采空区输电线路铁塔倾斜防治技术探讨与研究

王正波 张涛

【摘要】采空区输电线路铁塔易发生杆塔倾斜，本文通过对采空区塌陷规律、采深采厚比不同影响范围和输电线路铁塔倾斜情况分析，提出了输电线路设计阶段选址选线原则等铁塔倾斜预防技术，针对不同形式塔形、基础和塌陷情况，总结出先期预防、塌陷处理、观测维护、应急处置等过程管控手段，采用“植筋技术法”和 双“Z”型校正工具，有效带电治理倾斜铁塔，总结提炼出采空区内输电线路运行维护管理要点。

【关键词】采空区;输电线路;铁塔;倾斜;防治技术

随着皖北地区蕴藏煤炭资源的持续开发与利用，采空塌陷区域范围逐渐增大，导致位于采空塌陷区输电线路铁塔出现不同程度倾斜，致使采空区与输电线路从规划设计、选址选线、建成后处于沉陷区范围内的输电线路如何保证安全运行两者存在着长期矛盾，采空区输电线路铁塔倾斜防治技术研究成为重要的课题，总结运行维护要点、探讨安全可靠、技术先进和经济适用的技术方案及治理技术具有重要意义。

1.采空区特点及对输电线路的影响

1.1 采空区塌陷一般规律

（1）当采厚比（即开采深度H与开采厚度M的比例，一般认为，此比值越高，开采的安全性越好）小于30时，地表出现台阶状下沉和较大裂缝等非连续性变形现象。当采厚比大于30时，地表一般出现连续沉降变形，但在地表沉降移动盆地边缘，裂缝较发育，其大小随采深的增大而减少。

（2）开采后地表沉陷系数随采深增大而减少，目前采深情况一般为采厚的0.8左右。

（3）开采后地表沉降移动总时间约为3年，活跃阶段一般为6-8个月。

（4）地表下沉主要发生在活跃阶段，下沉量要达到总下沉量的85%以上。

1.2 采空区影响范围的认定

（1）采空区不仅影响采空区上方，其周边一定范围内也有地表变形，且影响范围随着采矿深度增加而增加。一般认为，采厚比大于20的采空区，离开采矿边缘1.5H，采空区塌陷影响可不计。

（2）顶层岩石结构没有严重构造缺陷，不会产生突然大幅度变形条件，用岩厚比来衡量。（岩厚比：覆盖层内岩石层平均厚度Hs与开采深度H的比值）

表1-1 采空区运行架空输电线路自立式杆塔辨别标准

地质特征 地表沉降Wn 地表开裂i 采取措施

采厚比r 岩厚比ρ

R≥100 ρ>8.9 ≤0.7m ≤2cm 不处理

30≤R≤100 2.7≤ρ≤8.9 ≤1.0m ≤10cm 立即处理

R≤30 ρ≤2.7 ≥2.5m 简单处理无效果

备注：

（1）不处理只适用于房柱式开采工艺，综合开采要慎重。（2）拉线杆塔可适度放宽标准。

1.3 采空区地基变形对输电线路损坏类型

从采空区对输电线路所产生的后果来看，大体可分为以下几种：

（1）地面下沉，杆塔下降，导线对地或跨越物距离减少，不满足运行规程。

（2）基础严重倾斜，可能发生倒杆塔事故。

（3）杆塔移位，导地线水平张力变化或绝缘子串倾斜，导线与杆塔头部电气距离缩短。

（4）基础不均变形，杆塔基础及下段产生不平衡力，使个别杆塔下段受力集中，造成损伤。

（5）杆塔下沉和倾斜，架空线应力变化，破坏设计最优受力，致使架空线振动加剧后疲劳积累加快，造成导地线损伤。

2.输电线路途经采空区选址和选线的一般原则

2.1 采空区（含已经探明的储量区）地质状况调查资料收集标准

从多年现场积累经验，采空区输电线路预防技术实施的基础是采空区（含已经探明的储量区）的地质调查、勘测和预测，重点是做好以下工作：

（1）首先要调查清楚按照国家和地方政府的煤炭资源开采规划，尽量“避让”。30年以内不开采或开采后经过长期地基变形岩体达到稳定，且不可能重复采动的地段，视为正常区域。

（2）对于近期开采或正在开采的国有煤矿，与政府主管部门详细落实采掘范围、煤层分布、计划采掘煤层、采煤深度、厚度、采掘面尺寸、开采区上方的岩层厚度和强度，并与相关部门书面确定。

（3）对非国有小煤矿，由于开采计划性较差，存在越界开采现象，对其规划开采范围要认真跟踪，避免发生因预留煤柱等安全措施不能准确落实。

（4）在查清塔基附近采空区形态的基础上，依据采空区地质计算出采空区主要参数。

2.2 选址和选线的一般原则

（1）线路路径选择应首先考虑避开采空区或塌陷比较严重地段。

（2）处于采空区内的线路应尽量采用单回路，两条线路之间留有足够安全距离。同一变电站进线，至少一条线路不应在同一塌陷区。

（3）尽量缩小耐张段长度，并尽可能避免在采空区内设置耐张塔，耐张段应控制在5档之内。

（4）采空区内应尽量选择拉线型杆塔或自立式直线角钢塔，便于在维护中带电治理。

（5）杆塔高度应留有裕度，防止塌陷沉降后对地和跨越物安全距离不足。

（6）如采空沉陷范围较少，应采用跨越塔直接跨越塌陷区。

3.采空区沉陷造成输电线路铁塔倾斜的观测方法

针对现有处于采矿塌陷区内的运行经验，总结出沉陷区内输电线路杆塔三个方面的观测方法。

3.1 导线绝缘子倾斜观测

绝缘子串倾斜按架空输电线路运行规程标准控制，绝缘子串倾斜角控制在7.5°以内。

3.2 塌陷区沉降观测

选取周边处于塌陷范围之外的杆塔基础平面为观测基准点，测出塌陷范围内铁塔各腿相对高差。并每两天进行观测记录一次。当铁塔四腿的基础顶面最大高差接近或达到80mm时，即需要对基础顶面高程较低的塔腿地脚螺栓进行调整。

3.3 铁塔倾斜观测

从铁塔塔身顶部（地线支架附近）中心引柔性细尼龙绳索至塔腿4m～6m处，并下挂重铅锤，再从此处高度制作塔位十字中心标记并标上刻度，并每两天进行观测记录一次。

4.采空区输电线路设计阶段预防铁塔倾斜的措施

4.1 选用大板基础

大板基础为直柱柔性基础+大板结构，将4个独立的柔性直柱设置在1块整体现浇钢筋混凝土大板结构上，大板结构上、下均配置钢筋，抵抗由于不均匀沉降所产生的弯矩。基础与大板之间铺垫100mm厚卵石加粗砂垫层，使基础与大板之间具有一定的滑动性，便于地基沉降基础滑移后调整复位。

4.2 依据采厚比、岩厚比数据分析设计基础

采空区架空输电线路预防根据采空区特点，充分考虑由此所引起的线路杆塔稳定以及导线、避雷线运行工况变化引起的电气距离变化和振动疲劳等问题，进行针对的治理。淮北供电公司结合近10条线路处于塌陷区成熟经验，依据采厚比、岩厚比数据分析，主要在基础设计上采取防范措施。

（1）顶板岩性较好，采厚比≥100时，煤柱开采引起的地表变形相对较小，采取加长地脚螺丝长度的办法，一般地脚螺丝预留加长200mm，不考虑地基和基础处理措施。

（2）顶板岩性较好，30≤采厚比≤100时，煤柱开采引起地表变形较大，按照不同的开采方式及变形预测值，采取加长地脚螺丝、大板基础及预留塔高、控制耐张段长度等处理措施。

（3）对于采厚比≤30，岩厚比≤2.7或其他结构破碎的地质，容易产生剪断性突然塌落。即使产生的位移并不严重，但是其突然塌落容易引起杆塔失稳，建议采用避让办法，或采取跨越方式。

5.采空区带电运行输电线路铁塔倾斜的治理措施

据统计，近年来输电线路自立式铁塔不均匀沉降有逐年增加的趋势，随着时间的推移，安徽省内淮北、淮南、蚌埠、宿州等采空区地表沉陷日渐明显，多处出现铁塔倾斜现象。

5.1 采用植筋技术，应急治理采空沉陷区内铁塔倾斜问题

淮北地区110千伏五南双回线路13#杆塔处于淮北矿业集团杨庄煤矿规划采煤区内，在设计阶段采用呼高65米高塔大档距跨越采煤区，后期因周边小煤矿越界开采，该塔处于塌陷区边缘，造成该基铁塔严重倾斜、塔身侧向扭曲，构成重大安全隐患，若异地抢修重建周期较长，为消除隐患，在综合分析周边地质环境条件的基础上，咨询国内地质和结构知名专家，重点对基础底板取土校正法、灌浆抬升校正法、植筋校正法三个方案进行了分析对比研究，选用最适合的植筋技术校正方法应用于实际。

根据该铁塔原有每个基础四根Ф48螺栓、2米浇注混凝土埋深承受铁塔上拔荷载和地脚钢板厚度为25毫米情况，首先要对原地脚钢板打坡口强焊接增宽200毫米、加厚为40毫米，然后在原一个基础平台周围各打12个孔，利用进口喜力得植筋胶植12根Ф24螺栓，深度380毫米，植筋螺栓长度为1100毫米，利用3根Ф24植筋螺栓等强替换掉原一根Ф48螺栓。校正时采用人字扒杆和5吨链条葫芦首先抬起相对高差最低的铁塔腿，塞垫上不同尺寸和厚度的钢板，利用经纬仪和水准仪监测铁塔倾斜情况，直至校正至允许范围内。

经过跟踪观察，采用植筋技术，快速成功校正了基础不均匀沉降导致倾斜铁塔，项技术处理周期最短，需用资金最少，且线路不停电作业，同时通过圈梁使四角基础连成整体，使四角基础沉降相对趋于平衡，缓解了各个基础不均匀沉降的速度，铁塔始终处于正常状态，塌陷区内铁塔倾斜的难题找到了科学合理的应急治理方法。

5.2 研制双“Z”型校正工具带电校正治理采空沉陷区倾斜铁塔

对处于采空塌陷区内的角钢塔，在预防措施中提前考虑地脚螺丝加长，如没有考虑，可以采用植筋技术，加长原地脚螺栓，通过采用扒杆抬升，加垫铁板的方式，校正铁塔，但采用扒杆抬升操作复杂，人员参与多，费时费力。

根据运行检修经验，对杠杆力矩法和放线架提升法进行探讨。杠杆力矩法主要通过人员使用撬棍等工具，通过杠杆原理直接对倾斜杆塔塔腿进行抬升的作业方法，该方法工具简单，施工过程方便，可以应用在地形较为复杂的地区，但是该方法需求人员较多，却往往达不到预期的校正效果，并在运用过程中存在一定的作业风险。放线架提升法是通过使用放线架和滚轴进行杆塔塔腿的抬升，从而达到校正倾斜杆塔的效果，该方法设备比较简单、所需人员较少，但是承载能力较低，只能应用于重量较小的杆塔，并在实际使用过程中往往不能达到较好的校正效果。

经综合探讨研究由牵引提升式改为液压抬升式，经过多次试验，反复改进，为增大举升吨位大、方便携带、能够测量显示压力值，采用两个带有压力表千斤顶;为保证千斤顶举重力传到可调操作底座顶起塔腿，综合了人字扒杆、放线架、撬棍的结构特点，采用“Z”字型支撑连接工具;为增强“Z”字型支撑连接工具在使用中受力后的稳定性，采用四根自制螺纹支撑杆链接支撑;为确保“Z”字型支撑连接工具和螺纹支撑杆稳定连接、受力均匀，采用四块三角铁固定部件焊接在“Z”部件的拐角处进行加固;为实现新工具在使用中不受地形和环境的限制，采用了特制可调操作底座，制作出双“Z”型铁塔倾斜快速校正工具。

实践证明，校正自立式铁塔不均匀沉降工具携带方便、操作简便、稳定性较好，应用在输电线路自立式铁塔不均匀沉降处理上，作业人员较少、工作周期短、能够适应各种复杂地形条件和保证倾斜杆塔校正效果，既降低劳动强度和作业风险，又大幅提高工作效率，具有较好的安全效益、经济效益和社会效益。

6.采空沉陷区内输电线路运行维护要点

对于采空沉陷区内输电线路，除一般的线路管理外，还要做好以下工作。

6.1 采空沉陷区内输电线路应按照特殊区域要求进行管理，根据塌陷速度，确定巡视观测周期。尤其处于塌陷初期及雨后应及时安排特巡和观测。备足校正铁塔需要的不同规格型号的钢板条。

6.2 处于采空区的线路，要请示政府煤炭管理部门协调矿藏开采企业签订协议，定期对接互通信息，至少提前一个月告知供电部门地质塌陷情况。

6.3 对于预测下沉超过200mm的杆塔，每年至少测量一次导线对地距离和交叉跨越。

6.4 采空沉陷区线路要建立地表变形档案，每次巡视后要填写地表变形情况，处于预测采空区比较严重的地区，应设参照点跟踪测量地表变化。

参考文献

[1]张建强.采空区架空输电线路安全性评估及预防技术研究[J].华北电力大学.

[2]付明翔，韩为民，默增禄.煤矿采空区500kV输电线路设计的探讨[J].河南省电力勘测设计院电力建设，2004（6）： 30-32.

[3]李岩，刘志稳.线路大板型基础施工的新方法[J].河南洛阳供电公司电力建设，2011（10）：90-92.

[4]秦庆芝等.特高压输电线路煤矿采动影响区铁塔基础设计研究[J].电力建设，2009（2）：18-21.

[5]李兴，赵华忠，李伟性.500kV输电线路铁塔严重倾斜的快速修复[J].中国南方电网超高压输电公司广州局南方电网技术，2008（5）：84-85.

[6]袁广林，舒前进，张云飞.超高压输电线路沉陷区输电铁塔安全性评价[J].中国矿业大学力学与建筑工程学院电力建设，2011（1）：16-18.

作者简介：

王正波，淮北供电公司运维检修部工程师。

张涛，淮北供电公司运维检修部高级技师。