蒲圻电厂～咸宁500kV输电线路某采空区稳定性评价

曹文庆，黄 河，王 禹

(湖北省电力勘测设计院，湖北 武汉 430040)

1 概述

蒲圻电厂～咸宁500kV输电线路工程起自蒲圻电厂二期500kV出线构架，止于咸宁500kV变电站，路径途径湖北省赤壁市、崇阳县和咸宁市咸安区，线路长约73.0km(折合双回路)，其中单回路长约4.7km，双回路长约70.6km，导线主要采用4×LGJ－400/35钢芯铝绞线。线路在G75～G77塔地段下伏游家山煤矿采空区，而该段周边又存在多个矿区，改线难度较大，对该地段已有路径塔基下的采空区进行稳定性评价相当必要。

2 采空区概况及地质模型的简化

2.1 采空区概况

赤壁市游家山煤矿采空区位于蒲圻市区南东98°方向，直距18km，隶属赤壁市官塘镇。矿区中心坐标：3292246，20220945。二叠系下统梁山组为本煤矿采空区含煤岩系，煤系一般含煤一层，产于煤系的近底部，煤层厚平均1.22m，最大埋深350m，煤层形态为透镜状、鸡窝状。煤种为高硫、高灰无烟煤。1971年12月湖北省燃化局以鄂革燃化字(72)第005号意见书批准煤炭表内储量112b 5.92×108kg；该矿为闭坑矿山，所剩保有量仅6×107kg，且地质构造及水文地质情况复杂，已无开采价值。游家山煤矿与拟建线路地质情况见图1。

图1 线路与游家山煤矿的相对关系及地质概略图

所在采空区区域地质情况如下：

第四系(Q)：主要为粘性土，黄褐色，红褐色，稍湿，可塑为主，局部呈硬塑状。层厚一般为0.5m～10m。

栖霞组(P1q)：深灰、灰黑色薄－中厚层状碳质瘤状灰岩、瘤状生物碎屑灰岩、含碳质灰泥岩及碳质页岩夹生物屑灰岩。厚约百米。

梁山组(P1l)：以砂岩为主(或石英砂岩)，夹粉砂岩、泥岩及煤层，一般含煤1－3层，个别地段可达4层，与下伏地层呈平行不整合接触。该层位底部为煤层，是赤壁市煤矿的主要采区。

游家山煤矿采空区上覆地层分布主要为梁山组砂岩及栖霞组灰岩，上覆土层一般较薄，第四系覆盖层主要为可塑状粘性土，厚度一般为0～7.0m。该采空区已停采10年以上，G75～G77塔塔位位于该地段的丘顶，基础入土点高程为199m～236m，采空区上覆岩土层厚度为202m～321m，采空区厚度为1.7m～4.1m。

2.2 地质模型

根据塔位附近该采空区的概况，其中G77的采厚比相对最小，为安全系数最小的塔位。根据其地质特征、塔腿基础型式及塔位荷载情况，以G77塔为例，进行地质模型的简化。G77塔为双回路直线塔，上覆土层1.5m，下部以中风化灰岩及砂岩为主，塔基主要采用QH40型嵌固基础，基础埋深6.0m，铁塔基底单位压力(包括其它荷载)约300kN/m2，采空区上基底顶板厚202m。简化图见图2。

图2 地质模型简化图

3 采空区塔基稳定性评价

3.1 应用采空区采厚比半定量评价

根据图2可知，塔基采厚比(H/M)为49，大于30，塔位附近无明显地表位移塌陷现象。根据文献[4]中5.5.7条，塔基稳定。

3.2 应用临界深度法的定量评价

结合文献[1]，根据顶板岩层自然平衡原理验算地基稳定性，采空区顶板地基压力Q为：

当H增大到某一深度，Q=0时，顶板岩层恰好自然平衡，此时可以求得采空区建筑物地基以下岩体临界深度计算公式：

(1)、(2)式中γ为岩土体重度，B为巷道宽度，P0为铁塔基底单位压力，φ为岩体内摩擦角。

当HH<1.5H0时，顶板基本稳定；H>1.5H0时，顶板稳定。

游家山煤矿顶板稳定性评价参数如下：巷道宽度B取6m；顶板为中风化灰岩及砂岩，岩体重度γ取23.0kN/m3；铁塔基底单位压力(包括其它荷载)P0约300kN/m2；φ为岩体内摩擦角30°。根据地质模型简化图(图2)，经过计算，煤矿采空区上方铁塔基底以下岩体临界深度H0=41.08m。1.5H0=61.62m。塔基满足H>1.5H0，拟建线路地基稳定。

3.3 覆岩破坏高度及荷载影响深度综合评价法

煤层开采后，一般上覆岩层形成垮落带、断裂带、弯曲带。在垮落带，岩层被断裂成块状，岩块间存在较大孔隙和裂缝。在断裂带，岩层产生断裂、离层、裂缝，岩体内部结构遭到破坏。在弯曲带，岩层基本上呈整体下沉，但软硬岩层间可形成暂时性离层，其岩体结构破坏轻微。因此，垮落带、断裂带的岩层虽经多年的压实，仍不可避免地存在一定的裂缝和离层，其抗拉、抗压、抗剪强度明显低于原岩的强度。如果新建构筑物荷载传递到这两带，在附加荷载作用下会进一步引起沉降和变形，甚至造成构筑物的破坏。

(1)垮落断裂带厚度

垮落断裂带的发育高度，主要与开采煤层的厚度、倾角、开采尺寸、覆岩岩性、顶板管理方法等有关，参照文献[2]，按坚硬岩，选取计算公式如下：

垮落带高度计算：

取∑M=4.1m，Hk=19m。

断裂带高度计算：

Hli=70m。

(3)、(4)式中∑M为煤层累计采厚。

由上可知，垮落断裂带的最大高度位于顶板以上89m。

(2)基底荷载影响深度

建(构)筑物的建造使地基岩土中原有的应力状态发生变化，从而引起岩土变形，产生基础沉降。建(构)筑物荷载的影响深度随建筑荷载的增加而增大。一般地，当地基中建筑荷载产生的附加应力等于相应深度处地基层的自重应力的20%时，即可以认为附加应力对该深度处地基产生的影响可忽略不计，但当其下方有高压缩性土或别的不稳定性因素，如采空区垮落、断裂带时，则应计算附加应力直至地基自重应力10%位置处，方可认为附加应力对该深度处的地基不产生多大影响。该深度即为建(构)筑物荷载影响深度(Hp)。

地基中自重应力用下式计算：

式中：γi为分层岩土层重度；Hi为各分层厚度。地基附加应力按下式计算：

式中：K0为附加应力系数；P为基底附加应力。

取岩土层容重为23kN/m3，基础底面直径为1.8m，K0参照文献[5]取值，荷载影响深度计算表见表1。

表1 荷载影响深度计算

根据表1，考虑到其他荷载因素影响，荷载影响深度HP取12m。

(3)地基稳定性评价

当顶板厚度H满足下式时：

塔基荷载不会使垮落断裂带重新移动，反之，则会影响地基的稳定性。

因为：H>101m，所以，拟建线路塔基稳定。

4 采空区稳定性评价方法对比

本文通过采用三种方法对游家山煤矿老采空区稳定性进行了评价，分别得出了不同的顶板稳定厚度。

文献[4]中采空区采厚比半定量评价的方法是在大量经验总结的基础上得出的，一般垮落带、破裂带、弯曲带总厚度约为20倍的采厚比，考虑到其它的影响，30倍采厚比相对较安全。采厚比小于30的地段地面易产生非连续变形，煤矿开采后，自下而上会产生垮落带、断裂带、弯曲带。因此线路路径选择应尽量避开采厚比小于30的地段。应用该方法计算出老采空区顶板临界深度：H临=30m=123m，为三种方法中安全厚度最大值。应用该方法评价采空区相对较安全。

应用文献[1]中临界深度定量评价方法，只考虑了顶板上受荷平衡的情况，未考虑冒落断裂带对顶板稳定性的影响。应用此法求得H临>62m即满足要求。本评价方法评价结果虽取了1.5的安全系数，但与其他两种评价结果相比，所需安全厚度相对偏小。本计算方法未考虑空洞高度对上部顶板稳定的影响以及附加荷载对冒落断裂带的影响。当上部荷载较大时或采厚较大的浅层开采区更显其应用局限性，该方法只适用于小窑顶板上无大的断裂变形的采空区，不适用于大型采空区、较厚冒落断裂带区及大荷载区的稳定性评价。

覆岩破坏高度及荷载影响深度综合评价法，考虑了顶板荷载以及荷载对冒落断裂带的影响，计算得出顶板厚度大于101m即满足顶板稳定性要求。该定量评价法依据充分，适合在工程建设中推广使用。

5 结论

(1)本文介绍了蒲圻电厂～咸宁500kV输电线路经过游家山煤矿采空区的基本情况，并建立了相应有代表性的地质模型进行了稳定性分析与评价，通过稳定性分析得出本采空区上方拟建线路塔基稳定。

(2)通过对采空区应用三种方法进行稳定性分析得出了不同的顶板稳定厚度，并对三种稳定性分析方法进行了初步的对比。通过对比得出采空区采厚比半定量评价法相对较安全；临界深度定量评价方法只适用于小窑上无大的断裂变形的采空区，不适用于大型采空区、较厚冒落断裂带区及大荷载区的稳定性评价；覆岩破坏高度及荷载影响深度综合评价法相对科学合理，该方法可在类似采空区工程中推广使用。

[1]工程地质手册编委会．工程地质手册(第四版)[M]．北京：中国建筑工业出版社，2007．

[2]国家煤炭工业局．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M]．北京：煤炭工业出版社，2000．

[3]陈仲颐，周景星，王洪瑾．土力学[M]．北京：清华大学出版社，1994．

[4]GB50021－2001，岩土工程勘察规范(2009年版)[S]．

[5]GB50007－2011，建筑地基基础设计规范[S]．