某煤矿采空区对输电铁塔地基影响数值研究

赵秀丽，葛忻声

(1.太原理工大学，太原 030024； 2.中化二建集团有限公司，太原 030021)

煤矿采空区从变形到破坏是一个漫长而复杂的过程[1-2]。铁塔是输电线路的重要组成部分之一。高压输电线路不可避免的穿越煤矿采空区，如果线路绕道避开，可能会造成线路建设成本的大幅度增大，还会给设计线路的优化布置带来不安全隐患[3-4]。对于穿越采空区的高压输电线路铁塔势必会受到采空区移动变形的影响，且输电线路铁塔基础面积小，高度大，对不均匀沉降和地表倾斜比较敏感[5-6]，因而对于穿越采空区的铁塔地基稳定性评价已成为工程建设中的主要问题之一。

本文以某110kV输电线路经过采空区为例，对采空区上方输电线路的铁塔塔基稳定性进行数值分析，分析塔基受采空区影响的程度，作为塔基维修、加固、重建的依据。

1 输电线路与煤层开采情况

某供用电公司110kV的南后送电线路及110kV的河后送电线路(分别简称A线、B线)是其所在区域的煤矿的重要输电线路。两段线路走向均为南北走向，东西相距约50m。2016年以来发现A线120#塔及B线50#塔体钢架结构出现扭曲变形，塔基周边也发现有多条裂缝，严重威胁两段线路的安全运行。

经查明该两段输电线路位于某公司矿界以内，线路区间布置有该煤矿1117综采工作面。1117回采工作面开采10+11号煤层，煤厚约7.7m，埋深167～240m，采煤方法为倾斜长壁后退式综合放顶采煤方法，全部垮落法管理顶板。工作面于2016年2月初进行初采，截至2016年7月31日已自东向西推进295m，工作面长约280m。1117工作面总长1 380m，剩余的1 185m，按照132d开采时间考虑，回采工作面平均推进速度为2.23m/d。1117工作面东侧已开采区域上部无3号煤分布，7号煤为蹬空区，9号煤层为2006年以前煤矿采空破坏区。该区域9号煤层平均厚度1.52m，煤层倾角平均5°。

图1 塔架扭曲变形Figure 1 Tower twisted deformation

图2 采掘区与铁塔位置Figure 2 Mining block and tower positions

根据实测资料，已发生变形的A线120#塔、B线50#塔分别位于1117工作面已采区北部33.7m和2.0m。通过综合分析可知，出现变形的两座铁塔均距离开采区较近，变形为地下采煤所致。

2 地表塌陷模式及参数选取

该井田为近水平煤层，按半无限开采缓斜倾煤层地表下沉主断面地表移动和变形值计算公式，本矿开采煤层的倾角为5°，采用《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044-2014)中H.0.2的概率积分法预测。

本次预测未收集到该煤矿地表岩移观测资料，无可用的实测开采沉陷基本参数，根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044-2014)表H.0.8-1地表移动变形基本参数的选取原则来选取本次地表移动变形基本参数。该煤矿覆岩类型为较硬岩，结合现场实际情况，相关参数选用如下：

1)下沉系数。该煤矿1117工作面已开采段，工作面宽L=140m，埋深H=226m，L/H=0.62，本次预测q初取0.68；对于较硬岩，一次重采动，a取0.2；根据复采计算公式，q复1=(1+a)q初=(1+0.2)×0.68≈0.82。

2)水平移动系数。b初=b复1=0.25。

3)开采影响传播角。θ1=90°-0.65α=86.8°，α为9号煤层倾角,α=5°；

θ2=θ1+0.15α=87.6°，α为10+11号煤层倾角，α=5°。

4)主要影响角正切。tanβ初取2.10；tanβ复1=tanβ初+0.062 4lnH复1-0.017=2.42。

5)拐点偏移距。预测S初/H初取0.22，S初=52.8；S复1/H复1取0.20，即S复1=0.2×226=45.2m。

6)主要影响半径。r=H复1/tgβ复1=93.4m。

3 地表移动变形预测

3.1 充分采动移动变形计算

当开采范围的倾斜长度Lq、走向长度Lz均大于两倍的主要影响半径(即Lq≥2(r+s) ，Lz≥2(r+s))时，其采动影响达到充分采动条件，反之未达到充分采动条件。1117工作面开采达到充分采动条件的尺寸为Lq和Lz≥2(r+s)=2×(93.4+45.2)=277.2m。工作面推进方向长度为295m>2(r+s)，工作面的倾斜长度为Lq=280m>2(r+s)，所以，沿工作面方向和工作面推进方向均达到充分采动条件，故1117工作面开采后为充分采动。

根据地表移动变形规律，充分采动时下沉变形等各种变形值均可达到最大值，符合一般地表移动变形规律。按照《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044-2014)H.0.5相关公式计算结果如下：

1)地表最大下沉值为6 290mm；

2)地表最大水平移动值为1 572mm；

3)最大倾斜变形值为67.35mm/m；

4)最大曲率变形值为1.096 2×10-3/m；

5)最大水平变形值为25.59mm/m。

3.2 地表移动延续时间

根据上述预测模式，本矿无实测资料，1117工作面开采后，地表移动延续时间由下式计算:

T=2.5×H。

(1)

式中：T——地表移动延续时间，d；

H——最大开采深度，m。

经计算，1117工作面10+11号煤移动延续时间T=675d=1.85a。

该工作面从2016年2月初进行开采，到2016年5月底停采，预计22个月沉陷稳定，即上述沉陷变形应在2018年4月达到稳定。经过后期跟踪了解，该采空区工作面变形目前已基本稳定。

3.3 地表塌陷等值线

本次通过中国矿业大学开发的《煤矿地表沉陷预测软件》(hpMSPS0)绘制地表塌陷等值线。10+11号煤层开采后，产生地表塌陷等值线见图3～图7。

图3 地表下沉等值线Figure 3 Isogram of surface subsidence

图4 地表倾斜等值线Figure 4 Isogram of surface incline

图5 地表曲率等值线Figure 5 Isogram of surface curvature

图6 地表水平移动等值线Figure 6 Isogram of surface horizontal movement

图7 地表水平变形等值线Figure 7 Isogram of surface horizontal deformation

根据上图等值线图分别插值法计算出A线120号铁塔、B线50号铁塔受采煤影响移动变形预测值，详见表1。

根据上述计算结果查《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中所列建筑物的破坏等级判定表及处理措施可知：A线120号铁塔、B线50号铁塔破坏等级均为Ⅳ级，属严重损坏或极度严重损坏，应进行大修或拆建。

4 采空区对输电铁塔塔基的影响验证

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中所列公式计算10+11号煤层开采后对A线120#塔和B线50#塔的影响表1。

表1 铁塔受采煤影响移动变形值预测

注：各预测值为考虑完全充分采动最终影响值，未体现塌陷过程影响。

根据上述计算结果查《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中所列建筑物的破坏等级判定表及处理措施可知：A线120号铁塔、B线50号铁塔破坏等级均为Ⅳ级，属严重损坏或极度严重损坏，应进行大修或拆建。

5 结论

1)经过两种计算采空区移动变形方法成果对比可知，两种预测方法所得结果基本一致。

2)采用沉陷预测软件所得结果更直观、形象，能从变形等值线图上直接读出地表各个点的变形值。

3)采用这两种采空区移动变形的计算方法进行地表变形预测，只能反映最终地表塌陷稳定后的地面影响状况，未反映出各工作面回采过程中对地表造成的塌陷影响。