特高壓輸電線路下充填開采關(guān)鍵技術(shù)研究

羅 新

（中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，特高壓輸電線路分布范圍與密度持續(xù)增大。近年來(lái)，大量的特高壓輸電線路建設(shè)在了礦區(qū)上部，如何安全、高效的回采下部的煤炭資源，成為了煤炭開采技術(shù)發(fā)展過(guò)程中函待解決的一個(gè)重要問題。

雖然我國(guó)已經(jīng)在特高壓輸電線路下充填開采方面進(jìn)行了深入的研究，但由于各個(gè)礦區(qū)的地質(zhì)差異性大，使得特高壓輸電線路下充填開采面臨著技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)保障措施方面的不足。依據(jù)當(dāng)前特高壓輸電線路下充填開采的文獻(xiàn)資料。國(guó)外從20 世紀(jì)30 年代即開始高壓輸電線路下充填開采的工程實(shí)踐。例如，波蘭、前蘇聯(lián)、德國(guó)等產(chǎn)煤大國(guó)的高壓輸電線路下充填開采工作開展較早，積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)極為豐富，也已形成比較完善的高壓輸電線路下充填開采規(guī)程和成熟的技術(shù)保障措施，并作出了具體的規(guī)定。

我國(guó)針對(duì)高壓輸電線路下充填開采方面相關(guān)研究也不多見。根據(jù)具體施工環(huán)境，特高壓輸電線路下充填開采各有特點(diǎn)，一是線路下充填開采的技術(shù)復(fù)雜，要求嚴(yán)格；二是線路下充填開采的維修工作量大。我國(guó)在特高壓輸電線路下充填開采的可行性方面對(duì)開采損害影響方面有進(jìn)行初步的討論探索，主要研究開采引起的地表傾斜、地表波浪起伏、地表拉伸變形和開采下沉方面，地表橫向傾斜引起橫向傾斜，使重心偏移等問題，導(dǎo)致特高壓輸電線路下充填開采的服務(wù)年限受到影響。因此，開展關(guān)于特高壓輸電線路下充填開采的研究，促進(jìn)礦區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-4]。

1 特高壓線路開采條件

1.1 礦井開采條件

海測(cè)灘煤礦位于陜西省靖邊縣東北部，榆橫礦區(qū)（南區(qū)）的西南部。根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)2017 年批復(fù)《陜西省榆橫礦區(qū)南區(qū)總體規(guī)劃》（修編），井田東西長(zhǎng)21.2km，南北寬5.5km ～9.4km，面積163.9km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力5.00Mt/a。井田內(nèi)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組（J2y），上覆第四系、白堊系，共含可采煤層3 層，分別為3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)煤層，首采3 號(hào)煤層厚度1.88m ～3.40m，平均厚度2.56m，煤層埋深在600m ～800m。井田內(nèi)各可采煤層地質(zhì)資源儲(chǔ)量858.58Mt，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量426.05Mt。

±800kV 特高壓輸電線路（昭沂線）從海測(cè)灘煤礦井田內(nèi)東西向穿過(guò)，長(zhǎng)度約22km，壓覆煤炭資源量近50.0Mt，為了進(jìn)一步提高煤炭資源回收率，本文對(duì)特高壓輸電線路下煤炭資源開采的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1.2 輸電線路的允許地表（地基）變形值

參照國(guó)家能源局發(fā)布的《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》（DL／ T741-2010）、《1000kV 交流架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》（DL ／T307-2010）、中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)共同發(fā)布的《±800kV 直流架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》（GB ／ T28813-2012），±800kV 輸電線路桿塔的傾斜、水平位移的最大允許值見表1。

表2 《三下采煤指南》中部分煤礦地表移動(dòng)變形觀測(cè)結(jié)果

2 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

2.1 參數(shù)選擇

海測(cè)灘煤礦及其周邊煤礦并無(wú)地表移動(dòng)變形觀測(cè)成果。因此，選取《三下采煤指南》[5]中與海測(cè)灘煤礦埋深、采厚相當(dāng)?shù)牟糠置旱V的實(shí)測(cè)參數(shù)（表2）作為參考。

根據(jù)表2，海測(cè)灘煤礦3 號(hào)煤層地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)采用下沉系數(shù)為0.68，水平移動(dòng)系數(shù)0.31，主要影響角正切2.49，拐點(diǎn)平移距30.90m，最大下沉角按照75°計(jì)算。充填開采時(shí)地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)同3 號(hào)煤層計(jì)算參數(shù)，但采厚按照等效采高M(jìn)d 計(jì)算。

2.2 計(jì)算方案

本次共對(duì)三個(gè)方案進(jìn)行計(jì)算，其中方案一預(yù)計(jì)3 號(hào)煤層全部垮落法管理頂板的地表移動(dòng)變形量；方案二模擬3 號(hào)煤層采用充填開采方法后的地表移動(dòng)變形值，平均充填率按70% 計(jì)算，充填開采后的等效采厚為0.3M ；方案三模擬3 號(hào)煤層采用超密實(shí)充填開采方法后的地表移動(dòng)變形值，平均充填率按95% 計(jì)算，充填開采后的等效采厚為0.05M。

表3 各方案地表移動(dòng)變形量計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.3 開采可行性論證

海測(cè)灘礦井井田內(nèi)存在±800kV 昭沂線，對(duì)于高壓輸電線下采煤，主要是保護(hù)輸電線路桿塔的傾斜和水平位移值在允許范圍內(nèi)。地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果顯示方案一最大水平位移476mm，方案二最大水平位移163mm，也就是無(wú)論是采取全部垮落法還是傳統(tǒng)充填開采方法，地表移動(dòng)變形值都可能大于高壓輸電線基座的允許變形值（75mm），而方案三超密實(shí)充填最大水平位移68mm，小于高壓輸電線基座的允許變形值（75mm）。因此，在實(shí)際試采過(guò)程中應(yīng)采用超密實(shí)充填開采方法控制地表沉降，并加強(qiáng)地表高壓輸電線基座的監(jiān)測(cè)和維護(hù)工作。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模擬方案

3.1.1 模型原型及方案

數(shù)值模擬計(jì)算以海測(cè)灘煤礦CT02 盤區(qū)為實(shí)例，設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度200m，推進(jìn)長(zhǎng)度768m，煤層為近水平煤層，開采深度705m。計(jì)算為單方向開采三維宏觀力學(xué)問題，開采受周圍巖體約束影響較大，為分析開采過(guò)程中覆巖三維宏觀力學(xué)性質(zhì)變化以及底板移動(dòng)變形特征，采用大型非線性三維數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D 對(duì)其進(jìn)行模擬。3 號(hào)煤層，平均厚度2.40m。采用三種方案預(yù)計(jì)地表移動(dòng)變形，方案一：綜采全部垮落法管理頂板；方案二：綜采充填開采（充填率70%）；方案三：綜采超密實(shí)充填開采（充填率95%）[6-8]。

3.1.2 模型建立

圖1 數(shù)值模擬計(jì)算網(wǎng)格剖分圖

圖2 工作面推進(jìn)過(guò)程中覆巖垂直應(yīng)力分布云圖

基于FLAC3D 建模原理，根據(jù)海測(cè)灘煤礦地質(zhì)條件和煤巖條件等建立數(shù)值模型，如圖1 為數(shù)值模擬計(jì)算網(wǎng)格剖分圖。工作面采用走向長(zhǎng)壁布置。模型長(zhǎng)1828m，寬1000m，高705m。工作面開挖利用Fish 語(yǔ)言控制，每次開挖20m。整個(gè)模型共劃分為406720 個(gè)單元，426195 個(gè)節(jié)點(diǎn)。在節(jié)省單元，提高運(yùn)算速度的同時(shí)，為保證計(jì)算精度，按區(qū)域需要考慮的輕重來(lái)調(diào)整單元的疏密。

3.2 數(shù)值模擬過(guò)程分析

3.2.1 覆巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律

如圖2 所示為利用FLAC3D 計(jì)算得出的方案一工作面推進(jìn)70m、170m、340m、510m 時(shí)地表移動(dòng)盆地主斷面的垂直應(yīng)力云圖在走向方向的分布規(guī)律。

從圖2 中可以看出，工作面推進(jìn)70m 時(shí)，由于煤層開采，破壞了原巖應(yīng)力平衡，使得應(yīng)力重新分配，采空區(qū)應(yīng)力釋放，距離采空區(qū)越近，垂直應(yīng)力越小。在煤壁前方和切眼后方形成了應(yīng)力集中，使得采空區(qū)附近煤體發(fā)生塑性變形，應(yīng)力集中峰值不斷向煤體深部轉(zhuǎn)移，此時(shí)，采空區(qū)為應(yīng)力降低區(qū)，上方產(chǎn)生應(yīng)力拱，煤體上方為應(yīng)力增高區(qū)。工作面推進(jìn)170m 時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)越來(lái)越大, 但應(yīng)力拱高度不再發(fā)展，拱腳不再向煤層方向移動(dòng)，頂板與底板重合。工作面推進(jìn)至340m 時(shí)，采空區(qū)壓實(shí)，頂梁不再懸空，應(yīng)力不再增大。工作面推進(jìn)至510m 時(shí)，開切眼一側(cè)應(yīng)力峰值位置不變，位于工作面處的應(yīng)力集中系數(shù)趨于穩(wěn)定。

采動(dòng)過(guò)程，松散層范圍內(nèi)應(yīng)力幾乎不變，應(yīng)力拱只是在基巖范圍內(nèi)變化，且最大高度未及松散層。煤層埋深、巖層傾角和圍巖性質(zhì)以及地應(yīng)力影響應(yīng)力拱形態(tài)和范圍，應(yīng)力拱影響覆巖破壞方式。三個(gè)方案基巖厚度較厚，應(yīng)力拱影響范圍都不波及松散層，整個(gè)地表沉陷表現(xiàn)為連續(xù)性，不產(chǎn)生地表臺(tái)階下沉。

3.2.2 豎直移動(dòng)

圖3 各方案下沉曲線圖

從圖3中可知，使用超密實(shí)充填采煤法后，地表下沉值很小，但整體曲線仍然呈s 型。邊界點(diǎn)下沉值最小，幾乎為零，離采空區(qū)中心越近，下沉值差稍有增大。相比之下，超密實(shí)充填采煤法地表下沉明顯減小，超密實(shí)充填采煤法可以有效的避免由于采動(dòng)影響導(dǎo)致的地表下沉。

3.2.3 傾斜變形

圖4 各方案傾斜曲線圖

從圖4 中看出，傾斜曲線的走勢(shì)沒有發(fā)生很大變化，三種方案傾斜值差距很大，當(dāng)使用超密實(shí)充填開采后，峰值大大減小，峰值的橫坐標(biāo)發(fā)生移動(dòng)不大。方案一最大傾斜值達(dá)3.7mm/m，方案二1.7mm/m，方案三1.19mm/m。

3.2.4 水平移動(dòng)

圖5 各方案水平移動(dòng)曲線圖

從圖5 中可以看出，采用超密實(shí)充填法管理頂板后，整體的水平移動(dòng)值減小，最大水平移動(dòng)值減小較多，極值點(diǎn)橫坐標(biāo)沒有發(fā)生很大變化，并且離極值點(diǎn)越近，各方案的差值越大。

3.3 模擬結(jié)果分析

（1）數(shù)值模擬結(jié)果與地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果基本吻合，兩者互相驗(yàn)證并證明了預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）超密實(shí)充填法處理頂板有效地減少了地表下沉，對(duì)地表±800kV 昭沂線起到了很好的保護(hù)作用。

（3）超密實(shí)充填后水平變形和傾斜都大幅度降低，對(duì)地表±800kV 昭沂線只有輕微影響。

（4）因?yàn)楹y(cè)灘礦工作面上方基巖較厚，兩種方案的應(yīng)力拱區(qū)域達(dá)不到松散層，所以松散層不會(huì)反作用到應(yīng)力拱，如此，松散層會(huì)豎直下沉，對(duì)地表移動(dòng)變形起到緩沖作用。

4 結(jié)論

（1）參考相似地質(zhì)條件下地表移動(dòng)變形實(shí)測(cè)參數(shù)，確定海測(cè)灘煤礦地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)采用下沉系數(shù)為0.68，水平移動(dòng)系數(shù)0.31，主要影響角正切2.49，拐點(diǎn)平移距30.90m的參數(shù)較為合理。當(dāng)采用充填開采和超密實(shí)充填開采時(shí)，地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)利用等效采厚計(jì)算。

（2）開挖3 號(hào)煤層時(shí)，地表最大下沉值約1900mm，最大傾斜值為5mm/m，最大水平變形最大約為2mm/m ；采用充填開采方法時(shí)，地表最大下沉值為550mm，最大傾斜值為1.5mm/m，水平變形最大約為1.2mm/m ；采用超密實(shí)充填開采方法時(shí)，地表最大下沉值僅為105mm，最大傾斜值為1.1mm/m，水平變形最大約為0.8mm/m ；充填開采可以有效減少地表沉降，有利于地表建（構(gòu)）筑物安全運(yùn)行。

（3）海測(cè)灘礦井井田內(nèi)存在±800kV 昭沂線，計(jì)算表明，無(wú)論是采取全部垮落法還是充填開采方法，地表移動(dòng)變形值都可能大于高壓輸電線基座的允許變形值（75mm）；在實(shí)際開采過(guò)程中應(yīng)該采用超密實(shí)充填開采方法，并加強(qiáng)地表高壓輸電線基座的監(jiān)測(cè)和維護(hù)工作。