開采沉陷黃土丘陵區(qū)高壓輸電線塔下壓煤安全開采*

周 磊，劉 明

(1.山西方山金暉瑞隆煤業(yè)有限公司，陜西 呂梁 033100;2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000)

瑞隆煤礦地處晉西黃土丘陵區(qū)，井田上方地形起伏多變，地貌類型以侵蝕的黃土梁、峁為主，其次為黃土溝谷地貌中的沖溝。因黃土丘陵區(qū)地形地貌及黃土物理力學(xué)性質(zhì)的特殊性，如垂直節(jié)理發(fā)育、抗拉強(qiáng)度低、大孔隙等特性，煤炭開采引起的地表沉陷變形也表現(xiàn)出特殊性，如產(chǎn)生不同程度的裂縫、崩塌、滑塌甚至滑坡等劇烈移動變形[1]，對地表建(構(gòu))筑物危害較大，若煤層埋深淺、開采厚度大，地表移動變形更加劇烈。瑞隆煤礦開采一采區(qū)地表分布有高壓輸電鐵塔和高壓輸電桿，下部壓覆5號和8號煤層，煤層埋深淺、煤厚大，若開采方案、保護(hù)措施不合理，將對地表高壓線桿塔造成嚴(yán)重破壞，影響礦井正常生產(chǎn)。為確保地表高壓輸電線塔和線桿的安全使用，需采取科學(xué)合理的保護(hù)性措施。

1 高壓輸電桿塔及地質(zhì)采礦條件概況

1.1 高壓輸電線桿塔(線桿和線塔)概況

高壓輸電桿塔位于瑞隆煤礦工業(yè)廣場南側(cè)，周邊地表沖溝發(fā)育，地形起伏變化大，沖溝底部標(biāo)高為+1 094.0 m，頂部標(biāo)高為+1 219.6 m，最大高差相差約125.6 m，最大坡度54°。下部壓覆5煤層和8煤層。

高壓線桿塔沿東西方向分布有35 kV曹家山線(供礦方使用)和110 kV臨方線，沿南北方向分布有東相王110 kV出線。高壓線桿塔均位于沖溝頂部。

(1)35 kV曹家山線線桿為門型混凝土雙桿結(jié)構(gòu)，高度約20 m，掛線6根，其中橫擔(dān)兩端和中間各掛一根，兩個桿頂各掛一根，南側(cè)桿橫梁下部掛線一根；110 kV臨方線鐵塔為貓型直線塔，高度約30 m，掛線6根，四角螺栓連接，混凝土底座。

(2)東相王110 kV出線高壓線塔為三角形直線塔，高度約30 m，四角螺栓連接，塔腳為獨立混凝土基礎(chǔ)。

圖1 高壓輸電線桿塔井上下對照圖

1.2 煤層開采條件

5煤層工作面底板標(biāo)高+1 030 ～+1 060 m，煤層傾角3°～12°，開采深度為65～158 m，煤厚約6 m。8煤層位于5煤層的下方，與5煤層間距約60 m，底板標(biāo)高+950～+1 040 m，煤層傾角3°～12°，開采深度為120～213 m，煤厚約9.6 m。黃土覆蓋層厚度24～71 m。

2 高壓輸電桿塔抗變形能力

高壓線桿塔為基礎(chǔ)面積較小的高聳結(jié)構(gòu)，承受地表下沉和水平變形的能力較強(qiáng)，承受地表傾斜的能力較差，對傾斜變形較為敏感。傾斜變形亦影響檔距、懸垂串和輸電導(dǎo)線近地距離[2-4]。

(1)開采沉陷引起的地表傾斜將導(dǎo)致高壓輸電線桿塔的基礎(chǔ)發(fā)生相應(yīng)的傾斜。桿塔的傾斜增加了基礎(chǔ)和桿塔的傾覆力矩，根據(jù)《架空送電線路運(yùn)行規(guī)程》要求，桿塔傾斜度和橫擔(dān)的歪斜度最大允許值見表1。

表1 桿塔傾斜、橫擔(dān)歪斜最大允許值表

地面高壓輸電線塔高均在30 m以下，鋼筋混凝土桿高均在20 m以下，按照規(guī)程高壓線塔傾斜不超過1.0%，鋼筋混凝土桿傾斜不超過1.5%。因此，為確保高壓線桿和線塔的安全，相應(yīng)桿塔基礎(chǔ)處地表傾斜變形應(yīng)分別控制在10 mm/m和15 mm/m以內(nèi)。

(2)桿塔傾斜引起輸電導(dǎo)線中的應(yīng)力重新分布，為了保持各檔之間的應(yīng)力平衡，懸垂串將發(fā)生偏移以平衡各檔間的不平衡張力，擬在開采過程中根據(jù)觀測情況，必要時進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。

(3)桿塔傾斜導(dǎo)致的導(dǎo)線松弛和實際高度的減小，都將引起導(dǎo)線近地距離的不足[4]。地表桿塔均位于黃土沖溝坡頂，輸電導(dǎo)線最低點均位于沖溝上方，不影響近地距離安全性。

3 高壓線塔下開采方案

開采區(qū)域地表及下部煤層賦存條件復(fù)雜，為了達(dá)到高壓輸電桿塔在采后能夠安全正常使用，且能夠充分采出煤炭資源的目的，開采方案設(shè)計原則：(1)高壓輸電線路桿塔通過及時維修和調(diào)整，能夠保障其正常使用；(2)減緩地表移動變形速度，為桿塔維修調(diào)整留有足夠時間；(3)充分采出被和桿塔壓覆的煤炭資源。

根據(jù)以上原則，對高壓輸電桿塔下壓覆的5煤、8煤采取限厚開采、間歇開采措施。首先對下覆5001工作面采取限厚開采，限厚開采2.0 m。5001工作面開采后地表移動變形基本穩(wěn)定后，開采8煤層的8101工作面。8101工作面開采后地表移動變形基本穩(wěn)定后，開采8煤層的8103工作面。各工作面開采時間為5001工作面開采時間為2011年4月～2011年12月，8101工作面開采時間為2013年7月～2014年7月，8103工作面開采時間為2016年5月～2018年2月，各工作面間歇開采時間一般為2年。

圖2 5煤層限厚開采范圍圖

4 高壓輸電桿塔采動影響分析

5001工作面開采后桿塔位置地表下沉基本控制在1.6 m以內(nèi)，地表最大下沉速度為41.8 mm/d，傾斜變形在20 mm/m，水平移動基本在500 mm以內(nèi)，最大水平變形12.7 mm/m，53#線塔、28#線桿位于5001工作面上方，其基礎(chǔ)處地表變形較大。根據(jù)表2可知，線塔基礎(chǔ)處最大變形超過了其最大允許變形值，因此，必須采取相應(yīng)的維修處理措施，方能保證其安全正常使用。由于地表變形的不連續(xù)和地表沖溝作用，其他高壓線桿塔基本不受采動影響。

表2 5001工作面開采后53#線塔地表綜合變形值表

5001工作面開采后對53#線塔、28#線桿進(jìn)行了及時維修、調(diào)整，基本恢復(fù)到符合規(guī)程要求狀態(tài)。8101、8103工作面開采前，對其開采范圍進(jìn)行了設(shè)計，目的是使地表桿塔基本不受采動影響。根據(jù)礦方觀測資料，8101、8103工作面開采后各桿塔基礎(chǔ)地表移動變形較小，桿塔基礎(chǔ)地表變形詳見表3，高壓輸電桿塔基本不受采動影響。

表3 各桿塔基礎(chǔ)處地表移動變形

5 桿塔的維護(hù)與調(diào)整措施

由于開采5001工作面對53#線塔、28#線桿影響較大，因此在開采過程中采取了維修調(diào)整措施：增設(shè)牽引繩提高桿塔穩(wěn)定性，在110 kV的高壓鐵塔北方向和北東65°方向上，設(shè)置兩條牽引繩；開采過程中定期進(jìn)行地表和桿、塔變形觀測，若觀測到桿塔的傾斜超過0.5%時，必須立即進(jìn)行調(diào)整[5-6]；松開塔腳螺栓，當(dāng)觀測到鐵塔開始受到開采影響后，逐步松開固定塔腳的螺栓，不可將螺帽摘下；桿塔基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)；及時填埋地表裂縫[7-8]，等等措施，確保了地表桿塔的安全使用。

6 結(jié) 論

(1)瑞隆煤礦工業(yè)廣場南側(cè)高壓輸電桿塔壓煤區(qū)地表沖溝發(fā)育，地形起伏變化大，且煤層采厚大、埋深淺，黃土丘陵區(qū)地表移動變形劇烈、地表變形大，嚴(yán)重危害高壓輸電線塔的安全，需對高壓輸電桿塔采安全開采措施。

(2)地表高壓輸電桿塔對傾斜變形敏感，根據(jù)《架空送電線路運(yùn)行規(guī)程》規(guī)程要求，鐵塔和線桿的傾斜變形應(yīng)控制在10 mm/m和15 mm/m以內(nèi)。

(3)為減緩地表移動變形，對5001工作面采取了局部限厚開采措施，并對5001、8101、8103采取間歇開采措施，間歇時間平均為兩年，有效控制了地表變形及其劇烈程度，為高壓輸電桿塔維修、調(diào)整留出足夠時間。

(4)開采過程中對桿塔采取的維修調(diào)整措施，如設(shè)置牽引繩，定期觀測桿塔變形，松開塔腳螺栓，桿塔基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，及時填埋地表裂縫等安全措施，實踐確保了地表桿塔的安全使用。