马尾沟矿沉陷区高压线塔变形预计及其治理方案.docx
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马尾沟矿沉陷区高压线塔变形预计及其治理方案
马尾沟矿沉陷区高压线塔变形预计及其治理方案
1序言
马尾沟煤矿一采区地表有220KV娘白线输电线塔6座，对采煤造成影响的有3座，分别为44#、45#、46#，地面标高分别为44#：
1277.7、45#：
1276.0、46#：
1285.9。
其中8101、6101工作面的开采已经对高压线塔及周边产生了影响，如图1所示。
图1马尾沟一采区开采后对地表及线塔的影响
2、地质开采条件
2.1线塔情况
马尾沟矿一采区地表有220KV娘白线输电线塔6座，分别为42#、43#、44#、45#、46#、47#，由采区南西向北东布置，线塔间距平均约300m，线塔地基土壤为第三、四系红黄土，对采煤造成影响的有3座，分别为44#、45#、46#。
其中44#、45#线塔为单脚线塔，均有8条拉线，四角布置，塔身为角铁焊接构成；46#线塔为四脚线塔，无拉线，线塔基座为混凝土，塔身为角铁，由螺丝连接构成，塔脚间距为6m。
线塔结构及图片见图2。
a46#线塔结构及图片
b44#、45#线塔结构及图片
图2线塔结构及图片
2.2地质采矿情况
本区主采8#煤层和6#煤，两层煤平均间距10.75m。
8#煤平均1.3m，倾角平均5°，走向近北东，倾向南东。
6煤采厚平均2.0m，倾角平均5°，走向近北东，倾向南东。
44#线塔盖山厚度198.8m，45#线塔盖山厚度194.5m。
46#线塔盖山厚度200.4m。
8101工作面走向长度1920m，切眼长192m，6101工作面走向长度980m，切眼长170m，8102工作面设计走向长度2040m，切眼长192m，与8101工作面预留20m隔离煤柱，6102工作面设计走向长度850m，切眼长178m，与6101工作面预留67m隔离煤柱。
46#铁塔在8101、6101工作面回风巷外侧，距8101回风巷10m，6101回风巷40m；45#铁塔在8102、6102回风巷内侧，距8101、6102回风巷18.15m；44#线塔位于8103工作面回风巷内侧。
三个线塔与工作面的相对位置见图3。
图3线塔与工作面相对位置图
8101与6101工作面采用错距联合开采，已对高压线塔产生影响，其接续工作面8102和6102工作面的开采将对高压线塔再次造成破坏。
3、线塔变形分析
3.1地表沉陷预计
通过开采沉陷下沉预计软件，对6煤和8煤开采后地表的变形进行了计算，得到两层煤分别开采后的地表沉降、倾斜变形和水平变形的等值线图，见附图1~3所示。
3.2线塔变形
根据地表变形结果，将各变形参数在44#、45#、46#线塔坐标处进行叠加，得到线塔处的沉降值、倾斜值和水平移动值，见表1。
表1线塔处的沉降值和倾斜值
下沉
（mm）
走向倾斜值（mm/m）
倾向倾斜值（mm/m）
走向水平移动值（mm/m）
倾向水平移动值（mm/m）
44#
704.1
-10.4
-7.3
-180.7
-125.3
45#
795.9
1.4
-16.1
-18.1
-266.2
46#
541.7
-19.4
0
-325.8
1.9
可见，由于采动影响，三个线塔的地表下沉量都达到了500mm以上，44#线塔在走向上的倾斜达到10.4‰，45#线塔在走向上的倾斜达到16.1‰，46#线塔在走向上的倾斜达到19.4‰，均超过高压输电线路安全运行的基本要求（不大于10‰）。
3个线塔中，由于46#线塔位于采空区边缘，是倾斜和水平位移的最大位置，受采动影响最为剧烈。
44#、45#较46#影响较轻，但在叠加采动的影响下，地表下沉值较大。
3个线塔都需要进行人工治理措施才能防止线塔的变形破坏。
3.3地表预计裂隙对线塔的影响
开采沉陷地表裂缝大体上分为两类，即采空区上方的闭合裂缝和采空区外缘的张开裂缝。
当地表受过一次剧烈采动影响以后，重复采动时地表裂缝的严重程度将比第一次有所减轻。
根据线塔的分布状况，46#线塔位于8煤工作面采空区边缘，是闭合裂缝与张开裂缝过渡区，同时位于6煤工作面采空区外侧，在张开裂缝带内，是最大拉伸位置，处于影响和破坏严重的区域，也是倾斜和水平位移的最大位置，故在回采过程中受裂隙威胁较大；44#、45#线塔均位于采空区边缘内侧，处于地表不完全闭合裂缝范围，周围会有部分裂隙产生，若44#、45#线塔能经受闭合裂缝的动态影响，线塔就不会受到实质性破坏。
表2地表裂缝宽度
44#线塔
45#线塔
46#线塔
走向水平变形值mm/m
-1.9
8.7
9.1
倾向水平变形值mm/m
-0.9
4.0
1.5
裂隙平均间距/m
10
10
10
最大裂隙宽度/mm
19
87
91
表3铁塔裂缝影响概率表
44#线塔
45#线塔
46#线塔
线塔结构
基座
拉线
基座
拉线
基座
尺寸/m×m
0.3×0.3
1
0.3×0.3
1
3.47×3.52
安全距离/m
2
2
2
2
2
裂隙平均间距/m
10
10
10
10
10
影响概率
20.3%
30%
20.3%
30%
55%
合计
50.3%
50.3%
55%
三个线塔均受地表裂隙威胁较大，分别达到50.3%和55%，故应对线塔变形进行重点观测，当发生较大变形时，应采取加固地基基础加线塔纠偏联合方案。
4、线塔变形监测方案
4.1监测内容：
（1）线塔下沉值；
（2）线塔的水平变形；
（3）线塔的倾斜变形；
4.2观测点的布设
观测点布设方法如下：
根据马尾沟煤矿工作面的岩层移动观测资料预计，在塌陷影响区域外设两个固定点A、B，按5″级导线精度测算出A、B两点坐标，A、B两点作为前方交会铁塔顶端坐标的基点。
在塌陷边界外选两固定点基1、基2为水准基点（也叫高程基点），埋设在远离变形区100m以外坚固、稳定的地面上，水准基点采用假定高程系统。
利用水准基点在塔基附近埋设转点，线塔的沉降观测将直接利用转点进行高程传递测量。
另外在实地找出铁塔底部中心O，埋设标志作为观测铁塔地表下沉和塔基位移，在铁塔的顶部中央选一固定标志C作为观测线塔倾斜和顶端位移的目标。
测站布置见图4。
图4工作面观测站布置及前方交会法示意图
43观测方法
（1）下沉值的观测
高程的观测，从高程点基1、基2按四等水准精度实测铁塔四角基础1、2、3、4各点的高程，往返进行观测，取平均值求得各点的下沉值。
（2）水平变形的观测
分别以A、B为测站，利用前方交会法求得C、O点的平面坐标值，每次独立进行两次观测，取平均值求得C、O点的水平变形。
（3）倾斜观测方法
地表倾斜变形是影响杆塔的主要因素。
通过与水平观测大致相同的方法得出建筑物上下对应位置点C点及O点的坐标，比较其上方点相对于下方点的水平位移，再将其相对水平位移除以建筑物的高度即可得出建筑物的倾斜值。
4.4观测周期
实际观测时，应根据工作面开采速度与沉降预测来准确确定观测周期。
一般情况下：
44#、45#线塔：
每周一次，当发生大量沉降和严重裂缝时，应每天或几天连续观测；
46#线塔：
2~3天观测一次。
5高压输电线路安全运行的基本要求
在进行高压输电线路下采煤时，必须保证线路各元素满足以下运行安全标准：
（1）铁塔的倾斜度（包括挠度）允许范围不超过10‰（适用于50m以下高度铁塔），横担歪斜度不超过10‰。
（2）直线杆塔绝缘子串，顺线路方向偏斜角不得大于7.5o。
（3）导线、避雷线的弛度误差不得超过6％、-2.5％（110kV及以下线路）或+3.0％、-2.5％（220kV及以上线路）。
（4）导线最大弧度对地及障碍物的距离变化，不得超过设计所留的富裕量。
顺线路方向两相邻杆塔间的距离偏差不得大于档距1/300。
（5）电杆结构根开偏差不得超过0.004B（根开）。
6高压线塔变形防治措施
对煤矿采空区影响下高压线塔的防治措施可分为两部分，一部分是对地基基础的改造加固；另一部分是对线塔的纠偏加固。
6.1地基基础加固技术
（1）可调式联体井字梁基础改造加固技术。
采用钢筋混凝土井字梁将铁塔四个独立基座连为整体，将机械和混凝土结构结合起来，组成一套完整的可调整联体井字梁基础系统。
如图5所示
图5 铁塔基础加固调整图
（2）可调式联体井字钢梁改造加固技术。
在每一个基墩上采用四套长螺杆接四个基墩螺栓，采用钢结构将铁塔四个基座连为整体，组成一套完整的可调整联体井字钢梁基墩架构系统。
这两项技术已成功地应用于内蒙古乌海220kv伊临线煤矿采空区48~50号铁塔基础的改造加固和现场调平纠偏，以及西安110kv北西线25号铁塔基础的改造加固和现场调平纠偏。
图6为改造后伊临线煤矿采空区50号塔的情况。
图6改造后伊临线煤矿采空区50号塔的情况
（3）大板基础技术
大板基础型式如图7所示，此种基础型式是在4个基础底面设置一块整体现浇钢筋混凝土大板结构，此大板结构上、下层均配置钢筋，以抵抗由于不均匀沉降所产生的弯矩，为方便基础顶推时减小摩阻力。
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，这样在地基发生不均匀沉降时杆塔能随之一起倾斜，降低附加应力，便于地基沉降基础滑移后调整复位。
图7大板基础型式简图
6.2线塔的纠偏措施
现有危险建筑物纠偏加固技术主要分为迫降法和顶升法两大类。
迫降法是在建筑物沉降小的一侧采用掏土、浸水、加压或淤泥触变等扰动措施迫使基础下沉实现危险建筑物的改斜归正；顶升法即在建筑物沉降大的一侧采用锚杆静压桩、托梁柱或地基注入膨胀剂等措施顶升基础从而使建筑物回倾。
就本工程来说，可采取的措施包括：
（1）基础带电复位。
当铁塔的基础发生倾斜或基础下沉过多导致近地距等参数超标时，可以采用液压千斤顶将基础提升，垫平提升后再复位铁塔。
（2）增加临时拉线。
在工作面回采前，在铁塔预计倾斜反方向增设拉线，且在拉线上增加可调拉线金具，在地表变形过程中，通过可调金具的调节作用来抵消或减小开采引起的变形对高压输电线路的损害。
（3）加长底角螺栓。
在线塔基础一旦出现不均匀沉降，可通过加长底角螺栓垫板进行扶正调整，铁塔基础主柱上的底角螺栓的外露丝扣长度一般应加长100~300mm。
6.3导线弛度调节
在地表变形发生之前，将导线的驰度调整到允许偏差的上限。
在地表变形过程中，根据弧垂的观测结果，随时调节导线的弛度至规程规定的范围内，避免导线绷紧或松弛带来的导线应力增加和近地距离不足安全隐患的发生。
工作面回采后及时调节导线的弛度，及时消除线路因地表移动变形、挡距变化等造成的导线驰度减小、导线张力增大的安全隐患。
6.4马尾沟矿线塔治理方案
根据马尾沟煤矿高压输电线路的特点，结合采空区上其他建筑物破坏的处理措施，提出如下输电线塔可供选择的改造、治理措施。
（1）44#、45#线塔措施
采用大板基础型式对线塔地基进行改造；
采用基础带电复位和加长底角螺栓的措施对线塔进行纠偏。
（2）46#线塔措施
采用可调式联体井字梁基础改造加固技术；
采用基础带电复位、增加临时拉线的方式对线塔进行纠偏。
7铁塔保护工程费用估算
7.146#线塔改造费用
46#铁塔确定采用联体井字梁基础改造加固技术配合基础带电复位、增加临时拉线措施对线塔进行改造。
具体工程费用估算为：
（1）联体井字梁基础改造加固材料
用料
单价
用量
价格/元
混凝土
600元/m3
80m3
48000
Φ32钢筋
5000元/t
200m（8kg/m）
8000
10mm厚开眼钢板
7000元/t
20m2（78.5kg/m2）
10990
20mm厚钢板
7000元/t
20m2（157kg/m2）
21980
56b工字钢
5800元/t
160m（115kg/m）
106720
Φ81螺纹丝杆
80元/根
20个
1600
合计
197290
（2）基础带电复位技术：
5万元
（3）增加拉线：
根据架空输电线路设计规范要求，采用8根公称直径为10mm、截面积为70mm2的镀锌钢绞线，参考重量为2kg/m。
拉线与地面夹角为60o，每根拉线平均长40m，按市场价格平均8000元/t计算，钢绞线价格为：
2×40×8×8=0.512万元。
（4）施工人工费：
8万元
（5）管理费：
6万元
（6）土地赔偿费：
5万元
（7）监测施工及为期约6个月的现场观测费用10万元
（8）其他材料及运输加工费用：
7万元
总费用：
57.241万元
7.244#、45#线塔改造费用
由于44#、45#线塔受采动影响较46#线塔轻，所以根据现场实测情况参考是否采用地基加固技术。
（1）混凝土地基加固
用料
单价
用量
价格/元
混凝土
600元/m3
60m3
3600
Φ32钢筋
5000元/t
100m（8kg/m）
4000
20mm厚钢板
7000元/t
20m2（157kg/m2）
21980
Φ81螺纹丝杆
80元/根
20个
1600
56b工字钢
5800元/t
160m（115kg/m）
106720
合计
137900
（2）基础带电复位技术：
5万元
（3）人工费：
9万元
（5）管理费：
10万元
（6）土地赔偿费：
6万元
（7）监测施工及为期约9个月的现场观测费用12万元
（8）其他材料及运输加工费用：
10万元
总费用：
65.79万元
7.3科研论证及工程设计费用
通过现场调查，模拟试验及科学分析论证，推断工作面跨落后对地表供电线路的影响程度，进一步论证供电线路维护的必要性和重要性。
研究并制定在不影响正常供电的情况下，避免供电线路倾倒的综合治理方案，编制完整的设计方案。
上述研究及设计费用总计为30万元，由中国矿业大学（北京）研究生部高延法教授负责完成。
施工工程拟由朔州汇永勘查公司与中国矿大合作完成。
综合上述计算，44#、45#、46#线塔维修工程费及科研设计费总计为：
57.241+65.79+30=153.031万元。
8总结
（1）经过开采沉陷计算，44#、45#、46#三个线塔的最大倾斜率分别达到了10.4‰、16.1‰和19.4‰，超过高压输电线路安全运行不大于10‰的要求。
地面塌陷裂隙影响线塔塔基的概率分别达到了50.3%、50.3%和55%，必须对线塔采取防护措施。
（2）在塌陷影响区域外设两个固定基点A、B及两个高程基点1、2，利用前方交会法对44#、45#、46#三个线塔的地表下沉、倾斜和水平变形进行现场监测，根据实测结果指导线塔的维修工作。
（3）利用联体井字梁技术对46#铁塔地基基础进行改造加固，同时配合线塔纠偏方案进行维修，所需费用概算为57.241万元；44#和45#线塔采用混凝土地基加固技术联合线塔带电复位技术进行纠偏，所需费用概算为65.79万元；科研设计费为30万元。
三个线塔加固工程的总费用为153.031万元。
（4）当与地方电力部门发生矛盾时，由业主（博大公司）负责与电力部门进行协调，所产生的费用由业主负责，本次预算不包括该项费用。
附图16煤、8煤采后地表下沉等值线图
附图26煤、8煤采后倾斜等值线图
附图36煤、8煤采后水平变形等值线
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