采空区对输电线路塔基稳定性影响及应急处理

张宏波

（国网冀北电力有限公司秦皇岛供电公司,河北 秦皇岛 066000）

一、工程概况

（一）输电线路概况

某750kV 输电线沿线经过国家规划矿区的彬长矿区，主要涉及小庄井田、亭南煤矿、大佛寺煤矿及彬长详查区。其中亭南煤矿和大佛寺煤矿在线路设计前已经建矿并开始开采；小庄井田在线路建成以后取得矿权，并于2014 年8 月开始开采。具体到各塔位：15#～29#塔位（共15 基）在大佛寺煤矿开采范围内；14#塔位（共1 基）在亭南煤矿的采矿权范围内；3#～12#塔位（共10 基）在小庄井田内；1#～2#、13#塔位（共3 基）在彬长详查区内。

（二）采空区煤层埋藏特征

线路所经地段的含煤地层为侏罗系中统延安组（J2y），根据沉积旋回及煤岩组合特征，将其划分为三段，自下而上依次为一～三段，第一段含4煤，第二段含4上煤，第三段含1、2、3 煤。根据地质资料，在线路评价范围区内4 煤大部可采，4 上煤及1、2、3 煤均为零星可采或不可采。

4 煤层位于延安组下部，在线路评价范围区分布，结构单一，可采面积561.3 万m2，煤层厚度0～24.16m，平均厚度14.10m，属特厚煤层，线路经过地段4 煤层采深采厚比一般为30～100。

（三）采空区煤层埋藏特征

本次评价针对位于大佛寺煤矿的24#塔位开展，该煤矿开采方式为综采，一次采全高。根据在该煤矿收集到的资料，大佛寺煤矿目前开采的40119 工作面位于24#塔位的下方。在平面位置上，24#塔位位于开采工作面中央，该工作面主要开采4 煤层，该煤层近水平，目前开采煤层厚度约11m。

二、输电线路塔基地表变形预计

（一）预计方法

采空区地表变形预计目前使用较广泛的概率积分法，其基础为随机介质理论，因其预测公式中含有概率积分而得名。该方法将开采引起的地表移动看作随机事件，从统计学的角度，认为任意开采条件下都可以把整个开采分解许多或无限多个微小单元的开采，整个开采对地表的影响等于所有单元开采的影响总和，因而可从单元开采入手，研究下沉盆地的方程式。下沉盆地的剖面在理想情况下，曲线呈正态分布，且与概率密度的分布一致。因此，整个开采引起的下沉盆地的剖面方程式，可表示为概率密度函数的积分公式。这种方法经过众多学者30 多年的研究，目前已成为我国较成熟的、应用最为广泛的采煤沉陷预测方法之一。

概率积分法地表移动和变形计算原理图如图1 所示。

在煤层中开采某单元i，按概率积分法的基本原理，单元开采引起地表任意点（x,y）的下沉（最终值）为：

式中：r：主要影响半径，r=H0/tgβ；H0：平均采深；tgβ：主要影响角β 的正切；li=Hictgθ，θ 为最大下沉角；（xi,yi):i 单元中心点的平面坐标；（x,y）：地表任一点的坐标。

（二）预计参数的确定

工程实际中地表移动变形预计概率积分参数的确定主要有两种途径：1.通过矿山实测资料确定，由于根据实测资料确定的参数能客观反映矿区地表移动变形的情况，所以预测能取得较理想的效果；2.通过工程类比确定。工程类比适用于没有实测资料的新矿山，它主要是根据矿山的地质条件、岩层特性、采矿方法、顶板处理方式等综合情况选取类似条件的矿山实测数据来分析确定地表移动参数，或直接取同类条件矿山已有的地表移动参数来预测分析矿山地表移动变形情况，但选取矿山条件的不同，会使确定的参数有很大出入，通常在本矿山开展监测活动后，利用实测资料确定的参数对工程类比参数进行修正，以确保预测的准确性。

本输电线路所经过的矿区目前暂未设置地表变形监测点，本次结合区域上覆岩性的综合评价系数P 和地质、开采技术条件，利用类比方法取相邻矿区的参数，最终确定本工程地表移动参数如表1。

表1 地表移动预计参数

（三）地表变形预计

采用基于概率积分法的MSCS 开采沉陷预计系统对大佛寺煤矿40119 开采工作面开采后的沉陷变形进行预估，该工作面开采结束后采空区最终的变形预估结果为：

1.最大下沉值：Wmax=-3137mm；

2.最大倾斜值：imax=19.6mm/m（东西方向）；

3.最大曲率值：Kmax=-0.28mm/m2（东西方向）；

4.最大水平移动值：Umax=1217mm（东西方向）；

5.最大水平变形值：εmax=-17.05mm/m（东西方向）。

目前24#塔位于开采下沉盆地的中央，以下沉变形为主，下沉值约为3020mm；塔位处地表倾斜变形较小，倾斜值约为4.2mm/m，按塔位按对角跟开约为18m，则两塔腿的最大沉降差为75.6mm；塔位处的水平变形为-4.05mm/m（东西方向）。若该塔位位于地表最大倾斜处，则塔位处下沉值约为1850mm，倾斜值约为19.6mm/m，沉降差为352.8mm。

可见，塔位在采空区中的位置不同，塔基的倾斜值也相差较大。目前24#塔位所在位置以下沉变形为主，倾斜相对较小。

三、输电线路塔基稳定性评价

根据《架空送电线路基础设计技术规定》等相关规范的规定，普通基础的输电线路杆塔可承受的地基倾斜极限值为5‰（5mm/m）；根据规范中相关规定，杆塔在整体钢筋混凝土基础上的水平变形极限为7mm/m，而高压线杆塔大板基础在受力、结构等方面与此吻合，因此取大板基础水平变形极限值为7mm/m。

本次地表变形预计，24#塔位的倾斜值约为4.2mm/m，水平变形约为-4.05mm/m，均小于规范的最大限值，因此该塔位开采后塔基稳定，可不采取结构处理措施。若该塔基位于地表最大倾斜处，此时塔位处下沉值约为1850mm，倾斜值约为19.6mm/m，即使采用大板基础，也无法满足塔位稳定性要求。

四、输电线路杆塔应急措施

与常规的工程不同，采空区的输电线路在地表发生变形时一般不采用地基加固方案，而是采取以杆塔纠偏为主的处理方案。鉴于输电线路的特点，采空区塌陷后地表变形程度不同所采取的应急处理措施一般也有所区别，输电线路工程中一般可采用以下应急处理措施：（一）若采空区的地表沉降量不大、水平位移在规定以内时，可采用带电扶正铁塔，如在铁塔基础下加垫块扶正塔身或调节地脚螺栓扶正塔身，优点是工期短、投资小、易实施，是最佳的临时处理方案。（二）若采空区地表变形较大，且输电线路杆塔基础为独立式基础，可首先采取基础加固措施，将塔基改为整体式基础，如设置连梁，以增加基础的整体性，然后进行塔基纠偏，此类方法工期较长，投资大，为保证铁塔安全，尚需设置铁塔拉线等辅助措施。（三）当输电线路铁塔基础变形超过允许值、铁塔塔材发生较大的弯曲变形、铁塔倾斜过大造成导线断线时，则应尽早改线。此外，在煤炭采空区的塔位，还应加强监测，随时掌握变形发展趋势以便及时进行应急处理。

五、结论

通过对煤炭采空区的某750kV 输电线路塔基地表变形的预计分析，对塔基在煤炭开采后的变形程度进行了预估，结合塔基在采空区中的位置，对输电线路塔基的稳定性进行了评价，通过以上分析得出以下结论：（一）若铁塔位于开采工作面的中央，即地表移动盆地的中间区，因塔基的倾斜值相对较小，塔位总体较安全；而当塔基位于开采工作面边缘，即地表移动盆地边缘区时，因塔基处地表的倾斜值较大，往往超过规范允许的变形限制，使铁塔处于不安全状态。（二）概率积分法用于采空区输电线路塔基稳定性评价时，当无实测变形资料时，可通过考虑覆岩岩性、采深采厚比、工作面特点、开采条件等综合确定地表移动预计参数，该方法的定量评价结果为输电线路塔基位置选择、塔基基础形式选择及地表变形后杆塔应急处理等提供了依据。（三）煤炭采空区输电线路塔基的应急处理应结合地表变形程度、铁塔倾斜水平及煤矿煤炭资源开采规划选择，处理措施宜短期措施和长期措施相结合，以确保输电线路正常运行。