煤矿开采沉陷对高压线塔的影响与变形分析

张广宁

（晋能控股煤业集团赵庄二号井，山西 晋城 046605）

煤矿井下开采导致地表下沉变形、地面建（构）筑物的移动以及内外部结构的变形甚至破坏，造成巨大的财产和生命损失，广大专家学者进行了大量的研究[1-5]。赵庄二号井田内村庄、高压线、铁路等建（构）筑物压煤非常严重，给井下工作面的布置和生产的衔接带来很大困扰。

1 工程概况

赵庄二号井井田地层由老至新依次为古生界奥陶系、石炭系及二叠系，新生界上第三系及第四系，含煤地层主要为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组。构造总体为一背向斜相间的褶曲构造，两翼倾角8°～15°。赵庄二号井在西盘区北部堡神线、神良线和堡良线三趟220 kV 高压线，共9 座高压线塔下方布置了2309、2307 工作面。工作面开采煤层3 号煤层，为近水平煤层，盖山厚度481～516 m，煤层厚3.9～4.5 m，采用轻型综采放顶煤工艺，液压支架自移全部垮落法管理顶板。

2 开采沉陷对高压输电电路的影响

地下煤层开采后使岩层产生移动、变形和破坏，开采面积达到一定范围后，会引起地表移动与变形，进而对影响范围内的地表建（构）筑物产生附加应力影响，达到一定极限将导致建（构）筑物发生变形甚至破坏。开采沉陷产生的地面变形主要有垂直方向的移动和变形（下沉、倾斜、曲率、扭曲），水平方向的移动和变形（水平移动、拉伸与压缩变形）以及地表平面内的剪应变三类。非均匀的移动和变形，将直接对高压输电线路杆塔的基础、杆塔、档距产生影响，引起高压输电线路其他元素的变形，对高压输电线路的正常运行有不利影响。对输电线路有明显影响的变形指标是下沉、倾斜和水平变形。其中，倾斜变形对高压线塔的安全威胁最大，在地表移动变形分析、开采方案优化和后期的变形监测过程中，均应着重考虑倾斜变形指标。

3 高压线塔变形监测

3.1 测点的设置

为了准确、及时地掌握高压线塔的移动与变形情况，选择堡神线22#、神良线83#、84#和堡良线24#、25#线塔进行沉降变形观测。高压线铁塔的观测主要为铁塔基础沉陷变形观测，在每个铁塔四角独立的基础上各标出一点作为铁塔基础移动与变形的观测点。观测参照三等水准测量的精度，地表移动活跃期，每10 d 观测一次，非活跃期，每月观测一次；在采动前和地表移动基本稳定后，进行高压线塔基础的高程联测。采动过程中对受影响的铁塔及时进行观察，主要有采动裂缝，裂缝出现时间、产状及尺寸，杆（塔）体是否出现移动和变形等。

3.2 观测数据分析

自2018 年7 月至2020 年12 月，线塔观测站共进行了28 次水准测量。在2309 工作面开采过程中，工作面上方地表出现了明显的下沉盆地，下沉盆地的范围随工作面的推进不断向前延伸。根据线塔观测站实测数据，计算了不同采动时期各铁塔四角独立基础的下沉、倾斜变形值。在工作面开采期间，堡神线22#、神良线83#、84#和堡良线24#、25#线塔均出现了较为明显的移动与变形。随着工作面的开采，线塔基础的移动与变形逐渐增大，并在一定时期后变形值趋于稳定，说明地表沉陷变形是连续渐变的，该过程符合开采沉陷的一般规律。堡神线22#、神良线83#、84#和堡良线24#、25#线塔的最大下沉值依次为1026 mm、1817 mm、54 mm、58 mm、62 mm，最大倾斜值依次为29.2 mm/m、13.6 mm/m、3.6 mm/m、4.2 mm/m、5.2 mm/m。2309 工作面回采经过堡神22#线塔下方时，是其变形值快速发育期，最大下沉速度为68.3 mm/d，此后下沉速度逐渐减小，线塔沉降趋于平缓。2307 工作面开采至其附近时，该线塔下沉再次明显增大，达到24.2 mm/d，表明2307 开采引起2309 工作面的活化，导致地表再次出现较为明显的沉降。

4 基于FLAC3D 开采沉陷数值模拟分析

4.1 计算模型及参数

根据赵庄二号井2309、2307 工作面的开采条件，建立基于FLAC3D程序的三维计算模型，本模拟采用摩尔－库仑（Mohr-Coulomb）屈服准则判断岩体的破坏。模拟计算采用的岩体力学参数见表1。

表1 计算采用岩体力学参数

4.2 计算结果分析

（1）地表下沉盆地

根据FLAC3D的计算结果，采用TECPLOT 绘制了2309 及2307 工作面开采后地表的移动变形等值线，如图1。

图1 采后地表下沉盆地示意图

由图1 可见，2309 工作面开采后地面出现了较为明显的下沉盆地，由于2309 工作面为不充分开采，地表下沉值较小，下沉盆地相对平缓。2309 和2307 工作面全部开采后，地表下沉值明显增大，下沉盆地趋于陡峭，但下沉盆地中部未出现平底，表明两个工作面开采仍未达到充分采动。

（2）地表移动分析

由图2 地表下沉云图可见：2309 工作面开采后，地表最大下沉值为1707 mm，下沉率为0.41；2307工作面亦开采后，地表最大下沉值为2436 mm，下沉率为0.58。可知，工作面开采范围较小时，上覆基岩控制岩层移动与变形的能力较好，随着开采范围的扩大，上覆岩层破坏加剧，控制岩层与地表沉陷变形的能力逐渐降低，地表下沉值逐渐增加，对地面建（构）筑物的损害程度不断加剧。

图2 工作面开采后地表下沉云图

（3）覆岩移动分析

由数值模拟分析得到2309、2309 和2307 工作面开采岩层竖直移动云图（图3）。可见：2309 工作面单独开采后，岩层移动从下至上向地表传播过程中，岩层内移动衰减更为明显，大部分移动耗散在上覆岩层中，只有小部分传递到了地表。2309 工作面和2307 工作面全部开采后，上覆地层内移动衰减不甚明显，采空区上方地层上下各点的下沉量相差不大，表明基岩控制地表沉陷变形的能力明显下降，地层呈整体下沉趋势，移动变形明显加剧。

图3 工作面开采后岩层竖直移动云图

5 实测和数值模拟对比

现场地表实测2309 工作面开采后高压线塔的最大下沉值达到1817 mm，FLAC3D数值模拟得到，2309 工作面开采后地表最大下沉值为1707 mm，两种方法得到的最大下沉值基本一致。同时，地表实测和FLAC3D数值模拟得到地表变形规律一致，均是随着工作面开采范围增大，地表下沉数值增加。由此可见，现场实测和数值模拟均可对工作面开采后的地表下沉规律进行分析，数值模拟分析可以作为工作面回采前预测地表下沉的主要技术方法，工作面开采过程中进行现场实测，两者可以起到相互验证的作用。

6 结论

（1）通过分析开采沉陷对高压输电线路的影响，初步厘定了有明显影响的变形指标是下沉、倾斜和水平变形，其中倾斜变形对高压线塔的安全威胁最大。

（2）通过线塔变形监测可知：在工作面开采期间，堡神线22#、神良线83#、84#和堡良线24#、25#线塔均出现了较为明显的移动与变形；随着工作面的开采，线塔基础的移动与变形逐渐增大，并在一定时期后变形值趋于稳定。

（3）数值模拟分析可知，在工作面开采范围较小时，上覆基岩控制岩层移动与变形的能力较好，随着开采范围的扩大，上覆岩层破坏加剧，控制岩层与地表沉陷变形的能力逐渐降低，地表下沉值逐渐增加。