采空區對輸電線路塔基穩定性影響及應急處理

張宏波

（國網冀北電力有限公司秦皇島供電公司,河北 秦皇島 066000）

一、工程概況

（一）輸電線路概況

某750kV 輸電線沿線經過國家規劃礦區的彬長礦區，主要涉及小莊井田、亭南煤礦、大佛寺煤礦及彬長詳查區。其中亭南煤礦和大佛寺煤礦在線路設計前已經建礦并開始開采；小莊井田在線路建成以后取得礦權，并于2014 年8 月開始開采。具體到各塔位：15#～29#塔位（共15 基）在大佛寺煤礦開采范圍內；14#塔位（共1 基）在亭南煤礦的采礦權范圍內；3#～12#塔位（共10 基）在小莊井田內；1#～2#、13#塔位（共3 基）在彬長詳查區內。

（二）采空區煤層埋藏特征

線路所經地段的含煤地層為侏羅系中統延安組（J2y），根據沉積旋回及煤巖組合特征，將其劃分為三段，自下而上依次為一～三段，第一段含4煤，第二段含4上煤，第三段含1、2、3 煤。根據地質資料，在線路評價范圍區內4 煤大部可采，4 上煤及1、2、3 煤均為零星可采或不可采。

4 煤層位于延安組下部，在線路評價范圍區分布，結構單一，可采面積561.3 萬m2，煤層厚度0～24.16m，平均厚度14.10m，屬特厚煤層，線路經過地段4 煤層采深采厚比一般為30～100。

（三）采空區煤層埋藏特征

本次評價針對位于大佛寺煤礦的24#塔位開展，該煤礦開采方式為綜采，一次采全高。根據在該煤礦收集到的資料，大佛寺煤礦目前開采的40119 工作面位于24#塔位的下方。在平面位置上，24#塔位位于開采工作面中央，該工作面主要開采4 煤層，該煤層近水平，目前開采煤層厚度約11m。

二、輸電線路塔基地表變形預計

（一）預計方法

采空區地表變形預計目前使用較廣泛的概率積分法，其基礎為隨機介質理論，因其預測公式中含有概率積分而得名。該方法將開采引起的地表移動看作隨機事件，從統計學的角度，認為任意開采條件下都可以把整個開采分解許多或無限多個微小單元的開采，整個開采對地表的影響等于所有單元開采的影響總和，因而可從單元開采入手，研究下沉盆地的方程式。下沉盆地的剖面在理想情況下，曲線呈正態分布，且與概率密度的分布一致。因此，整個開采引起的下沉盆地的剖面方程式，可表示為概率密度函數的積分公式。這種方法經過眾多學者30 多年的研究，目前已成為我國較成熟的、應用最為廣泛的采煤沉陷預測方法之一。

概率積分法地表移動和變形計算原理圖如圖1 所示。

在煤層中開采某單元i，按概率積分法的基本原理，單元開采引起地表任意點（x,y）的下沉（最終值）為：

式中：r：主要影響半徑，r=H0/tgβ；H0：平均采深；tgβ：主要影響角β 的正切；li=Hictgθ，θ 為最大下沉角；（xi,yi):i 單元中心點的平面坐標；（x,y）：地表任一點的坐標。

（二）預計參數的確定

工程實際中地表移動變形預計概率積分參數的確定主要有兩種途徑：1.通過礦山實測資料確定，由于根據實測資料確定的參數能客觀反映礦區地表移動變形的情況，所以預測能取得較理想的效果；2.通過工程類比確定。工程類比適用于沒有實測資料的新礦山，它主要是根據礦山的地質條件、巖層特性、采礦方法、頂板處理方式等綜合情況選取類似條件的礦山實測數據來分析確定地表移動參數，或直接取同類條件礦山已有的地表移動參數來預測分析礦山地表移動變形情況，但選取礦山條件的不同，會使確定的參數有很大出入，通常在本礦山開展監測活動后，利用實測資料確定的參數對工程類比參數進行修正，以確保預測的準確性。

本輸電線路所經過的礦區目前暫未設置地表變形監測點，本次結合區域上覆巖性的綜合評價系數P 和地質、開采技術條件，利用類比方法取相鄰礦區的參數，最終確定本工程地表移動參數如表1。

表1 地表移動預計參數

（三）地表變形預計

采用基于概率積分法的MSCS 開采沉陷預計系統對大佛寺煤礦40119 開采工作面開采后的沉陷變形進行預估，該工作面開采結束后采空區最終的變形預估結果為：

1.最大下沉值：Wmax=-3137mm；

2.最大傾斜值：imax=19.6mm/m（東西方向）；

3.最大曲率值：Kmax=-0.28mm/m2（東西方向）；

4.最大水平移動值：Umax=1217mm（東西方向）；

5.最大水平變形值：εmax=-17.05mm/m（東西方向）。

目前24#塔位于開采下沉盆地的中央，以下沉變形為主，下沉值約為3020mm；塔位處地表傾斜變形較小，傾斜值約為4.2mm/m，按塔位按對角跟開約為18m，則兩塔腿的最大沉降差為75.6mm；塔位處的水平變形為-4.05mm/m（東西方向）。若該塔位位于地表最大傾斜處，則塔位處下沉值約為1850mm，傾斜值約為19.6mm/m，沉降差為352.8mm。

可見，塔位在采空區中的位置不同，塔基的傾斜值也相差較大。目前24#塔位所在位置以下沉變形為主，傾斜相對較小。

三、輸電線路塔基穩定性評價

根據《架空送電線路基礎設計技術規定》等相關規范的規定，普通基礎的輸電線路桿塔可承受的地基傾斜極限值為5‰（5mm/m）；根據規范中相關規定，桿塔在整體鋼筋混凝土基礎上的水平變形極限為7mm/m，而高壓線桿塔大板基礎在受力、結構等方面與此吻合，因此取大板基礎水平變形極限值為7mm/m。

本次地表變形預計，24#塔位的傾斜值約為4.2mm/m，水平變形約為-4.05mm/m，均小于規范的最大限值，因此該塔位開采后塔基穩定，可不采取結構處理措施。若該塔基位于地表最大傾斜處，此時塔位處下沉值約為1850mm，傾斜值約為19.6mm/m，即使采用大板基礎，也無法滿足塔位穩定性要求。

四、輸電線路桿塔應急措施

與常規的工程不同，采空區的輸電線路在地表發生變形時一般不采用地基加固方案，而是采取以桿塔糾偏為主的處理方案。鑒于輸電線路的特點，采空區塌陷后地表變形程度不同所采取的應急處理措施一般也有所區別，輸電線路工程中一般可采用以下應急處理措施：（一）若采空區的地表沉降量不大、水平位移在規定以內時，可采用帶電扶正鐵塔，如在鐵塔基礎下加墊塊扶正塔身或調節地腳螺栓扶正塔身，優點是工期短、投資小、易實施，是最佳的臨時處理方案。（二）若采空區地表變形較大，且輸電線路桿塔基礎為獨立式基礎，可首先采取基礎加固措施，將塔基改為整體式基礎，如設置連梁，以增加基礎的整體性，然后進行塔基糾偏，此類方法工期較長，投資大，為保證鐵塔安全，尚需設置鐵塔拉線等輔助措施。（三）當輸電線路鐵塔基礎變形超過允許值、鐵塔塔材發生較大的彎曲變形、鐵塔傾斜過大造成導線斷線時，則應盡早改線。此外，在煤炭采空區的塔位，還應加強監測，隨時掌握變形發展趨勢以便及時進行應急處理。

五、結論

通過對煤炭采空區的某750kV 輸電線路塔基地表變形的預計分析，對塔基在煤炭開采后的變形程度進行了預估，結合塔基在采空區中的位置，對輸電線路塔基的穩定性進行了評價，通過以上分析得出以下結論：（一）若鐵塔位于開采工作面的中央，即地表移動盆地的中間區，因塔基的傾斜值相對較小，塔位總體較安全；而當塔基位于開采工作面邊緣，即地表移動盆地邊緣區時，因塔基處地表的傾斜值較大，往往超過規范允許的變形限制，使鐵塔處于不安全狀態。（二）概率積分法用于采空區輸電線路塔基穩定性評價時，當無實測變形資料時，可通過考慮覆巖巖性、采深采厚比、工作面特點、開采條件等綜合確定地表移動預計參數，該方法的定量評價結果為輸電線路塔基位置選擇、塔基基礎形式選擇及地表變形后桿塔應急處理等提供了依據。（三）煤炭采空區輸電線路塔基的應急處理應結合地表變形程度、鐵塔傾斜水平及煤礦煤炭資源開采規劃選擇，處理措施宜短期措施和長期措施相結合，以確保輸電線路正常運行。