煤礦開采沉陷對高壓線塔的影響與變形分析

張廣寧

（晉能控股煤業集團趙莊二號井，山西 晉城 046605）

煤礦井下開采導致地表下沉變形、地面建（構）筑物的移動以及內外部結構的變形甚至破壞，造成巨大的財產和生命損失，廣大專家學者進行了大量的研究[1-5]。趙莊二號井田內村莊、高壓線、鐵路等建（構）筑物壓煤非常嚴重，給井下工作面的布置和生產的銜接帶來很大困擾。

1 工程概況

趙莊二號井井田地層由老至新依次為古生界奧陶系、石炭系及二疊系，新生界上第三系及第四系，含煤地層主要為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組。構造總體為一背向斜相間的褶曲構造，兩翼傾角8°～15°。趙莊二號井在西盤區北部堡神線、神良線和堡良線三趟220 kV 高壓線，共9 座高壓線塔下方布置了2309、2307 工作面。工作面開采煤層3 號煤層，為近水平煤層，蓋山厚度481～516 m，煤層厚3.9～4.5 m，采用輕型綜采放頂煤工藝，液壓支架自移全部垮落法管理頂板。

2 開采沉陷對高壓輸電電路的影響

地下煤層開采后使巖層產生移動、變形和破壞，開采面積達到一定范圍后，會引起地表移動與變形，進而對影響范圍內的地表建（構）筑物產生附加應力影響，達到一定極限將導致建（構）筑物發生變形甚至破壞。開采沉陷產生的地面變形主要有垂直方向的移動和變形（下沉、傾斜、曲率、扭曲），水平方向的移動和變形（水平移動、拉伸與壓縮變形）以及地表平面內的剪應變三類。非均勻的移動和變形，將直接對高壓輸電線路桿塔的基礎、桿塔、檔距產生影響，引起高壓輸電線路其他元素的變形，對高壓輸電線路的正常運行有不利影響。對輸電線路有明顯影響的變形指標是下沉、傾斜和水平變形。其中，傾斜變形對高壓線塔的安全威脅最大，在地表移動變形分析、開采方案優化和后期的變形監測過程中，均應著重考慮傾斜變形指標。

3 高壓線塔變形監測

3.1 測點的設置

為了準確、及時地掌握高壓線塔的移動與變形情況，選擇堡神線22#、神良線83#、84#和堡良線24#、25#線塔進行沉降變形觀測。高壓線鐵塔的觀測主要為鐵塔基礎沉陷變形觀測，在每個鐵塔四角獨立的基礎上各標出一點作為鐵塔基礎移動與變形的觀測點。觀測參照三等水準測量的精度，地表移動活躍期，每10 d 觀測一次，非活躍期，每月觀測一次；在采動前和地表移動基本穩定后，進行高壓線塔基礎的高程聯測。采動過程中對受影響的鐵塔及時進行觀察，主要有采動裂縫，裂縫出現時間、產狀及尺寸，桿（塔）體是否出現移動和變形等。

3.2 觀測數據分析

自2018 年7 月至2020 年12 月，線塔觀測站共進行了28 次水準測量。在2309 工作面開采過程中，工作面上方地表出現了明顯的下沉盆地，下沉盆地的范圍隨工作面的推進不斷向前延伸。根據線塔觀測站實測數據，計算了不同采動時期各鐵塔四角獨立基礎的下沉、傾斜變形值。在工作面開采期間，堡神線22#、神良線83#、84#和堡良線24#、25#線塔均出現了較為明顯的移動與變形。隨著工作面的開采，線塔基礎的移動與變形逐漸增大，并在一定時期后變形值趨于穩定，說明地表沉陷變形是連續漸變的，該過程符合開采沉陷的一般規律。堡神線22#、神良線83#、84#和堡良線24#、25#線塔的最大下沉值依次為1026 mm、1817 mm、54 mm、58 mm、62 mm，最大傾斜值依次為29.2 mm/m、13.6 mm/m、3.6 mm/m、4.2 mm/m、5.2 mm/m。2309 工作面回采經過堡神22#線塔下方時，是其變形值快速發育期，最大下沉速度為68.3 mm/d，此后下沉速度逐漸減小，線塔沉降趨于平緩。2307 工作面開采至其附近時，該線塔下沉再次明顯增大，達到24.2 mm/d，表明2307 開采引起2309 工作面的活化，導致地表再次出現較為明顯的沉降。

4 基于FLAC3D 開采沉陷數值模擬分析

4.1 計算模型及參數

根據趙莊二號井2309、2307 工作面的開采條件，建立基于FLAC3D程序的三維計算模型，本模擬采用摩爾－庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準則判斷巖體的破壞。模擬計算采用的巖體力學參數見表1。

表1 計算采用巖體力學參數

4.2 計算結果分析

（1）地表下沉盆地

根據FLAC3D的計算結果，采用TECPLOT 繪制了2309 及2307 工作面開采后地表的移動變形等值線，如圖1。

圖1 采后地表下沉盆地示意圖

由圖1 可見，2309 工作面開采后地面出現了較為明顯的下沉盆地，由于2309 工作面為不充分開采，地表下沉值較小，下沉盆地相對平緩。2309 和2307 工作面全部開采后，地表下沉值明顯增大，下沉盆地趨于陡峭，但下沉盆地中部未出現平底，表明兩個工作面開采仍未達到充分采動。

（2）地表移動分析

由圖2 地表下沉云圖可見：2309 工作面開采后，地表最大下沉值為1707 mm，下沉率為0.41；2307工作面亦開采后，地表最大下沉值為2436 mm，下沉率為0.58。可知，工作面開采范圍較小時，上覆基巖控制巖層移動與變形的能力較好，隨著開采范圍的擴大，上覆巖層破壞加劇，控制巖層與地表沉陷變形的能力逐漸降低，地表下沉值逐漸增加，對地面建（構）筑物的損害程度不斷加劇。

圖2 工作面開采后地表下沉云圖

（3）覆巖移動分析

由數值模擬分析得到2309、2309 和2307 工作面開采巖層豎直移動云圖（圖3）。可見：2309 工作面單獨開采后，巖層移動從下至上向地表傳播過程中，巖層內移動衰減更為明顯，大部分移動耗散在上覆巖層中，只有小部分傳遞到了地表。2309 工作面和2307 工作面全部開采后，上覆地層內移動衰減不甚明顯，采空區上方地層上下各點的下沉量相差不大，表明基巖控制地表沉陷變形的能力明顯下降，地層呈整體下沉趨勢，移動變形明顯加劇。

圖3 工作面開采后巖層豎直移動云圖

5 實測和數值模擬對比

現場地表實測2309 工作面開采后高壓線塔的最大下沉值達到1817 mm，FLAC3D數值模擬得到，2309 工作面開采后地表最大下沉值為1707 mm，兩種方法得到的最大下沉值基本一致。同時，地表實測和FLAC3D數值模擬得到地表變形規律一致，均是隨著工作面開采范圍增大，地表下沉數值增加。由此可見，現場實測和數值模擬均可對工作面開采后的地表下沉規律進行分析，數值模擬分析可以作為工作面回采前預測地表下沉的主要技術方法，工作面開采過程中進行現場實測，兩者可以起到相互驗證的作用。

6 結論

（1）通過分析開采沉陷對高壓輸電線路的影響，初步厘定了有明顯影響的變形指標是下沉、傾斜和水平變形，其中傾斜變形對高壓線塔的安全威脅最大。

（2）通過線塔變形監測可知：在工作面開采期間，堡神線22#、神良線83#、84#和堡良線24#、25#線塔均出現了較為明顯的移動與變形；隨著工作面的開采，線塔基礎的移動與變形逐漸增大，并在一定時期后變形值趨于穩定。

（3）數值模擬分析可知，在工作面開采范圍較小時，上覆基巖控制巖層移動與變形的能力較好，隨著開采范圍的擴大，上覆巖層破壞加劇，控制巖層與地表沉陷變形的能力逐漸降低，地表下沉值逐漸增加。