采空區輸電線路鐵塔傾斜防治技術探討與研究

王正波 張濤

【摘要】采空區輸電線路鐵塔易發生桿塔傾斜，本文通過對采空區塌陷規律、采深采厚比不同影響范圍和輸電線路鐵塔傾斜情況分析，提出了輸電線路設計階段選址選線原則等鐵塔傾斜預防技術，針對不同形式塔形、基礎和塌陷情況，總結出先期預防、塌陷處理、觀測維護、應急處置等過程管控手段，采用“植筋技術法”和 雙“Z”型校正工具，有效帶電治理傾斜鐵塔，總結提煉出采空區內輸電線路運行維護管理要點。

【關鍵詞】采空區;輸電線路;鐵塔;傾斜;防治技術

隨著皖北地區蘊藏煤炭資源的持續開發與利用，采空塌陷區域范圍逐漸增大，導致位于采空塌陷區輸電線路鐵塔出現不同程度傾斜，致使采空區與輸電線路從規劃設計、選址選線、建成后處于沉陷區范圍內的輸電線路如何保證安全運行兩者存在著長期矛盾，采空區輸電線路鐵塔傾斜防治技術研究成為重要的課題，總結運行維護要點、探討安全可靠、技術先進和經濟適用的技術方案及治理技術具有重要意義。

1.采空區特點及對輸電線路的影響

1.1 采空區塌陷一般規律

（1）當采厚比（即開采深度H與開采厚度M的比例，一般認為，此比值越高，開采的安全性越好）小于30時，地表出現臺階狀下沉和較大裂縫等非連續性變形現象。當采厚比大于30時，地表一般出現連續沉降變形，但在地表沉降移動盆地邊緣，裂縫較發育，其大小隨采深的增大而減少。

（2）開采后地表沉陷系數隨采深增大而減少，目前采深情況一般為采厚的0.8左右。

（3）開采后地表沉降移動總時間約為3年，活躍階段一般為6-8個月。

（4）地表下沉主要發生在活躍階段，下沉量要達到總下沉量的85%以上。

1.2 采空區影響范圍的認定

（1）采空區不僅影響采空區上方，其周邊一定范圍內也有地表變形，且影響范圍隨著采礦深度增加而增加。一般認為，采厚比大于20的采空區，離開采礦邊緣1.5H，采空區塌陷影響可不計。

（2）頂層巖石結構沒有嚴重構造缺陷，不會產生突然大幅度變形條件，用巖厚比來衡量。（巖厚比：覆蓋層內巖石層平均厚度Hs與開采深度H的比值）

表1-1 采空區運行架空輸電線路自立式桿塔辨別標準

地質特征 地表沉降Wn 地表開裂i 采取措施

采厚比r 巖厚比ρ

R≥100 ρ>8.9 ≤0.7m ≤2cm 不處理

30≤R≤100 2.7≤ρ≤8.9 ≤1.0m ≤10cm 立即處理

R≤30 ρ≤2.7 ≥2.5m 簡單處理無效果

備注：

（1）不處理只適用于房柱式開采工藝，綜合開采要慎重。（2）拉線桿塔可適度放寬標準。

1.3 采空區地基變形對輸電線路損壞類型

從采空區對輸電線路所產生的后果來看，大體可分為以下幾種：

（1）地面下沉，桿塔下降，導線對地或跨越物距離減少，不滿足運行規程。

（2）基礎嚴重傾斜，可能發生倒桿塔事故。

（3）桿塔移位，導地線水平張力變化或絕緣子串傾斜，導線與桿塔頭部電氣距離縮短。

（4）基礎不均變形，桿塔基礎及下段產生不平衡力，使個別桿塔下段受力集中，造成損傷。

（5）桿塔下沉和傾斜，架空線應力變化，破壞設計最優受力，致使架空線振動加劇后疲勞積累加快，造成導地線損傷。

2.輸電線路途經采空區選址和選線的一般原則

2.1 采空區（含已經探明的儲量區）地質狀況調查資料收集標準

從多年現場積累經驗，采空區輸電線路預防技術實施的基礎是采空區（含已經探明的儲量區）的地質調查、勘測和預測，重點是做好以下工作：

（1）首先要調查清楚按照國家和地方政府的煤炭資源開采規劃，盡量“避讓”。30年以內不開采或開采后經過長期地基變形巖體達到穩定，且不可能重復采動的地段，視為正常區域。

（2）對于近期開采或正在開采的國有煤礦，與政府主管部門詳細落實采掘范圍、煤層分布、計劃采掘煤層、采煤深度、厚度、采掘面尺寸、開采區上方的巖層厚度和強度，并與相關部門書面確定。

（3）對非國有小煤礦，由于開采計劃性較差，存在越界開采現象，對其規劃開采范圍要認真跟蹤，避免發生因預留煤柱等安全措施不能準確落實。

（4）在查清塔基附近采空區形態的基礎上，依據采空區地質計算出采空區主要參數。

2.2 選址和選線的一般原則

（1）線路路徑選擇應首先考慮避開采空區或塌陷比較嚴重地段。

（2）處于采空區內的線路應盡量采用單回路，兩條線路之間留有足夠安全距離。同一變電站進線，至少一條線路不應在同一塌陷區。

（3）盡量縮小耐張段長度，并盡可能避免在采空區內設置耐張塔，耐張段應控制在5檔之內。

（4）采空區內應盡量選擇拉線型桿塔或自立式直線角鋼塔，便于在維護中帶電治理。

（5）桿塔高度應留有裕度，防止塌陷沉降后對地和跨越物安全距離不足。

（6）如采空沉陷范圍較少，應采用跨越塔直接跨越塌陷區。

3.采空區沉陷造成輸電線路鐵塔傾斜的觀測方法

針對現有處于采礦塌陷區內的運行經驗，總結出沉陷區內輸電線路桿塔三個方面的觀測方法。

3.1 導線絕緣子傾斜觀測

絕緣子串傾斜按架空輸電線路運行規程標準控制，絕緣子串傾斜角控制在7.5°以內。

3.2 塌陷區沉降觀測

選取周邊處于塌陷范圍之外的桿塔基礎平面為觀測基準點，測出塌陷范圍內鐵塔各腿相對高差。并每兩天進行觀測記錄一次。當鐵塔四腿的基礎頂面最大高差接近或達到80mm時，即需要對基礎頂面高程較低的塔腿地腳螺栓進行調整。

3.3 鐵塔傾斜觀測

從鐵塔塔身頂部（地線支架附近）中心引柔性細尼龍繩索至塔腿4m～6m處，并下掛重鉛錘，再從此處高度制作塔位十字中心標記并標上刻度，并每兩天進行觀測記錄一次。

4.采空區輸電線路設計階段預防鐵塔傾斜的措施

4.1 選用大板基礎

大板基礎為直柱柔性基礎+大板結構，將4個獨立的柔性直柱設置在1塊整體現澆鋼筋混凝土大板結構上，大板結構上、下均配置鋼筋，抵抗由于不均勻沉降所產生的彎矩。基礎與大板之間鋪墊100mm厚卵石加粗砂墊層，使基礎與大板之間具有一定的滑動性，便于地基沉降基礎滑移后調整復位。

4.2 依據采厚比、巖厚比數據分析設計基礎

采空區架空輸電線路預防根據采空區特點，充分考慮由此所引起的線路桿塔穩定以及導線、避雷線運行工況變化引起的電氣距離變化和振動疲勞等問題，進行針對的治理。淮北供電公司結合近10條線路處于塌陷區成熟經驗，依據采厚比、巖厚比數據分析，主要在基礎設計上采取防范措施。

（1）頂板巖性較好，采厚比≥100時，煤柱開采引起的地表變形相對較小，采取加長地腳螺絲長度的辦法，一般地腳螺絲預留加長200mm，不考慮地基和基礎處理措施。

（2）頂板巖性較好，30≤采厚比≤100時，煤柱開采引起地表變形較大，按照不同的開采方式及變形預測值，采取加長地腳螺絲、大板基礎及預留塔高、控制耐張段長度等處理措施。

（3）對于采厚比≤30，巖厚比≤2.7或其他結構破碎的地質，容易產生剪斷性突然塌落。即使產生的位移并不嚴重，但是其突然塌落容易引起桿塔失穩，建議采用避讓辦法，或采取跨越方式。

5.采空區帶電運行輸電線路鐵塔傾斜的治理措施

據統計，近年來輸電線路自立式鐵塔不均勻沉降有逐年增加的趨勢，隨著時間的推移，安徽省內淮北、淮南、蚌埠、宿州等采空區地表沉陷日漸明顯，多處出現鐵塔傾斜現象。

5.1 采用植筋技術，應急治理采空沉陷區內鐵塔傾斜問題

淮北地區110千伏五南雙回線路13#桿塔處于淮北礦業集團楊莊煤礦規劃采煤區內，在設計階段采用呼高65米高塔大檔距跨越采煤區，后期因周邊小煤礦越界開采，該塔處于塌陷區邊緣，造成該基鐵塔嚴重傾斜、塔身側向扭曲，構成重大安全隱患，若異地搶修重建周期較長，為消除隱患，在綜合分析周邊地質環境條件的基礎上，咨詢國內地質和結構知名專家，重點對基礎底板取土校正法、灌漿抬升校正法、植筋校正法三個方案進行了分析對比研究，選用最適合的植筋技術校正方法應用于實際。

根據該鐵塔原有每個基礎四根Ф48螺栓、2米澆注混凝土埋深承受鐵塔上拔荷載和地腳鋼板厚度為25毫米情況，首先要對原地腳鋼板打坡口強焊接增寬200毫米、加厚為40毫米，然后在原一個基礎平臺周圍各打12個孔，利用進口喜力得植筋膠植12根Ф24螺栓，深度380毫米，植筋螺栓長度為1100毫米，利用3根Ф24植筋螺栓等強替換掉原一根Ф48螺栓。校正時采用人字扒桿和5噸鏈條葫蘆首先抬起相對高差最低的鐵塔腿，塞墊上不同尺寸和厚度的鋼板，利用經緯儀和水準儀監測鐵塔傾斜情況，直至校正至允許范圍內。

經過跟蹤觀察，采用植筋技術，快速成功校正了基礎不均勻沉降導致傾斜鐵塔，項技術處理周期最短，需用資金最少，且線路不停電作業，同時通過圈梁使四角基礎連成整體，使四角基礎沉降相對趨于平衡，緩解了各個基礎不均勻沉降的速度，鐵塔始終處于正常狀態，塌陷區內鐵塔傾斜的難題找到了科學合理的應急治理方法。

5.2 研制雙“Z”型校正工具帶電校正治理采空沉陷區傾斜鐵塔

對處于采空塌陷區內的角鋼塔，在預防措施中提前考慮地腳螺絲加長，如沒有考慮，可以采用植筋技術，加長原地腳螺栓，通過采用扒桿抬升，加墊鐵板的方式，校正鐵塔，但采用扒桿抬升操作復雜，人員參與多，費時費力。

根據運行檢修經驗，對杠桿力矩法和放線架提升法進行探討。杠桿力矩法主要通過人員使用撬棍等工具，通過杠桿原理直接對傾斜桿塔塔腿進行抬升的作業方法，該方法工具簡單，施工過程方便，可以應用在地形較為復雜的地區，但是該方法需求人員較多，卻往往達不到預期的校正效果，并在運用過程中存在一定的作業風險。放線架提升法是通過使用放線架和滾軸進行桿塔塔腿的抬升，從而達到校正傾斜桿塔的效果，該方法設備比較簡單、所需人員較少，但是承載能力較低，只能應用于重量較小的桿塔，并在實際使用過程中往往不能達到較好的校正效果。

經綜合探討研究由牽引提升式改為液壓抬升式，經過多次試驗，反復改進，為增大舉升噸位大、方便攜帶、能夠測量顯示壓力值，采用兩個帶有壓力表千斤頂;為保證千斤頂舉重力傳到可調操作底座頂起塔腿，綜合了人字扒桿、放線架、撬棍的結構特點，采用“Z”字型支撐連接工具;為增強“Z”字型支撐連接工具在使用中受力后的穩定性，采用四根自制螺紋支撐桿鏈接支撐;為確保“Z”字型支撐連接工具和螺紋支撐桿穩定連接、受力均勻，采用四塊三角鐵固定部件焊接在“Z”部件的拐角處進行加固;為實現新工具在使用中不受地形和環境的限制，采用了特制可調操作底座，制作出雙“Z”型鐵塔傾斜快速校正工具。

實踐證明，校正自立式鐵塔不均勻沉降工具攜帶方便、操作簡便、穩定性較好，應用在輸電線路自立式鐵塔不均勻沉降處理上，作業人員較少、工作周期短、能夠適應各種復雜地形條件和保證傾斜桿塔校正效果，既降低勞動強度和作業風險，又大幅提高工作效率，具有較好的安全效益、經濟效益和社會效益。

6.采空沉陷區內輸電線路運行維護要點

對于采空沉陷區內輸電線路，除一般的線路管理外，還要做好以下工作。

6.1 采空沉陷區內輸電線路應按照特殊區域要求進行管理，根據塌陷速度，確定巡視觀測周期。尤其處于塌陷初期及雨后應及時安排特巡和觀測。備足校正鐵塔需要的不同規格型號的鋼板條。

6.2 處于采空區的線路，要請示政府煤炭管理部門協調礦藏開采企業簽訂協議，定期對接互通信息，至少提前一個月告知供電部門地質塌陷情況。

6.3 對于預測下沉超過200mm的桿塔，每年至少測量一次導線對地距離和交叉跨越。

6.4 采空沉陷區線路要建立地表變形檔案，每次巡視后要填寫地表變形情況，處于預測采空區比較嚴重的地區，應設參照點跟蹤測量地表變化。

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作者簡介：

王正波，淮北供電公司運維檢修部工程師。

張濤，淮北供電公司運維檢修部高級技師。