矿区高压线塔移动变形预计研究

孟万利 ,蔡来良,王姗姗,刘云备

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454003)



矿区高压线塔移动变形预计研究

孟万利 ,蔡来良,王姗姗,刘云备

(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454003)

基于概率积分法地表任意点移动变形预计基本原理以及动态预计模型，结合研究区地质采矿条件，进行研究区不同阶段的地表移动变形预计分析。结合高压线塔和地下工作面的关系及研究区地表移动变形预计结果进行高压线塔处不同阶段的地表移动变形预计，与高压输电线路运行标准进行对比，分析实验区高压线塔的安全性，完成预计研究,并在开采期间定期开展巡线工作，确保线路安全运行。结果表明：通过概率积分法动态预计模型能够较好地完成矿区高压线塔不同阶段的移动变形预计研究，预计结果对实现矿区高压线塔的安全运行有一定指导作用。

开采沉陷;高压线塔;概率积分法;移动变形预计

我国矿产资源丰富，煤矿资源占绝大部分，矿区数量巨大且分布全国各地[1]，大型矿区大部分煤矿井田内均有高压输电线路通过[2]，开采沉陷[3]引起的地表移动变形对采矿区内高压线塔造成损害，对输电线路的安全运行造成了严重的威胁[4]。为此，国内外不少研究人员对实现高压线塔下安全采煤进行研究分析[5-17]。郭文兵、袁凌辉等在地表倾斜变形对高压线铁塔的影响研究中，采用数值模拟方法分析倾斜变形与铁塔内力变形特征的关系[6]；刘朝安、 高文龙等在多种采动影响区利用FLAC3D数值方法对地下开采进行有效的数值模拟为工程设计施工保护高压线塔提供有效的理论支持[7]；阎跃观、戴华阳等分析不同开切眼位置对各基高压线塔的采动影响情况，确定了首采面开切眼优化位置，为类似的多基高压线塔下采煤提供依据[9]；秦世界、张和生等基于FLAC3D的煤矿开采沉陷预计及与概率积分法的对比分析,得出两者处理开采沉陷预计工作中的优劣[10]；王晓辉、姜佃高在概率积分法参数求取时为了消除或减弱粗差对预计参数的影响，采用稳健估计方法来对参数进行预测[11]。在本研究中，基于概率积分法稳态预计基本原理以及动态预计模型，结合研究区高压线塔和地下工作面的关系及研究区地质采矿条件，进行研究区不同阶段的地表下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形预计分析。由研究区地表移动变形预计结果进行高压线塔不同阶段的移动变形预计，并根据高压输电线路运行标准，分析实验区高压线塔的安全性，完成预计研究。

图1　空间坐标系

1　开采沉陷预计模型

1.1稳态预计基本原理

概率积分法预计已成为我国较成熟的、应用最为广泛的预计方法之一。概率积分法任意点预计采用图1所示空间坐标系。

在图1中的坐标系下，地表点A(x,y)处的地表移动和变形预计公式为：

下沉：

(1)

沿φ方向的倾斜：

(2)

沿φ方向的曲率：

(3)

沿φ方向的水平移动：

(4)

沿φ方向的水平变形：

(5)

在地表达到充分采动时，各变形最大值可分别用下式计算：

最大下沉值

W0=mqcosα

(6)

最大倾斜值

i0=W0/r

(7)

最大曲率值

(8)

最大水平移动

U0=bW0

(9)

最大水平变形值

(10)

1.2动态预计模型

动态预计是考虑地表移动变形与空间位置及时间之间的关系，普遍采用的预计模型为最终状态的地表移动变形乘以时间影响函数[18]。

假如煤层的某个足够小的工作面(或把工作面划分为足够小的n个工作面)是在瞬间采出，We(x,y),Weo(x,y,t)分别为开采该工作面引起地表点p(x,y)的最终下沉值和在t时刻的下沉值，时间影响函数为f(t)，则

Weo(x,y,t)=We(x,y)·f(t)

(11)

f(t)=1-e-ct

(12)

式中：We(x,y)可取概率积分法稳态的预计模型;t表示预计时刻与单元开采时刻之间的时间间隔;c表示下沉速度系数。

c=2.0·v·tanβ/H

(13)

式中:v表示工作面平均推进速度，m/d；tanβ表示主要影响角正切；H表示工作面平均采深。

图2　研究区域工作面与高压线对照图

如果把一个工作面划分成为足够小的n个矩形工作面，且t时刻开采到第i个小矩形工作面，整个工作面已经开采的范围(1～i个小矩形工作面)引起地表p点在t时刻的下沉值，根据叠加原理即可求出

(14)

其他移动变形值同理可以求出，动态预计通过开采沉陷预计系统完成。

2　研究区地表移动变形预计

2.1研究区域概况

工作面煤层厚度为2.65 m，平均倾角6°，采用走向长壁自然垮落铺底网后退式综合机械化采煤法，开采深度为330m～360 m，地表起伏不大。煤层结构简单，视密度1.41 t/m3。研究区域工作面上方地表共有两条220 kV高压线、一条35 kV高压线，附近有6座高压线塔，高压线塔和地下工作面的关系如图2所示。

2.2预计参数

参照矿区的地质采矿条件和三下采煤规程[19]上对邻近矿区的参数的描述，预计参数如表1所示。

表1　预计参数

2.3采矿区地表沉陷预计

工作面从2011年9月25日开采，到2012年1月20时，工作面开采过半，2012年4月28日开采结束。在开采前为了对输电铁塔的安全运行提出评估，采用开采沉陷动态预计技术对铁塔的移动变形进行分段预计，每个月预计一次。预计时，分为以下几个时段： 2011年10月20日； 2011年11月20日；2011年12月20日；2012年1月20日；2012年2月20日；2012年3月20日；2012年4月28日；停采半年，2012年10月20日；稳沉预计，共九个阶段。在每个阶段中分别对采矿区地表的下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形进行预计。

预计在第七阶段工作面开采达到充分采动，工作面下沉倾斜预计情况如图3、图4所示：

图3　充分采动时下沉等值线图

图4　充分采动时倾斜等值线图

2.4预计最大值

当地表达到充分采动时，根据上文所介绍原理，对地表下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形的最大值进行预计，当工作面开采达到充分采动时最大值预计结果如表2所示。

表2　充分采动时最大值的预计

3　高压线塔处地表移动变形预计

3.1高压线塔处地表移动变形预计结果

地下开采引起的地表移动变形是评价地表建(构)筑物采动损害程度的重要依据，根据开采区地表移动变形预计结果，可以得到高压线塔处各个阶段的地表移动变形预计结果。研究区域内共有6座高压线塔，分别为1-1、1-2、1-3、2-1、2-2和3-1，对每一个线塔进行移动变形预计，对于线塔下沉与倾斜情况着重进行分析，通过折线图的形式表达各个线塔随时间的变化情况，如图5～图7。从图5看出各个线塔随时间下沉值变化情况，从图6看出各个线塔沿线路方向倾斜值随时间的变化情况，从图7看出各个线塔垂直于线路方向倾斜值随时间的变化情况。

从图5～图7可以看出，随着时间的推移，工作面开采范围的扩大，地表移动范围和地表移动值均有增加。最先受到影响的是2-2号线塔，随后受影响的是3-1、1-2和1-3；而1-1和2-1在影响范围以外。从预计结果可知，各个线塔发生的倾斜最大值为10.8mm/m(线路方向)，下沉最大值为1 248 mm，均发生在3-1线塔处。

图5　线塔下沉值预计

图6　线塔沿线路方向倾斜值预计

图7　线塔垂直线路方向倾斜值预计

3.2预计结果与运行标准对比分析

开采沉陷是一个在时间和空间上都非常复杂的过程，在时间上来讲，开采沉陷的形式和大小在不同的时间是不同的，因此地表变形导致的高压线塔以及输电线路的变形也是随时间发生变化的，高压线塔处地表动态变形值是判断高压输电线路安全性的关键因素。

根据中华人民共和国电力行业标准中的《架空送电线路运行规程》，对50 m以上高度铁塔倾斜最大允许值为5 mm/m，对于50 m以下高度铁塔倾斜最大允许值为10 mm/m。从预计结果看，各个高压线塔发生的倾斜最大值为10.8 mm/m(线路方向)，下沉最大值为1 248 mm，均发生在3-1线塔处，可以看出220 kV高压线塔的倾斜均小于允许变形值。35 kV的3-1线塔预计倾斜在临界值附近，建议加强巡视，必要时采取措施，确保其安全运行。

4　总结

本次研究进行了以下工作：(1)基于概率积分法地表任意点移动变形预计基本原理，分析动态预计模型。(2)结合研究区地质采矿条件，预计研究区不同阶段的地表移动变形预计分析，并且预计了各个阶段地表移动变形最大值。(3)结合研究区高压线塔和地下工作面的关系及研究区地表移动变形预计结果可以得到研究区高压线塔处不同阶段的地表移动变形预计结果，与高压输电线路运行标准进行对比，分析实验区高压线塔的安全性，完成整个预计的研究。结果表明：220 kV高压线塔的倾斜均小于允许变形值，35 kV的3-1线塔预计倾斜在临界值附近，通过巡线发现，线路均安全运行。通过概率积分法动态预计模型能够较好的完成矿区高压线塔不同阶段的移动变形预计研究，预计结果对更好实现矿区高压线塔的安全运行有一定指导作用，在实际开采过程中需要采取变形监测手段，实现安全开采。

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Moving deformation prediction of high-voltage line towers in mining area

(MENG Wan-li,CAI Lai-liang,WANG Shan-Shan,LIU Yun-bei)

(SchoolofSurveyingandLandInformationEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454003,China)

Based on probability integral method and the moving deformation estimated, the basic principle of the surface arbitrary point and dynamic forecast model,combining the geological mining conditions in the study area,this study analyzed the results of surface movement deformation prediction in study area at different stages.Combining the relationship of pylons and the underground work face with the above results,this study analyzed the results of surface moving deformation prediction under the high voltage line towers at different stages.Then this study compared the results with transmission lines operating standards,analyzing the security of pylons to complete the expected research to ensure the safe operation of the line.And regular patrol work is necessary during mining.The results shows that probability integral method is better to complete the moving deformation prediction of high voltage line towers at different stages.And the results of prediction has a great guiding to the safe operation of pylons.

mining subsidence;high voltage line towers;probability integral method;moving deformation prediction

2016-1-15

国家自然科学基金重点项目(U1261206);河南省高等学校重点科研项目(15A420005);河南理工大学博士基金项目(B2012-004)

孟万利(1993—)，男，河南荥阳人，硕士研究生。

1674-7046(2016)03-0069-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.013

TD327

A