某煤礦采空區(qū)對(duì)輸電鐵塔地基影響數(shù)值研究

趙秀麗，葛忻聲

(1.太原理工大學(xué)，太原 030024； 2.中化二建集團(tuán)有限公司，太原 030021)

煤礦采空區(qū)從變形到破壞是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的過程[1-2]。鐵塔是輸電線路的重要組成部分之一。高壓輸電線路不可避免的穿越煤礦采空區(qū)，如果線路繞道避開，可能會(huì)造成線路建設(shè)成本的大幅度增大，還會(huì)給設(shè)計(jì)線路的優(yōu)化布置帶來(lái)不安全隱患[3-4]。對(duì)于穿越采空區(qū)的高壓輸電線路鐵塔勢(shì)必會(huì)受到采空區(qū)移動(dòng)變形的影響，且輸電線路鐵塔基礎(chǔ)面積小，高度大，對(duì)不均勻沉降和地表傾斜比較敏感[5-6]，因而對(duì)于穿越采空區(qū)的鐵塔地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)已成為工程建設(shè)中的主要問題之一。

本文以某110kV輸電線路經(jīng)過采空區(qū)為例，對(duì)采空區(qū)上方輸電線路的鐵塔塔基穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析，分析塔基受采空區(qū)影響的程度，作為塔基維修、加固、重建的依據(jù)。

1 輸電線路與煤層開采情況

某供用電公司110kV的南后送電線路及110kV的河后送電線路(分別簡(jiǎn)稱A線、B線)是其所在區(qū)域的煤礦的重要輸電線路。兩段線路走向均為南北走向，東西相距約50m。2016年以來(lái)發(fā)現(xiàn)A線120#塔及B線50#塔體鋼架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭曲變形，塔基周邊也發(fā)現(xiàn)有多條裂縫，嚴(yán)重威脅兩段線路的安全運(yùn)行。

經(jīng)查明該兩段輸電線路位于某公司礦界以內(nèi)，線路區(qū)間布置有該煤礦1117綜采工作面。1117回采工作面開采10+11號(hào)煤層，煤厚約7.7m，埋深167～240m，采煤方法為傾斜長(zhǎng)壁后退式綜合放頂采煤方法，全部垮落法管理頂板。工作面于2016年2月初進(jìn)行初采，截至2016年7月31日已自東向西推進(jìn)295m，工作面長(zhǎng)約280m。1117工作面總長(zhǎng)1 380m，剩余的1 185m，按照132d開采時(shí)間考慮，回采工作面平均推進(jìn)速度為2.23m/d。1117工作面東側(cè)已開采區(qū)域上部無(wú)3號(hào)煤分布，7號(hào)煤為蹬空區(qū)，9號(hào)煤層為2006年以前煤礦采空破壞區(qū)。該區(qū)域9號(hào)煤層平均厚度1.52m，煤層傾角平均5°。

圖1 塔架扭曲變形Figure 1 Tower twisted deformation

圖2 采掘區(qū)與鐵塔位置Figure 2 Mining block and tower positions

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，已發(fā)生變形的A線120#塔、B線50#塔分別位于1117工作面已采區(qū)北部33.7m和2.0m。通過綜合分析可知，出現(xiàn)變形的兩座鐵塔均距離開采區(qū)較近，變形為地下采煤所致。

2 地表塌陷模式及參數(shù)選取

該井田為近水平煤層，按半無(wú)限開采緩斜傾煤層地表下沉主斷面地表移動(dòng)和變形值計(jì)算公式，本礦開采煤層的傾角為5°，采用《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(GB51044-2014)中H.0.2的概率積分法預(yù)測(cè)。

本次預(yù)測(cè)未收集到該煤礦地表巖移觀測(cè)資料，無(wú)可用的實(shí)測(cè)開采沉陷基本參數(shù)，根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(GB51044-2014)表H.0.8-1地表移動(dòng)變形基本參數(shù)的選取原則來(lái)選取本次地表移動(dòng)變形基本參數(shù)。該煤礦覆巖類型為較硬巖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，相關(guān)參數(shù)選用如下：

1)下沉系數(shù)。該煤礦1117工作面已開采段，工作面寬L=140m，埋深H=226m，L/H=0.62，本次預(yù)測(cè)q初取0.68；對(duì)于較硬巖，一次重采動(dòng)，a取0.2；根據(jù)復(fù)采計(jì)算公式，q復(fù)1=(1+a)q初=(1+0.2)×0.68≈0.82。

2)水平移動(dòng)系數(shù)。b初=b復(fù)1=0.25。

3)開采影響傳播角。θ1=90°-0.65α=86.8°，α為9號(hào)煤層傾角,α=5°；

θ2=θ1+0.15α=87.6°，α為10+11號(hào)煤層傾角，α=5°。

4)主要影響角正切。tanβ初取2.10；tanβ復(fù)1=tanβ初+0.062 4lnH復(fù)1-0.017=2.42。

5)拐點(diǎn)偏移距。預(yù)測(cè)S初/H初取0.22，S初=52.8；S復(fù)1/H復(fù)1取0.20，即S復(fù)1=0.2×226=45.2m。

6)主要影響半徑。r=H復(fù)1/tgβ復(fù)1=93.4m。

3 地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)

3.1 充分采動(dòng)移動(dòng)變形計(jì)算

當(dāng)開采范圍的傾斜長(zhǎng)度Lq、走向長(zhǎng)度Lz均大于兩倍的主要影響半徑(即Lq≥2(r+s) ，Lz≥2(r+s))時(shí)，其采動(dòng)影響達(dá)到充分采動(dòng)條件，反之未達(dá)到充分采動(dòng)條件。1117工作面開采達(dá)到充分采動(dòng)條件的尺寸為L(zhǎng)q和Lz≥2(r+s)=2×(93.4+45.2)=277.2m。工作面推進(jìn)方向長(zhǎng)度為295m>2(r+s)，工作面的傾斜長(zhǎng)度為L(zhǎng)q=280m>2(r+s)，所以，沿工作面方向和工作面推進(jìn)方向均達(dá)到充分采動(dòng)條件，故1117工作面開采后為充分采動(dòng)。

根據(jù)地表移動(dòng)變形規(guī)律，充分采動(dòng)時(shí)下沉變形等各種變形值均可達(dá)到最大值，符合一般地表移動(dòng)變形規(guī)律。按照《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》(GB51044-2014)H.0.5相關(guān)公式計(jì)算結(jié)果如下：

1)地表最大下沉值為6 290mm；

2)地表最大水平移動(dòng)值為1 572mm；

3)最大傾斜變形值為67.35mm/m；

4)最大曲率變形值為1.096 2×10-3/m；

5)最大水平變形值為25.59mm/m。

3.2 地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間

根據(jù)上述預(yù)測(cè)模式，本礦無(wú)實(shí)測(cè)資料，1117工作面開采后，地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間由下式計(jì)算:

T=2.5×H。

(1)

式中：T——地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間，d；

H——最大開采深度，m。

經(jīng)計(jì)算，1117工作面10+11號(hào)煤移動(dòng)延續(xù)時(shí)間T=675d=1.85a。

該工作面從2016年2月初進(jìn)行開采，到2016年5月底停采，預(yù)計(jì)22個(gè)月沉陷穩(wěn)定，即上述沉陷變形應(yīng)在2018年4月達(dá)到穩(wěn)定。經(jīng)過后期跟蹤了解，該采空區(qū)工作面變形目前已基本穩(wěn)定。

3.3 地表塌陷等值線

本次通過中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開發(fā)的《煤礦地表沉陷預(yù)測(cè)軟件》(hpMSPS0)繪制地表塌陷等值線。10+11號(hào)煤層開采后，產(chǎn)生地表塌陷等值線見圖3～圖7。

圖3 地表下沉等值線Figure 3 Isogram of surface subsidence

圖4 地表傾斜等值線Figure 4 Isogram of surface incline

圖5 地表曲率等值線Figure 5 Isogram of surface curvature

圖6 地表水平移動(dòng)等值線Figure 6 Isogram of surface horizontal movement

圖7 地表水平變形等值線Figure 7 Isogram of surface horizontal deformation

根據(jù)上圖等值線圖分別插值法計(jì)算出A線120號(hào)鐵塔、B線50號(hào)鐵塔受采煤影響移動(dòng)變形預(yù)測(cè)值，詳見表1。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果查《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中所列建筑物的破壞等級(jí)判定表及處理措施可知：A線120號(hào)鐵塔、B線50號(hào)鐵塔破壞等級(jí)均為Ⅳ級(jí)，屬嚴(yán)重?fù)p壞或極度嚴(yán)重?fù)p壞，應(yīng)進(jìn)行大修或拆建。

4 采空區(qū)對(duì)輸電鐵塔塔基的影響驗(yàn)證

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中所列公式計(jì)算10+11號(hào)煤層開采后對(duì)A線120#塔和B線50#塔的影響表1。

表1 鐵塔受采煤影響移動(dòng)變形值預(yù)測(cè)

注：各預(yù)測(cè)值為考慮完全充分采動(dòng)最終影響值，未體現(xiàn)塌陷過程影響。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果查《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中所列建筑物的破壞等級(jí)判定表及處理措施可知：A線120號(hào)鐵塔、B線50號(hào)鐵塔破壞等級(jí)均為Ⅳ級(jí)，屬嚴(yán)重?fù)p壞或極度嚴(yán)重?fù)p壞，應(yīng)進(jìn)行大修或拆建。

5 結(jié)論

1)經(jīng)過兩種計(jì)算采空區(qū)移動(dòng)變形方法成果對(duì)比可知，兩種預(yù)測(cè)方法所得結(jié)果基本一致。

2)采用沉陷預(yù)測(cè)軟件所得結(jié)果更直觀、形象，能從變形等值線圖上直接讀出地表各個(gè)點(diǎn)的變形值。

3)采用這兩種采空區(qū)移動(dòng)變形的計(jì)算方法進(jìn)行地表變形預(yù)測(cè)，只能反映最終地表塌陷穩(wěn)定后的地面影響狀況，未反映出各工作面回采過程中對(duì)地表造成的塌陷影響。