煤炭采空区输电线路塔基变形监测及治理

王克东，古广林，高 森，张 伟

(陕西省电力设计院，陕西 西安 710054)

煤炭采空区输电线路塔基变形监测及治理

王克东，古广林，高 森，张 伟

(陕西省电力设计院，陕西 西安 710054)

对采空区地表变形及铁塔倾斜进行监测，通过对监测数据的分析得出了地表变形的特征及变形的发展趋势，对采空区地表变形做了预测，并提出了岩土工程治理措施 。

采空区；输电线路；变形监测；治理。

1 概述

输电线路工程一般路径较长，在煤炭资源丰富的地区，线路工程不可避免会遇到采空区问题。预留煤柱一般是比较稳妥的做法，但往往因为经济原因无法实现。750kV渭南～延安送电线路工程150＃铁塔位于陕北黄土高原的黄土台塬上，海拔约955m，塔基位于铜川矿务局东坡煤矿的开采范围内。2009年底铁塔基础施工、组塔完毕以后，铁塔周围出现了大量沉降裂缝。

2 原因分析

2.1 地质条件

150＃铁塔位于陕北黄土高原的黄土台塬上，海拔约955m，所在区地质构造简单，整体为一向北西倾斜的单斜层，地层产状总体较平缓，倾角2°～9°。区内覆盖层为第四系黄土层，下伏基岩主要为二叠系粉砂岩、泥岩及细砂岩。该区共有9个煤层，但多为不可采煤层，目前主要开采分布厚度稳定的5-2＃煤层。该煤层埋深222.39m～325.38m，平均埋深291.73m；煤层上覆基岩厚度76.39m～252.43m，平均175.10m。150＃铁塔位于某国营矿务局开采范围内，塔基附近地势平坦，南、北侧稍远处为递降的缓坡。塔基处地表主要覆盖第四系黄土层，厚度约210m，其下基岩主要为二叠系石英砂岩、粉砂岩、泥岩等组成，至开采煤层顶板厚度约130m(见图1)，塔基处采厚比(开采深度与开采厚度之比)约为131。

图1 塔基地质剖面示意图

2.2 变形特征及原因

到2010年3月为止，地表裂缝及沉降情况已较严重，地表的高角度张剪裂缝达十余条，裂缝延伸长度12m～167m不等，最大裂缝落距近0.7m，最大裂缝宽度达0.5m，裂缝延伸方向与煤层开采方向大致呈25°～40°夹角。

根据现场调查，地表以下煤炭开采是引起地表沉降的主要原因。引起地表变形的采空区位于150＃塔位东南侧(见图2)，呈带状分布，开采煤层厚度约2.6m，工作面宽度约150m。煤层的开采方式为机械回采，回采率较高。根据塔位与采空区的位置关系及地表变形特征，可知塔基位于地表移动盆地的外边缘区。该区煤层于2009年4月开始开采，开采进度一般为2m/d，至2010年2月初工作面已经逐渐远离150＃塔位。可见，在回采率高、工作面大、松散层很厚的地段即使采厚比较大，仍有可能发生较大的地表变形。

图2 采空区与塔位的平面位置关系

3 变形监测

3.1 变形监测网建立

2010年1月初，按照三等水准测量标准的要求，在稳定地块上埋设控制桩，建立测量控制网，用于监测150#塔及塔基周围地表的变形规律。观测网于2010年1月15日建成，共埋设水泥控制桩4个，在铁塔及周围布置三条剖面线(剖面Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，在剖面线上、4个塔腿及铁塔中心点，布设变形观测点总共45个(见图3)。

3.2 地表下沉变形

(1)下沉量

变形监测得出了各监测点监测期间的沉降值，将累积沉降绘制成地面沉降等值线图(见图4)。从图中可以看出：距采空区越近，地表沉降越剧烈。地表最大沉降量发生在观测点II-5(距采空区最近)，沉降量为461mm；最小沉降量发生在观测点III-1(距采空区最远)，沉降量仅为10mm。

图4 塔基地面沉降等值线图

(2)下沉速度

下沉速度是相邻两次观测时间内单位时间的地表下沉值，它反映了地表变形剧烈程度，一般将下沉速度大于1.7mm/d的这段时间称为地表移动活跃期。塔中心点及四个塔腿沉降、下沉速度及变形时期见表1。

表1 沉降、下沉速度及变形时期

截至最后一次监测，各监测点的下沉速度均已小于1.7mm/d，地表移动从上个观测期的“活跃期”减缓到目前的“衰退期”。在最近的一个监测时段内，地表下沉速度明显下降，下沉速度降幅均在80%以上，地表下沉速度已经明显减缓。

3.3 铁塔倾斜变形

截至2010年5月监测，共进行了6次铁塔测斜工作，测量结果见图5。由图5可以看出，偏移量基本随时间递增，但偏移速度总体上已经开始变缓。得出，不均匀沉降主要发生在地表变形前期，以后不均匀沉降量显著减小，这与铁塔倾斜偏移的变形趋势基本吻合。

图5 塔顶部随时间偏移曲线

4 地表移动变形的预测

4.1 地表最终最大沉降

塔基不均匀沉降是引起铁塔倾斜偏移的主要原因，从塔腿各个监测时段不均匀沉降结果

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，地表最终最大沉降Wmax为：

式中：q为下沉系数，M为矿层厚度(m)，α为矿层倾角(°)。

对现采空区，矿层厚度M为2.6m；矿层倾角2°～9°，在此按平均值取5°；下沉系数q可根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》附录5的附表中采空区附近的铜川矿区的经验公式取值：

式中：H土为煤层以上土层厚度(m)，H岩为煤层以上岩层厚度(m)，H0为工作面采深(m)。

将H土＝210m，H岩＝130m，H0＝340m代入(2)得q＝0.91，将q代入(1)得地表最终最大沉降Wmax＝2.35m。

4.2 地表移动延续时间

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，地表移动延续时间可根据最大下沉点的下沉与时间关系曲线和下沉速度曲线求得，从地表移动期开始到结束的整个时间称为地表移动的延续时间。影响地表变形持续时间的因素，主要是岩石的物理力学性质、开采深度和工作面推进速度。在其他条件相同的条件下，开采深度与移动持续时间之间的关系比较稳定，即开采深度越大移动总时间越长，地表移动变形也较平缓。无实测资料时，地表移动的延续时间(T)可根据下式计算：

式中：H0为工作面采深(m)。代入可得，T＝850(d)＝2.3(y)。与调查所得附近其他采空区变形持续时间基本一致。因此，目前的地表变形还有很长的持续时间。

5 岩土工程治理

根据以上对采空区地质条件的分析、采空区的概况、塔基与采空区的位置关系及目前下沉区地表变形特征等，提出以下治理措施。

(1)夯填裂缝

塔位附近产生了十余条裂缝，裂缝贯通长度大，宽度及错距也具有一定规模。为防止降水渗入地表裂缝后浸泡地基土层，产生更大的地表沉降而影响塔基稳定性，可用28灰土夯实填充覆盖裂缝。

(2)纠偏、修复铁塔

根据铁塔的倾斜程度，调整塔位预留的地脚螺栓，然后顶托沉降较大的塔基，将基础复位。此外，撤换已经变形的塔材，在此基础上，在受力较大的部位应增加塔材。

(3)加强后期变形监测

变形监测是十分必要的。塔基变形成果可以反映目前的变形特征，还可以根据其变化预测变形的发展趋势。一定周期内的变形速度可以反映地表变形的剧烈程度。

6 结语

(1)一般的，将“采厚比”做为设计时是否采取基础和上部结构措施以及采取哪种处理措施的依据。例如《岩土工程勘察规范》GB50021-2001(2009年版)中，提出的采厚比30做为建筑场地适宜性评价的界限标准，大多数设计单位在过去的时间里运用采厚比40做为是否考虑采取结构措施的划分界限。本文中采厚比为131，依然发生了较大的地表表形，影响了铁塔的正常运行。可见，即使采厚比大于100，也不应轻易下不做处理的结论。在回采率高、工作面大、松散层很厚的地段都应考虑采取结构措施。

(2)监测显示，距采空区越近，地表沉降越剧烈。截止最后一个监测周期，四个塔腿下沉速度均已小于1.7mm/d，地表下沉从“活跃期”减缓到“衰退期”，地表下沉速度已明显减缓。

(3)理论上，该采空区引起的地表最终最大沉降Wmax＝2.35m，地表移动的延续时间T＝2.3y，与调查所得附近其他采空区变形规律基本一致。

(4)根据对采空区地质条件的分析、采空区的概况、塔基与采空区的位置关系及目前下沉区地表变形特征等，可采取夯填裂缝，纠偏、修复铁塔及加强后期变形监测等岩土工程治理措施。

[1]《工程地质手册》编委会．工程地质手册，第四版[K]．北京：中国建筑工业出版社，2007．

[2]GB50021-2001，岩土工程勘察规范(2009年版)[S]．

[3]陈海波． 急倾斜煤层采空区某铁塔变形治理与监测[J]．岩土力学，2003，24(S)．

[4]陈海波，陈富生．采空区架空送电线路塔基稳定性评价[J]．电力勘测，2000，(01)．

[5]白新春，马领康．架空送电线路中采空区评价方法[J]．山西电力，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

王克东(1980- )，男，甘肃张掖人，硕士，工程师。