采空區(qū)對(duì)輸電線路塔基穩(wěn)定性影響及應(yīng)急處理

摘" 要：某750kV輸電線路工程部分塔基位于煤炭采空區(qū)內(nèi)，文章采用概率積分法對(duì)采空區(qū)地表變形進(jìn)行了預(yù)計(jì)，根據(jù)變形預(yù)計(jì)結(jié)果對(duì)輸電線路塔基的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并提出了地表塌陷變形后桿塔應(yīng)急搶修的處理措施。

關(guān)鍵詞：采空區(qū);輸電線路塔基;概率積分法;塔基穩(wěn)定性評(píng)價(jià);應(yīng)急處理

中圖分類號(hào)：TD61" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2021）13-0126-03

Abstract： Part of the tower foundation of a 750kV transmission line project is located in the coal goaf. In this paper， the probability integration method is used to predict the surface deformation of the goaf， the stability of the tower foundation of the transmission line is evaluated according to the predicted results of deformation， and the emergency repair measures of the tower after surface collapse are put forward.

Keywords： goaf; tower foundation of the transmission line; probability integration method; tower foundation stability evaluation; emergency treatment

陜西省煤炭資源豐富，煤炭開(kāi)采區(qū)往往也是煤電外送的起點(diǎn)和必經(jīng)通道，各類電力工程在煤炭采空區(qū)建設(shè)將面臨采空區(qū)沉陷引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

某750kV輸電線路工程穿越陜西省東部的黃隴侏羅紀(jì)煤田，根據(jù)調(diào)查了解，結(jié)合采空區(qū)的巖性、地質(zhì)條件、采空條件等分析，采空區(qū)地表變形較嚴(yán)重，可能影響輸電線路塔基的穩(wěn)定性，為了確保輸電線路塔基安全可靠，采用基于概率積分法的MSCS開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)對(duì)該采空區(qū)的24#桿塔進(jìn)行了地表變形預(yù)計(jì)，并對(duì)桿塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，提出了地表沉陷變形后桿塔的應(yīng)急搶修處理措施。

1 工程概況

1.1 輸電線路概況

某750kV輸電線沿線經(jīng)過(guò)國(guó)家規(guī)劃礦區(qū)的彬長(zhǎng)礦區(qū)，主要涉及小莊井田、亭南煤礦、大佛寺煤礦及彬長(zhǎng)詳查區(qū)。其中亭南煤礦和大佛寺煤礦在線路設(shè)計(jì)前已經(jīng)建礦并開(kāi)始開(kāi)采;小莊井田在線路建成以后取得礦權(quán)，并于2014年8月開(kāi)始開(kāi)采。具體到各塔位：15#～29#塔位（共15基）在大佛寺煤礦開(kāi)采范圍內(nèi);14#塔位（共1基）在亭南煤礦的采礦權(quán)范圍內(nèi);3#～12#塔位（共10基）在小莊井田內(nèi);1#～2#、13#塔位（共3基）在彬長(zhǎng)詳查區(qū)內(nèi)。

1.2 采空區(qū)煤層埋藏特征

線路所經(jīng)地段的含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y），根據(jù)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(jù)地質(zhì)資料，在線路評(píng)價(jià)范圍區(qū)內(nèi)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(píng)價(jià)范圍區(qū)分布，結(jié)構(gòu)單一，可采面積561.3萬(wàn)m2，煤層厚度0～24.16m，平均厚度14.10m，屬特厚煤層，線路經(jīng)過(guò)地段4煤層采深采厚比一般為30～100。

1.3 采空區(qū)煤層埋藏特征

本次評(píng)價(jià)針對(duì)位于大佛寺煤礦的24#塔位開(kāi)展，該煤礦開(kāi)采方式為綜采，一次采全高。根據(jù)在該煤礦收集到的資料，大佛寺煤礦目前開(kāi)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(kāi)采工作面中央，該工作面主要開(kāi)采4煤層，該煤層近水平，目前開(kāi)采煤層厚度約11m。

2 輸電線路塔基地表變形預(yù)計(jì)

2.1 預(yù)計(jì)方法

采空區(qū)地表變形預(yù)計(jì)目前使用較廣泛的概率積分法，其基礎(chǔ)為隨機(jī)介質(zhì)理論，因其預(yù)測(cè)公式中含有概率積分而得名。該方法將開(kāi)采引起的地表移動(dòng)看作隨機(jī)事件，從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度，認(rèn)為任意開(kāi)采條件下都可以把整個(gè)開(kāi)采分解許多或無(wú)限多個(gè)微小單元的開(kāi)采，整個(gè)開(kāi)采對(duì)地表的影響等于所有單元開(kāi)采的影響總和，因而可從單元開(kāi)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(tài)分布，且與概率密度的分布一致。因此，整個(gè)開(kāi)采引起的下沉盆地的剖面方程式，可表示為概率密度函數(shù)的積分公式。這種方法經(jīng)過(guò)眾多學(xué)者30多年的研究，目前已成為我國(guó)較成熟的、應(yīng)用最為廣泛的采煤沉陷預(yù)測(cè)方法之一。

概率積分法地表移動(dòng)和變形計(jì)算原理圖如圖1所示。

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

Weoi（x，y）=（1/r2）·exp（-π（x-xi）2/r2）·exp（-π（y-yi+li）2/r2），（1）

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(diǎn)的平面坐標(biāo);（x，y）：地表任一點(diǎn)的坐標(biāo)。

2.2 預(yù)計(jì)參數(shù)的確定

工程實(shí)際中地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)概率積分參數(shù)的確定主要有兩種途徑：（1）通過(guò)礦山實(shí)測(cè)資料確定，由于根據(jù)實(shí)測(cè)資料確定的參數(shù)能客觀反映礦區(qū)地表移動(dòng)變形的情況，所以預(yù)測(cè)能取得較理想的效果;（2）通過(guò)工程類比確定。工程類比適用于沒(méi)有實(shí)測(cè)資料的新礦山，它主要是根據(jù)礦山的地質(zhì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析確定地表移動(dòng)參數(shù)，或直接取同類條件礦山已有的地表移動(dòng)參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)分析礦山地表移動(dòng)變形情況，但選取礦山條件的不同，會(huì)使確定的參數(shù)有很大出入，通常在本礦山開(kāi)展監(jiān)測(cè)活動(dòng)后，利用實(shí)測(cè)資料確定的參數(shù)對(duì)工程類比參數(shù)進(jìn)行修正，以確保預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

本輸電線路所經(jīng)過(guò)的礦區(qū)目前暫未設(shè)置地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，本次結(jié)合區(qū)域上覆巖性的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P和地質(zhì)、開(kāi)采技術(shù)條件，利用類比方法取相鄰礦區(qū)的參數(shù)，最終確定本工程地表移動(dòng)參數(shù)如表1。

2.3 地表變形預(yù)計(jì)

采用基于概率積分法的MSCS開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)對(duì)大佛寺煤礦40119開(kāi)采工作面開(kāi)采后的沉陷變形進(jìn)行預(yù)估，該工作面開(kāi)采結(jié)束后采空區(qū)最終的變形預(yù)估結(jié)果為（見(jiàn)圖2-圖4）：

（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(dòng)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(kāi)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(duì)角跟開(kāi)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(jiàn)，塔位在采空區(qū)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(duì)較小。

3 輸電線路塔基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

根據(jù)《架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》等相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，普通基礎(chǔ)的輸電線路桿塔可承受的地基傾斜極限值為5‰（5mm/m）;根據(jù)規(guī)范中相關(guān)規(guī)定，桿塔在整體鋼筋混凝土基礎(chǔ)上的水平變形極限為7mm/m，而高壓線桿塔大板基礎(chǔ)在受力、結(jié)構(gòu)等方面與此吻合，因此取大板基礎(chǔ)水平變形極限值為7mm/m。

本次地表變形預(yù)計(jì)，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(guī)范的最大限值，因此該塔位開(kāi)采后塔基穩(wěn)定，可不采取結(jié)構(gòu)處理措施。若該塔基位于地表最大傾斜處，此時(shí)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(chǔ)，也無(wú)法滿足塔位穩(wěn)定性要求。

4 輸電線路桿塔應(yīng)急措施

與常規(guī)的工程不同，采空區(qū)的輸電線路在地表發(fā)生變形時(shí)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(diǎn)，采空區(qū)塌陷后地表變形程度不同所采取的應(yīng)急處理措施一般也有所區(qū)別，輸電線路工程中一般可采用以下應(yīng)急處理措施：（1）若采空區(qū)

的地表沉降量不大、水平位移在規(guī)定以內(nèi)時(shí)，可采用帶電扶正鐵塔，如在鐵塔基礎(chǔ)下加墊塊扶正塔身或調(diào)節(jié)地腳螺栓扶正塔身，優(yōu)點(diǎn)是工期短、投資小、易實(shí)施，是最佳的臨時(shí)處理方案。（2）若采空區(qū)地表變形較大，且輸電線路桿塔基礎(chǔ)為獨(dú)立式基礎(chǔ)，可首先采取基礎(chǔ)加固措施，將塔基改為整體式基礎(chǔ)，如設(shè)置連梁，以增加基礎(chǔ)的整體性，然后進(jìn)行塔基糾偏，此類方法工期較長(zhǎng)，投資大，為保證鐵塔安全，尚需設(shè)置鐵塔拉線等輔助措施。（3）當(dāng)輸電線路鐵塔基礎(chǔ)變形超過(guò)允許值、鐵塔塔材發(fā)生較大的彎曲變形、鐵塔傾斜過(guò)大造成導(dǎo)線斷線時(shí)，則應(yīng)盡早改線。此外，在煤炭采空區(qū)的塔位，還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，隨時(shí)掌握變形發(fā)展趨勢(shì)以便及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急處理。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)煤炭采空區(qū)的某750kV輸電線路塔基地表變形的預(yù)計(jì)分析，對(duì)塔基在煤炭開(kāi)采后的變形程度進(jìn)行了預(yù)估，結(jié)合塔基在采空區(qū)中的位置，對(duì)輸電線路塔基的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，通過(guò)以上分析得出以下結(jié)論：（1）若鐵塔位于開(kāi)采工作面的中央，即地表移動(dòng)盆地的中間區(qū)，因塔基的傾斜值相對(duì)較小，塔位總體較安全;而當(dāng)塔基位于開(kāi)采工作面邊緣，即地表移動(dòng)盆地邊緣區(qū)時(shí)，因塔基處地表的傾斜值較大，往往超過(guò)規(guī)范允許的變形限制，使鐵塔處于不安全狀態(tài)。（2）概率積分法用于采空區(qū)輸電線路塔基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，當(dāng)無(wú)實(shí)測(cè)變形資料時(shí)，可通過(guò)考慮覆巖巖性、采深采厚比、工作面特點(diǎn)、開(kāi)采條件等綜合確定地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)，該方法的定量評(píng)價(jià)結(jié)果為輸電線路塔基位置選擇、塔基基礎(chǔ)形式選擇及地表變形后桿塔應(yīng)急處理等提供了依據(jù)。（3）煤炭采空區(qū)輸電線路塔基的應(yīng)急處理應(yīng)結(jié)合地表變形程度、鐵塔傾斜水平及煤礦煤炭資源開(kāi)采規(guī)劃選擇，處理措施宜短期措施和長(zhǎng)期措施相結(jié)合，以確保輸電線路正常運(yùn)行。

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