，活躍期有5～10個月，衰退期有16～20個月，地表移動總的延續時間有24～48個月，開采的深度越大，地表移動的延續時間越長。

地表移動的延續時間(T )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》(以下簡稱《規程》)中的公式計算：

式中：H0為工作面平均采深(m)。

1.3 采空區對輸電線路的影響

采空區的變形主要為下沉、傾斜、水平移動、曲率、水平變形、彎曲變形、剪切變形等。地表下沉會引起桿塔基礎的垂直沉降，會導致線路交叉跨越的凈空距離或對地距離不夠，或因為采空區地面下沉引起塌陷區積水，使線路的運行環境惡化。采空區地面傾斜、水平移動等會使桿塔基礎傾斜及移動，導致鐵塔結構產生較大的應力，導致鐵塔變形、傾斜，嚴重的會導致絕緣子串傾斜，導地線斷股，更嚴重的會導致倒塔、斷線事故的產生。

2 工程實例

2.1 工程概況

某輸電線路是我國西電東送的重要基礎電力設施，該線路總體東西走向，在三省交界部位存在近南北方向的一個大煤田，該煤田分布在四川的敘永、古藺和貴州的習水縣3個縣，如采取避讓的方式通過煤田，則線路需增加幾百公里的長度，投資巨大，不可行，因此，線路不可避免的需穿越煤礦采空區，線路共有4基塔穿越煤礦區，其中1基(N0418)位于采空區內，3基(N0415～N0417)位于未來采空區，詳見圖2，塔基與煤礦的位置關系圖。

該煤礦可開采煤層共2層，C8煤層平均厚度2.2 m，埋深370～700 m，C12煤層平均厚度2.1 m，埋深390～720 m，分層開采，煤層傾角23°，長臂式采煤法，全部垮落法管理頂板，礦區內無常年性河流，塔位處基巖裸露，最高海拔高度1070 m。 N0418塔位處煤層工作面開采時間為2010～2011年，工作面寬度100 m。線路勘測時間為2011年，采空區已沉降1年左右，且為分層開采，因此地表塌陷處于活躍期的的末端，地層巖性為砂巖、泥質灰巖為主，存在少量泥巖，巖層性質為中硬巖。

圖2　塔基與煤礦的位置關系圖

2.2 采厚比分析法判定塔基的穩定性

開采煤層的埋藏深度和煤層厚度之比稱為采厚比，采厚比與采空區可能引起的地表變形程度關系密切，一般情況是，采厚比越小，地表變形越強烈、影響越大。隨著采厚比的增大，采空區地表變形逐漸減弱，當采厚比增大到一定值時，地表不會發生劇烈變形。

根據實測資料和經驗積累，當開采煤層采厚比小于30時，地表變形劇烈，一般不滿足輸電線路塔基穩定性要求；當采厚比處于30～70之間，且頂板基巖堅硬時，或當采厚比處于70～100之間，且位于基巖山區時，需采取主要的結構措施；當采厚比處于100～130之間時，可采取次要的結構措施；當采厚比大于130時，一般不采取結構措施。

本工程N0418塔位的采厚比為90，頂板巖性為砂巖和泥質灰巖，硬度中等，塔基位于基巖山區，采厚比處于70～100之間，因此，建議N0418塔位采取主要結構措施，采用大板基礎并加長地腳螺栓；N0417塔位的采厚比為123、N0416塔位的采厚比為138、N0415塔位的采厚比為152，采厚比均大于100，尤其是N416和N0415的采厚比大于130，但開采工作面較大，建議采取次要結構處理措施，加長地腳螺栓。

2.3 塔基穩定性判定

采空區臨界深度與實際采深比較法判定各塔基的穩定性。

煤層開采后，冒落帶的巖層破裂成塊狀，在裂縫帶靠近冒落帶的巖層，裂縫較大，形成導水裂縫帶，沿導水裂縫帶向上，巖層的裂隙逐漸變小，在彎曲帶，地表變破壞輕微，一般不會發生劇烈變形，巖層基本呈整體下沉。

如塔基產生的附加應力影響深度內，未遇到可以導水的較大裂縫帶巖層，則塔基所在的地面不會產生劇烈變形，在采用大板基礎及加長地腳螺栓的基礎處理后，可以保證塔基的安全。

冒落帶高度Hm、導水裂縫帶高度Hli、塔基附加應力影響深度Zn、導水裂隙帶上部保護層厚度Hb(Hb取3～6倍的煤層厚度，頂板巖層硬度大，取小值，硬度小，取大值)，四者之和即為開采的臨界深度H臨。

當H實際＞H臨時采空區相對穩定，地面不會產生劇烈變形，在采用大板基礎及加長地腳螺栓的基礎處理后，可以保證塔基的安全。

當H實際＜H臨時采空區地表變形強烈，不穩定。

根據覆巖巖性，按《規程》附表6-1和附表6-2中的公式計算冒落帶高度Hm和導水裂縫帶高度Hli。

冒落帶高度計算公式：

本工程覆巖巖性為中硬巖，a取4.7、b取19、c取2.2, M為煤層綜合開采厚度4.3m。

導水裂縫帶高度計算公式：

本工程覆巖巖性為中硬巖，A取1.6、B取3.6、C取5.6，M為煤層綜合開采厚度4.3 m。

塔基附加應力深度根據《建筑地基基礎設計規范》5.3.8節公式， Z=B(2.5－0.4lnB)，B為基礎寬度(m)。對于大板基礎，按附加應力是自重應力10%為附加應力的標準值，再加上基礎埋深即為附加應力影響深度，經估算，采用大板基礎時，其附加應力影響深度比采用普通基礎淺，為安全起見，本文附加應力影響深度Zn值采用普通基礎計算值。

式中：Z為附加應力深度；h為基礎埋深。

導水裂縫帶上部保護層厚度Hb，取4倍采厚。

本工程各塔基根據臨界開采深度與實際采深比較法，判定各塔基穩定性結果見 表1。

表1　臨界開采深度及實際采深比較法判定結果表

2.4 采空區塔基變形值計算

概率積分法是以正態分布函數為影響函數、用積分式表示地表下沉盆地的方法，適用于常規的地表移動與變形計算，在我國應用最多。

為考慮煤層傾角的影響，根據計算點的相對位置，將傾斜工作面轉換為一個等價的計算工作面進行地表移動與變形的計算，消除了傳統概率積分法對于傾斜煤層計算因計算過程中的某些簡化而帶來的誤差，同時采用了在開采區域邊界上的線積分，適應于工作面的不同形狀。

地表移動與變形計算所采用線積分計算公式根據《規程》摘抄如下：

(1)下沉

(2)傾斜

(3)水平變形

式中：m為采厚(mm)；η為下沉系數；α為煤層傾角(°)；b為水平移動系數；Hd為等價開采影響深度(m)；tgβ為主要影響角正切；r為等價計算工作面的主要影響半徑，r =Hd/tgβ；Li為等價計算工作面各邊界的直線段(m)；θ0為開采影響傳播角。

本工程各個計算參數如下，η=0.72 (N0415～N0417)，η=0.30(N0418)；水平移動系數：b=0.34；主要影響角正切：tgβ=2.1；拐點移動距：S=0.1H。

采用中國礦業大學開采沉陷預計系統msps2009軟件，計算各個塔基的變形值，計算結果見表2。

表2　塔基變形值

根據《架空送電線路基礎設計技術規定》，以及《建筑地基基礎設計規范》中的相關規定，普通基礎的輸電線桿塔可承受的地基傾斜極限值為5‰(5 mm/m)。

根據《規程》中有關規定：索道在整體鋼筋混凝土基礎上的支座水平變形極限值為7.0 mm/m，而高壓線桿塔大板基礎在受力、結構等方面于此相近，因此參考該值并考慮一定安全系數，取大板基礎水平變形極限值為6.0 mm/m。

根據概率積分法計算的各個變形值，只要滿足地基傾斜極限值小于5‰(5 mm/m)且基礎水平變形極限值小于6.0 mm/m，同時考慮基礎的垂直下沉值，交叉跨越點及對地距離留有2～3倍下沉值，滿足以上3點，采空區內塔基不需采取結構措施，否則需采取結構處理措施。

根據概率積分法計算4個塔基的各個變形值，N0418、N0416、N0415不滿足地基傾斜極限值小于5‰(5 mm/m)的要求， N0417號塔的最大傾斜和最大水平變形值均不滿足最大地基傾斜極限值小于5‰(5 mm/m)和基礎水平變形極限值小于6.0 mm/m的要求，因此需采取結構處理措施。

2.5 綜合分析采空區塔基穩定性

采厚比法及臨界采深與實際采深比較法僅能判斷地表活動強烈還是不強烈，采用概率分析法可以計算塔基的各個變形值，因此上述單一分析方法很難客觀的反映采空區的變形特征，本工程采用上述三種方法相結合綜合分析某輸電工程采空區輸電線路塔基的穩定性，推薦采取的地基處理措施如下。

N0418的采厚比相對較小，但已經開采約1年，已經處于地表移動活躍期的末端，實際采深比臨界深度大，地表傾斜變形不滿足規范要求，建議N0418需采取主要結構處理措施，采用大板基礎并加長地腳螺栓，在設計塔高時，考慮因塔基的沉降，導致導線的對地距離減少。

N0415～N0417號塔，采厚比較大，實際采深比臨界深度大但變形不滿足規范要求，因此建議采取次要結構處理措施(加長地腳螺栓)，在設計塔高時，考慮因塔基的沉降，導致導線的對地距離減少。

3 結論

(1)在分析采空區的破壞機理及對輸電線路的影響基礎上，以某工程為例，提出了上述三種分析方法相結合的綜合判定采空區穩定性分析方法。

(2)采用綜合判定采空區穩定性分析方法，分析了某工程中位于采空區N0418、未來采空區N0415～N0417塔的穩定性，認為在該采空區內立塔是安全的，不會對塔基的安全運行造成影響，推薦了需采取的處理措施。線路通過了煤礦采空區，避免了線路繞行古敘煤田，縮短了線路路徑，節約了巨額投資。

(3)通過案例分析，此綜合分析方法不僅對本工程由實際意義，而且對其他采空區的線路工程同樣具有借鑒意義。

參考文獻：

[1]常士驃，等．工程地質手冊(第四版)[K]．北京：中國建筑工業出版社，2007．

[2]趙書明．山西省煤礦開采對架空輸電線路的影響分析[C]//中國電力規劃設計協會勘測分會論文集．北京：中國電力規劃設計協會，2011．

[3]王亞軍，等．老采空區地基穩定性附加應力－概率積分法評價[J]．金屬礦山，2013，(2)．

[4]賈林剛．采煤沉陷區建筑地基穩定性評價[C]//全國礦山測量新技術學術會議論文集，2011．

[5]李振華，等．煤礦采空區1000 kV特高壓線路桿塔地基穩定性分析[J]．電力勘測設計．2010，(6)．

[6]張銀洲，王鵬飛，楊喆．采空區地表變形與采深采厚比關系探討[J]．陜西煤炭，2011，(4)．

[7] 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[K]．北京：煤炭工業出版社，2000．

[8] GB5007－2011，建筑地基基礎設計規范[S]．

[9] GB50021－2001，巖土工程勘察規范(2009年版)[S]．

Effect on the Stability of Transmission Line Tower in Goaf of Coal Mine

LIU Jian-feng
(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100094, China)

Abstract:in the coal mining area the erection of transmission lines exist great risk, how to correctly and objectively evaluate its impact, directly affect the line security and investment cost, this article from the start with the failure mechanism of coal mining area, thickness ratio method, the critical depth of mining empty area and the actual mining depth comparison method and probability integral calculation by using the method of mining in a transmission line, through the mining area and the future mine tower goaf stability is analyzed, the runtime verification, evaluation results are good, can learn from.

Key words:transmission line; goaf; failure mechanism of; stability.

作者簡介：柳劍鋒(1976- )，男，河北衡水人，工程師，注冊巖土工程師，主要從事電力工程的巖土工程勘察工作。

* 收稿日期：2015-03-06

中圖分類號：P642

文獻標志碼：B

文章編號：1671-9913(2015)06-0022-05