煤礦開采沉陷對高壓線塔的影響與變形分析

張廣寧

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊二號(hào)井，山西 晉城 046605）

煤礦井下開采導(dǎo)致地表下沉變形、地面建（構(gòu)）筑物的移動(dòng)以及內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的變形甚至破壞，造成巨大的財(cái)產(chǎn)和生命損失，廣大專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[1-5]。趙莊二號(hào)井田內(nèi)村莊、高壓線、鐵路等建（構(gòu)）筑物壓煤非常嚴(yán)重，給井下工作面的布置和生產(chǎn)的銜接帶來很大困擾。

1 工程概況

趙莊二號(hào)井井田地層由老至新依次為古生界奧陶系、石炭系及二疊系，新生界上第三系及第四系，含煤地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。構(gòu)造總體為一背向斜相間的褶曲構(gòu)造，兩翼傾角8°～15°。趙莊二號(hào)井在西盤區(qū)北部堡神線、神良線和堡良線三趟220 kV 高壓線，共9 座高壓線塔下方布置了2309、2307 工作面。工作面開采煤層3 號(hào)煤層，為近水平煤層，蓋山厚度481～516 m，煤層厚3.9～4.5 m，采用輕型綜采放頂煤工藝，液壓支架自移全部垮落法管理頂板。

2 開采沉陷對高壓輸電電路的影響

地下煤層開采后使巖層產(chǎn)生移動(dòng)、變形和破壞，開采面積達(dá)到一定范圍后，會(huì)引起地表移動(dòng)與變形，進(jìn)而對影響范圍內(nèi)的地表建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生附加應(yīng)力影響，達(dá)到一定極限將導(dǎo)致建（構(gòu)）筑物發(fā)生變形甚至破壞。開采沉陷產(chǎn)生的地面變形主要有垂直方向的移動(dòng)和變形（下沉、傾斜、曲率、扭曲），水平方向的移動(dòng)和變形（水平移動(dòng)、拉伸與壓縮變形）以及地表平面內(nèi)的剪應(yīng)變?nèi)?。非均勻的移?dòng)和變形，將直接對高壓輸電線路桿塔的基礎(chǔ)、桿塔、檔距產(chǎn)生影響，引起高壓輸電線路其他元素的變形，對高壓輸電線路的正常運(yùn)行有不利影響。對輸電線路有明顯影響的變形指標(biāo)是下沉、傾斜和水平變形。其中，傾斜變形對高壓線塔的安全威脅最大，在地表移動(dòng)變形分析、開采方案優(yōu)化和后期的變形監(jiān)測過程中，均應(yīng)著重考慮傾斜變形指標(biāo)。

3 高壓線塔變形監(jiān)測

3.1 測點(diǎn)的設(shè)置

為了準(zhǔn)確、及時(shí)地掌握高壓線塔的移動(dòng)與變形情況，選擇堡神線22#、神良線83#、84#和堡良線24#、25#線塔進(jìn)行沉降變形觀測。高壓線鐵塔的觀測主要為鐵塔基礎(chǔ)沉陷變形觀測，在每個(gè)鐵塔四角獨(dú)立的基礎(chǔ)上各標(biāo)出一點(diǎn)作為鐵塔基礎(chǔ)移動(dòng)與變形的觀測點(diǎn)。觀測參照三等水準(zhǔn)測量的精度，地表移動(dòng)活躍期，每10 d 觀測一次，非活躍期，每月觀測一次；在采動(dòng)前和地表移動(dòng)基本穩(wěn)定后，進(jìn)行高壓線塔基礎(chǔ)的高程聯(lián)測。采動(dòng)過程中對受影響的鐵塔及時(shí)進(jìn)行觀察，主要有采動(dòng)裂縫，裂縫出現(xiàn)時(shí)間、產(chǎn)狀及尺寸，桿（塔）體是否出現(xiàn)移動(dòng)和變形等。

3.2 觀測數(shù)據(jù)分析

自2018 年7 月至2020 年12 月，線塔觀測站共進(jìn)行了28 次水準(zhǔn)測量。在2309 工作面開采過程中，工作面上方地表出現(xiàn)了明顯的下沉盆地，下沉盆地的范圍隨工作面的推進(jìn)不斷向前延伸。根據(jù)線塔觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)，計(jì)算了不同采動(dòng)時(shí)期各鐵塔四角獨(dú)立基礎(chǔ)的下沉、傾斜變形值。在工作面開采期間，堡神線22#、神良線83#、84#和堡良線24#、25#線塔均出現(xiàn)了較為明顯的移動(dòng)與變形。隨著工作面的開采，線塔基礎(chǔ)的移動(dòng)與變形逐漸增大，并在一定時(shí)期后變形值趨于穩(wěn)定，說明地表沉陷變形是連續(xù)漸變的，該過程符合開采沉陷的一般規(guī)律。堡神線22#、神良線83#、84#和堡良線24#、25#線塔的最大下沉值依次為1026 mm、1817 mm、54 mm、58 mm、62 mm，最大傾斜值依次為29.2 mm/m、13.6 mm/m、3.6 mm/m、4.2 mm/m、5.2 mm/m。2309 工作面回采經(jīng)過堡神22#線塔下方時(shí)，是其變形值快速發(fā)育期，最大下沉速度為68.3 mm/d，此后下沉速度逐漸減小，線塔沉降趨于平緩。2307 工作面開采至其附近時(shí)，該線塔下沉再次明顯增大，達(dá)到24.2 mm/d，表明2307 開采引起2309 工作面的活化，導(dǎo)致地表再次出現(xiàn)較為明顯的沉降。

4 基于FLAC3D 開采沉陷數(shù)值模擬分析

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

根據(jù)趙莊二號(hào)井2309、2307 工作面的開采條件，建立基于FLAC3D程序的三維計(jì)算模型，本模擬采用摩爾－庫侖（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞。模擬計(jì)算采用的巖體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算采用巖體力學(xué)參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

（1）地表下沉盆地

根據(jù)FLAC3D的計(jì)算結(jié)果，采用TECPLOT 繪制了2309 及2307 工作面開采后地表的移動(dòng)變形等值線，如圖1。

圖1 采后地表下沉盆地示意圖

由圖1 可見，2309 工作面開采后地面出現(xiàn)了較為明顯的下沉盆地，由于2309 工作面為不充分開采，地表下沉值較小，下沉盆地相對平緩。2309 和2307 工作面全部開采后，地表下沉值明顯增大，下沉盆地趨于陡峭，但下沉盆地中部未出現(xiàn)平底，表明兩個(gè)工作面開采仍未達(dá)到充分采動(dòng)。

（2）地表移動(dòng)分析

由圖2 地表下沉云圖可見：2309 工作面開采后，地表最大下沉值為1707 mm，下沉率為0.41；2307工作面亦開采后，地表最大下沉值為2436 mm，下沉率為0.58?？芍?，工作面開采范圍較小時(shí)，上覆基巖控制巖層移動(dòng)與變形的能力較好，隨著開采范圍的擴(kuò)大，上覆巖層破壞加劇，控制巖層與地表沉陷變形的能力逐漸降低，地表下沉值逐漸增加，對地面建（構(gòu)）筑物的損害程度不斷加劇。

圖2 工作面開采后地表下沉云圖

（3）覆巖移動(dòng)分析

由數(shù)值模擬分析得到2309、2309 和2307 工作面開采巖層豎直移動(dòng)云圖（圖3）?？梢姡?309 工作面單獨(dú)開采后，巖層移動(dòng)從下至上向地表傳播過程中，巖層內(nèi)移動(dòng)衰減更為明顯，大部分移動(dòng)耗散在上覆巖層中，只有小部分傳遞到了地表。2309 工作面和2307 工作面全部開采后，上覆地層內(nèi)移動(dòng)衰減不甚明顯，采空區(qū)上方地層上下各點(diǎn)的下沉量相差不大，表明基巖控制地表沉陷變形的能力明顯下降，地層呈整體下沉趨勢，移動(dòng)變形明顯加劇。

圖3 工作面開采后巖層豎直移動(dòng)云圖

5 實(shí)測和數(shù)值模擬對比

現(xiàn)場地表實(shí)測2309 工作面開采后高壓線塔的最大下沉值達(dá)到1817 mm，F(xiàn)LAC3D數(shù)值模擬得到，2309 工作面開采后地表最大下沉值為1707 mm，兩種方法得到的最大下沉值基本一致。同時(shí)，地表實(shí)測和FLAC3D數(shù)值模擬得到地表變形規(guī)律一致，均是隨著工作面開采范圍增大，地表下沉數(shù)值增加。由此可見，現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬均可對工作面開采后的地表下沉規(guī)律進(jìn)行分析，數(shù)值模擬分析可以作為工作面回采前預(yù)測地表下沉的主要技術(shù)方法，工作面開采過程中進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，兩者可以起到相互驗(yàn)證的作用。

6 結(jié)論

（1）通過分析開采沉陷對高壓輸電線路的影響，初步厘定了有明顯影響的變形指標(biāo)是下沉、傾斜和水平變形，其中傾斜變形對高壓線塔的安全威脅最大。

（2）通過線塔變形監(jiān)測可知：在工作面開采期間，堡神線22#、神良線83#、84#和堡良線24#、25#線塔均出現(xiàn)了較為明顯的移動(dòng)與變形；隨著工作面的開采，線塔基礎(chǔ)的移動(dòng)與變形逐漸增大，并在一定時(shí)期后變形值趨于穩(wěn)定。

（3）數(shù)值模擬分析可知，在工作面開采范圍較小時(shí)，上覆基巖控制巖層移動(dòng)與變形的能力較好，隨著開采范圍的擴(kuò)大，上覆巖層破壞加劇，控制巖層與地表沉陷變形的能力逐漸降低，地表下沉值逐漸增加。