煤炭采空區(qū)輸電線路塔基變形監(jiān)測(cè)及治理

王克東，古廣林，高 森，張 偉

(陜西省電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710054)

煤炭采空區(qū)輸電線路塔基變形監(jiān)測(cè)及治理

王克東，古廣林，高 森，張 偉

(陜西省電力設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710054)

對(duì)采空區(qū)地表變形及鐵塔傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析得出了地表變形的特征及變形的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)采空區(qū)地表變形做了預(yù)測(cè)，并提出了巖土工程治理措施 。

采空區(qū)；輸電線路；變形監(jiān)測(cè)；治理。

1 概述

輸電線路工程一般路徑較長(zhǎng)，在煤炭資源豐富的地區(qū)，線路工程不可避免會(huì)遇到采空區(qū)問題。預(yù)留煤柱一般是比較穩(wěn)妥的做法，但往往因?yàn)榻?jīng)濟(jì)原因無(wú)法實(shí)現(xiàn)。750kV渭南～延安送電線路工程150＃鐵塔位于陜北黃土高原的黃土臺(tái)塬上，海拔約955m，塔基位于銅川礦務(wù)局東坡煤礦的開采范圍內(nèi)。2009年底鐵塔基礎(chǔ)施工、組塔完畢以后，鐵塔周圍出現(xiàn)了大量沉降裂縫。

2 原因分析

2.1 地質(zhì)條件

150＃鐵塔位于陜北黃土高原的黃土臺(tái)塬上，海拔約955m，所在區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，整體為一向北西傾斜的單斜層，地層產(chǎn)狀總體較平緩，傾角2°～9°。區(qū)內(nèi)覆蓋層為第四系黃土層，下伏基巖主要為二疊系粉砂巖、泥巖及細(xì)砂巖。該區(qū)共有9個(gè)煤層，但多為不可采煤層，目前主要開采分布厚度穩(wěn)定的5-2＃煤層。該煤層埋深222.39m～325.38m，平均埋深291.73m；煤層上覆基巖厚度76.39m～252.43m，平均175.10m。150＃鐵塔位于某國(guó)營(yíng)礦務(wù)局開采范圍內(nèi)，塔基附近地勢(shì)平坦，南、北側(cè)稍遠(yuǎn)處為遞降的緩坡。塔基處地表主要覆蓋第四系黃土層，厚度約210m，其下基巖主要為二疊系石英砂巖、粉砂巖、泥巖等組成，至開采煤層頂板厚度約130m(見圖1)，塔基處采厚比(開采深度與開采厚度之比)約為131。

圖1 塔基地質(zhì)剖面示意圖

2.2 變形特征及原因

到2010年3月為止，地表裂縫及沉降情況已較嚴(yán)重，地表的高角度張剪裂縫達(dá)十余條，裂縫延伸長(zhǎng)度12m～167m不等，最大裂縫落距近0.7m，最大裂縫寬度達(dá)0.5m，裂縫延伸方向與煤層開采方向大致呈25°～40°夾角。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，地表以下煤炭開采是引起地表沉降的主要原因。引起地表變形的采空區(qū)位于150＃塔位東南側(cè)(見圖2)，呈帶狀分布，開采煤層厚度約2.6m，工作面寬度約150m。煤層的開采方式為機(jī)械回采，回采率較高。根據(jù)塔位與采空區(qū)的位置關(guān)系及地表變形特征，可知塔基位于地表移動(dòng)盆地的外邊緣區(qū)。該區(qū)煤層于2009年4月開始開采，開采進(jìn)度一般為2m/d，至2010年2月初工作面已經(jīng)逐漸遠(yuǎn)離150＃塔位?？梢?，在回采率高、工作面大、松散層很厚的地段即使采厚比較大，仍有可能發(fā)生較大的地表變形。

圖2 采空區(qū)與塔位的平面位置關(guān)系

3 變形監(jiān)測(cè)

3.1 變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)建立

2010年1月初，按照三等水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，在穩(wěn)定地塊上埋設(shè)控制樁，建立測(cè)量控制網(wǎng)，用于監(jiān)測(cè)150#塔及塔基周圍地表的變形規(guī)律。觀測(cè)網(wǎng)于2010年1月15日建成，共埋設(shè)水泥控制樁4個(gè)，在鐵塔及周圍布置三條剖面線(剖面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，在剖面線上、4個(gè)塔腿及鐵塔中心點(diǎn)，布設(shè)變形觀測(cè)點(diǎn)總共45個(gè)(見圖3)。

3.2 地表下沉變形

(1)下沉量

變形監(jiān)測(cè)得出了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)期間的沉降值，將累積沉降繪制成地面沉降等值線圖(見圖4)。從圖中可以看出：距采空區(qū)越近，地表沉降越劇烈。地表最大沉降量發(fā)生在觀測(cè)點(diǎn)II-5(距采空區(qū)最近)，沉降量為461mm；最小沉降量發(fā)生在觀測(cè)點(diǎn)III-1(距采空區(qū)最遠(yuǎn))，沉降量?jī)H為10mm。

圖4 塔基地面沉降等值線圖

(2)下沉速度

下沉速度是相鄰兩次觀測(cè)時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間的地表下沉值，它反映了地表變形劇烈程度，一般將下沉速度大于1.7mm/d的這段時(shí)間稱為地表移動(dòng)活躍期。塔中心點(diǎn)及四個(gè)塔腿沉降、下沉速度及變形時(shí)期見表1。

表1 沉降、下沉速度及變形時(shí)期

截至最后一次監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的下沉速度均已小于1.7mm/d，地表移動(dòng)從上個(gè)觀測(cè)期的“活躍期”減緩到目前的“衰退期”。在最近的一個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，地表下沉速度明顯下降，下沉速度降幅均在80%以上，地表下沉速度已經(jīng)明顯減緩。

3.3 鐵塔傾斜變形

截至2010年5月監(jiān)測(cè)，共進(jìn)行了6次鐵塔測(cè)斜工作，測(cè)量結(jié)果見圖5。由圖5可以看出，偏移量基本隨時(shí)間遞增，但偏移速度總體上已經(jīng)開始變緩。得出，不均勻沉降主要發(fā)生在地表變形前期，以后不均勻沉降量顯著減小，這與鐵塔傾斜偏移的變形趨勢(shì)基本吻合。

圖5 塔頂部隨時(shí)間偏移曲線

4 地表移動(dòng)變形的預(yù)測(cè)

4.1 地表最終最大沉降

塔基不均勻沉降是引起鐵塔傾斜偏移的主要原因，從塔腿各個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段不均勻沉降結(jié)果

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，地表最終最大沉降Wmax為：

式中：q為下沉系數(shù)，M為礦層厚度(m)，α為礦層傾角(°)。

對(duì)現(xiàn)采空區(qū)，礦層厚度M為2.6m；礦層傾角2°～9°，在此按平均值取5°；下沉系數(shù)q可根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》附錄5的附表中采空區(qū)附近的銅川礦區(qū)的經(jīng)驗(yàn)公式取值：

式中：H土為煤層以上土層厚度(m)，H巖為煤層以上巖層厚度(m)，H0為工作面采深(m)。

將H土＝210m，H巖＝130m，H0＝340m代入(2)得q＝0.91，將q代入(1)得地表最終最大沉降Wmax＝2.35m。

4.2 地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》，地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間可根據(jù)最大下沉點(diǎn)的下沉與時(shí)間關(guān)系曲線和下沉速度曲線求得，從地表移動(dòng)期開始到結(jié)束的整個(gè)時(shí)間稱為地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間。影響地表變形持續(xù)時(shí)間的因素，主要是巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、開采深度和工作面推進(jìn)速度。在其他條件相同的條件下，開采深度與移動(dòng)持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系比較穩(wěn)定，即開采深度越大移動(dòng)總時(shí)間越長(zhǎng)，地表移動(dòng)變形也較平緩。無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)，地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間(T)可根據(jù)下式計(jì)算：

式中：H0為工作面采深(m)。代入可得，T＝850(d)＝2.3(y)。與調(diào)查所得附近其他采空區(qū)變形持續(xù)時(shí)間基本一致。因此，目前的地表變形還有很長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。

5 巖土工程治理

根據(jù)以上對(duì)采空區(qū)地質(zhì)條件的分析、采空區(qū)的概況、塔基與采空區(qū)的位置關(guān)系及目前下沉區(qū)地表變形特征等，提出以下治理措施。

(1)夯填裂縫

塔位附近產(chǎn)生了十余條裂縫，裂縫貫通長(zhǎng)度大，寬度及錯(cuò)距也具有一定規(guī)模。為防止降水滲入地表裂縫后浸泡地基土層，產(chǎn)生更大的地表沉降而影響塔基穩(wěn)定性，可用28灰土夯實(shí)填充覆蓋裂縫。

(2)糾偏、修復(fù)鐵塔

根據(jù)鐵塔的傾斜程度，調(diào)整塔位預(yù)留的地腳螺栓，然后頂托沉降較大的塔基，將基礎(chǔ)復(fù)位。此外，撤換已經(jīng)變形的塔材，在此基礎(chǔ)上，在受力較大的部位應(yīng)增加塔材。

(3)加強(qiáng)后期變形監(jiān)測(cè)

變形監(jiān)測(cè)是十分必要的。塔基變形成果可以反映目前的變形特征，還可以根據(jù)其變化預(yù)測(cè)變形的發(fā)展趨勢(shì)。一定周期內(nèi)的變形速度可以反映地表變形的劇烈程度。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)一般的，將“采厚比”做為設(shè)計(jì)時(shí)是否采取基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)措施以及采取哪種處理措施的依據(jù)。例如《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001(2009年版)中，提出的采厚比30做為建筑場(chǎng)地適宜性評(píng)價(jià)的界限標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)設(shè)計(jì)單位在過去的時(shí)間里運(yùn)用采厚比40做為是否考慮采取結(jié)構(gòu)措施的劃分界限。本文中采厚比為131，依然發(fā)生了較大的地表表形，影響了鐵塔的正常運(yùn)行?？梢姡词共珊癖却笥?00，也不應(yīng)輕易下不做處理的結(jié)論。在回采率高、工作面大、松散層很厚的地段都應(yīng)考慮采取結(jié)構(gòu)措施。

(2)監(jiān)測(cè)顯示，距采空區(qū)越近，地表沉降越劇烈。截止最后一個(gè)監(jiān)測(cè)周期，四個(gè)塔腿下沉速度均已小于1.7mm/d，地表下沉從“活躍期”減緩到“衰退期”，地表下沉速度已明顯減緩。

(3)理論上，該采空區(qū)引起的地表最終最大沉降Wmax＝2.35m，地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間T＝2.3y，與調(diào)查所得附近其他采空區(qū)變形規(guī)律基本一致。

(4)根據(jù)對(duì)采空區(qū)地質(zhì)條件的分析、采空區(qū)的概況、塔基與采空區(qū)的位置關(guān)系及目前下沉區(qū)地表變形特征等，可采取夯填裂縫，糾偏、修復(fù)鐵塔及加強(qiáng)后期變形監(jiān)測(cè)等巖土工程治理措施。

[1]《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì)．工程地質(zhì)手冊(cè)，第四版[K]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007．

[2]GB50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)[S]．

[3]陳海波． 急傾斜煤層采空區(qū)某鐵塔變形治理與監(jiān)測(cè)[J]．巖土力學(xué)，2003，24(S)．

[4]陳海波，陳富生．采空區(qū)架空送電線路塔基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J]．電力勘測(cè)，2000，(01)．

[5]白新春，馬領(lǐng)康．架空送電線路中采空區(qū)評(píng)價(jià)方法[J]．山西電力，2009，152(S1)．

Monitoring and Control of Deformation of Power Transmission Tower Ground in Gob

WANG Ke-dong, GU Guang-lin, GAO Sen, ZHANG Wei
(Shanxi Electric Power Design Institute, Xi'an 710054, China)

Deformation of tower ground and inclination of tower have been monitored in gob. By analyzing monitoring data, surface deformation characteristics and tendency have been obtained. Then taken a predict about surface deformation of gob and given some geotechnical engineering measures.

gob; deformation monitoring; power transmission line; treatment.

TU4

B

1671-9913(2011)03-0004-04

2011-03-14

王克東(1980- )，男，甘肅張掖人，碩士，工程師。