高壓線塔下特厚急傾斜煤層首采面開切眼位置優(yōu)化研究

閻躍觀，戴華陽，范振東，鄒　彪，靳瑞青，韓春云

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083; 2.華亭煤業(yè)集團(tuán)公司中東峽煤礦，甘肅平?jīng)?44100; 3.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽淮南232000)

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高壓線塔下特厚急傾斜煤層首采面開切眼位置優(yōu)化研究

閻躍觀1，戴華陽1，范振東2，鄒彪1，靳瑞青2，韓春云3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083; 2.華亭煤業(yè)集團(tuán)公司中東峽煤礦，甘肅平?jīng)?44100; 3.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽淮南232000)

［摘要］以甘肅華亭某礦特厚急傾斜煤層開采為研究對象，采用開采沉陷預(yù)計(jì)和開采實(shí)踐，針對采動影響區(qū)多基高壓線塔進(jìn)行了首采面開切眼優(yōu)化設(shè)計(jì)。揭示了不同開切眼位置對各基高壓線塔的采動影響情況，得出了各塔塔頂偏移量與開切眼位置的關(guān)系曲線，分析了高壓線塔與工作面的相對位置和塔頂偏移量的關(guān)系，確定了首采面開切眼優(yōu)化位置，進(jìn)行了開采實(shí)踐和地面監(jiān)測。在未采取任何糾偏維護(hù)措施的情況下，地面10基高壓線塔均安全運(yùn)行，說明首采面開切眼優(yōu)化位置基本合理，可為類似的多基高壓線塔下采煤提供依據(jù)。

［關(guān)鍵詞］高壓線塔，特厚急傾斜煤層，開切眼，位置優(yōu)化，塔頂偏移量

［引用格式］閻躍觀，戴華陽，范振東，等.高壓線塔下特厚急傾斜煤層首采面開切眼位置優(yōu)化研究［J］.煤礦開采，2015，20(2) : 66－69.

我國礦區(qū)眾多，大小礦井幾十萬個(gè)，遍布全國各地。高壓線路過采動影響區(qū)幾乎是一個(gè)不能回避的現(xiàn)實(shí)問題［1］。地下礦產(chǎn)的大面積開采，必然引起采空區(qū)上方地表的移動和變形，有時(shí)會造成礦區(qū)建(構(gòu))筑物的損害［2－3］。對于高壓線塔，輕則可造成基礎(chǔ)傾斜、開裂、桿塔變形，重則造成基礎(chǔ)沉陷、桿塔傾倒、檔距變化，嚴(yán)重威脅輸電線路的安全運(yùn)行［4－5］。國內(nèi)外學(xué)者對高壓線塔下采煤進(jìn)行了相關(guān)的研究［6－14］。美國Bernett，T.W針對Brunot Island－Collier 345kV高壓線路，其中有40個(gè)線桿、5個(gè)線塔經(jīng)過Pittsburgh礦區(qū)，采用打鉆(直徑152.4mm)向采空區(qū)充填骨料的方法增強(qiáng)穩(wěn)定性，減少空洞塌陷來保證高壓線塔的安全運(yùn)營［6］。郭文兵、鄭彬等指出對于高壓線塔，應(yīng)建立基于鐵塔結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)、線路協(xié)同變形理論的高壓線鐵塔下采煤安全防護(hù)理論和技術(shù)維護(hù)措施［7－9］，共對金龍煤業(yè)公司高壓線塔下21081工作面放頂煤開采進(jìn)行了研究，結(jié)果表明高壓線鐵塔抵抗地表變形能力大于一般建(構(gòu))筑物，隨工作面推進(jìn)過鐵塔距離的增大，鐵塔中心下沉速度呈對數(shù)衰減［7］。

綜合分析可知，研究成果主要集中在單基高壓線塔下緩傾斜煤層開采和高壓線塔的安全防護(hù)以及技術(shù)維護(hù)措施等方面，對多基高壓線塔下特厚急傾斜煤層開采的相關(guān)研究并不多。甘肅華亭某礦首采面220開采就影響到地面10基高壓線塔，且高壓線塔的移動變形值與開切眼的位置選擇有直接關(guān)系。因此本文以高壓線塔安全運(yùn)行、盡可能多回收煤炭資源為指導(dǎo)思想，針對該區(qū)域具體的地質(zhì)采礦條件，以及無法移線、換塔的實(shí)際情況，通過開采沉陷預(yù)計(jì)和開采實(shí)踐，進(jìn)行了多基高壓線塔下特厚急傾斜煤層首采工作面開切眼位置優(yōu)化研究。

1　工作面與高壓線塔概況

1.1工作面概況

井田內(nèi)地勢東南高，西北低，最高海拔高度+ 1701.3m，最低海拔高度+1525.1m。松散層厚度平均約100m，頂?shù)装逯饕陨皫r為主，屬于中硬巖性，沒有大的斷裂和褶曲構(gòu)造，主采6號煤層，煤層傾角53°，開采厚度10m，為特厚急傾斜煤層。220工作面位于井田邊界，為區(qū)段內(nèi)首采面，采用分水平區(qū)段，區(qū)段內(nèi)大傾角傾斜走向長壁綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，采2.5m放7.5m的采放比，采出率85%。工作面斜長60m，階段垂高41m，下巷開采深度540m。

1.2 10基高壓線塔分布情況

220工作面采動影響范圍內(nèi)有2條110kV高壓線路，共涉及10基高壓線塔，其中轉(zhuǎn)角塔4基，直線塔6基，塔高31.6m，基礎(chǔ)間距為4.5m，高壓線塔均位于220工作面開切眼一側(cè)，各塔均位于頂板一側(cè)，其分布情況與工作面位置關(guān)系見圖1。

圖1　10基高壓線塔與工作面位置關(guān)系

2　首采面開切眼位置方案

2.1工作面不同開切眼位置方案

設(shè)計(jì)12種開切眼位置方案并分別對其進(jìn)行采動影響分析。方案一為全采，即220工作面開切眼位于井田西北邊界處，其余方案為開切眼位置分別向東南方向縮短50m，即方案二、三、……、十二的開切眼分別距離井田邊界50m，100m，……，550m，如圖1中①，……，(12)。

2.2預(yù)計(jì)參數(shù)選取

采用皮爾遜Ⅲ型公式法進(jìn)行預(yù)計(jì)分析［10－11］，高壓輸電線路屬于線型地物，預(yù)計(jì)時(shí)選擇線路的走向方向作為計(jì)算方向。根據(jù)歷年來實(shí)測分析、現(xiàn)場調(diào)研和工作經(jīng)驗(yàn)，確定220工作面開采預(yù)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1　沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)

3　采動影響分析

限于篇幅，僅給出按照方案一開采后，首采面220全采后地表下沉等值線圖和傾斜等值線圖，如圖2和圖3所示。

圖2　方案一220工作面開采后地表下沉等值線

圖3　方案一220工作面開采后地表傾斜等值線

就高壓線塔本身而言，屬于點(diǎn)狀地物，是底面積很小而高度很大的高聳構(gòu)筑物，傾斜變形對其影響最嚴(yán)重［12］，通過地表最大的傾斜變形值和高壓線塔高度，可以計(jì)算出塔頂偏移量，表2為按照各方案開采后地表最大傾斜變形與高壓線塔塔頂偏移量。繪制出10基高壓線塔塔頂偏移量與開切眼距井田邊界距離關(guān)系圖，見圖4。

表2　各方案地表最大傾斜變形與高壓線塔塔頂偏移量

由表2和圖4分析可知:同一方案對不同地面位置的影響差別較大，因此很難確定一種對10基高壓線塔都影響輕微的開切眼方案?？傮w上看首采面220開切眼離井田邊界越近，則對各基塔的影響越大，塔頂偏移量隨開切眼離井田邊界距離增大而減小。對于1號、2號、3號和53號塔，距離工作面較近，當(dāng)開切眼位于該塔附近時(shí)，其塔頂偏移量可能會劇增，此時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募m偏維護(hù)措施。對于4N號、4S號、5N號、5S號和54號塔，位于工作面下山一側(cè)較遠(yuǎn)的位置，開切眼位置選擇不會對塔頂偏移量造成劇增。對于6號塔，距離工作面最遠(yuǎn)，其塔頂偏移量也最小，移動變形量也最平穩(wěn)。

圖4　各基塔塔頂偏移量與開切眼距井田邊界距離關(guān)系

110～500kV架空送電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范(GB 50233－2005)中規(guī)定，輸電線路高壓線塔基礎(chǔ)的最大傾斜為3‰，按塔高31.6m計(jì)算，塔頂最大允許偏移量為95mm。由圖4分析可知，當(dāng)首采面開切眼位置距離井田邊界320m時(shí)，除1號和53號塔外，其余8基高壓線塔均在最大允許移動變形范圍內(nèi)。若距離小于320m，則會有5基塔超過最大允許偏移量。

通過綜合分析，確定首采面220開切眼距離井田邊界320m時(shí)作為優(yōu)化位置。該位置開采后對1號和53號高壓線塔的影響較大，塔頂最大偏移量分別達(dá)到135mm和110mm，工作面開采期間需要對這2基采取適當(dāng)?shù)募m偏維護(hù)措施。對其余8基塔的影響較小，工作面開采期間應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。

4　開采實(shí)踐與實(shí)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)開切眼優(yōu)化設(shè)計(jì)位置，在現(xiàn)場進(jìn)行了220工作面的開采實(shí)踐并布設(shè)了地表移動觀測站。由于在巷道掘進(jìn)過程中揭露導(dǎo)水?dāng)鄬?，不能按照?yōu)化位置布置開切眼，而改為距離井田西北邊界360m處布設(shè)開切眼。目前220工作面已經(jīng)回采420m。在工作面推進(jìn)過程中共進(jìn)行了4次觀測，并根據(jù)1號和53號高壓線塔處地表觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。圖5為地表觀測線實(shí)測下沉曲線，圖6為1號和53號高壓線塔基處不同時(shí)間地表最大傾斜變形值。

圖5　地表觀測線實(shí)測下沉曲線

圖6　1號和53號高壓線塔基處地表最大傾斜變形值

1號塔附近地表最大傾斜變形為2.0mm/m，可得塔頂偏移量為63mm，53號塔附近地表最大傾斜變形為3.5mm/m，可得塔頂偏移量為111mm。預(yù)測結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合，在沒有采取任何糾偏維護(hù)措施的情況下，地面10基高壓線塔均安全運(yùn)行，驗(yàn)證了首采面開采眼優(yōu)化位置基本合理。

5　結(jié)論

(1)針對多基高壓線塔下特厚急傾斜煤層開采問題，設(shè)計(jì)了12種首采面開切眼位置方案，采用皮爾遜Ⅲ型公式對各基塔進(jìn)行了采動影響分析，得出了不同方案各基塔的塔頂偏移量。

(2)分析了高壓線塔與工作面的相對位置和塔頂偏移量的關(guān)系。高壓線塔離開切眼位置越近，其塔頂偏移量越容易劇增;距離開切眼位置越遠(yuǎn)，其塔頂偏移量變化越平穩(wěn)。

(3)分析確定了首采面220開切眼距離井田邊界320m時(shí)作為優(yōu)化方案。受導(dǎo)水?dāng)鄬佑绊?，布置首采面?shí)際開切眼距離井田邊界360m，根據(jù)1號和53號高壓線塔附近的地表實(shí)測資料進(jìn)行了塔頂偏移量計(jì)算，分別為63mm和111mm。實(shí)測與預(yù)測結(jié)果比較吻合，地面10基高壓線塔在未采取任何糾偏維護(hù)措施的情況下均正常安全運(yùn)行，表明首采面開采眼優(yōu)化位置基本合理。

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［責(zé)任編輯:徐乃忠］

Location Optimization of Open-off Cut in Steeply-inclined and Extremely-thick Coal-seam under High-voltage Line Tower

YAN Yue-guan1，DAI Hua-yang1，F(xiàn)AN Zhen-dong2，ZOU Biao1，JIN Rui-qing2，HAN Chun-yun3

(1.Earth Science＆Surveying Engineering School，China University of Mining＆Technology (Beijing)，Beijing 100083，China;
2.Zhongdongxia Colliery，Huating Coal Group Corporation，Pingliang 744100，China;
3.Huainan Coal Mining Group Corporation Ltd.，Huainan 232000，China)

Abstract:In order to optimizing open-off cut location of first mining face in extremely-thick and steeply-inclined coal-seam in a mine of Huating Coal，mining influence of different open-off cut location on every high-voltage line tower was revealed.The relationship curve of offset of tower top and open-off cut location was obtained and national open-off cut location was decided.By mining practice and surface monitoring，it was found that all high-voltage line towers were in safe operation without applying any protection measures，which showed that the open-off cut location was rational and could provide reference for similar condition.

Keywords:high-voltage line tower; extremely-thick steeply-inclined coalseam; open-off cut; location optimization; offset of tower top

［作者簡介］閻躍觀(1981－)，男，山西太原人，講師，工學(xué)博士，從事開采沉陷、大地測量、變形監(jiān)測等方面的研究。

［基金項(xiàng)目］國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51404272) ;高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20110023110014) ;中國礦業(yè)大學(xué)(北京)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(Y20131208，Y20141202)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.019

［收稿日期］2014－09－15

［中圖分類號］TD822.2

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0066-04