煤矿采动区高压输电线路改线技术方案研究

陈志梅，王永安，袁广林

（1.国网山西省电力公司，山西 太原 030001；2.中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221116）

高压输电线路是国民经济发展和国家建设的生命线，煤炭开采沉陷一直是影响高压输电线路安全运行的重大隐患[1]。我国各大矿区几乎所有的煤田上方均有高压线通过，成为制约煤炭企业可持续发展的难题之一[2-3]。采取高压线路改线的方法，不但投资大、涉及面广、实施难度大，而且存在路径选择困难、重复压煤、建设周期长等复杂问题。

1 工程概况

煤矿开采的条件、方法、煤层状况等基本情况，直接影响地表的移动和变形；采区内高压线的分布及铁塔结构抵抗地表变形的能力也不相同。

1.1 采区情况

某煤矿设计年生产能力400万t，主采煤层为3a、3b煤层。3a煤层，煤层厚0.74～5.42 m，平均3.29 m；3b煤层，厚度0～16.81 m，平均4.88 m。主要水平大巷分区开拓，厚煤层采用综合机械化采煤放顶煤开采，中厚煤层采用普通综合机械化采煤，全部冒落法管理顶板。

第十采区位于某煤矿井田中部，由于该市小北湖区域的规划发展，原规划的第十采区面积极度压缩，现采区实际已成为可采区域面积约1.9 km2的南宽北窄的三角形。采区东北即八里铺断层以东为正在开采的第二采区，采区南侧为正在开采的第十一采区，其他区域均为未采区，见图1。

1.2 高压线情况

渔澳线（220 kV）、宁接线（220 kV）、宁高线（220 kV）3条高压线自西向东穿过采区，见图2。采区内线路总长度约7.6 km，铁塔和杆塔共26个。在采区的西北方向有变电站1座。高压线的杆塔形式主要有直线杆、二联杆塔、铁塔3种。直线杆高度15～25 m；二联杆塔高度15～25 m，根开约5 m；铁塔类型为自立式铁塔，高度15～25 m，铁塔为4脚独立基础结构，根开5～8 m。

图1 某煤矿第十采区与周边采区位置关系示意图

图2 某煤矿第十采区原有高压输电线路

2 地表变形预计方法

煤矿开采沉陷损害预计理论常用的有影响函数法、理论模型法及经验方法。目前，较为成熟、应用最为广泛的是概率积分法。多年实践验证表明，地表变形预计方法进行煤矿地下开采的地表沉陷预计精度完全能够达到工程要求。

2.1 地表变形预计方法及预计参数

根据某煤矿的第一、三、四、六采区常规工作面的地表移动观测数据总结的地表移动参数，综合第十采区实际的地质采矿条件，参考《建筑物、水体、铁路及主要并巷煤柱留设与压煤开采规程》中的有关规定，概率积分法预计采用的地表移动参数见表1。表1中α为煤层倾角，H为煤层采深。

表1 概率积分法预计参数

2.2 地表变形预计结果

采用概率积分法模型计算了第十采区全采完成后地表移动与变形的分布等值线以及相应的各高压线塔出地表移动与变形值。限于篇幅，第十采区3a、3b煤层采用全部垮落法开采后的地表移动变形等值线图不再示出。

分析表明，受工作面采动影响，高压线均受不同程度的破坏。下沉最大的是渔澳45杆塔，值为6 800 mm；东西方向水平变形最大的是渔澳39杆塔，值为－8 mm/m；南北方向水平变形最大的是渔澳39杆塔，值为－9 mm/m；东西方向水平移动最大的是渔澳41杆塔，值为－1 900 mm；南北方向水平移动最大的是渔澳39杆塔，值为－1 300 mm；东西方向倾斜变形最大的是渔澳41杆塔、宁高32杆塔，值为－15 mm/m；南北方向倾斜变形最大的是渔澳39杆塔，值为－10 mm/m；东西方向曲率变形最大的是宁高29杆塔、宁接29杆塔，值为0.07 mm/m；南北方向曲率变形最大的是宁接32杆塔，值为－0.035 mm/m。

从以上分析计算结果可知，开采后高压线杆塔最大下沉达到6 800 mm、水平变形最大值达到9 mm/m、倾斜变形最大值达到15 mm/m，将会大大降低高压输电杆塔的对地高度；高压线杆塔承受较大的采动变形，极易引起破坏性后果；同时，由于该区域地下水位较高，将会导致部分高压输电杆塔及基础面临积水浸泡的威胁，严重影响杆塔的耐久性和安全性，增大维修难度。

3 改线方案及地表变形分析

依据现有的高压输电线路下地表变形预计结果，分析可能的改线方案及其地表变形，确定东西走向高压线走廊煤柱保护线位置，进行采动影响分析。

3.1 改线方案

基于上述分析，考虑到现场及煤炭开采情况，初步确定对第十采区高压线计划分为2个步骤进行改造。

a）第二采区开采前，先将受第二采区开采影响的线塔迁移到A线1号—5号、B线1号—5号、C线1号—5号处。

b）第二采区开采结束后，再将A线1号—5号、B线1号—5号、C线1号—5号处线塔，迁移到A线5号—9号、B线5号—9号、C线5号—9号的北部延长线上，该线路的具体位置见图3。对改造后的输电线路A线5号—9号、B线5号—9号、C线5号—9号线塔处地表变形情况进行地表变形分析，如地表沉降不大于10 mm，则将其作为永久线路。

图3 某煤矿第十采区高压线路改线方案

针对第十采区西北角的变电站及东西向高压线的安全性，提出在第十采区东西向高压线处留设保护煤柱。需要根据地表变形预计的结果，确定保护煤柱的位置。

3.2 高压线南煤柱保护线设定

保护煤柱的留设主要有两类方法：一类是《建筑物、水体、铁路及主要并巷煤柱留设与压煤开采规程》中给出的方法，即基于基岩移动角和表土层移动角的垂直断面法和垂线法；另一类是基于概率积分法预计的方法。前者需要有本矿区的基岩移动角和表土层移动角参数，而后者需要有本矿区的概率积分法预计参数。

根据煤矿所在矿区的地表移动观测资料，目前已经获得了可基本满足工程需要的概率积分法预计参数。因此，这里采用概率积分法预计的方法来确定东西走径高压输电线的保护煤柱范围，并为避免对高压输电线塔稳定性造成影响，采用预计地表下沉10 mm代替地表建筑物变形临界值进行设定。通过逐步趋近，将东西走径高压线走廊煤柱保护线位置设定于其南侧452 m处。

3.3 改线后的高压线路地表预计结果

采用概率积分法模型计算了第十采区东西向高压线南保护煤柱线以南各工作面全采完成后的地表移动与变形等值线图。对第十采区东西向高压线南保护煤柱线以南各工作面全采后计划改造的高压线路A线5号—9号、B线5号—9号、C线5号—9号线塔处地表移动与变形最终值进行了分析，其结果见表2—表4。

A线5号—9号，下沉最大的是A线5号，值为9 mm；东西方向水平变形最大的是A线5号，值为0.3 mm/m；南北方向水平变形最大的是A线5号、A线9号，值为0.1mm/m；东西方向水平移动最大的是A线5号，值为－15 mm；南北方向水平移动最大的是A线5号，值为－10mm；东西方向倾斜变形最大的是A线5号，值为－0.2 mm/m；南北方向倾斜变形最大的是A线5号，值为－0.1 mm/m；东西方向曲率变形最大的是A线5号，值为0.002 mm/m2；南北方向曲率变形最大的是A线5号、A线9号，值均为0.001 mm/m2。从总体来看，A线5号—9号塔受采动影响极其轻微，通过常规的线路检修即可保证安全。

表2 全采后计划改造的高压线路浅A线5号—9号线塔处地表移动与变形最终值

表3 全采后计划改造的高压线路B线5号—9号线塔处地表移动与变形最终值

表4 全采后计划改造的高压线路C线5号—9号线塔处地表移动与变形最终值

B线5号—9号，下沉最大的是B线5号，值为5 mm；东西方向水平变形最大的是B线5号，值为0.2 mm/m；南北方向未受水平变形影响；东西方向水平移动最大的是B线5号，值为－8 mm；南北方向水平移动最大的是B线5号，值为-5 mm；东西方向倾斜最大的是B线5号，值为-0.1 mm/m；未受南北方向倾斜变形影响；东西方向曲率变形最大的是B线5号、B线6号，值为0.001 mm/m2；未受南北方向曲率变形影响。从总体来看，B线5号—9号受采动影响极其轻微，通过常规的线路检修即可保证安全。

C线5号—9号，下沉最大的是C线5号，值为2 mm；均未受东西方向和南北方向水平变形影响；东西方向水平移动最大的是C线5号，值为－5 mm；南北方向水平移动最大的是C线5号，值为－2 mm；均未受东西方向和南北方向倾斜变形影响；东西方向曲率变形最大的是C线5号、6号，值为0.001 mm/m2；未受南北方向曲率变形影响。从C线5号—8号移动与变形值统计分析，C线5号—8号受采动影响极其轻微，通过常规的线路检修即可保证安全。

4 结论及建议

确定第十采区东西走径高压线走廊煤柱保护线位置位于走廊南侧452 m处。根据地表沉陷预计结果，第十采区东西向高压线南保护煤柱线以南各工作面全采完成后计划高压线方案A线5号—9号、B线5号—9号、C线5号—8号各线塔处的地表最大下沉值为9mm，最大水平移动值为－15mm，最大倾斜变形值为-0.2 mm/m，最大水平变形值为0.3 mm/m，最大曲率变形值为0.002 mm/m2。第十采区的采动地表变形对高压输电线路的影响不大，不会影响线路的安全运行，可作为永久线路。建议采用改线方案走径对高压线走廊进行改造。

［1］ 邹友峰，邓喀中，马伟民.矿山开采沉陷工程［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003：110-150.

［2］ 孙俊华.煤矿采空区线路设计技术［J］.山西电力，2004（3）：13-14.

［3］ 袁广林，张云飞，陈建稳，等.塌陷区输电铁塔的可靠性评估［J］. 电网技术，2010，34（1）：214-218.