特高壓輸電線路下充填開采關鍵技術研究

羅 新

（中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054）

隨著我國經濟的高速發展，特高壓輸電線路分布范圍與密度持續增大。近年來，大量的特高壓輸電線路建設在了礦區上部，如何安全、高效的回采下部的煤炭資源，成為了煤炭開采技術發展過程中函待解決的一個重要問題。

雖然我國已經在特高壓輸電線路下充填開采方面進行了深入的研究，但由于各個礦區的地質差異性大，使得特高壓輸電線路下充填開采面臨著技術風險和技術保障措施方面的不足。依據當前特高壓輸電線路下充填開采的文獻資料。國外從20 世紀30 年代即開始高壓輸電線路下充填開采的工程實踐。例如，波蘭、前蘇聯、德國等產煤大國的高壓輸電線路下充填開采工作開展較早，積累的技術經驗極為豐富，也已形成比較完善的高壓輸電線路下充填開采規程和成熟的技術保障措施，并作出了具體的規定。

我國針對高壓輸電線路下充填開采方面相關研究也不多見。根據具體施工環境，特高壓輸電線路下充填開采各有特點，一是線路下充填開采的技術復雜，要求嚴格；二是線路下充填開采的維修工作量大。我國在特高壓輸電線路下充填開采的可行性方面對開采損害影響方面有進行初步的討論探索，主要研究開采引起的地表傾斜、地表波浪起伏、地表拉伸變形和開采下沉方面，地表橫向傾斜引起橫向傾斜，使重心偏移等問題，導致特高壓輸電線路下充填開采的服務年限受到影響。因此，開展關于特高壓輸電線路下充填開采的研究，促進礦區經濟發展等都具有重要的現實意義[1-4]。

1 特高壓線路開采條件

1.1 礦井開采條件

海測灘煤礦位于陜西省靖邊縣東北部，榆橫礦區（南區）的西南部。根據國家發展和改革委員會2017 年批復《陜西省榆橫礦區南區總體規劃》（修編），井田東西長21.2km，南北寬5.5km ～9.4km，面積163.9km2，設計生產能力5.00Mt/a。井田內含煤地層為侏羅系中統延安組（J2y），上覆第四系、白堊系，共含可采煤層3 層，分別為3 號、4 號、5 號煤層，首采3 號煤層厚度1.88m ～3.40m，平均厚度2.56m，煤層埋深在600m ～800m。井田內各可采煤層地質資源儲量858.58Mt，設計可采儲量426.05Mt。

±800kV 特高壓輸電線路（昭沂線）從海測灘煤礦井田內東西向穿過，長度約22km，壓覆煤炭資源量近50.0Mt，為了進一步提高煤炭資源回收率，本文對特高壓輸電線路下煤炭資源開采的關鍵技術進行研究。

1.2 輸電線路的允許地表（地基）變形值

參照國家能源局發布的《架空輸電線路運行規程》（DL／ T741-2010）、《1000kV 交流架空輸電線路運行規程》（DL ／T307-2010）、中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會共同發布的《±800kV 直流架空輸電線路運行規程》（GB ／ T28813-2012），±800kV 輸電線路桿塔的傾斜、水平位移的最大允許值見表1。

表2 《三下采煤指南》中部分煤礦地表移動變形觀測結果

2 地表移動變形預計

2.1 參數選擇

海測灘煤礦及其周邊煤礦并無地表移動變形觀測成果。因此，選取《三下采煤指南》[5]中與海測灘煤礦埋深、采厚相當的部分煤礦的實測參數（表2）作為參考。

根據表2，海測灘煤礦3 號煤層地表移動變形預計采用下沉系數為0.68，水平移動系數0.31，主要影響角正切2.49，拐點平移距30.90m，最大下沉角按照75°計算。充填開采時地表移動變形預計參數同3 號煤層計算參數，但采厚按照等效采高Md 計算。

2.2 計算方案

本次共對三個方案進行計算，其中方案一預計3 號煤層全部垮落法管理頂板的地表移動變形量；方案二模擬3 號煤層采用充填開采方法后的地表移動變形值，平均充填率按70% 計算，充填開采后的等效采厚為0.3M ；方案三模擬3 號煤層采用超密實充填開采方法后的地表移動變形值，平均充填率按95% 計算，充填開采后的等效采厚為0.05M。

表3 各方案地表移動變形量計算結果統計

2.3 開采可行性論證

海測灘礦井井田內存在±800kV 昭沂線，對于高壓輸電線下采煤，主要是保護輸電線路桿塔的傾斜和水平位移值在允許范圍內。地表移動變形預計結果顯示方案一最大水平位移476mm，方案二最大水平位移163mm，也就是無論是采取全部垮落法還是傳統充填開采方法，地表移動變形值都可能大于高壓輸電線基座的允許變形值（75mm），而方案三超密實充填最大水平位移68mm，小于高壓輸電線基座的允許變形值（75mm）。因此，在實際試采過程中應采用超密實充填開采方法控制地表沉降，并加強地表高壓輸電線基座的監測和維護工作。

3 數值模擬分析

3.1 數值模擬方案

3.1.1 模型原型及方案

數值模擬計算以海測灘煤礦CT02 盤區為實例，設計工作面長度200m，推進長度768m，煤層為近水平煤層，開采深度705m。計算為單方向開采三維宏觀力學問題，開采受周圍巖體約束影響較大，為分析開采過程中覆巖三維宏觀力學性質變化以及底板移動變形特征，采用大型非線性三維數值計算軟件FLAC3D 對其進行模擬。3 號煤層，平均厚度2.40m。采用三種方案預計地表移動變形，方案一：綜采全部垮落法管理頂板；方案二：綜采充填開采（充填率70%）；方案三：綜采超密實充填開采（充填率95%）[6-8]。

3.1.2 模型建立

圖1 數值模擬計算網格剖分圖

圖2 工作面推進過程中覆巖垂直應力分布云圖

基于FLAC3D 建模原理，根據海測灘煤礦地質條件和煤巖條件等建立數值模型，如圖1 為數值模擬計算網格剖分圖。工作面采用走向長壁布置。模型長1828m，寬1000m，高705m。工作面開挖利用Fish 語言控制，每次開挖20m。整個模型共劃分為406720 個單元，426195 個節點。在節省單元，提高運算速度的同時，為保證計算精度，按區域需要考慮的輕重來調整單元的疏密。

3.2 數值模擬過程分析

3.2.1 覆巖垂直應力分布規律

如圖2 所示為利用FLAC3D 計算得出的方案一工作面推進70m、170m、340m、510m 時地表移動盆地主斷面的垂直應力云圖在走向方向的分布規律。

從圖2 中可以看出，工作面推進70m 時，由于煤層開采，破壞了原巖應力平衡，使得應力重新分配，采空區應力釋放，距離采空區越近，垂直應力越小。在煤壁前方和切眼后方形成了應力集中，使得采空區附近煤體發生塑性變形，應力集中峰值不斷向煤體深部轉移，此時，采空區為應力降低區，上方產生應力拱，煤體上方為應力增高區。工作面推進170m 時，應力集中系數越來越大, 但應力拱高度不再發展，拱腳不再向煤層方向移動，頂板與底板重合。工作面推進至340m 時，采空區壓實，頂梁不再懸空，應力不再增大。工作面推進至510m 時，開切眼一側應力峰值位置不變，位于工作面處的應力集中系數趨于穩定。

采動過程，松散層范圍內應力幾乎不變，應力拱只是在基巖范圍內變化，且最大高度未及松散層。煤層埋深、巖層傾角和圍巖性質以及地應力影響應力拱形態和范圍，應力拱影響覆巖破壞方式。三個方案基巖厚度較厚，應力拱影響范圍都不波及松散層，整個地表沉陷表現為連續性，不產生地表臺階下沉。

3.2.2 豎直移動

圖3 各方案下沉曲線圖

從圖3中可知，使用超密實充填采煤法后，地表下沉值很小，但整體曲線仍然呈s 型。邊界點下沉值最小，幾乎為零，離采空區中心越近，下沉值差稍有增大。相比之下，超密實充填采煤法地表下沉明顯減小，超密實充填采煤法可以有效的避免由于采動影響導致的地表下沉。

3.2.3 傾斜變形

圖4 各方案傾斜曲線圖

從圖4 中看出，傾斜曲線的走勢沒有發生很大變化，三種方案傾斜值差距很大，當使用超密實充填開采后，峰值大大減小，峰值的橫坐標發生移動不大。方案一最大傾斜值達3.7mm/m，方案二1.7mm/m，方案三1.19mm/m。

3.2.4 水平移動

圖5 各方案水平移動曲線圖

從圖5 中可以看出，采用超密實充填法管理頂板后，整體的水平移動值減小，最大水平移動值減小較多，極值點橫坐標沒有發生很大變化，并且離極值點越近，各方案的差值越大。

3.3 模擬結果分析

（1）數值模擬結果與地表移動變形預計結果基本吻合，兩者互相驗證并證明了預測結果的準確性。

（2）超密實充填法處理頂板有效地減少了地表下沉，對地表±800kV 昭沂線起到了很好的保護作用。

（3）超密實充填后水平變形和傾斜都大幅度降低，對地表±800kV 昭沂線只有輕微影響。

（4）因為海測灘礦工作面上方基巖較厚，兩種方案的應力拱區域達不到松散層，所以松散層不會反作用到應力拱，如此，松散層會豎直下沉，對地表移動變形起到緩沖作用。

4 結論

（1）參考相似地質條件下地表移動變形實測參數，確定海測灘煤礦地表移動變形預計采用下沉系數為0.68，水平移動系數0.31，主要影響角正切2.49，拐點平移距30.90m的參數較為合理。當采用充填開采和超密實充填開采時，地表移動變形預計利用等效采厚計算。

（2）開挖3 號煤層時，地表最大下沉值約1900mm，最大傾斜值為5mm/m，最大水平變形最大約為2mm/m ；采用充填開采方法時，地表最大下沉值為550mm，最大傾斜值為1.5mm/m，水平變形最大約為1.2mm/m ；采用超密實充填開采方法時，地表最大下沉值僅為105mm，最大傾斜值為1.1mm/m，水平變形最大約為0.8mm/m ；充填開采可以有效減少地表沉降，有利于地表建（構）筑物安全運行。

（3）海測灘礦井井田內存在±800kV 昭沂線，計算表明，無論是采取全部垮落法還是充填開采方法，地表移動變形值都可能大于高壓輸電線基座的允許變形值（75mm）；在實際開采過程中應該采用超密實充填開采方法，并加強地表高壓輸電線基座的監測和維護工作。