馬尾溝礦沉陷區(qū)高壓線塔變形預(yù)計(jì)及其治理方案

1、馬尾溝礦沉陷區(qū)高壓線塔變形預(yù)計(jì)及其治理方案1 序言馬尾溝煤礦一采區(qū)地表有220KV娘白線輸電線塔6座，對(duì)采煤造成影響的有3座，分別為44#、45#、46#，地面標(biāo)高分別為44#：1277.7、45#：1276.0、46#：1285.9。其中8101、6101工作面的開(kāi)采已經(jīng)對(duì)高壓線塔及周邊產(chǎn)生了影響，如圖1所示。 圖1 馬尾溝一采區(qū)開(kāi)采后對(duì)地表及線塔的影響2、地質(zhì)開(kāi)采條件2.1 線塔情況馬尾溝礦一采區(qū)地表有220KV娘白線輸電線塔6座，分別為42#、43#、44#、45#、46#、47#，由采區(qū)南西向北東布置，線塔間距平均約300m，線塔地基土壤為第三、四系紅黃土，對(duì)采煤造成影響的有3座，分別

2、為44#、45#、46#。其中44#、45#線塔為單腳線塔，均有8條拉線，四角布置，塔身為角鐵焊接構(gòu)成；46#線塔為四腳線塔，無(wú)拉線，線塔基座為混凝土，塔身為角鐵，由螺絲連接構(gòu)成，塔腳間距為6m。線塔結(jié)構(gòu)及圖片見(jiàn)圖2。 a 46#線塔結(jié)構(gòu)及圖片 b 44#、45#線塔結(jié)構(gòu)及圖片圖2 線塔結(jié)構(gòu)及圖片2.2地質(zhì)采礦情況本區(qū)主采8#煤層和6#煤，兩層煤平均間距10.75m。8#煤平均1.3m，傾角平均5°，走向近北東，傾向南東。6煤采厚平均2.0m，傾角平均5°，走向近北東，傾向南東。44#線塔蓋山厚度198.8m，45#線塔蓋山厚度194.5m。46#線塔蓋山厚度200.4m。

3、8101工作面走向長(zhǎng)度1920m，切眼長(zhǎng)192m，6101工作面走向長(zhǎng)度980m，切眼長(zhǎng)170m，8102工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度2040m，切眼長(zhǎng)192m，與8101工作面預(yù)留20m隔離煤柱，6102工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度850m，切眼長(zhǎng)178m，與6101工作面預(yù)留67m隔離煤柱。46#鐵塔在8101、6101工作面回風(fēng)巷外側(cè)，距8101回風(fēng)巷10m，6101回風(fēng)巷40m；45#鐵塔在8102、6102回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)，距8101、6102回風(fēng)巷18.15m；44#線塔位于8103工作面回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)。三個(gè)線塔與工作面的相對(duì)位置見(jiàn)圖3。圖3 線塔與工作面相對(duì)位置圖8101與6101工作面采用錯(cuò)距聯(lián)合開(kāi)采，已對(duì)

4、高壓線塔產(chǎn)生影響，其接續(xù)工作面8102和6102工作面的開(kāi)采將對(duì)高壓線塔再次造成破壞。 3、線塔變形分析3.1地表沉陷預(yù)計(jì)通過(guò)開(kāi)采沉陷下沉預(yù)計(jì)軟件，對(duì)6煤和8煤開(kāi)采后地表的變形進(jìn)行了計(jì)算，得到兩層煤分別開(kāi)采后的地表沉降、傾斜變形和水平變形的等值線圖，見(jiàn)附圖13所示。3.2 線塔變形根據(jù)地表變形結(jié)果，將各變形參數(shù)在44#、45#、46#線塔坐標(biāo)處進(jìn)行疊加，得到線塔處的沉降值、傾斜值和水平移動(dòng)值，見(jiàn)表1。表1 線塔處的沉降值和傾斜值下沉（mm）走向傾斜值（mm/m）傾向傾斜值（mm/m）走向水平移動(dòng)值（mm/m）傾向水平移動(dòng)值（mm/m）44#704.1-10.4-7.3-180.7-125.34

5、5#795.91.4-16.1-18.1-266.246#541.7-19.40-325.81.9可見(jiàn)，由于采動(dòng)影響，三個(gè)線塔的地表下沉量都達(dá)到了500mm以上，44#線塔在走向上的傾斜達(dá)到10.4，45#線塔在走向上的傾斜達(dá)到16.1，46#線塔在走向上的傾斜達(dá)到19.4，均超過(guò)高壓輸電線路安全運(yùn)行的基本要求（不大于10）。3個(gè)線塔中，由于46#線塔位于采空區(qū)邊緣，是傾斜和水平位移的最大位置，受采動(dòng)影響最為劇烈。44#、45#較46#影響較輕，但在疊加采動(dòng)的影響下，地表下沉值較大。3個(gè)線塔都需要進(jìn)行人工治理措施才能防止線塔的變形破壞。3.3 地表預(yù)計(jì)裂隙對(duì)線塔的影響開(kāi)采沉陷地表裂縫大體上分為

6、兩類(lèi)，即采空區(qū)上方的閉合裂縫和采空區(qū)外緣的張開(kāi)裂縫。當(dāng)?shù)乇硎苓^(guò)一次劇烈采動(dòng)影響以后，重復(fù)采動(dòng)時(shí)地表裂縫的嚴(yán)重程度將比第一次有所減輕。根據(jù)線塔的分布狀況，46#線塔位于8煤工作面采空區(qū)邊緣，是閉合裂縫與張開(kāi)裂縫過(guò)渡區(qū)，同時(shí)位于6煤工作面采空區(qū)外側(cè)，在張開(kāi)裂縫帶內(nèi)，是最大拉伸位置，處于影響和破壞嚴(yán)重的區(qū)域，也是傾斜和水平位移的最大位置，故在回采過(guò)程中受裂隙威脅較大；44#、45#線塔均位于采空區(qū)邊緣內(nèi)側(cè)，處于地表不完全閉合裂縫范圍，周?chē)鷷?huì)有部分裂隙產(chǎn)生，若44#、45#線塔能經(jīng)受閉合裂縫的動(dòng)態(tài)影響，線塔就不會(huì)受到實(shí)質(zhì)性破壞。表2 地表裂縫寬度44#線塔45#線塔46#線塔走向水平變形值mm/m-1

7、.98.79.1傾向水平變形值mm/m-0.94.01.5裂隙平均間距/m101010最大裂隙寬度/mm198791表3 鐵塔裂縫影響概率表44#線塔45#線塔46#線塔線塔結(jié)構(gòu)基座拉線基座拉線基座尺寸/m×m0.3×0.310.3×0.313.47×3.52安全距離/m22222裂隙平均間距/m1010101010影響概率20.3%30%20.3%30%55%合計(jì)50.3%50.3%55%三個(gè)線塔均受地表裂隙威脅較大，分別達(dá)到50.3%和55%，故應(yīng)對(duì)線塔變形進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)，當(dāng)發(fā)生較大變形時(shí)，應(yīng)采取加固地基基礎(chǔ)加線塔糾偏聯(lián)合方案。4、線塔變形監(jiān)測(cè)方案4.

8、1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容：（1）線塔下沉值；（2）線塔的水平變形；（3）線塔的傾斜變形； 4.2 觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)方法如下：根據(jù)馬尾溝煤礦工作面的巖層移動(dòng)觀測(cè)資料預(yù)計(jì)，在塌陷影響區(qū)域外設(shè)兩個(gè)固定點(diǎn)A、B，按5級(jí)導(dǎo)線精度測(cè)算出A、B兩點(diǎn)坐標(biāo)，A、B兩點(diǎn)作為前方交會(huì)鐵塔頂端坐標(biāo)的基點(diǎn)。在塌陷邊界外選兩固定點(diǎn)基1、基2為水準(zhǔn)基點(diǎn)（也叫高程基點(diǎn)），埋設(shè)在遠(yuǎn)離變形區(qū)100m以外堅(jiān)固、穩(wěn)定的地面上，水準(zhǔn)基點(diǎn)采用假定高程系統(tǒng)。利用水準(zhǔn)基點(diǎn)在塔基附近埋設(shè)轉(zhuǎn)點(diǎn)，線塔的沉降觀測(cè)將直接利用轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行高程傳遞測(cè)量。另外在實(shí)地找出鐵塔底部中心O，埋設(shè)標(biāo)志作為觀測(cè)鐵塔地表下沉和塔基位移，在鐵塔的頂部中央選一固定標(biāo)志C作為觀測(cè)線塔

9、傾斜和頂端位移的目標(biāo)。測(cè)站布置見(jiàn)圖4。 圖4 工作面觀測(cè)站布置及前方交會(huì)法示意圖43 觀測(cè)方法（1）下沉值的觀測(cè)高程的觀測(cè)，從高程點(diǎn)基1、基2按四等水準(zhǔn)精度實(shí)測(cè)鐵塔四角基礎(chǔ)1、2、3、4各點(diǎn)的高程，往返進(jìn)行觀測(cè)，取平均值求得各點(diǎn)的下沉值。（2）水平變形的觀測(cè)分別以A、B為測(cè)站，利用前方交會(huì)法求得C、O點(diǎn)的平面坐標(biāo)值，每次獨(dú)立進(jìn)行兩次觀測(cè)，取平均值求得C、O點(diǎn)的水平變形。（3）傾斜觀測(cè)方法地表傾斜變形是影響桿塔的主要因素。通過(guò)與水平觀測(cè)大致相同的方法得出建筑物上下對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)C點(diǎn)及O點(diǎn)的坐標(biāo)，比較其上方點(diǎn)相對(duì)于下方點(diǎn)的水平位移，再將其相對(duì)水平位移除以建筑物的高度即可得出建筑物的傾斜值。4.4 觀測(cè)

10、周期實(shí)際觀測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工作面開(kāi)采速度與沉降預(yù)測(cè)來(lái)準(zhǔn)確確定觀測(cè)周期。一般情況下：44#、45#線塔：每周一次，當(dāng)發(fā)生大量沉降和嚴(yán)重裂縫時(shí)，應(yīng)每天或幾天連續(xù)觀測(cè)；46#線塔：23天觀測(cè)一次。 5 高壓輸電線路安全運(yùn)行的基本要求在進(jìn)行高壓輸電線路下采煤時(shí)，必須保證線路各元素滿(mǎn)足以下運(yùn)行安全標(biāo)準(zhǔn)：(1)鐵塔的傾斜度(包括撓度)允許范圍不超過(guò)10(適用于50m以下高度鐵塔)，橫擔(dān)歪斜度不超過(guò)10。(2) 直線桿塔絕緣子串，順線路方向偏斜角不得大于7.5o。(3) 導(dǎo)線、避雷線的弛度誤差不得超過(guò)6、-2.5(110kV及以下線路)或+3.0、-2.5(220kV及以上線路)。(4) 導(dǎo)線最大弧度對(duì)地及障礙

11、物的距離變化，不得超過(guò)設(shè)計(jì)所留的富裕量。順線路方向兩相鄰桿塔間的距離偏差不得大于檔距1/300。(5) 電桿結(jié)構(gòu)根開(kāi)偏差不得超過(guò)0.004B(根開(kāi))。6 高壓線塔變形防治措施對(duì)煤礦采空區(qū)影響下高壓線塔的防治措施可分為兩部分，一部分是對(duì)地基基礎(chǔ)的改造加固；另一部分是對(duì)線塔的糾偏加固。6.1 地基基礎(chǔ)加固技術(shù)（1）可調(diào)式聯(lián)體井字梁基礎(chǔ)改造加固技術(shù)。采用鋼筋混凝土井字梁將鐵塔四個(gè)獨(dú)立基座連為整體，將機(jī)械和混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合起來(lái)，組成一套完整的可調(diào)整聯(lián)體井字梁基礎(chǔ)系統(tǒng)。如圖5所示圖5鐵塔基礎(chǔ)加固調(diào)整圖（2）可調(diào)式聯(lián)體井字鋼梁改造加固技術(shù)。在每一個(gè)基墩上采用四套長(zhǎng)螺桿接四個(gè)基墩螺栓，采用鋼結(jié)構(gòu)將鐵塔四個(gè)基座

12、連為整體，組成一套完整的可調(diào)整聯(lián)體井字鋼梁基墩架構(gòu)系統(tǒng)。這兩項(xiàng)技術(shù)已成功地應(yīng)用于內(nèi)蒙古烏海220kv伊臨線煤礦采空區(qū)4850號(hào)鐵塔基礎(chǔ)的改造加固和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)平糾偏，以及西安110kv北西線25號(hào)鐵塔基礎(chǔ)的改造加固和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)平糾偏。圖6為改造后伊臨線煤礦采空區(qū)50號(hào)塔的情況。圖6 改造后伊臨線煤礦采空區(qū)50號(hào)塔的情況（3）大板基礎(chǔ)技術(shù)大板基礎(chǔ)型式如圖7所示，此種基礎(chǔ)型式是在4個(gè)基礎(chǔ)底面設(shè)置一塊整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土大板結(jié)構(gòu)，此大板結(jié)構(gòu)上、下層均配置鋼筋，以抵抗由于不均勻沉降所產(chǎn)生的彎矩，為方便基礎(chǔ)頂推時(shí)減小摩阻力?；A(chǔ)與大板之間鋪墊100 mm厚卵石加粗砂墊層，使基礎(chǔ)與大板之間具有一定的滑動(dòng)性，這樣在地基

13、發(fā)生不均勻沉降時(shí)桿塔能隨之一起傾斜，降低附加應(yīng)力，便于地基沉降基礎(chǔ)滑移后調(diào)整復(fù)位。圖 7 大板基礎(chǔ)型式簡(jiǎn)圖6.2 線塔的糾偏措施現(xiàn)有危險(xiǎn)建筑物糾偏加固技術(shù)主要分為迫降法和頂升法兩大類(lèi)。迫降法是在建筑物沉降小的一側(cè)采用掏土、浸水、加壓或淤泥觸變等擾動(dòng)措施迫使基礎(chǔ)下沉實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)建筑物的改斜歸正；頂升法即在建筑物沉降大的一側(cè)采用錨桿靜壓樁、托梁柱或地基注入膨脹劑等措施頂升基礎(chǔ)從而使建筑物回傾。就本工程來(lái)說(shuō)，可采取的措施包括：（1）基礎(chǔ)帶電復(fù)位。當(dāng)鐵塔的基礎(chǔ)發(fā)生傾斜或基礎(chǔ)下沉過(guò)多導(dǎo)致近地距等參數(shù)超標(biāo)時(shí)，可以采用液壓千斤頂將基礎(chǔ)提升，墊平提升后再?gòu)?fù)位鐵塔。（2）增加臨時(shí)拉線。在工作面回采前，在鐵塔預(yù)計(jì)傾斜

14、反方向增設(shè)拉線，且在拉線上增加可調(diào)拉線金具，在地表變形過(guò)程中，通過(guò)可調(diào)金具的調(diào)節(jié)作用來(lái)抵消或減小開(kāi)采引起的變形對(duì)高壓輸電線路的損害。（3）加長(zhǎng)底角螺栓。在線塔基礎(chǔ)一旦出現(xiàn)不均勻沉降，可通過(guò)加長(zhǎng)底角螺栓墊板進(jìn)行扶正調(diào)整，鐵塔基礎(chǔ)主柱上的底角螺栓的外露絲扣長(zhǎng)度一般應(yīng)加長(zhǎng)100300mm。6.3 導(dǎo)線弛度調(diào)節(jié)在地表變形發(fā)生之前，將導(dǎo)線的馳度調(diào)整到允許偏差的上限。在地表變形過(guò)程中，根據(jù)弧垂的觀測(cè)結(jié)果，隨時(shí)調(diào)節(jié)導(dǎo)線的弛度至規(guī)程規(guī)定的范圍內(nèi)，避免導(dǎo)線繃緊或松弛帶來(lái)的導(dǎo)線應(yīng)力增加和近地距離不足安全隱患的發(fā)生。工作面回采后及時(shí)調(diào)節(jié)導(dǎo)線的弛度，及時(shí)消除線路因地表移動(dòng)變形、擋距變化等造成的導(dǎo)線馳度減小、導(dǎo)線張力增

15、大的安全隱患。6.4 馬尾溝礦線塔治理方案根據(jù)馬尾溝煤礦高壓輸電線路的特點(diǎn)，結(jié)合采空區(qū)上其他建筑物破壞的處理措施，提出如下輸電線塔可供選擇的改造、治理措施。（1）44#、45#線塔措施采用大板基礎(chǔ)型式對(duì)線塔地基進(jìn)行改造；采用基礎(chǔ)帶電復(fù)位和加長(zhǎng)底角螺栓的措施對(duì)線塔進(jìn)行糾偏。（2）46#線塔措施采用可調(diào)式聯(lián)體井字梁基礎(chǔ)改造加固技術(shù)；采用基礎(chǔ)帶電復(fù)位、增加臨時(shí)拉線的方式對(duì)線塔進(jìn)行糾偏。7 鐵塔保護(hù)工程費(fèi)用估算7.1 46#線塔改造費(fèi)用46#鐵塔確定采用聯(lián)體井字梁基礎(chǔ)改造加固技術(shù)配合基礎(chǔ)帶電復(fù)位、增加臨時(shí)拉線措施對(duì)線塔進(jìn)行改造。具體工程費(fèi)用估算為：（1）聯(lián)體井字梁基礎(chǔ)改造加固材料用料單價(jià)用量?jī)r(jià)格/元混

16、凝土600元/ m380m34800032鋼筋5000元/t200m（8kg/m）800010mm厚開(kāi)眼鋼板7000元/t20m2（78.5kg/m2）1099020mm厚鋼板7000元/t20m2（157kg/m2）2198056b工字鋼5800元/t160m（115kg/m）10672081螺紋絲桿80元/根20個(gè)1600合計(jì)197290（2）基礎(chǔ)帶電復(fù)位技術(shù)：5萬(wàn)元（3）增加拉線：根據(jù)架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范要求，采用8根公稱(chēng)直徑為10mm、截面積為70mm2的鍍鋅鋼絞線，參考重量為2kg/m。拉線與地面夾角為60o，每根拉線平均長(zhǎng)40m，按市場(chǎng)價(jià)格平均8000元/t計(jì)算，鋼絞線價(jià)格為：2&

17、#215;40×8×8=0.512萬(wàn)元。（4）施工人工費(fèi)：8萬(wàn)元（5）管理費(fèi)：6萬(wàn)元（6）土地賠償費(fèi)：5萬(wàn)元（7）監(jiān)測(cè)施工及為期約6個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)費(fèi)用10萬(wàn)元（8）其他材料及運(yùn)輸加工費(fèi)用：7萬(wàn)元總費(fèi)用：57.241萬(wàn)元7.2 44#、45#線塔改造費(fèi)用由于44#、45#線塔受采動(dòng)影響較46#線塔輕，所以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況參考是否采用地基加固技術(shù)。（1）混凝土地基加固用料單價(jià)用量?jī)r(jià)格/元混凝土600元/ m360m3360032鋼筋5000元/t100m（8kg/m）400020mm厚鋼板7000元/t20m2（157kg/m2）2198081螺紋絲桿80元/根20個(gè)16005

18、6b工字鋼5800元/t160m（115kg/m）106720合計(jì)137900（2）基礎(chǔ)帶電復(fù)位技術(shù)：5萬(wàn)元（3）人工費(fèi)：9萬(wàn)元（5）管理費(fèi)：10萬(wàn)元（6）土地賠償費(fèi)：6萬(wàn)元（7）監(jiān)測(cè)施工及為期約9個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)費(fèi)用12萬(wàn)元（8）其他材料及運(yùn)輸加工費(fèi)用：10萬(wàn)元總費(fèi)用：65.79萬(wàn)元7.3 科研論證及工程設(shè)計(jì)費(fèi)用通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，模擬試驗(yàn)及科學(xué)分析論證，推斷工作面跨落后對(duì)地表供電線路的影響程度，進(jìn)一步論證供電線路維護(hù)的必要性和重要性。研究并制定在不影響正常供電的情況下，避免供電線路傾倒的綜合治理方案，編制完整的設(shè)計(jì)方案。上述研究及設(shè)計(jì)費(fèi)用總計(jì)為30萬(wàn)元，由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）研究生部高延法教授負(fù)責(zé)完成。施工工程擬由朔州匯永勘查公司與中國(guó)礦大合作完成。綜合上述計(jì)算，44#、45#、46#線塔維修工程費(fèi)及科研設(shè)計(jì)費(fèi)總計(jì)為：57.241+65.79+30=153.031萬(wàn)元。8 總結(jié)（1）經(jīng)過(guò)開(kāi)采沉陷計(jì)算，44#、45#、46#三個(gè)線塔的最大傾斜率分別達(dá)到了10.4、16.1和19.4，超過(guò)高壓輸電線路安全運(yùn)行不大于10的要求。地面塌陷裂隙影響線塔塔基的概率分別達(dá)到了50.3%、50.3%和55%，必須對(duì)線塔采取防護(hù)措施。（2）在塌陷影響區(qū)域外設(shè)兩個(gè)固定基點(diǎn)A、B及兩個(gè)高程基點(diǎn)1、2，利用前方交會(huì)法對(duì)44#、45#、46#三個(gè)