煤矿采空区500kV输电线路设计的探讨

hc360慧聪网电气行业频道 2004-07-14 10:55:10

[摘 要] 矿山采空区的塌陷和变形是常见的地质灾害，对穿越该地区的输电线路铁塔与基础存在着极大的危害。

如果设计方案对塌陷和变形估计不足或处理措施不当，都可能对线路的安全运行造成严重的后果。依据煤矿区线路设计经验，提出了采空区线路设计一般原则和处理措施。

[关键词] 送电线路 采空区 塌陷 处理措施

矿山采空地质塌陷灾害影响范围广，常具有突发性和延续性，对公共设施和人民的生命财产构成严重危害。

随着近年来坑口电厂的建设和电网的不断发展、完善，越来越多的输电线路途径煤矿区。如果设计方案选择时，充分认识到采空区的塌陷和变形特点，掌握其发生、发展的科学规律，采取合理的处理措施，不仅能够避免意外情况的发生，确保线路的可靠运行，而且可以大大提高工程建设质量和经济效益。

本文将对线路位于河南省境内煤矿采空区的不同情况，结合输电线路设计的特点，探讨安全可靠、技术先进和经济适用的设计方案和处理措施。

l 煤矿采空塌陷特点及对输电线路的影响

1．直 采空区塌陷的一般规律

根据河南省焦作、平顶山地区对采后地表塌陷情况所做的多次系统观测，取得的资料表明，煤矿采空区地表沉降主要有以下规律。

(1)当采厚比小于30时，地表出现台阶状下沉和较大裂缝等非连续变形现象。当采厚比大于30时，地表一般出现连续沉降变形，但在地表沉降移动盆地边缘，裂缝较发育，其大小随采深的增大而减小。

(2)开采后地表沉降系数随采深增大而减小，目前采深情况下一般为0．8左右。 (3)开采后地表沉降移动总时间约为3年，活跃阶段一般为6-8个月。

(4)地表下沉主要发生在活跃阶段，下沉量要达到总下沉量的85％以上，延时下沉量很小。

1．2 采空区地表变形及其影响

对于采空范围小、开采深度浅的煤矿，其地表变形剧烈，易产生较大的裂缝和陷落，对建筑物破坏作用较大。但其影响范围一般较小，不会出现大面积的地表移动和变形，线路经过此地区时，可采用大档距跨越的方式避让。

对于采空范围大、开采深度大的煤矿，采空巷道上部的地表覆盖岩层，因失去平衡而发生大范围的移动和变形，形成地表移动盆地。根据地表移动盆地的变形差异和特点，可将地表移动盆地分为均匀下沉区和不均匀变形区。均匀下沉区位于采空区的正上方，盆地中心的平地部分，大量的地表移动观测资料表明：地表移动和变形呈现连续和有规律状态，虽下沉值较大，但一般无明显裂缝，区内地表下沉均匀，地面子坦。在此区域架线或立塔，采取适当的结构处理措施，可以满足线路安全运行的要求。不均匀变形区又称边缘区，位于采空区边缘，地表变形不均匀，变形种类多。其主要表现形式：地面塌陷槽、塌陷漏斗，阶梯状塌陷盆地等，严重时要造成山体滑坡、岩壁崩塌等。线路在这些区域立塔，轻则可造基础斜、开裂、杆塔变形，重则造成基础沉陷、杆塔倾倒，严重威胁输电线路的安全运行，因此，在线路设计时，应避开这类区域。

2 对煤矿采空区现状的调查

《500 kV架空送电线路勘测技术规程》(DL／T5122-2000)(下称\"勘测规程\")规定，采空区勘测应查明沿线现有采空区的分布范围，上覆岩层的稳定性，以及由于矿层开采在未来形成的采空区对线路的影响，评价采空区设立塔位的适宜性。煤矿区采空区情况复杂多变，除\"勘测规程\"第11．7．2条规定外，还依据设计经验，采空区塔位宜选择在下列段：

(1)已充分采动，且无重复开采可能的地表移动盆地中心区。

(2)地质构造简单，采空区顶板岩体厚度大，坚硬完整，地表无变形地段。 (3)矿区的无矿带或有矿柱的地段。

考虑到煤田的地质成因，采空区往往分布着大量断层、无矿带，以及由于安全原因矿区开采考虑了一定地段的矿柱预留和不开采段等，这些都是天然适宜立塔的良好区段。因此，除了按上述规定进行调查外，线路采空区调查还应重点掌握以下内容：

(1)查明地质构造成因，掌握煤田区地质断层分布范围及规律。 (2)查明矿区无矿带或有矿柱的地段。

(3)调查该矿区开采设计、技术、减塌技术与措施。

3 采空区线路设计一般原则和处理措施

3．1 采空区输电线路设计的一般原则

根据对采空区现状、地质构造调查、地基稳定性评价和对上述处理方案的分析与实践，结合500kV南郑线与220 kV焦韩、韩柳线等10余条跨越煤矿采空区线路工程设计的实践经验，采空区线路设计应遵循的一般原则：

(1)线路路径选择应首先考虑避开煤矿塌陷区或塌陷比较严重地段。

(2)路径选择应考虑2回线路之间留有适当距离，至少不应在同一个塌陷区，以减小塌陷同时对2回线路产生影响的概率。

(3)尽量缩小耐张段长度，减少塌陷对线路产生影响的范围。并尽可能避免在塌陷区内设置耐张塔。

(4)当采用自立式直线塔跨越采空区时，宜尽量使用高塔放大档距，降低采空区塌陷对线路产生影响的概率。

(5)根据采空区沉陷特点，为了保证导线对地距离的要求，铁塔高度应留有一定的裕度。 (6)塔位应尽量选择在塌陷已完成的老采空区和采厚比大等不产生塌陷或沉陷量小的地段。

(7)采空区直线塔型应优先采用过载能力大、抗变形能力强、可调整变形的v型拉线塔。 (8)自立式铁塔基础应采用复合防护大板基础，提高基础抗变形能力。

3．2 采空区线路设计的处理措施

3．2．重．安全地带法

安全地带法就是避开采空区或其中不稳定地段，选择离采空区一定距离的安全地带或采空区中相对安全地段立塔。在采空区线路设计中，安全地带法是优先选用的处理方法。

3．2．2 采深采厚比法

采深采厚比法是从安全人手，除了要考虑采空区的顶板埋深外，还要考虑煤层的开采厚度，并结合岩石性质、产状、完整程度、风化程度和开采条件等因素综合考虑。

大量的地表观测资料和工程建设经验表明：

(1)当深厚比小于40时，采空区不宜进行送电线路建设，除非塌陷已经完成，地基土已稳定。

(2)当深厚比大于200，采空区地表变形很小时，可以进行送电线路建设。

(3)当深厚比在40-200之间时，应结合围岩强度、产状、完整程度、构造发育程度和开采条件等综合判定。

3．2．3 预留矿柱法

对于计划开采区，当线路杆塔位置无法避让时，可与有关部门协商，采取预留矿柱法。预留矿柱法对于煤层埋藏较浅的情况，比较容易实现。当煤层埋藏较深时，考虑塌陷影响范围，因需要预留矿柱的面积过大，而难以实现。

3．2．4 停采或改变开采法

对于沿线正在开采的规模不大，储量也不大的小煤矿，可会同有关部门与当地政府协商停止开采。对于正在开采的规模大，储量也大的煤矿，但其煤层埋藏较深，上部岩石较为完整，预测可能发生地表变形的塔位，预留矿柱法无法实现，可会同采矿部门和煤矿设计部门共同协商，并由煤矿设计部门提出可靠的、确保满足塔位地基稳定的开采方法。

3．2．5地基处理法

地基处理法是通过地基处理，保证杆塔基础地基稳定或采空区地表变形后对杆塔基础的安全无影响。地基处理法有以下3种：

(1)洞体衬砌法。洞体衬砌采取的主要方法： 锚杆支护、洞壁衬砌和喷射混凝土支护等。

(2)浅层地基处理法。采空区顶板埋深小或深厚比小于40的地区，对于已开采完毕，还未发生塌陷的矿洞，可对影响塔基范围内的矿洞进行填堵，保证其稳定性。对于裂缝、塌陷明显的采空已变形地段，判断其塌陷已基本稳定后，可采用压力注浆进行浅层地基加固，提高地基土的整体性，确保塔位地基不再发生过大变形。

(3)深基础法。对于采空区埋藏深度特别浅(10-20m)，已发生沉陷但尚未稳定的地段，可采用桩基础穿过塌陷层直到矿洞下部完整稳定的基岩上的处理方案。

3．2．6 结构措施处理法

结构措施处理法的前提是上述方法难以实现或不能完全满足稳定要求。采空区已发生变形，预测仍可能发生小范围变形，可通过杆塔结构处理或杆塔基础结构处理，保证地基少量变形后，对线路安全运行不产生较大影响。结构措施处理法主要有以下2种：

(1)杆塔结构处理法。所谓杆塔结构处理法就是选用适宜采空区使用的杆塔，如拉线塔。拉线塔的突出优点是过载能力大，抗变形强，拉线可根据变形情况调整。

当前使用较广泛的拉线塔有拉门塔和拉V塔2种，两者相比，在采空区拉V塔 更具有优势。

(2)基础结构处理法。处理方法是通过基础结构设计，提高杆塔基础对地基变形的适应能力和发生地基沉陷后杆塔基础的可调整或可修复能力。采空区自立式铁塔一般采用的措施：

基础与塔脚需采用底脚螺栓连接，底脚螺栓外露有扣，长度加长100-200mm，以备不均匀沉降发生后调整塔身复位。

为了抵抗由于地基沉降和基础位移给铁塔带来的附加内力，铁塔及底脚螺栓的强度要留有一定储备。

为防止4个基础相对不均匀沉降给铁塔带来的危害，在基础底面设置一块整体现浇钢筋混凝土大板，基础与大板之间铺垫100 mm厚卵石加砂垫层，使基础与大板之间具有一定的滑动性，以便于地基沉降基础滑移后调整复位。

采用通常的直柱柔性基础。其主要目的是为了配合底脚螺栓与铁塔连接及减轻基础自重。当塔基稍有倾斜和位移时，便于通过调整基础底板或塔脚板将塔身恢复就位。

4 结束语

输电线路经过煤矿采空区，详细的地质调查和收资，掌握煤矿区地质构造、采空现状、塌陷规律是关键。根据河南20年来煤矿区多条输电线路的设计和运行经验，所述原则和措施针对性强，实践证明切实有效，经济效益明显，在\"安全可靠、技术先进、经济适用\"的基础上，能够建设投资合理、优质高效的500kV输电线路。