開(kāi)采沉陷對(duì)供電鐵塔破壞的安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

王孝義,宋選民

(1.山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院,太原 030031;2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所,太原 030024)

隨著回采工作面不斷推進(jìn),上覆巖層隨之發(fā)生移動(dòng)和破壞,延伸到地表產(chǎn)生的豎向移動(dòng)、水平移動(dòng)、傾斜、水平變形和曲率都可能使地表建(構(gòu))筑物的失穩(wěn)破壞[1-2]。以往“三下”開(kāi)采課題的研究多集中于房屋、鐵路、公路、水體下開(kāi)采的影響性分析[3-5],對(duì)于采動(dòng)影響下輸電線鐵塔的穩(wěn)定性研究較少,并且由于煤層賦存條件、巖層地質(zhì)條件、開(kāi)采方式的差異性和輸電線路方向等因素的存在,在考慮多因素綜合影響的情況下,影響函數(shù)法、剖面函數(shù)法等傳統(tǒng)的開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)方法在多煤層、多工作面開(kāi)采時(shí)運(yùn)用存在一定的局限性。

開(kāi)采造成的地表沉降易使供電鐵塔等高聳構(gòu)筑物發(fā)生傾斜,增加了鐵塔的傾覆力矩,連接于鐵塔上的導(dǎo)(地)兩端會(huì)產(chǎn)生不平衡張力,造成塔體、導(dǎo)(地)線應(yīng)力的重新分布和變形[6],影響了供電網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。因此,分析井下開(kāi)采過(guò)程中地表穩(wěn)定性以及供電塔線的安全性評(píng)價(jià)對(duì)工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)有重要意義,尤其是在地下煤層賦存條件開(kāi)采復(fù)雜(如多煤層聯(lián)合開(kāi)采)的情況下,如何做到解放資源與地表環(huán)境保護(hù)并舉,對(duì)于采礦技術(shù)研究人員是一個(gè)難題[7-14]。

大同市焦煤礦一礦現(xiàn)開(kāi)采4#煤303盤(pán)區(qū)8313工作面,煤層厚度6.3 m～7.2 m,采厚較大,導(dǎo)致地表沉陷與移動(dòng)的范圍較大。該盤(pán)區(qū)地面有內(nèi)蒙托可托-山西渾源500 kV高壓架空線路,地面鐵塔四個(gè),編號(hào)為321、324、339和340,為保證現(xiàn)4#煤及后續(xù)5#、8#、9#煤開(kāi)采地表下沉不會(huì)導(dǎo)致地面鐵塔傾斜、倒塌,須留設(shè)大量保護(hù)煤柱,增加礦井工作面搬家倒面次數(shù),嚴(yán)重影響礦井開(kāi)采布局與經(jīng)濟(jì)效益。 以焦煤一礦供電塔線下多煤層開(kāi)采為背景,研究山區(qū)開(kāi)采沉陷引起高壓供電鐵塔破壞的安全判定準(zhǔn)則。

1 開(kāi)采對(duì)地面鐵塔的危害分析

地下開(kāi)采引起地表移動(dòng)變形,影響地面高壓供電鐵塔的正常運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致整個(gè)線路發(fā)生癱瘓。

1.1 地表下沉對(duì)高壓供電鐵塔的影響

當(dāng)高壓鐵塔四個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)隨地面緩慢、均勻沉降時(shí),高壓鐵塔和土體之間的附加相互作用力不大,鐵塔幾乎不受影響;當(dāng)沉降量較大時(shí),高壓鐵塔沉降后會(huì)導(dǎo)致兩鐵塔間高壓線的近地距離、懸掛點(diǎn)張緊及懸垂度發(fā)生變化。當(dāng)超過(guò)規(guī)定值時(shí),高壓供電線路也會(huì)發(fā)生損壞。

當(dāng)高壓鐵塔處于開(kāi)采沉陷盆地中間,鐵塔基礎(chǔ)成對(duì)沉降量相同,高壓鐵塔偏向開(kāi)采一側(cè),高壓線近地距離、懸垂度等發(fā)生改變;高壓鐵塔處于下沉盆地邊緣時(shí),四個(gè)基礎(chǔ)下沉量會(huì)出現(xiàn)不一致,鐵塔向下沉量大的一側(cè)滑移。鐵塔基礎(chǔ)的不均勻沉降會(huì)引起鐵塔內(nèi)部形成附加應(yīng)力作用,如果應(yīng)力值超過(guò)鐵塔本身的極限應(yīng)力值,會(huì)導(dǎo)致鐵塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)變形。

1.2 地表傾斜對(duì)供電鐵塔的影響

地表傾斜直接影響著高壓鐵塔的分列基礎(chǔ),各獨(dú)立基礎(chǔ)產(chǎn)生傾斜變形引起高壓鐵塔的橫擔(dān)發(fā)生變形、懸垂串傾斜,導(dǎo)致相鄰鐵塔間檔距變化、高壓線拉緊或懸垂。隨著工作面推進(jìn),供電鐵塔向地表開(kāi)采沉陷區(qū)方向傾斜會(huì)引起傾覆力矩的增加使相鄰高壓鐵塔間的檔距、高差等發(fā)生變化,從而使其產(chǎn)生導(dǎo)線懸垂度超過(guò)限度、橫擔(dān)嚴(yán)重變形、高壓鐵塔自身形變等多方面的影響。傾斜對(duì)高聳構(gòu)筑物的影響見(jiàn)圖1。

圖1 傾斜對(duì)高聳構(gòu)筑物的影響Fig.1 Influence of towering structure by tilted

1.3 地表水平移動(dòng)對(duì)供電鐵塔的影響

地表水平移動(dòng)時(shí),在地基和鐵塔基礎(chǔ)之間產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力值小于基礎(chǔ)和地基的摩擦力時(shí),不會(huì)發(fā)生滑移,而是應(yīng)力通過(guò)鐵塔的基礎(chǔ)向塔身傳遞。當(dāng)應(yīng)力值較大時(shí),發(fā)生滑動(dòng),各獨(dú)立基礎(chǔ)的水平移動(dòng)值不同,造成鐵塔下部產(chǎn)生應(yīng)力作用,鐵塔基礎(chǔ)根開(kāi)變化。兩相鄰鐵塔間的水平移動(dòng)值不相同,還會(huì)導(dǎo)致兩相鄰鐵塔間檔距的變化,檔距改變會(huì)使兩塔上部產(chǎn)生不平衡力,鐵塔易發(fā)生傾斜。水平位移方向的不同會(huì)使塔身及鐵塔上部橫擔(dān)受到扭力矩的影響,造成鐵塔的橫擔(dān)變形甚至轉(zhuǎn)角超限。

1.4 地表水平變形對(duì)供電鐵塔的影響

地表水平變形使鐵塔各基礎(chǔ)受到附加應(yīng)力的作用,使塔基受到拉伸和壓縮變形。由于塔基的抗拉能力遠(yuǎn)小于其抗壓能力,鐵塔基礎(chǔ)在受到地表水平變形的作用,產(chǎn)生壓縮變形,當(dāng)超過(guò)鐵塔基礎(chǔ)抗壓強(qiáng)度時(shí),基礎(chǔ)產(chǎn)生向內(nèi)的擠壓破壞。即使存在很小的拉伸,也可能導(dǎo)致鐵塔基礎(chǔ)發(fā)生形變或裂縫。地表水平變形還可能通過(guò)鐵塔基礎(chǔ)間的作用向上傳遞至塔身,使鐵塔內(nèi)部受到力的作用,發(fā)生變形。

1.5 地表曲率對(duì)供電鐵塔塔基的影響

地表曲率的影響將使塔基受到附加剪應(yīng)力以及彎矩的作用,由于高壓鐵塔底面積小、高度大,地表和高壓鐵塔基礎(chǔ)的接觸面積小,曲率對(duì)基礎(chǔ)的影響程度不大。由于高壓鐵塔是鋼構(gòu)結(jié)構(gòu),與地表變形相比,曲率變形相對(duì)較小。

通過(guò)以上多種因素分析可以看出,地表下沉、水平移動(dòng)和傾斜變形通過(guò)地基與高壓供電鐵塔底部的相互作用改變了原高壓鐵塔所處的空間位置,從而導(dǎo)致相鄰兩塔間距離、懸垂、近地距離等參數(shù)超過(guò)電力系統(tǒng)高壓線路安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn),其具體過(guò)程見(jiàn)圖2。

2 供電鐵塔運(yùn)行的安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

2.1 線路方向與工作面推進(jìn)方向平行

假設(shè)開(kāi)采工作面在供電鐵塔A和B的正下方并與鐵塔線路方向平行。分情況討論采動(dòng)過(guò)程中地表發(fā)生不同類(lèi)型的移動(dòng)對(duì)地面供電鐵塔及其線路的影響,預(yù)測(cè)導(dǎo)線繃緊和拉斷時(shí)臨界值[15-17]。

依據(jù)供電鐵塔與工作面開(kāi)采位置的關(guān)系,可以分為1個(gè)鐵塔受影響、2個(gè)鐵塔受影響的情況,但2個(gè)鐵塔受影響的情況可用第一種情況來(lái)代替。此外,1個(gè)鐵塔受影響的情況又可分為僅水平移動(dòng)、僅垂直下沉和發(fā)生傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)的情形。

①A塔發(fā)生x軸的水平位移

鐵塔A與鐵塔B在x軸坐標(biāo)發(fā)生變化,即檔距L的增加或減少,因只考慮導(dǎo)線繃直與拉斷情況,故僅考慮L的增加。設(shè)AB間水平位移增加ux時(shí),鐵塔間的導(dǎo)線繃直,有

因此,uxc為僅A塔發(fā)生水平位移時(shí)導(dǎo)線繃直的臨界值。

設(shè)δ為導(dǎo)線受到拉應(yīng)力影響時(shí)發(fā)生斷裂的形變長(zhǎng)度,因此導(dǎo)線在A塔僅發(fā)生水平位移時(shí)斷裂的臨界值為

因此,當(dāng)沿工作面開(kāi)采推進(jìn)方向的水平位移(或位移差)符合uxc≤ux

在僅發(fā)生水平位移的情況下,依據(jù)焦煤礦地面鐵塔的情況,D=316.25 m,L=315 m,Δh=5.15 m時(shí),要求不發(fā)生線路繃直的鐵塔位移(差)uxc≤1.208 m。根據(jù)實(shí)際的線路布置及基本參數(shù),線繃直至拉斷的形變量δ為1.130 m,供電線路拉斷的臨界水平位移量uxmax為2.338 m。

②A塔發(fā)生垂直下沉

如圖3,當(dāng)A塔單獨(dú)發(fā)生垂直下沉?xí)r,兩塔的高差Δh發(fā)生變化,檔距不變。

圖3 兩鐵塔在z-x坐標(biāo)軸上的投影位置Fig.3 Tow towers’ projections in z-x Axis

設(shè)下沉前AB塔高差為Δh,A塔下沉量為wz時(shí),AB間的導(dǎo)線繃直,設(shè)EG=L1,CE=L-L1,則根據(jù)三角形的關(guān)系,有

由以上公式可知,wzc為僅A塔發(fā)生垂直下沉?xí)r導(dǎo)線繃直的臨界值,即A塔垂直下沉小于wzc時(shí)導(dǎo)線不會(huì)繃直。其中取+號(hào),為A塔下沉的臨界值,取-號(hào)為A塔的上升值,相當(dāng)于B塔下沉的臨界值。

當(dāng)鐵塔A發(fā)生下沉?xí)r,導(dǎo)線也受到崩斷前拉伸變形δ的影響,因此導(dǎo)線在地表垂直沉降時(shí)發(fā)生斷裂的臨界值由下式確定,即

將焦煤礦相關(guān)參數(shù)代入,可得鐵塔垂直位移(或下沉差)wz≤wzc=22.940 m時(shí)可以安全運(yùn)行;符合22.940 m33.645 m時(shí)導(dǎo)線將發(fā)生斷裂。

③A塔發(fā)生傾斜

當(dāng)A塔發(fā)生傾斜時(shí),其頂端點(diǎn)在x-z坐標(biāo)系位置均發(fā)生變化,參見(jiàn)圖4。此時(shí),供電鐵塔在垂直與水平方向的投影位置存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。因工作面開(kāi)采方向與AB供電鐵塔平行,且在兩塔正下方,故只考慮A鐵塔向工作面開(kāi)采方向的傾斜。

圖4 A塔(低塔)傾斜的z-x坐標(biāo)關(guān)系Fig.4 z-x axis relation inclined of a tower

此情況僅在鐵塔A前側(cè)發(fā)生變形,鐵塔AB間的導(dǎo)線繃直,則有

令f(θ)=0,則有

f(θ)=D2-(L+hsinθ1)2-[h+h(1-cosθ1)]2=0 .

可知,當(dāng)供電鐵塔A傾斜角度達(dá)到θ1c時(shí),導(dǎo)線將被繃直。即傾斜角度小于θ1c時(shí),導(dǎo)線不會(huì)繃直。

當(dāng)鐵塔A發(fā)生傾斜時(shí),導(dǎo)線崩斷同樣地也受到極限強(qiáng)度即極限變形δ的影響,因此導(dǎo)線發(fā)生拉斷的傾斜角度臨界值為:

f(θ)=(D+δ)2-(L+hsinθ1)2-[h+h(1-cosθ1)]2=0.

依據(jù)焦礦實(shí)際,鐵塔掛線高度h=37 m,可以求得θ1c=3.32°,θ1max=3.232°,可見(jiàn)低塔(A)傾斜角小于3.32°,線路運(yùn)行安全;傾斜角大于3.323°小于3.32°,線路處于拉緊狀態(tài);傾斜角大于3.323°時(shí),線路易于拉斷。

2.2 線路方向與工作面推進(jìn)方向垂直

可分三種情況[18-20],見(jiàn)圖5所示。

5-a 三種情況的平面圖

5-b 三種情況的剖面圖圖5 線路與開(kāi)采垂直的三類(lèi)情況Fig.5 There are three vertical situations with line and mining

①主要為水平位移(ux)的線路安全分析

圖6 線路垂直開(kāi)采方向僅水平位移情況Fig.6 Only horizontal moving condition on the direction of line’s vertical mining

依據(jù)圖6可知,因x1=x2,Δz=Δh,Δy=L,有線路鐵塔變形后有鐵塔頂端斜長(zhǎng)為:

地表變形前,原鐵塔頂端斜線路長(zhǎng)度為:

但因L″-L′=1.25,則有:

因L、D、Δh為已知值,因此解出Δux,有兩塔的水平變形差值,即線路拉直(繃緊)的臨界安全條件為:

Δux=ux2-ux1

若考慮線路的抗拉強(qiáng)度所允許的極限變形δ,則有:

Δux=ux2-ux1

由此可見(jiàn),在僅發(fā)生與工作面開(kāi)采方向一致的水平位移時(shí),線路一般可以保持正常安全運(yùn)行,不易繃緊和拉斷;在僅發(fā)生平行工作面長(zhǎng)度方向的水平位移即uy1和uy2時(shí),單檔間的線路松弛,與其相鄰的檔間線路可能拉緊和拉斷,本檔線路趨于更加安全,相鄰檔間線路趨于危險(xiǎn)。

②主要發(fā)生垂直位移(wz)時(shí)情況預(yù)測(cè)

地面兩點(diǎn)的垂直下沉不等,即wz1≠wz2有位移差。此時(shí),鐵塔的位置變化關(guān)系參見(jiàn)圖7。供電線路鐵塔地面存在標(biāo)高差。以低塔下沉大于高塔位移為例,即wz1>wz2的情形進(jìn)行分析。

圖7 線路與開(kāi)采正交時(shí)下沉的位置關(guān)系Fig.7 Position’s relation of surface subsides as orthogonal between line and mining

線路拉緊的垂直下沉差臨界條件為

將焦煤礦的實(shí)際條件代入,可得供電線路與工作面方向平行且僅以垂直下沉為主時(shí),其線路拉緊的臨界垂直下沉差為22.940 m,線路拉斷的臨界垂直下沉差為33.645 m。由此可見(jiàn),一般的采深以及厚度煤層開(kāi)采,垂直位移均達(dá)不到此下沉差值,為此該類(lèi)線路與工作面走向長(zhǎng)度的匹配關(guān)系是比較好的。

③地面供電線路發(fā)生任意位移時(shí)導(dǎo)線繃緊與拉斷的臨界參數(shù)預(yù)測(cè)

在地面鐵塔發(fā)生任意位移的情況,即地面A點(diǎn)的位移為(ux1,uy1,wz1),B點(diǎn)的位移為(ux2,uy2,wz2),關(guān)鍵是此時(shí)線路與工作面長(zhǎng)度方向平行即x1=x2,則依據(jù)公式可求得Ln′[21,22]。只要已知兩鐵塔地面點(diǎn)的預(yù)測(cè)位移或?qū)嶋H觀測(cè)位移,即可據(jù)上式預(yù)測(cè)地表變形后線路的需要長(zhǎng)度,從而判斷線路的實(shí)際狀態(tài),即安全、拉緊或可能拉斷的預(yù)測(cè)結(jié)果。

4 結(jié)論

論文以焦煤一礦供電塔線下多煤層開(kāi)采為背景,研究山區(qū)開(kāi)采沉陷引起高壓供電鐵塔破壞的建立安全準(zhǔn)則預(yù)測(cè),可得如下結(jié)論:

(1)地表不均勻下沉、水平拉伸變形和傾斜是影響高壓線路正常運(yùn)行的主要因素。

(2)僅發(fā)生沿工作面開(kāi)采推進(jìn)方向的水平位移(或位移差)時(shí)線路狀態(tài)判斷臨界值為:鐵塔位移(差)uxc≤1.208m時(shí)可以安全運(yùn)行;符合1.208 m

(3)當(dāng)沿工作面開(kāi)采推進(jìn)方向的垂直下沉位移(或位移差)符合wzc≤wz

(4)當(dāng)鐵塔A傾斜角度θ1<θ1c時(shí),地面供電線路安全運(yùn)行;θ1c≤θ1<θ1max時(shí)導(dǎo)線處于繃直狀態(tài);θ1≥θ1max時(shí)導(dǎo)線將發(fā)生斷裂。