开采沉陷对供电铁塔破坏的安全评价准则

王孝义,宋选民

(1.山西煤炭职业技术学院,太原 030031;2.太原理工大学采矿工艺研究所,太原 030024)

随着回采工作面不断推进,上覆岩层随之发生移动和破坏,延伸到地表产生的竖向移动、水平移动、倾斜、水平变形和曲率都可能使地表建(构)筑物的失稳破坏[1-2]。以往“三下”开采课题的研究多集中于房屋、铁路、公路、水体下开采的影响性分析[3-5],对于采动影响下输电线铁塔的稳定性研究较少,并且由于煤层赋存条件、岩层地质条件、开采方式的差异性和输电线路方向等因素的存在,在考虑多因素综合影响的情况下,影响函数法、剖面函数法等传统的开采沉陷预计方法在多煤层、多工作面开采时运用存在一定的局限性。

开采造成的地表沉降易使供电铁塔等高耸构筑物发生倾斜,增加了铁塔的倾覆力矩,连接于铁塔上的导(地)两端会产生不平衡张力,造成塔体、导(地)线应力的重新分布和变形[6],影响了供电网络的正常运行。因此,分析井下开采过程中地表稳定性以及供电塔线的安全性评价对工业现代化建设有重要意义,尤其是在地下煤层赋存条件开采复杂(如多煤层联合开采)的情况下,如何做到解放资源与地表环境保护并举,对于采矿技术研究人员是一个难题[7-14]。

大同市焦煤矿一矿现开采4#煤303盘区8313工作面,煤层厚度6.3 m～7.2 m,采厚较大,导致地表沉陷与移动的范围较大。该盘区地面有内蒙托可托-山西浑源500 kV高压架空线路,地面铁塔四个,编号为321、324、339和340,为保证现4#煤及后续5#、8#、9#煤开采地表下沉不会导致地面铁塔倾斜、倒塌,须留设大量保护煤柱,增加矿井工作面搬家倒面次数,严重影响矿井开采布局与经济效益。 以焦煤一矿供电塔线下多煤层开采为背景,研究山区开采沉陷引起高压供电铁塔破坏的安全判定准则。

1 开采对地面铁塔的危害分析

地下开采引起地表移动变形,影响地面高压供电铁塔的正常运行,严重时甚至导致整个线路发生瘫痪。

1.1 地表下沉对高压供电铁塔的影响

当高压铁塔四个独立基础随地面缓慢、均匀沉降时,高压铁塔和土体之间的附加相互作用力不大,铁塔几乎不受影响;当沉降量较大时,高压铁塔沉降后会导致两铁塔间高压线的近地距离、悬挂点张紧及悬垂度发生变化。当超过规定值时,高压供电线路也会发生损坏。

当高压铁塔处于开采沉陷盆地中间,铁塔基础成对沉降量相同,高压铁塔偏向开采一侧,高压线近地距离、悬垂度等发生改变;高压铁塔处于下沉盆地边缘时,四个基础下沉量会出现不一致,铁塔向下沉量大的一侧滑移。铁塔基础的不均匀沉降会引起铁塔内部形成附加应力作用,如果应力值超过铁塔本身的极限应力值,会导致铁塔内部结构失稳变形。

1.2 地表倾斜对供电铁塔的影响

地表倾斜直接影响着高压铁塔的分列基础,各独立基础产生倾斜变形引起高压铁塔的横担发生变形、悬垂串倾斜,导致相邻铁塔间档距变化、高压线拉紧或悬垂。随着工作面推进,供电铁塔向地表开采沉陷区方向倾斜会引起倾覆力矩的增加使相邻高压铁塔间的档距、高差等发生变化,从而使其产生导线悬垂度超过限度、横担严重变形、高压铁塔自身形变等多方面的影响。倾斜对高耸构筑物的影响见图1。

图1 倾斜对高耸构筑物的影响Fig.1 Influence of towering structure by tilted

1.3 地表水平移动对供电铁塔的影响

地表水平移动时,在地基和铁塔基础之间产生应力,当应力值小于基础和地基的摩擦力时,不会发生滑移,而是应力通过铁塔的基础向塔身传递。当应力值较大时,发生滑动,各独立基础的水平移动值不同,造成铁塔下部产生应力作用,铁塔基础根开变化。两相邻铁塔间的水平移动值不相同,还会导致两相邻铁塔间档距的变化,档距改变会使两塔上部产生不平衡力,铁塔易发生倾斜。水平位移方向的不同会使塔身及铁塔上部横担受到扭力矩的影响,造成铁塔的横担变形甚至转角超限。

1.4 地表水平变形对供电铁塔的影响

地表水平变形使铁塔各基础受到附加应力的作用,使塔基受到拉伸和压缩变形。由于塔基的抗拉能力远小于其抗压能力,铁塔基础在受到地表水平变形的作用,产生压缩变形,当超过铁塔基础抗压强度时,基础产生向内的挤压破坏。即使存在很小的拉伸,也可能导致铁塔基础发生形变或裂缝。地表水平变形还可能通过铁塔基础间的作用向上传递至塔身,使铁塔内部受到力的作用,发生变形。

1.5 地表曲率对供电铁塔塔基的影响

地表曲率的影响将使塔基受到附加剪应力以及弯矩的作用,由于高压铁塔底面积小、高度大,地表和高压铁塔基础的接触面积小,曲率对基础的影响程度不大。由于高压铁塔是钢构结构,与地表变形相比,曲率变形相对较小。

通过以上多种因素分析可以看出,地表下沉、水平移动和倾斜变形通过地基与高压供电铁塔底部的相互作用改变了原高压铁塔所处的空间位置,从而导致相邻两塔间距离、悬垂、近地距离等参数超过电力系统高压线路安全运行标准,其具体过程见图2。

2 供电铁塔运行的安全评价准则

2.1 线路方向与工作面推进方向平行

假设开采工作面在供电铁塔A和B的正下方并与铁塔线路方向平行。分情况讨论采动过程中地表发生不同类型的移动对地面供电铁塔及其线路的影响,预测导线绷紧和拉断时临界值[15-17]。

依据供电铁塔与工作面开采位置的关系,可以分为1个铁塔受影响、2个铁塔受影响的情况,但2个铁塔受影响的情况可用第一种情况来代替。此外,1个铁塔受影响的情况又可分为仅水平移动、仅垂直下沉和发生倾斜转动的情形。

①A塔发生x轴的水平位移

铁塔A与铁塔B在x轴坐标发生变化,即档距L的增加或减少,因只考虑导线绷直与拉断情况,故仅考虑L的增加。设AB间水平位移增加ux时,铁塔间的导线绷直,有

因此,uxc为仅A塔发生水平位移时导线绷直的临界值。

设δ为导线受到拉应力影响时发生断裂的形变长度,因此导线在A塔仅发生水平位移时断裂的临界值为

因此,当沿工作面开采推进方向的水平位移(或位移差)符合uxc≤ux

在仅发生水平位移的情况下,依据焦煤矿地面铁塔的情况,D=316.25 m,L=315 m,Δh=5.15 m时,要求不发生线路绷直的铁塔位移(差)uxc≤1.208 m。根据实际的线路布置及基本参数,线绷直至拉断的形变量δ为1.130 m,供电线路拉断的临界水平位移量uxmax为2.338 m。

②A塔发生垂直下沉

如图3,当A塔单独发生垂直下沉时,两塔的高差Δh发生变化,档距不变。

图3 两铁塔在z-x坐标轴上的投影位置Fig.3 Tow towers’ projections in z-x Axis

设下沉前AB塔高差为Δh,A塔下沉量为wz时,AB间的导线绷直,设EG=L1,CE=L-L1,则根据三角形的关系,有

由以上公式可知,wzc为仅A塔发生垂直下沉时导线绷直的临界值,即A塔垂直下沉小于wzc时导线不会绷直。其中取+号,为A塔下沉的临界值,取-号为A塔的上升值,相当于B塔下沉的临界值。

当铁塔A发生下沉时,导线也受到崩断前拉伸变形δ的影响,因此导线在地表垂直沉降时发生断裂的临界值由下式确定,即

将焦煤矿相关参数代入,可得铁塔垂直位移(或下沉差)wz≤wzc=22.940 m时可以安全运行;符合22.940 m33.645 m时导线将发生断裂。

③A塔发生倾斜

当A塔发生倾斜时,其顶端点在x-z坐标系位置均发生变化,参见图4。此时,供电铁塔在垂直与水平方向的投影位置存在关联关系。因工作面开采方向与AB供电铁塔平行,且在两塔正下方,故只考虑A铁塔向工作面开采方向的倾斜。

图4 A塔(低塔)倾斜的z-x坐标关系Fig.4 z-x axis relation inclined of a tower

此情况仅在铁塔A前侧发生变形,铁塔AB间的导线绷直,则有

令f(θ)=0,则有

f(θ)=D2-(L+hsinθ1)2-[h+h(1-cosθ1)]2=0 .

可知,当供电铁塔A倾斜角度达到θ1c时,导线将被绷直。即倾斜角度小于θ1c时,导线不会绷直。

当铁塔A发生倾斜时,导线崩断同样地也受到极限强度即极限变形δ的影响,因此导线发生拉断的倾斜角度临界值为:

f(θ)=(D+δ)2-(L+hsinθ1)2-[h+h(1-cosθ1)]2=0.

依据焦矿实际,铁塔挂线高度h=37 m,可以求得θ1c=3.32°,θ1max=3.232°,可见低塔(A)倾斜角小于3.32°,线路运行安全;倾斜角大于3.323°小于3.32°,线路处于拉紧状态;倾斜角大于3.323°时,线路易于拉断。

2.2 线路方向与工作面推进方向垂直

可分三种情况[18-20],见图5所示。

5-a 三种情况的平面图

5-b 三种情况的剖面图图5 线路与开采垂直的三类情况Fig.5 There are three vertical situations with line and mining

①主要为水平位移(ux)的线路安全分析

图6 线路垂直开采方向仅水平位移情况Fig.6 Only horizontal moving condition on the direction of line’s vertical mining

依据图6可知,因x1=x2,Δz=Δh,Δy=L,有线路铁塔变形后有铁塔顶端斜长为:

地表变形前,原铁塔顶端斜线路长度为:

但因L″-L′=1.25,则有:

因L、D、Δh为已知值,因此解出Δux,有两塔的水平变形差值,即线路拉直(绷紧)的临界安全条件为:

Δux=ux2-ux1

若考虑线路的抗拉强度所允许的极限变形δ,则有:

Δux=ux2-ux1

由此可见,在仅发生与工作面开采方向一致的水平位移时,线路一般可以保持正常安全运行,不易绷紧和拉断;在仅发生平行工作面长度方向的水平位移即uy1和uy2时,单档间的线路松弛,与其相邻的档间线路可能拉紧和拉断,本档线路趋于更加安全,相邻档间线路趋于危险。

②主要发生垂直位移(wz)时情况预测

地面两点的垂直下沉不等,即wz1≠wz2有位移差。此时,铁塔的位置变化关系参见图7。供电线路铁塔地面存在标高差。以低塔下沉大于高塔位移为例,即wz1>wz2的情形进行分析。

图7 线路与开采正交时下沉的位置关系Fig.7 Position’s relation of surface subsides as orthogonal between line and mining

线路拉紧的垂直下沉差临界条件为

将焦煤矿的实际条件代入,可得供电线路与工作面方向平行且仅以垂直下沉为主时,其线路拉紧的临界垂直下沉差为22.940 m,线路拉断的临界垂直下沉差为33.645 m。由此可见,一般的采深以及厚度煤层开采,垂直位移均达不到此下沉差值,为此该类线路与工作面走向长度的匹配关系是比较好的。

③地面供电线路发生任意位移时导线绷紧与拉断的临界参数预测

在地面铁塔发生任意位移的情况,即地面A点的位移为(ux1,uy1,wz1),B点的位移为(ux2,uy2,wz2),关键是此时线路与工作面长度方向平行即x1=x2,则依据公式可求得Ln′[21,22]。只要已知两铁塔地面点的预测位移或实际观测位移,即可据上式预测地表变形后线路的需要长度,从而判断线路的实际状态,即安全、拉紧或可能拉断的预测结果。

4 结论

论文以焦煤一矿供电塔线下多煤层开采为背景,研究山区开采沉陷引起高压供电铁塔破坏的建立安全准则预测,可得如下结论:

(1)地表不均匀下沉、水平拉伸变形和倾斜是影响高压线路正常运行的主要因素。

(2)仅发生沿工作面开采推进方向的水平位移(或位移差)时线路状态判断临界值为:铁塔位移(差)uxc≤1.208m时可以安全运行;符合1.208 m

(3)当沿工作面开采推进方向的垂直下沉位移(或位移差)符合wzc≤wz

(4)当铁塔A倾斜角度θ1<θ1c时,地面供电线路安全运行;θ1c≤θ1<θ1max时导线处于绷直状态;θ1≥θ1max时导线将发生断裂。