陳志梅，王永安，袁廣林

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

高壓輸電線路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家建設(shè)的生命線，煤炭開采沉陷一直是影響高壓輸電線路安全運(yùn)行的重大隱患[1]。我國(guó)各大礦區(qū)幾乎所有的煤田上方均有高壓線通過，成為制約煤炭企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的難題之一[2-3]。采取高壓線路改線的方法，不但投資大、涉及面廣、實(shí)施難度大，而且存在路徑選擇困難、重復(fù)壓煤、建設(shè)周期長(zhǎng)等復(fù)雜問題。

1 工程概況

煤礦開采的條件、方法、煤層狀況等基本情況，直接影響地表的移動(dòng)和變形；采區(qū)內(nèi)高壓線的分布及鐵塔結(jié)構(gòu)抵抗地表變形的能力也不相同。

1.1 采區(qū)情況

某煤礦設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力400萬(wàn)t，主采煤層為3a、3b煤層。3a煤層，煤層厚0.74～5.42 m，平均3.29 m；3b煤層，厚度0～16.81 m，平均4.88 m。主要水平大巷分區(qū)開拓，厚煤層采用綜合機(jī)械化采煤放頂煤開采，中厚煤層采用普通綜合機(jī)械化采煤，全部冒落法管理頂板。

第十采區(qū)位于某煤礦井田中部，由于該市小北湖區(qū)域的規(guī)劃發(fā)展，原規(guī)劃的第十采區(qū)面積極度壓縮，現(xiàn)采區(qū)實(shí)際已成為可采區(qū)域面積約1.9 km2的南寬北窄的三角形。采區(qū)東北即八里鋪斷層以東為正在開采的第二采區(qū)，采區(qū)南側(cè)為正在開采的第十一采區(qū)，其他區(qū)域均為未采區(qū)，見圖1。

1.2 高壓線情況

漁澳線（220 kV）、寧接線（220 kV）、寧高線（220 kV）3條高壓線自西向東穿過采區(qū)，見圖2。采區(qū)內(nèi)線路總長(zhǎng)度約7.6 km，鐵塔和桿塔共26個(gè)。在采區(qū)的西北方向有變電站1座。高壓線的桿塔形式主要有直線桿、二聯(lián)桿塔、鐵塔3種。直線桿高度15～25 m；二聯(lián)桿塔高度15～25 m，根開約5 m；鐵塔類型為自立式鐵塔，高度15～25 m，鐵塔為4腳獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，根開5～8 m。

圖1 某煤礦第十采區(qū)與周邊采區(qū)位置關(guān)系示意圖

圖2 某煤礦第十采區(qū)原有高壓輸電線路

2 地表變形預(yù)計(jì)方法

煤礦開采沉陷損害預(yù)計(jì)理論常用的有影響函數(shù)法、理論模型法及經(jīng)驗(yàn)方法。目前，較為成熟、應(yīng)用最為廣泛的是概率積分法。多年實(shí)踐驗(yàn)證表明，地表變形預(yù)計(jì)方法進(jìn)行煤礦地下開采的地表沉陷預(yù)計(jì)精度完全能夠達(dá)到工程要求。

2.1 地表變形預(yù)計(jì)方法及預(yù)計(jì)參數(shù)

根據(jù)某煤礦的第一、三、四、六采區(qū)常規(guī)工作面的地表移動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)的地表移動(dòng)參數(shù)，綜合第十采區(qū)實(shí)際的地質(zhì)采礦條件，參考《建筑物、水體、鐵路及主要并巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定，概率積分法預(yù)計(jì)采用的地表移動(dòng)參數(shù)見表1。表1中α為煤層傾角，H為煤層采深。

表1 概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)

2.2 地表變形預(yù)計(jì)結(jié)果

采用概率積分法模型計(jì)算了第十采區(qū)全采完成后地表移動(dòng)與變形的分布等值線以及相應(yīng)的各高壓線塔出地表移動(dòng)與變形值。限于篇幅，第十采區(qū)3a、3b煤層采用全部垮落法開采后的地表移動(dòng)變形等值線圖不再示出。

分析表明，受工作面采動(dòng)影響，高壓線均受不同程度的破壞。下沉最大的是漁澳45桿塔，值為6 800 mm；東西方向水平變形最大的是漁澳39桿塔，值為－8 mm/m；南北方向水平變形最大的是漁澳39桿塔，值為－9 mm/m；東西方向水平移動(dòng)最大的是漁澳41桿塔，值為－1 900 mm；南北方向水平移動(dòng)最大的是漁澳39桿塔，值為－1 300 mm；東西方向傾斜變形最大的是漁澳41桿塔、寧高32桿塔，值為－15 mm/m；南北方向傾斜變形最大的是漁澳39桿塔，值為－10 mm/m；東西方向曲率變形最大的是寧高29桿塔、寧接29桿塔，值為0.07 mm/m；南北方向曲率變形最大的是寧接32桿塔，值為－0.035 mm/m。

從以上分析計(jì)算結(jié)果可知，開采后高壓線桿塔最大下沉達(dá)到6 800 mm、水平變形最大值達(dá)到9 mm/m、傾斜變形最大值達(dá)到15 mm/m，將會(huì)大大降低高壓輸電桿塔的對(duì)地高度；高壓線桿塔承受較大的采動(dòng)變形，極易引起破壞性后果；同時(shí)，由于該區(qū)域地下水位較高，將會(huì)導(dǎo)致部分高壓輸電桿塔及基礎(chǔ)面臨積水浸泡的威脅，嚴(yán)重影響桿塔的耐久性和安全性，增大維修難度。

3 改線方案及地表變形分析

依據(jù)現(xiàn)有的高壓輸電線路下地表變形預(yù)計(jì)結(jié)果，分析可能的改線方案及其地表變形，確定東西走向高壓線走廊煤柱保護(hù)線位置，進(jìn)行采動(dòng)影響分析。

3.1 改線方案

基于上述分析，考慮到現(xiàn)場(chǎng)及煤炭開采情況，初步確定對(duì)第十采區(qū)高壓線計(jì)劃分為2個(gè)步驟進(jìn)行改造。

a）第二采區(qū)開采前，先將受第二采區(qū)開采影響的線塔遷移到A線1號(hào)—5號(hào)、B線1號(hào)—5號(hào)、C線1號(hào)—5號(hào)處。

b）第二采區(qū)開采結(jié)束后，再將A線1號(hào)—5號(hào)、B線1號(hào)—5號(hào)、C線1號(hào)—5號(hào)處線塔，遷移到A線5號(hào)—9號(hào)、B線5號(hào)—9號(hào)、C線5號(hào)—9號(hào)的北部延長(zhǎng)線上，該線路的具體位置見圖3。對(duì)改造后的輸電線路A線5號(hào)—9號(hào)、B線5號(hào)—9號(hào)、C線5號(hào)—9號(hào)線塔處地表變形情況進(jìn)行地表變形分析，如地表沉降不大于10 mm，則將其作為永久線路。

圖3 某煤礦第十采區(qū)高壓線路改線方案

針對(duì)第十采區(qū)西北角的變電站及東西向高壓線的安全性，提出在第十采區(qū)東西向高壓線處留設(shè)保護(hù)煤柱。需要根據(jù)地表變形預(yù)計(jì)的結(jié)果，確定保護(hù)煤柱的位置。

3.2 高壓線南煤柱保護(hù)線設(shè)定

保護(hù)煤柱的留設(shè)主要有兩類方法：一類是《建筑物、水體、鐵路及主要并巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中給出的方法，即基于基巖移動(dòng)角和表土層移動(dòng)角的垂直斷面法和垂線法；另一類是基于概率積分法預(yù)計(jì)的方法。前者需要有本礦區(qū)的基巖移動(dòng)角和表土層移動(dòng)角參數(shù)，而后者需要有本礦區(qū)的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)。

根據(jù)煤礦所在礦區(qū)的地表移動(dòng)觀測(cè)資料，目前已經(jīng)獲得了可基本滿足工程需要的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)。因此，這里采用概率積分法預(yù)計(jì)的方法來確定東西走徑高壓輸電線的保護(hù)煤柱范圍，并為避免對(duì)高壓輸電線塔穩(wěn)定性造成影響，采用預(yù)計(jì)地表下沉10 mm代替地表建筑物變形臨界值進(jìn)行設(shè)定。通過逐步趨近，將東西走徑高壓線走廊煤柱保護(hù)線位置設(shè)定于其南側(cè)452 m處。

3.3 改線后的高壓線路地表預(yù)計(jì)結(jié)果

采用概率積分法模型計(jì)算了第十采區(qū)東西向高壓線南保護(hù)煤柱線以南各工作面全采完成后的地表移動(dòng)與變形等值線圖。對(duì)第十采區(qū)東西向高壓線南保護(hù)煤柱線以南各工作面全采后計(jì)劃改造的高壓線路A線5號(hào)—9號(hào)、B線5號(hào)—9號(hào)、C線5號(hào)—9號(hào)線塔處地表移動(dòng)與變形最終值進(jìn)行了分析，其結(jié)果見表2—表4。

A線5號(hào)—9號(hào)，下沉最大的是A線5號(hào)，值為9 mm；東西方向水平變形最大的是A線5號(hào)，值為0.3 mm/m；南北方向水平變形最大的是A線5號(hào)、A線9號(hào)，值為0.1mm/m；東西方向水平移動(dòng)最大的是A線5號(hào)，值為－15 mm；南北方向水平移動(dòng)最大的是A線5號(hào)，值為－10mm；東西方向傾斜變形最大的是A線5號(hào)，值為－0.2 mm/m；南北方向傾斜變形最大的是A線5號(hào)，值為－0.1 mm/m；東西方向曲率變形最大的是A線5號(hào)，值為0.002 mm/m2；南北方向曲率變形最大的是A線5號(hào)、A線9號(hào)，值均為0.001 mm/m2。從總體來看，A線5號(hào)—9號(hào)塔受采動(dòng)影響極其輕微，通過常規(guī)的線路檢修即可保證安全。

表2 全采后計(jì)劃改造的高壓線路淺A線5號(hào)—9號(hào)線塔處地表移動(dòng)與變形最終值

表3 全采后計(jì)劃改造的高壓線路B線5號(hào)—9號(hào)線塔處地表移動(dòng)與變形最終值

表4 全采后計(jì)劃改造的高壓線路C線5號(hào)—9號(hào)線塔處地表移動(dòng)與變形最終值

B線5號(hào)—9號(hào)，下沉最大的是B線5號(hào)，值為5 mm；東西方向水平變形最大的是B線5號(hào)，值為0.2 mm/m；南北方向未受水平變形影響；東西方向水平移動(dòng)最大的是B線5號(hào)，值為－8 mm；南北方向水平移動(dòng)最大的是B線5號(hào)，值為-5 mm；東西方向傾斜最大的是B線5號(hào)，值為-0.1 mm/m；未受南北方向傾斜變形影響；東西方向曲率變形最大的是B線5號(hào)、B線6號(hào)，值為0.001 mm/m2；未受南北方向曲率變形影響。從總體來看，B線5號(hào)—9號(hào)受采動(dòng)影響極其輕微，通過常規(guī)的線路檢修即可保證安全。

C線5號(hào)—9號(hào)，下沉最大的是C線5號(hào)，值為2 mm；均未受東西方向和南北方向水平變形影響；東西方向水平移動(dòng)最大的是C線5號(hào)，值為－5 mm；南北方向水平移動(dòng)最大的是C線5號(hào)，值為－2 mm；均未受東西方向和南北方向傾斜變形影響；東西方向曲率變形最大的是C線5號(hào)、6號(hào)，值為0.001 mm/m2；未受南北方向曲率變形影響。從C線5號(hào)—8號(hào)移動(dòng)與變形值統(tǒng)計(jì)分析，C線5號(hào)—8號(hào)受采動(dòng)影響極其輕微，通過常規(guī)的線路檢修即可保證安全。

4 結(jié)論及建議

確定第十采區(qū)東西走徑高壓線走廊煤柱保護(hù)線位置位于走廊南側(cè)452 m處。根據(jù)地表沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果，第十采區(qū)東西向高壓線南保護(hù)煤柱線以南各工作面全采完成后計(jì)劃高壓線方案A線5號(hào)—9號(hào)、B線5號(hào)—9號(hào)、C線5號(hào)—8號(hào)各線塔處的地表最大下沉值為9mm，最大水平移動(dòng)值為－15mm，最大傾斜變形值為-0.2 mm/m，最大水平變形值為0.3 mm/m，最大曲率變形值為0.002 mm/m2。第十采區(qū)的采動(dòng)地表變形對(duì)高壓輸電線路的影響不大，不會(huì)影響線路的安全運(yùn)行，可作為永久線路。建議采用改線方案走徑對(duì)高壓線走廊進(jìn)行改造。

［1］ 鄒友峰，鄧喀中，馬偉民.礦山開采沉陷工程［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003：110-150.

［2］ 孫俊華.煤礦采空區(qū)線路設(shè)計(jì)技術(shù)［J］.山西電力，2004（3）：13-14.

［3］ 袁廣林，張?jiān)骑w，陳建穩(wěn)，等.塌陷區(qū)輸電鐵塔的可靠性評(píng)估［J］. 電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（1）：214-218.