煤矿采动区输电线路技术方案与变形治理技术

阎 涛，袁广林，王永安

（1.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001；2.中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008；3.国网山西省电力公司，山西 太原 030001）

煤矿采动区输电线路技术方案与变形治理技术

阎 涛1，袁广林2，王永安3

（1.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001；2.中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008；3.国网山西省电力公司，山西 太原 030001）

指出采空区塌陷一直是影响山西省电力线路安全运行的重大隐患，分析了煤矿地下开采对山西省地面输电杆塔的影响，提出了采动区输电线路规划设计技术，形成了线路通过沉陷区设计的技术方案，分析了采动区地基与基础的设计方法，总结了采后区输电线路的维修与治理方案，可为类似工程提供参考。

采动区；输电线路；技术方案；变形治理

0 引言

近年来，随着坑口电厂的大量建设，线路走廊日趋紧张，造成许多电力送出线路必须经过煤矿采空区。以山西省为例，迄今为止，通过采空区的1 000 kV、500 kV、220 kV线路近千公里，受影响的输电线路达到50多条。采空区塌陷会造成输电线路杆塔倾斜、基础下沉，严重影响线路的安全运行，有些线路甚至被迫停电、移塔、改线[1,2]。

国网山西省电力公司、山西省电力勘测设计院针对输电线路通过煤矿采空区的特点，在线路技术方案设计、铁塔变形治理等方面积累了较丰富的经验，在设计、运行和修复等方面创立了有效的技术和方法。本文对此予以总结，可为类似工程提供参考。

1 煤矿地下开采对地面输电杆塔的影响

煤矿地下开采导致上覆岩体产生变形与移动，向上波及至地表，造成输电杆塔和基础发生变形，严重时将遭到损坏。不同的地表变形对输电杆塔产生的影响也不同。

1.1 下沉对输电杆塔的影响

通常，当输电杆塔所处的地表出现均匀下沉时，输电杆塔的结构不会产生附加应力。在这种情况下，对输电杆塔的危害不大，输电杆塔只会产生位置的变化，但是，当地表下沉量大，地下水位又很高时，会形成地面积水坑，改变了输电杆塔所处环境，不仅影响输电杆塔使用，而且输电杆塔长期积水或过度潮湿时，将会影响输电杆塔及基础的强度和耐久性，危害输电杆塔的正常使用。

1.2 倾斜对输电杆塔的影响

地表倾斜变形将引起铁塔基础发生倾斜，使得输电杆塔的重心发生偏离，相应地增加了杆塔的倾覆力矩，有可能导致杆塔破坏，严重影响铁塔的安全性。杆塔倾斜还会引起导线中的应力重新分布，悬垂串将发生偏移产生各档间不平衡张力，铁塔倾斜还可能导致导线对地距离不足，铁塔倾斜不一致还会导致杆间档距相应地扩大或缩小。

1.3 地表曲率变形对输电杆塔的影响

地表的曲率变形会使地表由原来的平面状态变成曲面状态。曲率变形运动过程复杂，既有垂直方向上的沉降，又有水平方向上的移动；地表曲率破坏了输电杆塔作用于基础的荷载与基础底面反力之间的初始平衡，地基反力重新分布，输电杆塔会受到附加的弯矩和剪力作用。

1.4 地表水平变形对输电杆塔的影响

地表的拉伸和压缩变形称为水平变形，它将造成输电杆塔支腿间的相对运动，产生较大的附加应力。它对于独立基础的铁塔影响较大，将会导致铁塔下部根开增大（或减小），一般情况下，输电杆塔抵抗拉伸的能力大于抵抗压缩的能力。

2 通过采动区的输电线路规划设计技术

为防止和减轻采动变形对输电杆塔的影响，除采取保护输电铁塔开采的技术措施外，还应在输电线路的规划与布局、输电杆塔的位置等方面加以限制或避免。

2.1 输电线路规划

输电线路设计时应尽量在地表变形过程已结束的地区或预计地表变形值较小的区域布置输电杆塔。总体而言，选择输电线路路径应按下述原则进行。

a）线路路径应尽量避开煤矿沉陷比较严重的地段，当必须通过时，应尽量选择开采结束3 a以上的矿区，使塔位落在趋于稳定的采空区上方。

b）对开采深度浅的煤矿，地表可能发生剧烈变形、出现陷坑。因此路径选择时应避免塔位落在开采深度浅的煤矿矿区，即采深与采厚之比H/m＜30的开采区。

c）根据目前矿山开采技术的发展，有条件的情况下，矿区输电线路路径尽量布置在采后充填的矿区，或者沿主巷道或在留有煤柱的附近布置。

d）尽可能避免线路在沉陷区内设置耐张塔。当必须设置时，应尽可能减少转角度数以减少地基的下压力，同时应尽量缩小耐张段长度，不使用直线转角塔。

e）为提高线路的可靠性，对通过煤矿采空区的线路宜采用单回路设计。

f）直线、耐张塔的呼称高应根据采空区沉陷特点留有一定的裕度。

2.2 输电铁塔的位置

输电杆塔所处位置、方向不同，采动区地表变形对其的影响也不同。因此，输电杆塔布置时应遵循以下原则。

a）塔位应尽量避开煤矿的采空区，选择平坦的地形。保护煤柱上方或建筑物（构筑物）所处场地也是一个可行的选择。

b）当塔位必须布置在沉陷区时，应尽量使输电杆塔位于移动盆地的平底位置；一般说来，处于移动盆地盆底内的输电杆塔，其输电线路方向宜与工作面推进方向垂直，其次是两者平行，尽量避免斜交；如处于边缘区，塔位应尽量选择在地势开阔或平坦地段。

c）位于地表非连续变形区的输电杆塔将遭受很大的地表变形带来的影响，应尽量避免在该地区布置输电杆塔。

3 线路通过沉陷区设计的技术方案

根据长期的工程实践，输电线路在通过煤矿沉陷区时应采取以下措施。

3.1 地基处理

对采动区输电线路杆塔地基，应结合建筑场地的矿山地质资料进行工程地质勘探，应充分估计出地表沉陷引起的输电杆塔地基标高和水文地质条件的变化，同时还应考虑到建筑场地由于水文地质条件变化引起的地基土体物理力学性质的变化。

输电线路杆塔地基宜采用在采动后基础易切入的“软地基”。因此硬岩石、大块碎石类土壤以及密实粘土不宜直接作为输电杆塔的地基，应铺设粘土层或砂垫层，以增加基底柔性，适应变形要求。粘土层和砂垫层均应留有一定的厚度，前者不小于1 000mm，后者不宜小于500mm。

3.2 铁塔选型

宜选用自立式铁塔，因为带拉线铁塔对地基下沉非常敏感，不应采用带拉线铁塔。而自立式刚性铁塔根开小，抵御下沉能力较强。因此，在煤矿开采沉陷区应选择自立式铁塔。

3.3 基础选型

由于不同的基础抵抗地表变形的能力不同，因此应根据地表变形预计的结果，选用独立基础、复合防护板基础和联合基础等不同的基础形式。

a）相对于台阶式刚性基础，直柱式板式基础自重较轻，对地基的下压力较小。更重要的是，由于它配有钢筋，总体抗地基变形能力强，同时便于对基础进行调整扶正。因此，在煤矿采空区宜采用配有钢筋的直柱式板式基础。

b）一般而言，独立基础抵抗地表变形的能力较差，当需要在采煤沉陷区立塔时，如果地表变形较大，采用独立基础不能满足抗变形要求时，可采用复合防护板基础。

c）当地表变形较大，采用复合防护板基础仍不能满足，且不考虑地基沉降基础调整复位时，可考虑采用联合基础。

3.4 复合防护板基础设计

已有研究和工程实践表明[3]，复合防护板基础对减轻采动区水平变形对输电杆塔的影响效果明显，对降低不均匀沉降对铁塔的危害也有一定的效果。复合防护板基础的设计参见图1[4]。与独立基础相比，复合防护板基础能有效提高塔架基础的整体性，大大减小铁塔支座水平位移和上部结构的应力[5]。

图1 复合防护板基础的设计示意

已有研究也表明[3]，复合防护板基础的抗地表变形能力与防护大板的厚度取值有关，且随着其厚度的增大而增大，但当板厚达到300～400mm之后，其增大效果不明显。一般而言，防护大板的厚度可取（1/45～1/35）l，l为铁塔长向根开的长度。防护大板的厚度最大不宜超过500mm。

复合防护板基础防护大板的配筋计算方法，即在弹性地基的假定条件下，得到了在各种地表变形作用下，复合防护板基础底部反力的分布规律，用等效基底反力按无梁楼盖法求解复合防护板内力，结合具体特点，分析了相应的弯矩分配系数，然后进行配筋计算。

3.5 关于深厚比的分类处理

当缺乏详尽资料，难以进行立塔场地变形预计和稳定性评价时，可根据煤矿采区深厚比，初步确定相应的技术措施。

当煤矿采区深厚比H/m＞100时，采区地表变形的特点是呈现连续和有规律的地表移动和变形状态，一般在地表不会产生明显裂缝。在沉陷区立塔时，可采用加长底脚螺栓的方法。铁塔基础主柱上的底脚螺栓的外露丝扣长度一般应加长150mm。

当煤矿采区深厚比H/m＜100时，地下采动引起的地表变形较大，为保护输电铁塔的安全，避免及减少基础间的水平和垂直位移，提高铁塔的抗变形能力，可在基础底面设置钢筋混凝土复合板。同时加长底脚螺栓，并在基础与复合板之间设置滑动层，以备出现垂直位移时进行调整。

4 采后高压输电线路的维修与治理方案

在煤矿地下工作面开采结束后，地表沉陷逐渐稳定，这时要安排技术人员对输电线路进行彻底检修。根据输电线路的检修结果，采取不同的加固、调整或更改技术措施。此阶段的治理方案要考虑治理后采空区地表残余变形对高压输电线路的影响，避免重复投资。

4.1 调整金具

杆塔发生倾斜后，塔架上绝缘子、架空地线线夹迈步，特别是由于挂点距地线距离较小，迈步到一定程度（100～150mm时地线在线夹内不能滑动）地线横担受力会增大，超过设计承受力时横担会歪曲变形、塔头挠曲。所以，当发现绝缘子、架空地线迈步后，应及时进行调整。

4.2 增加垫铁

当位于采空区铁塔的倾斜、歪扭严重超标，且基础相对高差较小、地脚螺栓有余度时，在基础顶面塔脚板下增加厚度适宜的垫铁进行铁塔调正。实践证明，这是一种造价低、施工方便的方法。

4.3 更换加长塔脚板或采用套筒加长地脚螺栓

基础地脚螺栓、铁塔各节点、塔材的受力在设计安全裕度内，当相对高差较大，地脚螺栓余度不足，加垫铁不能满足纠偏要求时：可采取更换加长塔脚板或采用套筒加长地脚螺栓的方法调正铁塔。

4.4 采用抱杆和倒链更换加长塔脚

抱杆、倒链是输电线路施工与检修常用的工器具。采用抱杆、倒链更换加长塔脚以提升扶正铁塔时，检修现场布置复杂、准备周期长、机械化程度低、检修人员劳动强度大。扶正过程起重承托点应力集中，铁塔的安全稳定性不易控制。

4.5 采用液压扶正装置

塔脚抬升与更换加长塔脚是解决基础倾斜与沉降的有效手段。但对于重量较大的采空区输电铁塔，可采用液压扶正装置。

5 结语

长期的实践和经验证明，针对煤矿开采引起的地表沉陷移动变形，依据本文所述设计原则和治理能够保证输电线路的安全运行。

参考文献：

［1］ 宋宁宁，许敏，裴红兵.长治地区采空区倾斜杆塔矫正措施［J］.山西电力，2007，（5）：34-36.

［2］ 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，增刊1：105-108.

［3］ 舒前进.采动区超高压输电铁塔破坏机理与变形控制技术研究［D］.徐州：中国矿业大学，2013.

［4］ 孙俊华.煤矿采动区线路设计技术［J］.山西电力，2004，（3）：13-14.

［5］ 舒前进，袁广林，郭广礼，等.采煤沉陷区输电铁塔复合防护板基础抗变形性能及其板厚取值研究［J］.防灾减灾工程学报，2012，32（3）：294-298.

Technical Scheme and Deformation Control Technology of Transm ission Line in Coal M ining Area

YAN Tao1，YUAN Guanglin2，WANG Yongan3
（1．Shanxi Electric Power Exp loration&Design Institute of China Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030001，China；2．School of M echanics and Civil Engineering，China University of M ining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3．State Grid Shanxi Electric Power Corporation，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

Coalmining area subsidence is amajor hidden trouble to the safe operation of the electric transmission line in Shanxi Province.This paper analyzed the impact of the underground coalmining on the ground transmission tower in Shanxi Province.The planning and design technique of transmission line inmining areawas proposed.The technical scheme for transmission line overmining subsidence area was formed.The design method of ground and foundation in mining subsidence area was analyzed.Maintenance and treatmentscheme of transmission lineafter coalminingwere summarized.The research resultscan provide reference forsimilar projects.

mining subsidence area；transmission line；technicalscheme；deformation control

TM726

A

1671-0320（2015）01-0013-04

2014-11-19，

2014-12-22

阎 涛（1958），男，河北石家庄人，1982年毕业于太原工业学院工民建专业，高级工程师，从事输电线路结构设计工作；

袁广林（1965），男，河南洛阳人，1981年毕业于中国矿业大学工民建专业，教授，从事采动区监督保护与加固研究；

王永安（1963）,男，山西文水人，1998年毕业于天津大学电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事输电线路研究工作。