煤礦采動區(qū)輸電線路技術(shù)方案與變形治理技術(shù)

閻 濤，袁廣林，王永安

（1.中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院，山西 太原 030001；2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；3.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

煤礦采動區(qū)輸電線路技術(shù)方案與變形治理技術(shù)

閻 濤1，袁廣林2，王永安3

（1.中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院，山西 太原 030001；2.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008；3.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

指出采空區(qū)塌陷一直是影響山西省電力線路安全運行的重大隱患，分析了煤礦地下開采對山西省地面輸電桿塔的影響，提出了采動區(qū)輸電線路規(guī)劃設(shè)計技術(shù)，形成了線路通過沉陷區(qū)設(shè)計的技術(shù)方案，分析了采動區(qū)地基與基礎(chǔ)的設(shè)計方法，總結(jié)了采后區(qū)輸電線路的維修與治理方案，可為類似工程提供參考。

采動區(qū)；輸電線路；技術(shù)方案；變形治理

0 引言

近年來，隨著坑口電廠的大量建設(shè)，線路走廊日趨緊張，造成許多電力送出線路必須經(jīng)過煤礦采空區(qū)。以山西省為例，迄今為止，通過采空區(qū)的1 000 kV、500 kV、220 kV線路近千公里，受影響的輸電線路達到50多條。采空區(qū)塌陷會造成輸電線路桿塔傾斜、基礎(chǔ)下沉，嚴重影響線路的安全運行，有些線路甚至被迫停電、移塔、改線[1,2]。

國網(wǎng)山西省電力公司、山西省電力勘測設(shè)計院針對輸電線路通過煤礦采空區(qū)的特點，在線路技術(shù)方案設(shè)計、鐵塔變形治理等方面積累了較豐富的經(jīng)驗，在設(shè)計、運行和修復(fù)等方面創(chuàng)立了有效的技術(shù)和方法。本文對此予以總結(jié)，可為類似工程提供參考。

1 煤礦地下開采對地面輸電桿塔的影響

煤礦地下開采導(dǎo)致上覆巖體產(chǎn)生變形與移動，向上波及至地表，造成輸電桿塔和基礎(chǔ)發(fā)生變形，嚴重時將遭到損壞。不同的地表變形對輸電桿塔產(chǎn)生的影響也不同。

1.1 下沉對輸電桿塔的影響

通常，當(dāng)輸電桿塔所處的地表出現(xiàn)均勻下沉?xí)r，輸電桿塔的結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生附加應(yīng)力。在這種情況下，對輸電桿塔的危害不大，輸電桿塔只會產(chǎn)生位置的變化，但是，當(dāng)?shù)乇硐鲁亮看?，地下水位又很高時，會形成地面積水坑，改變了輸電桿塔所處環(huán)境，不僅影響輸電桿塔使用，而且輸電桿塔長期積水或過度潮濕時，將會影響輸電桿塔及基礎(chǔ)的強度和耐久性，危害輸電桿塔的正常使用。

1.2 傾斜對輸電桿塔的影響

地表傾斜變形將引起鐵塔基礎(chǔ)發(fā)生傾斜，使得輸電桿塔的重心發(fā)生偏離，相應(yīng)地增加了桿塔的傾覆力矩，有可能導(dǎo)致桿塔破壞，嚴重影響鐵塔的安全性。桿塔傾斜還會引起導(dǎo)線中的應(yīng)力重新分布，懸垂串將發(fā)生偏移產(chǎn)生各檔間不平衡張力，鐵塔傾斜還可能導(dǎo)致導(dǎo)線對地距離不足，鐵塔傾斜不一致還會導(dǎo)致桿間檔距相應(yīng)地擴大或縮小。

1.3 地表曲率變形對輸電桿塔的影響

地表的曲率變形會使地表由原來的平面狀態(tài)變成曲面狀態(tài)。曲率變形運動過程復(fù)雜，既有垂直方向上的沉降，又有水平方向上的移動；地表曲率破壞了輸電桿塔作用于基礎(chǔ)的荷載與基礎(chǔ)底面反力之間的初始平衡，地基反力重新分布，輸電桿塔會受到附加的彎矩和剪力作用。

1.4 地表水平變形對輸電桿塔的影響

地表的拉伸和壓縮變形稱為水平變形，它將造成輸電桿塔支腿間的相對運動，產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力。它對于獨立基礎(chǔ)的鐵塔影響較大，將會導(dǎo)致鐵塔下部根開增大（或減?。?，一般情況下，輸電桿塔抵抗拉伸的能力大于抵抗壓縮的能力。

2 通過采動區(qū)的輸電線路規(guī)劃設(shè)計技術(shù)

為防止和減輕采動變形對輸電桿塔的影響，除采取保護輸電鐵塔開采的技術(shù)措施外，還應(yīng)在輸電線路的規(guī)劃與布局、輸電桿塔的位置等方面加以限制或避免。

2.1 輸電線路規(guī)劃

輸電線路設(shè)計時應(yīng)盡量在地表變形過程已結(jié)束的地區(qū)或預(yù)計地表變形值較小的區(qū)域布置輸電桿塔?？傮w而言，選擇輸電線路路徑應(yīng)按下述原則進行。

a）線路路徑應(yīng)盡量避開煤礦沉陷比較嚴重的地段，當(dāng)必須通過時，應(yīng)盡量選擇開采結(jié)束3 a以上的礦區(qū)，使塔位落在趨于穩(wěn)定的采空區(qū)上方。

b）對開采深度淺的煤礦，地表可能發(fā)生劇烈變形、出現(xiàn)陷坑。因此路徑選擇時應(yīng)避免塔位落在開采深度淺的煤礦礦區(qū)，即采深與采厚之比H/m＜30的開采區(qū)。

c）根據(jù)目前礦山開采技術(shù)的發(fā)展，有條件的情況下，礦區(qū)輸電線路路徑盡量布置在采后充填的礦區(qū)，或者沿主巷道或在留有煤柱的附近布置。

d）盡可能避免線路在沉陷區(qū)內(nèi)設(shè)置耐張塔。當(dāng)必須設(shè)置時，應(yīng)盡可能減少轉(zhuǎn)角度數(shù)以減少地基的下壓力，同時應(yīng)盡量縮小耐張段長度，不使用直線轉(zhuǎn)角塔。

e）為提高線路的可靠性，對通過煤礦采空區(qū)的線路宜采用單回路設(shè)計。

f）直線、耐張塔的呼稱高應(yīng)根據(jù)采空區(qū)沉陷特點留有一定的裕度。

2.2 輸電鐵塔的位置

輸電桿塔所處位置、方向不同，采動區(qū)地表變形對其的影響也不同。因此，輸電桿塔布置時應(yīng)遵循以下原則。

a）塔位應(yīng)盡量避開煤礦的采空區(qū)，選擇平坦的地形。保護煤柱上方或建筑物（構(gòu)筑物）所處場地也是一個可行的選擇。

b）當(dāng)塔位必須布置在沉陷區(qū)時，應(yīng)盡量使輸電桿塔位于移動盆地的平底位置；一般說來，處于移動盆地盆底內(nèi)的輸電桿塔，其輸電線路方向宜與工作面推進方向垂直，其次是兩者平行，盡量避免斜交；如處于邊緣區(qū)，塔位應(yīng)盡量選擇在地勢開闊或平坦地段。

c）位于地表非連續(xù)變形區(qū)的輸電桿塔將遭受很大的地表變形帶來的影響，應(yīng)盡量避免在該地區(qū)布置輸電桿塔。

3 線路通過沉陷區(qū)設(shè)計的技術(shù)方案

根據(jù)長期的工程實踐，輸電線路在通過煤礦沉陷區(qū)時應(yīng)采取以下措施。

3.1 地基處理

對采動區(qū)輸電線路桿塔地基，應(yīng)結(jié)合建筑場地的礦山地質(zhì)資料進行工程地質(zhì)勘探，應(yīng)充分估計出地表沉陷引起的輸電桿塔地基標(biāo)高和水文地質(zhì)條件的變化，同時還應(yīng)考慮到建筑場地由于水文地質(zhì)條件變化引起的地基土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化。

輸電線路桿塔地基宜采用在采動后基礎(chǔ)易切入的“軟地基”。因此硬巖石、大塊碎石類土壤以及密實粘土不宜直接作為輸電桿塔的地基，應(yīng)鋪設(shè)粘土層或砂墊層，以增加基底柔性，適應(yīng)變形要求。粘土層和砂墊層均應(yīng)留有一定的厚度，前者不小于1 000mm，后者不宜小于500mm。

3.2 鐵塔選型

宜選用自立式鐵塔，因為帶拉線鐵塔對地基下沉非常敏感，不應(yīng)采用帶拉線鐵塔。而自立式剛性鐵塔根開小，抵御下沉能力較強。因此，在煤礦開采沉陷區(qū)應(yīng)選擇自立式鐵塔。

3.3 基礎(chǔ)選型

由于不同的基礎(chǔ)抵抗地表變形的能力不同，因此應(yīng)根據(jù)地表變形預(yù)計的結(jié)果，選用獨立基礎(chǔ)、復(fù)合防護板基礎(chǔ)和聯(lián)合基礎(chǔ)等不同的基礎(chǔ)形式。

a）相對于臺階式剛性基礎(chǔ)，直柱式板式基礎(chǔ)自重較輕，對地基的下壓力較小。更重要的是，由于它配有鋼筋，總體抗地基變形能力強，同時便于對基礎(chǔ)進行調(diào)整扶正。因此，在煤礦采空區(qū)宜采用配有鋼筋的直柱式板式基礎(chǔ)。

b）一般而言，獨立基礎(chǔ)抵抗地表變形的能力較差，當(dāng)需要在采煤沉陷區(qū)立塔時，如果地表變形較大，采用獨立基礎(chǔ)不能滿足抗變形要求時，可采用復(fù)合防護板基礎(chǔ)。

c）當(dāng)?shù)乇碜冃屋^大，采用復(fù)合防護板基礎(chǔ)仍不能滿足，且不考慮地基沉降基礎(chǔ)調(diào)整復(fù)位時，可考慮采用聯(lián)合基礎(chǔ)。

3.4 復(fù)合防護板基礎(chǔ)設(shè)計

已有研究和工程實踐表明[3]，復(fù)合防護板基礎(chǔ)對減輕采動區(qū)水平變形對輸電桿塔的影響效果明顯，對降低不均勻沉降對鐵塔的危害也有一定的效果。復(fù)合防護板基礎(chǔ)的設(shè)計參見圖1[4]。與獨立基礎(chǔ)相比，復(fù)合防護板基礎(chǔ)能有效提高塔架基礎(chǔ)的整體性，大大減小鐵塔支座水平位移和上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力[5]。

圖1 復(fù)合防護板基礎(chǔ)的設(shè)計示意

已有研究也表明[3]，復(fù)合防護板基礎(chǔ)的抗地表變形能力與防護大板的厚度取值有關(guān)，且隨著其厚度的增大而增大，但當(dāng)板厚達到300～400mm之后，其增大效果不明顯。一般而言，防護大板的厚度可?。?/45～1/35）l，l為鐵塔長向根開的長度。防護大板的厚度最大不宜超過500mm。

復(fù)合防護板基礎(chǔ)防護大板的配筋計算方法，即在彈性地基的假定條件下，得到了在各種地表變形作用下，復(fù)合防護板基礎(chǔ)底部反力的分布規(guī)律，用等效基底反力按無梁樓蓋法求解復(fù)合防護板內(nèi)力，結(jié)合具體特點，分析了相應(yīng)的彎矩分配系數(shù)，然后進行配筋計算。

3.5 關(guān)于深厚比的分類處理

當(dāng)缺乏詳盡資料，難以進行立塔場地變形預(yù)計和穩(wěn)定性評價時，可根據(jù)煤礦采區(qū)深厚比，初步確定相應(yīng)的技術(shù)措施。

當(dāng)煤礦采區(qū)深厚比H/m＞100時，采區(qū)地表變形的特點是呈現(xiàn)連續(xù)和有規(guī)律的地表移動和變形狀態(tài)，一般在地表不會產(chǎn)生明顯裂縫。在沉陷區(qū)立塔時，可采用加長底腳螺栓的方法。鐵塔基礎(chǔ)主柱上的底腳螺栓的外露絲扣長度一般應(yīng)加長150mm。

當(dāng)煤礦采區(qū)深厚比H/m＜100時，地下采動引起的地表變形較大，為保護輸電鐵塔的安全，避免及減少基礎(chǔ)間的水平和垂直位移，提高鐵塔的抗變形能力，可在基礎(chǔ)底面設(shè)置鋼筋混凝土復(fù)合板。同時加長底腳螺栓，并在基礎(chǔ)與復(fù)合板之間設(shè)置滑動層，以備出現(xiàn)垂直位移時進行調(diào)整。

4 采后高壓輸電線路的維修與治理方案

在煤礦地下工作面開采結(jié)束后，地表沉陷逐漸穩(wěn)定，這時要安排技術(shù)人員對輸電線路進行徹底檢修。根據(jù)輸電線路的檢修結(jié)果，采取不同的加固、調(diào)整或更改技術(shù)措施。此階段的治理方案要考慮治理后采空區(qū)地表殘余變形對高壓輸電線路的影響，避免重復(fù)投資。

4.1 調(diào)整金具

桿塔發(fā)生傾斜后，塔架上絕緣子、架空地線線夾邁步，特別是由于掛點距地線距離較小，邁步到一定程度（100～150mm時地線在線夾內(nèi)不能滑動）地線橫擔(dān)受力會增大，超過設(shè)計承受力時橫擔(dān)會歪曲變形、塔頭撓曲。所以，當(dāng)發(fā)現(xiàn)絕緣子、架空地線邁步后，應(yīng)及時進行調(diào)整。

4.2 增加墊鐵

當(dāng)位于采空區(qū)鐵塔的傾斜、歪扭嚴重超標(biāo)，且基礎(chǔ)相對高差較小、地腳螺栓有余度時，在基礎(chǔ)頂面塔腳板下增加厚度適宜的墊鐵進行鐵塔調(diào)正。實踐證明，這是一種造價低、施工方便的方法。

4.3 更換加長塔腳板或采用套筒加長地腳螺栓

基礎(chǔ)地腳螺栓、鐵塔各節(jié)點、塔材的受力在設(shè)計安全裕度內(nèi)，當(dāng)相對高差較大，地腳螺栓余度不足，加墊鐵不能滿足糾偏要求時：可采取更換加長塔腳板或采用套筒加長地腳螺栓的方法調(diào)正鐵塔。

4.4 采用抱桿和倒鏈更換加長塔腳

抱桿、倒鏈?zhǔn)禽旊娋€路施工與檢修常用的工器具。采用抱桿、倒鏈更換加長塔腳以提升扶正鐵塔時，檢修現(xiàn)場布置復(fù)雜、準(zhǔn)備周期長、機械化程度低、檢修人員勞動強度大。扶正過程起重承托點應(yīng)力集中，鐵塔的安全穩(wěn)定性不易控制。

4.5 采用液壓扶正裝置

塔腳抬升與更換加長塔腳是解決基礎(chǔ)傾斜與沉降的有效手段。但對于重量較大的采空區(qū)輸電鐵塔，可采用液壓扶正裝置。

5 結(jié)語

長期的實踐和經(jīng)驗證明，針對煤礦開采引起的地表沉陷移動變形，依據(jù)本文所述設(shè)計原則和治理能夠保證輸電線路的安全運行。

參考文獻：

［1］ 宋寧寧，許敏，裴紅兵.長治地區(qū)采空區(qū)傾斜桿塔矯正措施［J］.山西電力，2007，（5）：34-36.

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［3］ 舒前進.采動區(qū)超高壓輸電鐵塔破壞機理與變形控制技術(shù)研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2013.

［4］ 孫俊華.煤礦采動區(qū)線路設(shè)計技術(shù)［J］.山西電力，2004，（3）：13-14.

［5］ 舒前進，袁廣林，郭廣禮，等.采煤沉陷區(qū)輸電鐵塔復(fù)合防護板基礎(chǔ)抗變形性能及其板厚取值研究［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2012，32（3）：294-298.

Technical Scheme and Deformation Control Technology of Transm ission Line in Coal M ining Area

YAN Tao1，YUAN Guanglin2，WANG Yongan3
（1．Shanxi Electric Power Exp loration&Design Institute of China Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030001，China；2．School of M echanics and Civil Engineering，China University of M ining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3．State Grid Shanxi Electric Power Corporation，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Coalmining area subsidence is amajor hidden trouble to the safe operation of the electric transmission line in Shanxi Province.This paper analyzed the impact of the underground coalmining on the ground transmission tower in Shanxi Province.The planning and design technique of transmission line inmining areawas proposed.The technical scheme for transmission line overmining subsidence area was formed.The design method of ground and foundation in mining subsidence area was analyzed.Maintenance and treatmentscheme of transmission lineafter coalminingwere summarized.The research resultscan provide reference forsimilar projects.

mining subsidence area；transmission line；technicalscheme；deformation control

TM726

A

1671-0320（2015）01-0013-04

2014-11-19，

2014-12-22

閻 濤（1958），男，河北石家莊人，1982年畢業(yè)于太原工業(yè)學(xué)院工民建專業(yè)，高級工程師，從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計工作；

袁廣林（1965），男，河南洛陽人，1981年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)工民建專業(yè)，教授，從事采動區(qū)監(jiān)督保護與加固研究；

王永安（1963）,男，山西文水人，1998年畢業(yè)于天津大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，從事輸電線路研究工作。