礦區(qū)高壓線塔移動變形預(yù)計研究

孟萬利 ,蔡來良,王姍姍,劉云備

(河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

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礦區(qū)高壓線塔移動變形預(yù)計研究

孟萬利 ,蔡來良,王姍姍,劉云備

(河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

基于概率積分法地表任意點移動變形預(yù)計基本原理以及動態(tài)預(yù)計模型，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)采礦條件，進行研究區(qū)不同階段的地表移動變形預(yù)計分析。結(jié)合高壓線塔和地下工作面的關(guān)系及研究區(qū)地表移動變形預(yù)計結(jié)果進行高壓線塔處不同階段的地表移動變形預(yù)計，與高壓輸電線路運行標(biāo)準(zhǔn)進行對比，分析實驗區(qū)高壓線塔的安全性，完成預(yù)計研究,并在開采期間定期開展巡線工作，確保線路安全運行。結(jié)果表明：通過概率積分法動態(tài)預(yù)計模型能夠較好地完成礦區(qū)高壓線塔不同階段的移動變形預(yù)計研究，預(yù)計結(jié)果對實現(xiàn)礦區(qū)高壓線塔的安全運行有一定指導(dǎo)作用。

開采沉陷;高壓線塔;概率積分法;移動變形預(yù)計

我國礦產(chǎn)資源豐富，煤礦資源占絕大部分，礦區(qū)數(shù)量巨大且分布全國各地[1]，大型礦區(qū)大部分煤礦井田內(nèi)均有高壓輸電線路通過[2]，開采沉陷[3]引起的地表移動變形對采礦區(qū)內(nèi)高壓線塔造成損害，對輸電線路的安全運行造成了嚴(yán)重的威脅[4]。為此，國內(nèi)外不少研究人員對實現(xiàn)高壓線塔下安全采煤進行研究分析[5-17]。郭文兵、袁凌輝等在地表傾斜變形對高壓線鐵塔的影響研究中，采用數(shù)值模擬方法分析傾斜變形與鐵塔內(nèi)力變形特征的關(guān)系[6]；劉朝安、 高文龍等在多種采動影響區(qū)利用FLAC3D數(shù)值方法對地下開采進行有效的數(shù)值模擬為工程設(shè)計施工保護高壓線塔提供有效的理論支持[7]；閻躍觀、戴華陽等分析不同開切眼位置對各基高壓線塔的采動影響情況，確定了首采面開切眼優(yōu)化位置，為類似的多基高壓線塔下采煤提供依據(jù)[9]；秦世界、張和生等基于FLAC3D的煤礦開采沉陷預(yù)計及與概率積分法的對比分析,得出兩者處理開采沉陷預(yù)計工作中的優(yōu)劣[10]；王曉輝、姜佃高在概率積分法參數(shù)求取時為了消除或減弱粗差對預(yù)計參數(shù)的影響，采用穩(wěn)健估計方法來對參數(shù)進行預(yù)測[11]。在本研究中，基于概率積分法穩(wěn)態(tài)預(yù)計基本原理以及動態(tài)預(yù)計模型，結(jié)合研究區(qū)高壓線塔和地下工作面的關(guān)系及研究區(qū)地質(zhì)采礦條件，進行研究區(qū)不同階段的地表下沉、傾斜、曲率、水平移動、水平變形預(yù)計分析。由研究區(qū)地表移動變形預(yù)計結(jié)果進行高壓線塔不同階段的移動變形預(yù)計，并根據(jù)高壓輸電線路運行標(biāo)準(zhǔn)，分析實驗區(qū)高壓線塔的安全性，完成預(yù)計研究。

圖1　空間坐標(biāo)系

1　開采沉陷預(yù)計模型

1.1穩(wěn)態(tài)預(yù)計基本原理

概率積分法預(yù)計已成為我國較成熟的、應(yīng)用最為廣泛的預(yù)計方法之一。概率積分法任意點預(yù)計采用圖1所示空間坐標(biāo)系。

在圖1中的坐標(biāo)系下，地表點A(x,y)處的地表移動和變形預(yù)計公式為：

下沉：

(1)

沿φ方向的傾斜：

(2)

沿φ方向的曲率：

(3)

沿φ方向的水平移動：

(4)

沿φ方向的水平變形：

(5)

在地表達到充分采動時，各變形最大值可分別用下式計算：

最大下沉值

W0=mqcosα

(6)

最大傾斜值

i0=W0/r

(7)

最大曲率值

(8)

最大水平移動

U0=bW0

(9)

最大水平變形值

(10)

1.2動態(tài)預(yù)計模型

動態(tài)預(yù)計是考慮地表移動變形與空間位置及時間之間的關(guān)系，普遍采用的預(yù)計模型為最終狀態(tài)的地表移動變形乘以時間影響函數(shù)[18]。

假如煤層的某個足夠小的工作面(或把工作面劃分為足夠小的n個工作面)是在瞬間采出，We(x,y),Weo(x,y,t)分別為開采該工作面引起地表點p(x,y)的最終下沉值和在t時刻的下沉值，時間影響函數(shù)為f(t)，則

Weo(x,y,t)=We(x,y)·f(t)

(11)

f(t)=1-e-ct

(12)

式中：We(x,y)可取概率積分法穩(wěn)態(tài)的預(yù)計模型;t表示預(yù)計時刻與單元開采時刻之間的時間間隔;c表示下沉速度系數(shù)。

c=2.0·v·tanβ/H

(13)

式中:v表示工作面平均推進速度，m/d；tanβ表示主要影響角正切；H表示工作面平均采深。

圖2　研究區(qū)域工作面與高壓線對照圖

如果把一個工作面劃分成為足夠小的n個矩形工作面，且t時刻開采到第i個小矩形工作面，整個工作面已經(jīng)開采的范圍(1～i個小矩形工作面)引起地表p點在t時刻的下沉值，根據(jù)疊加原理即可求出

(14)

其他移動變形值同理可以求出，動態(tài)預(yù)計通過開采沉陷預(yù)計系統(tǒng)完成。

2　研究區(qū)地表移動變形預(yù)計

2.1研究區(qū)域概況

工作面煤層厚度為2.65 m，平均傾角6°，采用走向長壁自然垮落鋪底網(wǎng)后退式綜合機械化采煤法，開采深度為330m～360 m，地表起伏不大。煤層結(jié)構(gòu)簡單，視密度1.41 t/m3。研究區(qū)域工作面上方地表共有兩條220 kV高壓線、一條35 kV高壓線，附近有6座高壓線塔，高壓線塔和地下工作面的關(guān)系如圖2所示。

2.2預(yù)計參數(shù)

參照礦區(qū)的地質(zhì)采礦條件和三下采煤規(guī)程[19]上對鄰近礦區(qū)的參數(shù)的描述，預(yù)計參數(shù)如表1所示。

表1　預(yù)計參數(shù)

2.3采礦區(qū)地表沉陷預(yù)計

工作面從2011年9月25日開采，到2012年1月20時，工作面開采過半，2012年4月28日開采結(jié)束。在開采前為了對輸電鐵塔的安全運行提出評估，采用開采沉陷動態(tài)預(yù)計技術(shù)對鐵塔的移動變形進行分段預(yù)計，每個月預(yù)計一次。預(yù)計時，分為以下幾個時段： 2011年10月20日； 2011年11月20日；2011年12月20日；2012年1月20日；2012年2月20日；2012年3月20日；2012年4月28日；停采半年，2012年10月20日；穩(wěn)沉預(yù)計，共九個階段。在每個階段中分別對采礦區(qū)地表的下沉、傾斜、曲率、水平移動、水平變形進行預(yù)計。

預(yù)計在第七階段工作面開采達到充分采動，工作面下沉傾斜預(yù)計情況如圖3、圖4所示：

圖3　充分采動時下沉等值線圖

圖4　充分采動時傾斜等值線圖

2.4預(yù)計最大值

當(dāng)?shù)乇磉_到充分采動時，根據(jù)上文所介紹原理，對地表下沉、傾斜、曲率、水平移動、水平變形的最大值進行預(yù)計，當(dāng)工作面開采達到充分采動時最大值預(yù)計結(jié)果如表2所示。

表2　充分采動時最大值的預(yù)計

3　高壓線塔處地表移動變形預(yù)計

3.1高壓線塔處地表移動變形預(yù)計結(jié)果

地下開采引起的地表移動變形是評價地表建(構(gòu))筑物采動損害程度的重要依據(jù)，根據(jù)開采區(qū)地表移動變形預(yù)計結(jié)果，可以得到高壓線塔處各個階段的地表移動變形預(yù)計結(jié)果。研究區(qū)域內(nèi)共有6座高壓線塔，分別為1-1、1-2、1-3、2-1、2-2和3-1，對每一個線塔進行移動變形預(yù)計，對于線塔下沉與傾斜情況著重進行分析，通過折線圖的形式表達各個線塔隨時間的變化情況，如圖5～圖7。從圖5看出各個線塔隨時間下沉值變化情況，從圖6看出各個線塔沿線路方向傾斜值隨時間的變化情況，從圖7看出各個線塔垂直于線路方向傾斜值隨時間的變化情況。

從圖5～圖7可以看出，隨著時間的推移，工作面開采范圍的擴大，地表移動范圍和地表移動值均有增加。最先受到影響的是2-2號線塔，隨后受影響的是3-1、1-2和1-3；而1-1和2-1在影響范圍以外。從預(yù)計結(jié)果可知，各個線塔發(fā)生的傾斜最大值為10.8mm/m(線路方向)，下沉最大值為1 248 mm，均發(fā)生在3-1線塔處。

圖5　線塔下沉值預(yù)計

圖6　線塔沿線路方向傾斜值預(yù)計

圖7　線塔垂直線路方向傾斜值預(yù)計

3.2預(yù)計結(jié)果與運行標(biāo)準(zhǔn)對比分析

開采沉陷是一個在時間和空間上都非常復(fù)雜的過程，在時間上來講，開采沉陷的形式和大小在不同的時間是不同的，因此地表變形導(dǎo)致的高壓線塔以及輸電線路的變形也是隨時間發(fā)生變化的，高壓線塔處地表動態(tài)變形值是判斷高壓輸電線路安全性的關(guān)鍵因素。

根據(jù)中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的《架空送電線路運行規(guī)程》，對50 m以上高度鐵塔傾斜最大允許值為5 mm/m，對于50 m以下高度鐵塔傾斜最大允許值為10 mm/m。從預(yù)計結(jié)果看，各個高壓線塔發(fā)生的傾斜最大值為10.8 mm/m(線路方向)，下沉最大值為1 248 mm，均發(fā)生在3-1線塔處，可以看出220 kV高壓線塔的傾斜均小于允許變形值。35 kV的3-1線塔預(yù)計傾斜在臨界值附近，建議加強巡視，必要時采取措施，確保其安全運行。

4　總結(jié)

本次研究進行了以下工作：(1)基于概率積分法地表任意點移動變形預(yù)計基本原理，分析動態(tài)預(yù)計模型。(2)結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)采礦條件，預(yù)計研究區(qū)不同階段的地表移動變形預(yù)計分析，并且預(yù)計了各個階段地表移動變形最大值。(3)結(jié)合研究區(qū)高壓線塔和地下工作面的關(guān)系及研究區(qū)地表移動變形預(yù)計結(jié)果可以得到研究區(qū)高壓線塔處不同階段的地表移動變形預(yù)計結(jié)果，與高壓輸電線路運行標(biāo)準(zhǔn)進行對比，分析實驗區(qū)高壓線塔的安全性，完成整個預(yù)計的研究。結(jié)果表明：220 kV高壓線塔的傾斜均小于允許變形值，35 kV的3-1線塔預(yù)計傾斜在臨界值附近，通過巡線發(fā)現(xiàn)，線路均安全運行。通過概率積分法動態(tài)預(yù)計模型能夠較好的完成礦區(qū)高壓線塔不同階段的移動變形預(yù)計研究，預(yù)計結(jié)果對更好實現(xiàn)礦區(qū)高壓線塔的安全運行有一定指導(dǎo)作用，在實際開采過程中需要采取變形監(jiān)測手段，實現(xiàn)安全開采。

[1]楊麗.中國煤炭科技發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].潔凈煤技術(shù),2012,18(03):1-3.

[2]郭文兵，鄧喀中.高壓輸電線鐵塔采動損害與保護技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(1):97-101.

[3]郭增長,柴華彬.煤礦開采沉陷學(xué)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2013.

[4]郭文兵,鄭彬.高壓線鐵塔下放頂煤開采及其安全性研究[J].采礦與安全工程報,2011，28(2):267-272.

[5]Bernett，T.W.Structural of 345kV overhead transmission structuresemdash Brunot Island-Collier[A].Minutes of the Meeting-Pennsylvania Electric Association， Engineering Section [R].1978:16-18.

[6]郭文兵,袁凌輝,鄭彬.地表傾斜變形對高壓線鐵塔的影響研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,31(03):285-290.

[7]劉朝安, 高文龍, 闕金聲.多種采動影響區(qū)桿塔地基穩(wěn)定性數(shù)值分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2011,19(6):922-927.

[8]郭文兵,雍強.采動影響下高壓線塔與地基、基礎(chǔ)協(xié)同作用模型研究[J].煤炭學(xué)報,2011,36(7):1075-1080.

[9]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.

[10]秦世界,張和生,李國棟.基于FLAC3D的煤礦開采沉陷預(yù)計及與概率積分法的對比分析[J].煤炭工程,2014,46(06): 96-98,102.

[11]王曉輝，姜佃高.常用穩(wěn)健估計方法應(yīng)用于概率積分法參數(shù)求取時的有效性研究[J].測繪通報，2014( S1) :230-233．

[12]徐翀,黃暉.基于概率積分模型的開采沉陷預(yù)計系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].煤田地質(zhì)與勘探,2012,40(03):59-61,65.

[13]韓奎峰,武娟,馮遵德.EXCEL計算概率積分法預(yù)計參數(shù)[J].測繪科學(xué),2011,36(06):250-252.

[14]顧葉,宋振柏,張勝偉.基于概率積分法的開采沉陷預(yù)計研究[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011，25(01):33-36.

[15]劉洋,武玲玲,周江剛.概率積分法開采沉陷預(yù)計的GIS實現(xiàn)[J].北京測繪,2014(03):110-112,130.

[16]白力改,譚志祥,柳聰亮，等.基于ArcGIS的開采沉陷預(yù)計分析可視化方法[J].金屬礦山, 2010(05):140-142,157.

[17]韓奎峰，康建榮，王正帥，等.山區(qū)采動滑移模型的統(tǒng)一預(yù)測參數(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報,2013,30(01):107-111.

[18]吳侃,王云甲,王歲權(quán)，等.礦山開采沉陷監(jiān)測及預(yù)測新技術(shù)[M].北京:中環(huán)境科學(xué)出版社,2012.

Moving deformation prediction of high-voltage line towers in mining area

(MENG Wan-li,CAI Lai-liang,WANG Shan-Shan,LIU Yun-bei)

(SchoolofSurveyingandLandInformationEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)

Based on probability integral method and the moving deformation estimated, the basic principle of the surface arbitrary point and dynamic forecast model,combining the geological mining conditions in the study area,this study analyzed the results of surface movement deformation prediction in study area at different stages.Combining the relationship of pylons and the underground work face with the above results,this study analyzed the results of surface moving deformation prediction under the high voltage line towers at different stages.Then this study compared the results with transmission lines operating standards,analyzing the security of pylons to complete the expected research to ensure the safe operation of the line.And regular patrol work is necessary during mining.The results shows that probability integral method is better to complete the moving deformation prediction of high voltage line towers at different stages.And the results of prediction has a great guiding to the safe operation of pylons.

mining subsidence;high voltage line towers;probability integral method;moving deformation prediction

2016-1-15

國家自然科學(xué)基金重點項目(U1261206);河南省高等學(xué)校重點科研項目(15A420005);河南理工大學(xué)博士基金項目(B2012-004)

孟萬利(1993—)，男，河南滎陽人，碩士研究生。

1674-7046(2016)03-0069-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.013

TD327

A