张沟矿高压输电线路铁塔下采煤的安全性研究.pdf

声明声明下面论文由免费论文教育网 http//www.PaperE 用 户转载自互联网，版权归原作者所有，本文档仅供参考，严禁抄袭 免费免费论文论文教育教育网网 - 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 张沟矿高压输电线路铁塔下采煤的安全性 研究 张沟矿高压输电线路铁塔下采煤的安全性 研究 唐照成1，黄成飞2，郭文兵1* 基金项目国家自然科学基金资助项目（50974053）；国家重点基础研究发展计划项目（2009CB226107） 作者简介 唐照成， （1968-） ， 男， 工程硕士， 张沟煤矿总工程师， 主要研究方向 采矿理论与技术. E-mail tzc1968 （1. 河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454003； 5 2. 大唐华银攸县能源有限公司，湖南 株洲 412005） 摘要摘要 本文以张沟煤矿高压输电线路铁塔为工程背景， 采用理论分析和现场观测相结合的方 法，对 16 采区工作面的布置及工作面推进顺序进行了优化设计，对各工作面开采以后造成 的地表移动和变形进行了预计，对输电线路和铁塔的采动影响程度进行了准确预测和评价。 现场实测表明，通过上述研究，实现了高压输电线路铁塔采煤的安全，为高压线塔保护煤柱10 的安全开采及塌陷区输电铁塔的建设和安全性评估提供了重要依据， 社会效益和经济效益显 著。 关键词关键词开采沉陷；高压输电线路铁塔；概率积分法 中图分类号中图分类号TD 823 15 Research on the Security of Mining under High Voltage Transmission Line Towers in Zhanggou Coal Mine Tang Zhaocheng1, Huang Chengfei2, Guo Wenbing1 1. School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University, HeNan JiaoZuo 454003; 20 2. Datang Huayin Youxian EnergyCO.,Ltd., HuNan ZhuZhou 412005 Abstract In this paper, the high voltage transmission lines towers in Zhanggou coal mine as engineering background, combining on the theoretical analyses and field observation , optimized and designed the working-face arrangement and advance order of the 16 mining areas, predicted the surface movement and deation caused by minined, and predicted and uated 25 accurately the minined influence of high voltage transmission line towers. The field measurement shows that, by way of the above research, the safety of high voltage transmission lines towers were realized, an important basis for safe mining of protection coal pillars in the high voltage line towers and the construction and safety assessment of high voltage line towers in subsidence area were provided, the social efficiency and the economic benefit is remarkable. 30 Keywords Mining subsidence; High voltage transmission line towers; Probability integral methold 0 引言引言 我国煤炭资源分布广泛，建筑物、水体、铁路下（简称“三下”）压煤量大（约 14035 亿吨），“三下”压煤开采已成为矿区面临的主要难题[1-3]。随着对煤炭资源高强度、大面 积的开采，所引起的地表沉陷不仅会影响矿区生态环境，而且对地表建筑物、铁路、水体、 高压输电线路等造成了严重损害， 影响到矿区乃至社会工农业生产和可持续发展。 资源与环 境协调开采问题、开采损害与保护问题的矛盾日益突出[4-6]。 郑煤集团张沟煤矿 16 采区正在按计划开采，上部地面存在有白郑高压输电线及铁塔，40 其中有 3 个铁塔会受到 16 采区开采的影响。 为了分析 16 采区按设计开采以后对输电线铁塔 的采动影响程度，以便采取相应的维护加固措施，确保高压线（塔）的安全有效运行。本文 - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 在收集张沟煤矿 16 采区的地质采矿资料和地表移动观测资料的基础上，对各工作面开采以 后造成的地表移动和变形进行预计，对输电线路和铁塔的采动影响程度进行准确预测和评 价，进行铁塔下采煤的安全性研究和论证，并提出铁塔及时维修方法及措施，确保输电线路45 的安全有效运行。 本文的研究对于最大限度的提高煤炭资源回收率、 缓解矿井采掘接替紧张 的矛盾、预防或减轻采动损害、保护输电线（塔）等地表构筑物等具有重要的理论和实际意 义。 1 16 采区概况采区概况 16 采区主要位于矿井的南部，走向长约 520m，倾斜长度约 360m，面积约 18.7 万 m2。50 采区内地面标高约239m，煤层底板标高-20～-120m，煤层埋藏深度 259～359m，平均埋藏 深度为 309m。16 采区开采煤层为二 1 煤层，根据附近钻孔、16 采区运输下山及 16 轨道下 山揭露情况，煤层厚度变化较大，最薄 0.4m，最厚 7.5m，一般在 3～5m之间，平均厚度约 3.18m，煤层走向 40，倾向 130，单斜构造，煤层倾角为 13-20。根据附近钻孔柱状 图及有关资料，煤层直接顶板为深灰色砂质泥岩或泥岩，底板为砂质泥岩，加上煤层本身为55 粉状，是典型的“三软”煤层。 2 16 采区工作面开采方案布置优化采区工作面开采方案布置优化 理论和实践研究表明，高压输电线（塔）对开采引起的地表倾斜最敏感，应尽可能减少 倾斜对铁塔的影响， 其中最有效的办法是合理布置采煤工作面位置， 使高压线路铁塔处于地 表下沉盆地的主断面位置。 张沟煤矿拟在 16 采区下山北翼布置 16011、 16031、 16051、 1607160 四个工作面。根据开采沉陷理论， 当煤层倾斜时， 最大下沉点偏向下山方向，如图 2-1 所示， 且向下山方向偏离的距离按下式计算 0 307.681.347dHctgctgmθ （1-1） 式中 H0平均采深，m； θ最大下沉角，θ＝90-kα＝90-0.614.5＝81.3（k与岩性有关的系数；α煤层倾65 角）。 o H0307.6m d47m L80m 4 0m o 图 2-1 最大下沉角示意图 图 2-2 16 采区工作面优化布置图 Fig 2-1 The sketch map of maximum Fig 2-2 The optimized arrangement map lowering angle of working face in 16 mining 70 以 O′为中点向上下各画出 40m线作为 16031 工作面的上下巷， 即工作面长度为 80m， 然后依次布置出 16011、16051、16071 三个工作面，各工作面布置见图 2-2，从而可确保上 述各工作面开采后高压线塔 3 位于下沉盆地中央，高压输电线铁塔处的地表倾斜最小。 - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 3 概率积分法预计地表移动和变形概率积分法预计地表移动和变形 75 3.1 概率积分法预计参数的确定概率积分法预计参数的确定 根据概率积分法预计的基本原理， 概率积分法预计所需的几个预计参数为 下沉系数 q、 主要影响角正切 tanβ、水平移动系数 b、开采影响传播角θ 和拐点偏移距 s 等。根据经验值 结合 16 采区各工作面的地质采矿条件综合分析，预计时选取地表移动参数取值如下表 3-1 所示 80 表 3-1 概率积分预计参数 Tab 3-1 parameter of probability integral prediction 下沉系数 q 水平移动系数 b 主要影响角正切 tanβ拐点偏距 s开采传播影响角 θ 主要影响半径 r 0.83 0.3 2.46 0.05Hθ90-0.6α； 120～150m 3.2 地表移动和变形预计方案地表移动和变形预计方案 85 根据张沟煤矿 16 采区开采规划和上述对工作面位置的优化设计，确定开采顺序为先 开采 16071 工作面， 然后跳过 16051 工作面， 开采 16031 工作面， 之后再开采 16051 工作面， 最后开采 16011 工作面。因此，可能对高压线塔 3 有影响的各工作面的开采顺序为开采 16071 工作面→开采 16031 工作面→开采 16051 工作面→开采 16011 工作面。在以上各预计 方案中，各工作面预计所采取的有关地质采矿参数见下表 3-2 90 表 3-2 张沟矿 16 采区各开采工作面地质采矿参数表 Tab 3-2 The mining geological parameter table of each working faces in 16 mining of zhang gou mine 开采工作面 煤层倾角 煤层厚度 （mm） 开采平均采深 （m） 16071 工作面 10 3560 333.9 16031 工作面 12 3496 301.3 16051 工作面 12 3496 308.6 16011 工作面 12 3496 281 95 3.3 各工作面开采后的预计结果各工作面开采后的预计结果 根据上述所确定的预计方案， 对每一个方案开采后地表任意点的移动和变形值进行了计 算，经过计算并将预计结果采用 MATLAB 可视化，分别给出地表下沉等值线图、地表水平 移动等值线图、地表倾斜等值线图、地表水平变形等值线图等，本文仅给出方案三的地表下 沉及地表沿倾向水平变形等值线图，分别见图 3-1、图 3-2 所示。同时，将各工作面全采后100 高压线塔 3 处地表移动和变形的预计结果进行汇总，见表 3-3。 图 3-1 地表下沉等值线图 图 3-2 沿倾向地表水平变形等值线图 Fig 3-1 Surface subsidence contor Fig 3-2 Surface horizontal move contour - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 105 表 3-3 各工作面开采后高压线塔 3 处的地表移动和变形最大值 Tab 3-3 Result of surface movement and deation on No.3 high voltag line tower after working faces 开采工作面 最大下沉值 mm 最大倾斜值 mm/m 最大水平移动值 mm/m 最大水平变形值 mm/m 最大曲率值 mm/m2 16071 150（70） -5.5（-3）-210（-120） 6-0.2 0.4 1607116031 1200 （1200） 6（2） 310（199） -12.7 0.3 1607116031 16051 1650 （1510） -13（-9）-205（-80） -7.5 0.2 1607116031 1605116011 1788 （1767） 2.9（0.5）250（230） 0.6-4.4 -0.1 注括号内数字表示高压线塔中心点的移动和变形值。 110 3.4 各工作面开采后影响程度分析各工作面开采后影响程度分析 开采沉陷引起的地表移动变形指标主要有竖直方向的移动和变形（地表下沉、倾斜、曲 率），水平方向的移动和变形（水平移动、拉伸与压缩变形）。这些地表移动变形将直接对 高压输电线（塔）的基础、铁塔、档距等产生影响，并进一步引起高压输电线（塔）其它元 素的移动变形[7-9]。 115 开采 16071 工作面以后，高压线塔 3 的采动影响分析如下 （1）根据张沟煤矿 16 采区具体的地质条件及现场调查，张沟煤矿为低潜水位矿区，开 采 16071 工作面以后高压线塔处地表下沉了 150mm，此地表下沉不会致使地面潜水位接近 或高于铁塔基础底面，故不会威胁铁塔基础的稳定性。 （2）根据国内高压线塔下压煤开采成功经验，处于移动盆地上方的高压输电线（塔）120 受开采影响产生两个方向的倾斜。 通常情况下， 顺着线路方向的线塔倾斜由于输电线的张力 与牵引力作用， 使线塔沿顺线路方向的倾斜对线路的产生的危害， 比垂直线塔方向的倾斜引 起的危害要小。通过相关公式计算得出，高压线塔 3 处最大倾斜值 imax约 9.46mm/m，未超 过铁塔允许的倾斜值 1.0％（10mm/m）。 （3）采动对线路挡距的影响分析 125 在采动所引起的地表变形中， 倾斜和水平移动变形将导致线路挡距的变化， 而下沉和倾 斜将导致线路相邻挡间高差的变化。通过计算，开采 16071 工作面后，高压线塔 2、3 间的 线路挡距增大了 323.8mm，小于 932mm（279.64/300），满足架空送电线路运行规程中 规定的顺线路方向两相邻杆塔间的距离偏差不得大于档距 1/300。 综合所述，地下煤矿开采对高压线塔各个参数影响的分析可知，16071 工作面全采以后130 对高压线（塔）有一定的影响，但能基本满足架空送电线路运行规程的要求。同理，其 它各工作面开采以后对高压线塔 3 采动影响计算结果见表 3-4 所示。 表 3-4 其它各工作面开采后对高压线塔 3 采动影响分析 Tab.3-4 The mining impact analysis of No.3 high voltag line tower after eachworking face 135 开采工作面 地表最大 下沉值 mm 线塔最大倾斜 值mm/m 水平移动对挡距的 影响（mm） 倾斜对挡距的 影响（mm） 线塔 2、3 间的线路 挡距总变化量 （mm） 1607116031 1200 10.32（3.44） -265.6（-170.5） -156.9（-52.3）-422.5（-222.8） 1607116031 16051 1650 22.36（15.48）175.7（68.6） 339.8（235.3）515.7（303.9） 1607116031 1605116011 1788 4.99（0.86） -214.2（-197.1） -75.8（-13.1）-290（-210.2） 注上表中括号内数字表示高压线塔中心点的采动影响分析结果。 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 从上表中分析得出 （1）各方案中，下沉值均不会致使地面潜水位接近或高于铁塔基础底面，从而威胁铁 塔基础的稳定性；但影响高压线的挡距、各高压线塔间输电线路的近地距离；高压线塔 2、140 3 间的线路挡距减小值均小于 932mm（279.64/300），满足架空送电线路运行规程中的 规定。 （2）16071、16031 工作面采后及后续的 16051 工作面采后高压线塔 3 的最大倾斜值均 超过铁塔允许的倾斜值 1.0％（10mm/m），不满足架空送电线路运行规程中的规定， 说明 16071、16031 工作面全采以后对高压线塔 3 的影响程度较大，威胁到高压输电线路的145 安全运行，因此必须采取安全技术措施，比如限厚开采，改变推进速度，对高压线塔进行加 固补强措施等，同时必须加强地表高压线塔的监测。 4 工作面采后对高压线塔的影响情况工作面采后对高压线塔的影响情况 目前 16031 工作面推进已经远离高压线塔 3，截止到 2010 年 7 月，根据 16031 工作面 地表观测站所实测的数据（见表 4-1 所示）可知，高压线塔 3 处地表最大下沉值 Wmax 约为150 63mm，塔底地表最大下沉值为 110mm，塔中最大下沉值为 56mm，地表最大水平移动值 Umax 约为 40mm，塔底最大水平移动值 Umax 约为 205mm，塔中最大水平移动值 Umax 约 为 233mm，经过计算分析实际开采 16031 工作面对高压线塔 2 的影响程度较小，能基本保 证高压输电线路的安全运行。运行。 155 表 4-1 16031 工作面地表高压线塔观测成果表 Tab 4-1 The observation results of high voltag line tower above 16031 working face 第一次观测成果（坐标及高程） 位移（mm） 下沉mm 测站 X Y Z 本次 累计 累计 光 1 9141.666 2732.853 252.910 0 0 0 光 2 9127.106 2797.021 251.548 0 0 0 光 3 9149.854 2813.877 253.882 0 0 0 光 4 9134.76 2930.813 253.693 16 51 33 E 9146.302 2977.181 252.873 68 113 63 塔顶西 9087.140 2952.723 281.899 38 235 4 塔底 9081.623 2962.944 251.681 52 205 110 塔中 9078.913 2966.773 268.123 16 233 56 根据对高压线塔各观测部位不同时间段的观测数据进行了整理分析， 分别绘出了其不同 部位的位移轨迹图，下沉曲线图。本文仅给出塔顶西位移轨迹见图 4-1 所示，塔中位移轨迹160 见图 4-2 所示。 图 4-1 高压线塔西端位移轨迹图 图 4-2 高压线塔中位移轨迹图 Fig 4-1 The displacement path chart Fig 4-2 The displacement path chart of high voltag line tower west of high voltag line tower center 165 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 工作面采后，高压线塔未出现明显的歪斜、倒塌、拉线断裂、拉线松弛等严重现象，保 证了高压线路正常的安全运行，见图 4-3、4-4 所示。 图 4- 3 采后 V 型高压线塔运行正常 图 4-4 采后 V 型高压线塔拉线运行正常 170 Fig 4-3 Normal operation of V high Fig 4-4 Farrowed device of V high voltag line tower after extraction voltag line tower after extraction 5 结论结论 （1）根据张沟煤矿 16 采区具体的地质采矿条件及我国一些矿区的高压线塔下开采经175 验，通过计算设计出各工作面的宽度约为 80m，并对工作面布置及推进顺序进行了优化。 （2）采用概率积分法对各工作面开采以后的地表移动和变形值进行了预计。结合建 筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程及架空送电线路运行规程有关 要求，对 16 采区高压输电线路（塔）下各工作面采后高压输电线路塔采动损害程度进行了 分析与评价。 180 （3） 整理分析了 16 采区上方地表移动观测站所得出的数据， 并绘出了相应的位移轨迹 图，地表下沉图等。研究结果表明工作面采后高压线塔能正常安全运行，取得了巨大的经 济和社会效益。 [参考文献参考文献] References 185 [1] 倪斌. 煤炭在我国能源结构优化中基础性作用的思考[J].中国能源，2004,26716-19. [2] 郭文兵，柴华彬.煤矿开采损害与保护[M]. 北京煤炭工业出版社，2008. [3] 钱鸣高，许家林，缪协兴. 煤矿绿色开采技术[J]. 中国矿业大学学报，2003，32（4）343-348. [4] 郭文兵，邓喀中，邹友峰. 岩层与地表移动控制技术的研究现状及展望[J]. 中国安全科学学报，2005， 15（1）6-10. 190 [5] 杨逾，刘文生，缪协兴. 我国采煤沉陷及其控制研究现状与展望[J]. 中国矿业，2007，16（7）43-47. [6] 钱鸣高，缪协兴，许家林. 资源与环境协调（绿色）开采[J]. 煤炭学报，2007，32（1）1-7. [7] 郭文兵，邓喀中. 高压线路塔采动损害与保护技术现状及展望[J]. 煤炭科学技术，201156-58. [8] 郭文兵. 深部大采宽条带开采地表移动的预计[J]. 煤炭学报，2008，34（4）368-371. [9] 郭文兵，郑斌. 地表水平变形对高压线塔的影响研究[J]. 河南理工大学学报，2010，29（6）725-730. 195