煤礦采動影響區對輸電線路塔基穩定性影響的分析和評價
——以某輸電線路壓覆煤礦為例

張 義 楊 煜 陳曉鋒

（四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610041）

0 引言

近年來，隨著國家經濟的高速發展，新建的架空輸電線路可選擇的路徑走廊越來越受限，要穿越煤礦采動影響區的情況不可避免[1]。位于煤礦采動影響區的塔基受到采空區地表移動變形的影響，鐵塔對不均勻沉降和地表傾斜很敏感，其穩定性將直接關系到電網的安全性，采取的處理措施又直接影響工程投資造價。因此，客觀分析和評價位于煤礦采動影響區的塔基的穩定性顯得特別重要。本文以某特高壓輸電線路方案壓覆煤礦采動影響區為例，開展采空區鐵塔地基穩定性評價，分析煤礦采動影響區對輸電線路的影響，為輸電線路鐵塔的安全運行提供技術依據。

1 工程概況

某特高壓輸電線路方案設計路徑由西北向東南穿越山西西南河東煤田某煤礦走線，壓覆礦權范圍長度約1.6km，設計路徑長度約2.9km。路徑方案有3基鐵塔位于煤礦內部，編號分別為N2、N3、N4；有3基鐵塔位于煤礦范圍外，編號分別為N1、N5、N6。

2 礦區地質條件和基本特征概述

2.1 礦區地質條件概述

路徑區域上位于晉西黃土高原南端，屬典型的低中山黃土地貌。地層由老至新依次為奧陶系中統峰峰組，石炭系中統本溪組、上統太原組，二疊系下統山西組、下石盒子組、上統上石盒子組、石千峰組，三疊系下統劉家溝組，新近系及第四系。巖性主要為泥巖、粉砂巖、灰巖、以及上覆黃土。地質構造總體形成走向北北東向、北西傾斜的單斜構造。礦區范圍無常年性河流；地下水主要為裂隙水。

2.2 礦區基本特征概述

該煤礦采用長壁式綜采采煤法，一次性采全高，全部垮落法管理頂板，采掘面寬度一般為130m～150m，長度500m～1000km，工作面的回采率95%。

可采煤層自上而下共三層，分別為山西組2上號、2下號、太原組10號，煤層傾角16～25°，其特征見表1。

表1 可采煤層特征表

該礦采用聯合布置開采2上號和2下號煤層，后期延深開采10號煤層。其中2上、2下號煤層劃分為3個采區，分別為一采區、二采區和三采區；10號煤層劃分為4個采區，分別為四采區、五采區、六采區和七采區。采區接替順序為一采區→二采區→三采區→四采區→五采區→六采區→七采區。開采順序采用先易后難、由近及遠、自上而下的原則。

3 路徑區煤層采區分布及開采現狀

根據現場踏勘，并結合儲量報告2上號和2下號煤層采掘工程平面圖，路徑通道的采掘面布置、采掘時間、及未采掘區域見表2和表3，圖1和圖2。

圖1 2上煤層采掘面分布、未開采區域、及塔位分布關系圖

圖2 2下煤層采掘面分布、未開采區域、及塔位分布關系圖

表2 2上號煤層采掘面及采掘統計時間表

表3 2下煤層采掘面及采掘時間統計表

路徑經過2上、2下號煤層的一采區、二采區，10號煤的四采區、五采區，目前正在位于二采區的2上05采掘面開采。路徑區自上而下可采煤層共三層，分別為山西組2上號、2下號、太原組10號，除一采區的2上煤層全部采完外，一采區的2下煤層、二采區的2上和2下煤層均未采完，且10號煤層未開始開采。

4 預計塔位處于采動影響區的地段及采深采厚比

4.1 礦界內的塔位分析

N2塔位于二采區2上煤層計采區、二采區2下02采掘面的邊緣，受到2上、2下、和10號煤層共3層煤的開采影響，屬未來采動影響區，根據鄰近的鉆孔BL1101的資料，煤層采深采厚比約為134～144（表4）。根據第8.1.3條[2]，建議采用增加地腳螺栓外露長度、鋼筋混凝土板式基礎、并設置防護大板的措施。

N3、N4塔位于二采區2下未開采面的邊緣，屬于2下未采掘面形成的移動盆地的影響邊緣區，受到2層煤（2下和10號）的開采影響，屬2上煤層的老采動影響區、2下和10號煤層的未來采動影響區，2下煤層的開采可能引起上部2上煤層老采動影響區的復活，變為現采動影響區。二采區2下未開采面長度約500m、寬約130m，預計工作面回采率95%。根據附件的鉆孔BL1103的資料，煤層采深采厚比約為31～35，預計開采后地面將出現位移及沉降，預計地面位移時間在線路投運后（表4）?？紤]到長壁式開采、采掘面、回采率等因素疊加，N3、N4塔位場地不宜立塔[3]。

表4 路徑壓覆煤礦段塔位的采深采厚比統計

4.2 礦界外的塔位分析

根據公式r=H/tgβ[4]（其中，r為采空區邊界地表主要影響范圍半徑（m），H為開采深度（m），tgβ為主要影響角正切值），結合頂板巖性強度和覆蓋層厚度估算，估算礦界地表主要影響范圍半徑約為150m。因此，N1號塔距離礦區邊界約300m，位于采動影響區以外；N5、N6號塔距離礦區邊界分別為80m、90m，位于采動影響區以內，屬于外邊緣區，將影響塔基安全穩定。

5 預計塔位的臨界深度與實際采深對比分析

煤層開采后，開采的臨界深度H臨界=Hm+Hli+Zn+Hb，其中，Hm為垮落帶高度、Hli為斷裂帶高度、Zn為塔基附加應力影響深度、Hb為斷裂帶高度上部保護層厚度。

當H實際＞H臨界，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臨界，采空區地表變形強烈，場地不穩定。

根據《采動影響區架空輸電線路設計規范》（DL/T 5539-2018）附錄A，計算垮落帶高度Hm和斷裂帶高度Hli。

Zn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（2.5-0.41nB），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h即為附加應力影響深度Zn。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值采用普通基礎計算值。即：Zn=Z+h，其中，Z為附加應力深度。

Hb斷裂帶上部保護層厚度，一般取3～6倍的煤層厚度，頂板巖層硬度大，取小值；硬度小，取大值。

位于采空區的本工程各塔基根據臨界開采深度與實際采深相比較，判定各塔基穩定性結果見表5。

表5 臨界開采深度與實際開采深度比較判定表

6 預計塔位與已建A號塔對比分析

結合本工程塔位在礦區內的具體位置，與鄰近已建A號塔對比，A號塔在建設期間因采動影響發生了明顯沉降，最大下沉了2.4m。根據附錄C[2]，采用概率積分法計算該段各塔位在充分采動條件下最大沉降、最大水平變形值等，并與已建A號塔煤層對比。地質構造、采掘方式、頂板巖性強度、頂板管理方法、回采率等基本一致，因此將壓覆煤層、開采計劃等不一致的因素比較，得到預測變形情況，見表6～表8。

由表6～表8可以看出：1）由壓覆煤層情況來看，本工程N3和N4號塔的2下#煤層厚度3.2m與已建A號塔3.4m近于一致，但2下#煤層的采深采厚比（31）小于已建A號塔（41）；N2號塔的2下#煤層厚度（為0.94m）小于已建A號塔的2下#煤層厚度（為3.4m），2下#煤層采深采厚比（約142）大于已建A號塔的2下#煤層采深采厚比（41）。2）采掘面的開采順序和開采時間還未確定。由開采計劃采掘面來看，按照目前礦區的開采方式，充分采動后，N2、N3和 N4號塔均位于未來形成的移動盆地的影響邊緣區，預計將來N2、N3和 N4號塔的地表會有較大變形，尤其N3和N4號塔，且地面位移變形的時間在線路投運后，對鐵塔穩定影響較大。3）該礦采用長壁式綜采采煤法，一次采全高，采掘面一般130m～150m，長度500m～1000km，工作面的回采率95%，將形成較大的采空區。由預測變形可以看出， N3和N4塔基的地表最大傾斜變形、地表最大曲率變形和地表最大水平變形等三個參數均超過最大允許值范圍，N3和 N4號塔位從定量方面可判斷為采動不穩定區域。4）N2的煤層采深采厚比約為134～144，根據第8.1.3條[2]，建議采用增加地腳螺栓外露長度、鋼筋混凝土板式基礎、并設置防護大板的措施。5)根據煤礦收資，目前10#煤沒有開采計劃，預計將來在開采10#煤過程中會引起塔位的傾斜和下沉。根據鉆孔資料10#煤厚度2m～4.62m，距離2下#煤約60m～70m，根據煤礦開采的一般計劃，10#煤開采時，由2下#煤開采造成的地面變形已經結束，兩層煤開采累計變形量為兩次疊加，但由于10#煤采深采厚比與2下#煤接近，因此未來開采變形量與2下#煤接近。

表6 本工程預計塔位與已建A號塔煤層對比表

表8 N3和N4塔基地表移動變形預測表

綜上分析，因該煤礦開采時序的不確定性、本線路工程的重要性和開工的緊迫性，為確保線路塔基的安全，建議不采用穿過該煤礦的路徑方案。

7 結論

該文從煤礦采掘的方式、采掘面的布置和采掘的計劃入手，對采空區的破壞機理進行分析；采用采深采厚比計算分析、概率積分法計算分析，并結合該區域已建工程的案例對某輸電線路經過的采動影響區的塔基進行了穩定性分析和評價。

表7 N2號塔基地表移動變形預測表

根據估算礦界地表主要影響范圍半徑，礦界外的N1號塔位于采動影響區以外，塔基安全穩定；N5、N6號塔位于采動影響區以內，屬于采動影響區（地表移動盆地）的外邊緣區，將影響塔基安全穩定。

N3、N4塔位于2下煤層未來移動盆地的影響邊緣區，煤層采深采厚比約為31～35。由預測變形可以看出，N3和N4塔基的地表最大傾斜變形、地表最大曲率變形和地表最大水平變形等三個參數均超過最大允許值范圍，N3和 N4號塔位從定量方面判斷為采動不穩定區域，將影響鐵塔的安全穩定，場地不宜立塔。

該煤礦開采時序的不確定性、該線路工程的重要性和開工的緊迫性，為確保線路塔基的安全，建議采用避讓煤礦的路徑方案。