煤矿采动影响区对输电线路塔基稳定性影响的分析和评价——以某输电线路压覆煤矿为例

张 义 杨 煜 陈晓锋

（四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041）

0 引言

近年来，随着国家经济的高速发展，新建的架空输电线路可选择的路径走廊越来越受限，要穿越煤矿采动影响区的情况不可避免[1]。位于煤矿采动影响区的塔基受到采空区地表移动变形的影响，铁塔对不均匀沉降和地表倾斜很敏感，其稳定性将直接关系到电网的安全性，采取的处理措施又直接影响工程投资造价。因此，客观分析和评价位于煤矿采动影响区的塔基的稳定性显得特别重要。本文以某特高压输电线路方案压覆煤矿采动影响区为例，开展采空区铁塔地基稳定性评价，分析煤矿采动影响区对输电线路的影响，为输电线路铁塔的安全运行提供技术依据。

1 工程概况

某特高压输电线路方案设计路径由西北向东南穿越山西西南河东煤田某煤矿走线，压覆矿权范围长度约1.6km，设计路径长度约2.9km。路径方案有3基铁塔位于煤矿内部，编号分别为N2、N3、N4；有3基铁塔位于煤矿范围外，编号分别为N1、N5、N6。

2 矿区地质条件和基本特征概述

2.1 矿区地质条件概述

路径区域上位于晋西黄土高原南端，属典型的低中山黄土地貌。地层由老至新依次为奥陶系中统峰峰组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子组、石千峰组，三叠系下统刘家沟组，新近系及第四系。岩性主要为泥岩、粉砂岩、灰岩、以及上覆黄土。地质构造总体形成走向北北东向、北西倾斜的单斜构造。矿区范围无常年性河流；地下水主要为裂隙水。

2.2 矿区基本特征概述

该煤矿采用长壁式综采采煤法，一次性采全高，全部垮落法管理顶板，采掘面宽度一般为130m～150m，长度500m～1000km，工作面的回采率95%。

可采煤层自上而下共三层，分别为山西组2上号、2下号、太原组10号，煤层倾角16～25°，其特征见表1。

表1 可采煤层特征表

该矿采用联合布置开采2上号和2下号煤层，后期延深开采10号煤层。其中2上、2下号煤层划分为3个采区，分别为一采区、二采区和三采区；10号煤层划分为4个采区，分别为四采区、五采区、六采区和七采区。采区接替顺序为一采区→二采区→三采区→四采区→五采区→六采区→七采区。开采顺序采用先易后难、由近及远、自上而下的原则。

3 路径区煤层采区分布及开采现状

根据现场踏勘，并结合储量报告2上号和2下号煤层采掘工程平面图，路径通道的采掘面布置、采掘时间、及未采掘区域见表2和表3，图1和图2。

图1 2上煤层采掘面分布、未开采区域、及塔位分布关系图

图2 2下煤层采掘面分布、未开采区域、及塔位分布关系图

表2 2上号煤层采掘面及采掘统计时间表

表3 2下煤层采掘面及采掘时间统计表

路径经过2上、2下号煤层的一采区、二采区，10号煤的四采区、五采区，目前正在位于二采区的2上05采掘面开采。路径区自上而下可采煤层共三层，分别为山西组2上号、2下号、太原组10号，除一采区的2上煤层全部采完外，一采区的2下煤层、二采区的2上和2下煤层均未采完，且10号煤层未开始开采。

4 预计塔位处于采动影响区的地段及采深采厚比

4.1 矿界内的塔位分析

N2塔位于二采区2上煤层计采区、二采区2下02采掘面的边缘，受到2上、2下、和10号煤层共3层煤的开采影响，属未来采动影响区，根据邻近的钻孔BL1101的资料，煤层采深采厚比约为134～144（表4）。根据第8.1.3条[2]，建议采用增加地脚螺栓外露长度、钢筋混凝土板式基础、并设置防护大板的措施。

N3、N4塔位于二采区2下未开采面的边缘，属于2下未采掘面形成的移动盆地的影响边缘区，受到2层煤（2下和10号）的开采影响，属2上煤层的老采动影响区、2下和10号煤层的未来采动影响区，2下煤层的开采可能引起上部2上煤层老采动影响区的复活，变为现采动影响区。二采区2下未开采面长度约500m、宽约130m，预计工作面回采率95%。根据附件的钻孔BL1103的资料，煤层采深采厚比约为31～35，预计开采后地面将出现位移及沉降，预计地面位移时间在线路投运后（表4）。考虑到长壁式开采、采掘面、回采率等因素叠加，N3、N4塔位场地不宜立塔[3]。

表4 路径压覆煤矿段塔位的采深采厚比统计

4.2 矿界外的塔位分析

根据公式r=H/tgβ[4]（其中，r为采空区边界地表主要影响范围半径（m），H为开采深度（m），tgβ为主要影响角正切值），结合顶板岩性强度和覆盖层厚度估算，估算矿界地表主要影响范围半径约为150m。因此，N1号塔距离矿区边界约300m，位于采动影响区以外；N5、N6号塔距离矿区边界分别为80m、90m，位于采动影响区以内，属于外边缘区，将影响塔基安全稳定。

5 预计塔位的临界深度与实际采深对比分析

煤层开采后，开采的临界深度H临界=Hm+Hli+Zn+Hb，其中，Hm为垮落带高度、Hli为断裂带高度、Zn为塔基附加应力影响深度、Hb为断裂带高度上部保护层厚度。

当H实际＞H临界，采空区相对稳定，地面不会产生剧烈变形，在采用大板基础及加长地脚螺栓的基础处理后，可以保证塔基的安全。

当H实际＜H临界，采空区地表变形强烈，场地不稳定。

根据《采动影响区架空输电线路设计规范》（DL/T 5539-2018）附录A，计算垮落带高度Hm和断裂带高度Hli。

Zn塔基附加应力深度根据《建筑地基基础设计规范》5.3.8节公式，Z=B（2.5-0.41nB），B为基础宽度(m)。对于大板基础，按附加应力是自重应力10%为附加应力的标准值，再加上基础埋深h即为附加应力影响深度Zn。经估算，采用大板基础时，其附加应力影响深度比采用普通基础浅，为安全起见，本文附加应力影响深度值采用普通基础计算值。即：Zn=Z+h，其中，Z为附加应力深度。

Hb断裂带上部保护层厚度，一般取3～6倍的煤层厚度，顶板岩层硬度大，取小值；硬度小，取大值。

位于采空区的本工程各塔基根据临界开采深度与实际采深相比较，判定各塔基稳定性结果见表5。

表5 临界开采深度与实际开采深度比较判定表

6 预计塔位与已建A号塔对比分析

结合本工程塔位在矿区内的具体位置，与邻近已建A号塔对比，A号塔在建设期间因采动影响发生了明显沉降，最大下沉了2.4m。根据附录C[2]，采用概率积分法计算该段各塔位在充分采动条件下最大沉降、最大水平变形值等，并与已建A号塔煤层对比。地质构造、采掘方式、顶板岩性强度、顶板管理方法、回采率等基本一致，因此将压覆煤层、开采计划等不一致的因素比较，得到预测变形情况，见表6～表8。

由表6～表8可以看出：1）由压覆煤层情况来看，本工程N3和N4号塔的2下#煤层厚度3.2m与已建A号塔3.4m近于一致，但2下#煤层的采深采厚比（31）小于已建A号塔（41）；N2号塔的2下#煤层厚度（为0.94m）小于已建A号塔的2下#煤层厚度（为3.4m），2下#煤层采深采厚比（约142）大于已建A号塔的2下#煤层采深采厚比（41）。2）采掘面的开采顺序和开采时间还未确定。由开采计划采掘面来看，按照目前矿区的开采方式，充分采动后，N2、N3和 N4号塔均位于未来形成的移动盆地的影响边缘区，预计将来N2、N3和 N4号塔的地表会有较大变形，尤其N3和N4号塔，且地面位移变形的时间在线路投运后，对铁塔稳定影响较大。3）该矿采用长壁式综采采煤法，一次采全高，采掘面一般130m～150m，长度500m～1000km，工作面的回采率95%，将形成较大的采空区。由预测变形可以看出， N3和N4塔基的地表最大倾斜变形、地表最大曲率变形和地表最大水平变形等三个参数均超过最大允许值范围，N3和 N4号塔位从定量方面可判断为采动不稳定区域。4）N2的煤层采深采厚比约为134～144，根据第8.1.3条[2]，建议采用增加地脚螺栓外露长度、钢筋混凝土板式基础、并设置防护大板的措施。5)根据煤矿收资，目前10#煤没有开采计划，预计将来在开采10#煤过程中会引起塔位的倾斜和下沉。根据钻孔资料10#煤厚度2m～4.62m，距离2下#煤约60m～70m，根据煤矿开采的一般计划，10#煤开采时，由2下#煤开采造成的地面变形已经结束，两层煤开采累计变形量为两次叠加，但由于10#煤采深采厚比与2下#煤接近，因此未来开采变形量与2下#煤接近。

表6 本工程预计塔位与已建A号塔煤层对比表

表8 N3和N4塔基地表移动变形预测表

综上分析，因该煤矿开采时序的不确定性、本线路工程的重要性和开工的紧迫性，为确保线路塔基的安全，建议不采用穿过该煤矿的路径方案。

7 结论

该文从煤矿采掘的方式、采掘面的布置和采掘的计划入手，对采空区的破坏机理进行分析；采用采深采厚比计算分析、概率积分法计算分析，并结合该区域已建工程的案例对某输电线路经过的采动影响区的塔基进行了稳定性分析和评价。

表7 N2号塔基地表移动变形预测表

根据估算矿界地表主要影响范围半径，矿界外的N1号塔位于采动影响区以外，塔基安全稳定；N5、N6号塔位于采动影响区以内，属于采动影响区（地表移动盆地）的外边缘区，将影响塔基安全稳定。

N3、N4塔位于2下煤层未来移动盆地的影响边缘区，煤层采深采厚比约为31～35。由预测变形可以看出，N3和N4塔基的地表最大倾斜变形、地表最大曲率变形和地表最大水平变形等三个参数均超过最大允许值范围，N3和 N4号塔位从定量方面判断为采动不稳定区域，将影响铁塔的安全稳定，场地不宜立塔。

该煤矿开采时序的不确定性、该线路工程的重要性和开工的紧迫性，为确保线路塔基的安全，建议采用避让煤矿的路径方案。