開采沉陷對供電鐵塔破壞的安全評價準則

王孝義,宋選民

(1.山西煤炭職業技術學院,太原 030031;2.太原理工大學采礦工藝研究所,太原 030024)

隨著回采工作面不斷推進,上覆巖層隨之發生移動和破壞,延伸到地表產生的豎向移動、水平移動、傾斜、水平變形和曲率都可能使地表建(構)筑物的失穩破壞[1-2]。以往“三下”開采課題的研究多集中于房屋、鐵路、公路、水體下開采的影響性分析[3-5],對于采動影響下輸電線鐵塔的穩定性研究較少,并且由于煤層賦存條件、巖層地質條件、開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,影響函數法、剖面函數法等傳統的開采沉陷預計方法在多煤層、多工作面開采時運用存在一定的局限性。

開采造成的地表沉降易使供電鐵塔等高聳構筑物發生傾斜,增加了鐵塔的傾覆力矩,連接于鐵塔上的導(地)兩端會產生不平衡張力,造成塔體、導(地)線應力的重新分布和變形[6],影響了供電網絡的正常運行。因此,分析井下開采過程中地表穩定性以及供電塔線的安全性評價對工業現代化建設有重要意義,尤其是在地下煤層賦存條件開采復雜(如多煤層聯合開采)的情況下,如何做到解放資源與地表環境保護并舉,對于采礦技術研究人員是一個難題[7-14]。

大同市焦煤礦一礦現開采4#煤303盤區8313工作面,煤層厚度6.3 m～7.2 m,采厚較大,導致地表沉陷與移動的范圍較大。該盤區地面有內蒙托可托-山西渾源500 kV高壓架空線路,地面鐵塔四個,編號為321、324、339和340,為保證現4#煤及后續5#、8#、9#煤開采地表下沉不會導致地面鐵塔傾斜、倒塌,須留設大量保護煤柱,增加礦井工作面搬家倒面次數,嚴重影響礦井開采布局與經濟效益。 以焦煤一礦供電塔線下多煤層開采為背景,研究山區開采沉陷引起高壓供電鐵塔破壞的安全判定準則。

1 開采對地面鐵塔的危害分析

地下開采引起地表移動變形,影響地面高壓供電鐵塔的正常運行,嚴重時甚至導致整個線路發生癱瘓。

1.1 地表下沉對高壓供電鐵塔的影響

當高壓鐵塔四個獨立基礎隨地面緩慢、均勻沉降時,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;當沉降量較大時,高壓鐵塔沉降后會導致兩鐵塔間高壓線的近地距離、懸掛點張緊及懸垂度發生變化。當超過規定值時,高壓供電線路也會發生損壞。

當高壓鐵塔處于開采沉陷盆地中間,鐵塔基礎成對沉降量相同,高壓鐵塔偏向開采一側,高壓線近地距離、懸垂度等發生改變;高壓鐵塔處于下沉盆地邊緣時,四個基礎下沉量會出現不一致,鐵塔向下沉量大的一側滑移。鐵塔基礎的不均勻沉降會引起鐵塔內部形成附加應力作用,如果應力值超過鐵塔本身的極限應力值,會導致鐵塔內部結構失穩變形。

1.2 地表傾斜對供電鐵塔的影響

地表傾斜直接影響著高壓鐵塔的分列基礎,各獨立基礎產生傾斜變形引起高壓鐵塔的橫擔發生變形、懸垂串傾斜,導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,供電鐵塔向地表開采沉陷區方向傾斜會引起傾覆力矩的增加使相鄰高壓鐵塔間的檔距、高差等發生變化,從而使其產生導線懸垂度超過限度、橫擔嚴重變形、高壓鐵塔自身形變等多方面的影響。傾斜對高聳構筑物的影響見圖1。

圖1 傾斜對高聳構筑物的影響Fig.1 Influence of towering structure by tilted

1.3 地表水平移動對供電鐵塔的影響

地表水平移動時,在地基和鐵塔基礎之間產生應力,當應力值小于基礎和地基的摩擦力時,不會發生滑移,而是應力通過鐵塔的基礎向塔身傳遞。當應力值較大時,發生滑動,各獨立基礎的水平移動值不同,造成鐵塔下部產生應力作用,鐵塔基礎根開變化。兩相鄰鐵塔間的水平移動值不相同,還會導致兩相鄰鐵塔間檔距的變化,檔距改變會使兩塔上部產生不平衡力,鐵塔易發生傾斜。水平位移方向的不同會使塔身及鐵塔上部橫擔受到扭力矩的影響,造成鐵塔的橫擔變形甚至轉角超限。

1.4 地表水平變形對供電鐵塔的影響

地表水平變形使鐵塔各基礎受到附加應力的作用,使塔基受到拉伸和壓縮變形。由于塔基的抗拉能力遠小于其抗壓能力,鐵塔基礎在受到地表水平變形的作用,產生壓縮變形,當超過鐵塔基礎抗壓強度時,基礎產生向內的擠壓破壞。即使存在很小的拉伸,也可能導致鐵塔基礎發生形變或裂縫。地表水平變形還可能通過鐵塔基礎間的作用向上傳遞至塔身,使鐵塔內部受到力的作用,發生變形。

1.5 地表曲率對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的接觸面積小,曲率對基礎的影響程度不大。由于高壓鐵塔是鋼構結構,與地表變形相比,曲率變形相對較小。

通過以上多種因素分析可以看出,地表下沉、水平移動和傾斜變形通過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,從而導致相鄰兩塔間距離、懸垂、近地距離等參數超過電力系統高壓線路安全運行標準,其具體過程見圖2。

2 供電鐵塔運行的安全評價準則

2.1 線路方向與工作面推進方向平行

假設開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。分情況討論采動過程中地表發生不同類型的移動對地面供電鐵塔及其線路的影響,預測導線繃緊和拉斷時臨界值[15-17]。

依據供電鐵塔與工作面開采位置的關系,可以分為1個鐵塔受影響、2個鐵塔受影響的情況,但2個鐵塔受影響的情況可用第一種情況來代替。此外,1個鐵塔受影響的情況又可分為僅水平移動、僅垂直下沉和發生傾斜轉動的情形。

①A塔發生x軸的水平位移

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

因此,uxc為僅A塔發生水平位移時導線繃直的臨界值。

設δ為導線受到拉應力影響時發生斷裂的形變長度,因此導線在A塔僅發生水平位移時斷裂的臨界值為

因此,當沿工作面開采推進方向的水平位移(或位移差)符合uxc≤ux

在僅發生水平位移的情況下,依據焦煤礦地面鐵塔的情況,D=316.25 m,L=315 m,Δh=5.15 m時,要求不發生線路繃直的鐵塔位移(差)uxc≤1.208 m。根據實際的線路布置及基本參數,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塔發生垂直下沉

如圖3,當A塔單獨發生垂直下沉時,兩塔的高差Δh發生變化,檔距不變。

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

設下沉前AB塔高差為Δh,A塔下沉量為wz時,AB間的導線繃直,設EG=L1,CE=L-L1,則根據三角形的關系,有

由以上公式可知,wzc為僅A塔發生垂直下沉時導線繃直的臨界值,即A塔垂直下沉小于wzc時導線不會繃直。其中取+號,為A塔下沉的臨界值,取-號為A塔的上升值,相當于B塔下沉的臨界值。

當鐵塔A發生下沉時,導線也受到崩斷前拉伸變形δ的影響,因此導線在地表垂直沉降時發生斷裂的臨界值由下式確定,即

將焦煤礦相關參數代入,可得鐵塔垂直位移(或下沉差)wz≤wzc=22.940 m時可以安全運行;符合22.940 m33.645 m時導線將發生斷裂。

③A塔發生傾斜

當A塔發生傾斜時,其頂端點在x-z坐標系位置均發生變化,參見圖4。此時,供電鐵塔在垂直與水平方向的投影位置存在關聯關系。因工作面開采方向與AB供電鐵塔平行,且在兩塔正下方,故只考慮A鐵塔向工作面開采方向的傾斜。

圖4 A塔(低塔)傾斜的z-x坐標關系Fig.4 z-x axis relation inclined of a tower

此情況僅在鐵塔A前側發生變形,鐵塔AB間的導線繃直,則有

令f(θ)=0,則有

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

可知,當供電鐵塔A傾斜角度達到θ1c時,導線將被繃直。即傾斜角度小于θ1c時,導線不會繃直。

當鐵塔A發生傾斜時,導線崩斷同樣地也受到極限強度即極限變形δ的影響,因此導線發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.

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

2.2 線路方向與工作面推進方向垂直

可分三種情況[18-20],見圖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 線路與開采垂直的三類情況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為:

地表變形前,原鐵塔頂端斜線路長度為:

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度所允許的極限變形δ,則有:

Δux=ux2-ux1

由此可見,在僅發生與工作面開采方向一致的水平位移時,線路一般可以保持正常安全運行,不易繃緊和拉斷;在僅發生平行工作面長度方向的水平位移即uy1和uy2時,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。

②主要發生垂直位移(wz)時情況預測

地面兩點的垂直下沉不等,即wz1≠wz2有位移差。此時,鐵塔的位置變化關系參見圖7。供電線路鐵塔地面存在標高差。以低塔下沉大于高塔位移為例,即wz1>wz2的情形進行分析。

圖7 線路與開采正交時下沉的位置關系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,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,一般的采深以及厚度煤層開采,垂直位移均達不到此下沉差值,為此該類線路與工作面走向長度的匹配關系是比較好的。

③地面供電線路發生任意位移時導線繃緊與拉斷的臨界參數預測

在地面鐵塔發生任意位移的情況,即地面A點的位移為(ux1,uy1,wz1),B點的位移為(ux2,uy2,wz2),關鍵是此時線路與工作面長度方向平行即x1=x2,則依據公式可求得Ln′[21,22]。只要已知兩鐵塔地面點的預測位移或實際觀測位移,即可據上式預測地表變形后線路的需要長度,從而判斷線路的實際狀態,即安全、拉緊或可能拉斷的預測結果。

4 結論

論文以焦煤一礦供電塔線下多煤層開采為背景,研究山區開采沉陷引起高壓供電鐵塔破壞的建立安全準則預測,可得如下結論:

(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行的主要因素。

(2)僅發生沿工作面開采推進方向的水平位移(或位移差)時線路狀態判斷臨界值為:鐵塔位移(差)uxc≤1.208m時可以安全運行;符合1.208 m

(3)當沿工作面開采推進方向的垂直下沉位移(或位移差)符合wzc≤wz

(4)當鐵塔A傾斜角度θ1<θ1c時,地面供電線路安全運行;θ1c≤θ1<θ1max時導線處于繃直狀態;θ1≥θ1max時導線將發生斷裂。