采空区杆塔安全性影响评估及治理措施
姓名：李亮
班级：电控学院2013级1班
学号：201306243
采空区杆塔安全性影响评估及治理措施
摘要：
我国作为一个矿产资源丰富的国家，遍布全国各处的输电线路不可避免地穿过矿区，而地下矿产的大面积开采或者老采空区的活化与参与沉降必然引起地表的移动和变形，对电力网的安全运行形成威胁。
已探明“三下”（建筑、铁路、水体）压煤量大，开展高压输电线路下压煤安全回采对资源回采率和预防和减轻采动损坏、促进矿区发展都有重要意义。
本文针对以上问题主要从三方面对课题题目展开研究：第一，采空区对杆塔安全影响；第二，主要评估方法；第三，主要治理手段。
通过上述研究，介绍了采空区地质活动对杆塔安全影响的形式，主要的地面勘测及监控技术和手段，通过总结，最终实现对于旧采空区及预采空区开采影响下输电线路杆塔安全性的预测和监控，以及具体的危害防治措施，对塌陷区输电铁塔的建设和安全性评估提供了重要依据，对已运行铁塔的安全监测及危害治理提供了一定指导意见，具有显著的社会和经济效益。
关键词：电力网安全评估方法危害防治措施
1. 采空区地表活动对杆塔安全的影响
1.1架空线路
电气线路的种类很多，就其敷设方式来分，可分为架空线路、电缆线路、穿管线路等；就其性质来分，可分为母线、干线和支线；就其绝缘情况来分，可以分为裸线和绝缘线等。煤矿采空区涉及影响最多的为架空线路，因而在此我们对架空线路做简单介绍。
凡是档距超过25m，录用杆塔敷设的高、低压电力线路都属于架空线路。架空线路主要由导线、杆塔、绝缘子、横担、金具、拉线及基础等组成。
架空线路的杆塔用以支承导线及其附件，有钢筋混凝土杆、木杆和铁塔之分。水泥杆经久耐用、不受气候影响，不易腐蚀，维护简单，应用最为广泛。按其功能，杆塔可分为以下几种：
1、直线杆（塔）。直线杆（塔）位于线路的直线段上，仅作支持导线、绝缘子和金具用。在正常情况下，直线杆（塔）能承受线路侧面的风力，但不承受线路方向的拉力。直线杆占全部电杆数的80%以上。
2、耐张杆（塔）。耐张杆（塔）位于线路直线段上的几个直线杆之间。这种电杆在断线事故或架线时紧线的情况下，能承受一侧导线的拉力。
3、跨越杆（塔）。跨越杆（塔）位于线路跨越铁路、公路、河流等处，是高大、加强的耐张型杆塔。
4、转角杆（塔）。转角杆（塔）位于线路改变方向的地方。这种电杆可能是耐张型的，也可能是直线型的，视转角的大小而定。它能承受两侧导线的合力。
5、终端杆（塔）。终端杆（塔）位于导线的首端和终端。在正常情况下，能承受线路方向全部导线的拉力。
6、分支杆（塔）。分支杆（塔）位于线路的分支处。这种电杆在主线路方向上有直线型与耐张型两种，在分路方向则为耐张型。
各种杆型在线路中的特征及应用示例如下图1-1（a）和（b）所示。
图1-1（a）
图1-1（b）
图1-1 各种杆型在线路中的特征及应用示例
架空线路的横担用以支承导线，常用的横担有木横担、铁横担和瓷横担。木横担具有良好的防雷性能，但易腐朽，使用时应做防腐处理。铁横担坚固耐用，但防雷性能不好，并应做防锈处理。瓷横担是绝缘子与普通横担的组合体，结构简单，安装方便，电气绝缘性能也比较好，但瓷质较脆，机械强度较差。
架空线路的绝缘子用以支承、悬挂导线并使之与杆塔绝缘，分为针式绝缘子、蝶式绝缘子、悬式绝缘子、陶瓷横担绝缘子和拉紧绝缘子等。为确保线路安全运行，不应采用有列为、破损或表面有斑痕的绝缘子。
架空线路的金具主要用于固定导线和横担，包括线夹、很淡支撑、抱箍、垫铁、连接金具等金属器件。
架空线路的拉线及其基础用以平衡杆塔各方向受力，保持杆塔的稳定性。
架空线路造价低、机动性强、便于检修。但是架空线路妨碍交通和建设，易受空气中杂物的污染；而且，架空线路可能碰撞或过分接近树木及其他高大设施或物件，导致点击、短路等事故。
本文的主要研讨方向即为架空线路在地层不稳定区域的安全运行。
1.2开采沉陷对高压输电线路的损害机理研究
地下开采引起的岩层和地表移动是造成地表高压输电线路运行工况改变的主要原因，过大的地表移动变形将可能导致高压输电线路各种运行参数超限，进而诱发安全隐患，严重时可能造成输电线路的严重破坏。煤矿开采产生的地表变形主要有垂直方向的移动和变形（下沉、倾斜、曲率、扭曲），水平方向的移动
和变形（水平移动、拉伸与压缩变形）以及地表平面内的剪应变三类不同性质的
地表移动和变形。地表移动变形对高压线塔的影响破坏往往是两种或两种以上地表移动变形作用的结果。通常可采用地表下沉、倾斜、水平移动、水平变形和曲率等五个指标对地表移动变形过程分别进行描述。
1. 地表下沉对高压线塔的影响
地下开采导致的地表下沉将引起高压输电线塔的基础下沉，实测表明，基础下沉量与该处的地表下沉量基本一致。在高潜水位矿区，地表下沉将导致地下潜水位相对上升，当地面潜水位接近或高于铁塔基础底面时，地基土被水浸泡软化和低气温情况下的冻胀现象都将严重威胁铁塔基础的稳定性。铁塔基础底面的不均匀沉降将导致上部铁塔内部产生附加应力，容易导致铁塔结构破坏，引发安全事故。相邻铁塔的下沉不一致性对导线的近地距离也有一定影响，这主要取决于沿线路的地形特征和相邻铁塔下沉的差异。
2. 地表倾斜对高压线塔的影响。高压线塔基础底面积小，高度大，属于杆状构筑物，其对倾斜变形非常敏感。地表倾斜通过地基与高压线塔基础之间的相互作用传递到高压线塔，高压线塔倾斜导致倾覆力矩的增加以及档距、高差变化改变了输电线路的运行工况，从而产生诸如悬垂串倾斜、横担变形、导线弧垂超标等安全问题。
3. 地表水平移动对高压线塔的影响。地表的水平移动使铁塔基础发生相应的平移。水平移动量的不一致性使高压输电线路的档距增大或减小，档距的变化在相邻档产生的不平衡张力导致悬垂串向导线绷紧的一侧偏斜。水平移动方向的不一致使铁塔、横担受到扭力矩作用，导致铁塔转角超限或是横担变形。
4. 地表水平变形对高压线塔的影响。地表水平变形通过铁塔基础的底面和侧面，使塔基受到附加的拉伸或压缩应力作用。地表水平变形对塔基的破坏作用很大，尤其是拉伸变形的影响。塔基抵抗拉伸能力远小于抵抗压缩的能力，所以较小的地表拉伸变形可能使塔基产生开裂性裂缝。
5. 地表曲率对塔基的影响。地表曲率变形表示地表倾斜的程度，由于出现了曲率变形，地表将由原来的平面而变成曲面形状。这样，塔基的载荷与土壤反力之间的初始平衡状态遭到了破坏。一般情况下，地表的拉伸变形和正曲率变形同时出现，地表的压缩变形和负曲率变形也同时出现。
通过以上分析可以得出，地表水平变形，曲率变形对高压线塔影响程度较轻；下沉、倾斜和水平移动等指标变化对输电线路有明显影响。具体影响过程如下图1-2所示。
图1-2 开采沉陷对高压输电线路的影响过程
2. 主要评估方法
2.1采空区工程地质勘察方法介绍
1. 采空区勘察原则
目前涉及到采空区勘察的相关规范有《岩土工程勘察规范》和《铁路工程地质勘察规范》等，对高压输电线路目前没有明确的相关规范。
参照各行业相关规范，特高压输电线路采空区勘察重点应是查明老采空区覆岩的稳定性、预测现采空区和未来采空区的地表移动、变形的特征和规律，判定其作为特高压输电工程场地的适宜性为主要工作内容。勘察工作应该沿规划线路两侧展开，分析输电线路沿线采空区对杆塔地基产生的影响。总的指导原则是应该以搜集资料、调查访问为主，辅助以地球物理勘探和必要的钻探。
2. 采空区勘察工作内容
采空区勘察工作内容主要包括工程地质测绘、地球物理勘探和钻探三个方面。
（1）采空区工程地质测绘
采空区工程地质测绘是为了解特高压沿线及杆塔地基稳定性，是采空区勘察的基础工作，主要包括工程地质、采矿情况调查等相关工作。工程地质测绘主要包括以下内容：
第一，线路沿线工程地质条件的调查，包括地形地貌、地层、构造、岩土性
质、地震、水文地质条件、气象及各种物理地质现象的调查；
第二，采空区的调查，包括采矿情况调查、矿产规划、采空区踏勘测量，收集既有矿区设计实施资料、地表变形观测资料，分析确定矿区采空及影响范围。
第三，采空区既有建筑物的变形破坏情况和地基加固处理经验等。
（2）采空区地球物理勘探
采空区的特点决定了人们不可能动用大量的钻探手段来探明采空区的分布状况，多年的经验证明，地球物理勘探是了解采空区基本地质概况的有效手段之一，采空区地球物理勘探常采用综合物探的方法。常用的地球物理勘探方法：浅层地震、高密度电法、磁法勘探、地质雷达、瞬变电磁、微重力勘探、放射性勘探等。各种物探方法互有优缺点。
物探方法的选择应结合地形与采空区埋深情况采用，尽量选择两种以上的物探方法进行综合勘探，在进行各种物探方法试验的基础上，根据各种物探方法具备的前提条件进行筛选，确定物探方法组合方式。
（3）采空区钻探
钻探是广泛采用的勘察方法，可以直接获得地质资料，在采空区勘察工作中，从地址测绘、地球物理勘探等方法得到的结论都必须采用钻探结果来进行验证。钻探目的如下：钻探目的：
①验证工程地质测绘及物探成果；
②查明采空区地层岩性条件，建立综合柱状图；
③查明水文地质条件；包括地下水位及其对混凝土的侵蚀性；
④查明采空区的控制范围、几何形态、顶底标高、三带发育情况等；
⑤采集岩土样品，进行岩土物理力学性质测试，特别是采空区顶部及上覆岩层的岩性物理力学性质，进行采空区发展演化分析；
⑥进行必要的原位测试；
⑦利用钻孔进行井中物探等。
2.2采空区地表移动变形数学分析方法介绍
为了分析高压线塔下保护煤矿开采以后，高压线塔附近的地表移动和变形值以及开采范围内地面高压输电线路将受到何种程度的影响，需要进行地表移动和变形计算。目前，地下开采引起的地表移动变形值计算方法主要有典型曲线法、负指数函数法和概率积分法。此外还有数值计算法、力学计算方法等，如有限元、边界元等。根据实际应用情况，在此只粗略介绍利用概率积分法预计地表移动变形和有限元模拟法分析采动影响下高压线塔的安全稳定两部分内容。
1. 概率积分法
概率积分法是一种在我国应用较为广泛的岩层与地表移动预测预报方法，因其所用的移动和变形预计公式中含有概率积分或其倒数而得名。由于这种方法的
基础是随机介质理论，所以又叫做随机介质理论法。概率积分法是建立在随机介质理论基础上的，它把岩体看成是随机移动的离散介质，所以概率积分法的预测结果与实测结果之间往往有一定的偏差。
概率积分法的预计参数都是影响预计结果的重要因素。我国矿区地质条件复杂，各个矿区之间有的差异很大，因而无法使用同一的规程修订系数进行计算，所以用概率积分法进行地表移动变形计算时，其参数的选择是至关重要的，一般需要经过现场观测，将若干观测资料进行综合分析才能最终确定。
2. 有限元模拟法分析采动影响下高压线塔的安全稳定性
传统的铁塔分析方法是手工计算，采用结构矩阵分析方法对其进行力学性能分析，这要求分析人员具备丰富的铁塔设计经验。随着电子计算机的迅速发展，有限元法得到了迅速的发展，成为了在计算数学和计算工程科学领域中最有效的现代计算方法。
有限单元法（Finite Element Method，简称FEM）简称为有限元法。这种方法是由偏微分方程表征的连续函数所在的封闭场域划分成有限个小区域，每个小区域用一个选定的近似函数来代替，于是整个场域上的函数被离散化，由此获得一组近似的代数方程，通过联立求解代数方程组，以获得该场域中函数的近似函数。有限元分析过程典型步骤为：将结构划分单元→单元分析→集合成整体→数值求解。对于不同的结构，采用的单元不相同，但是各个单元的分析方法又是一致的。区域划分越细，计算结果越精确。
3. 主要治理措施
根据开采引起的地表移动基本规律，在一定采深条件下引起的地表移动过程是一个缓慢渐变的过程。同时，采动对高压输电线路的影响程度也是随着地表下沉和变形的加剧而逐步增强，通常不具有突变性，这为线路检修和维护提供了足够的时间。因此，只要在可靠的地表沉陷预计和实时监测指导下，及时将因开采沉陷造成的高压输电线路各运行参数的改变进行维修和调整，确保线路各运行参数始终处于安全许可范围内，就可以保证高压输电线路的正常运行。
3.1地表沉陷控制措施
由于地下开采引起的地表移动和变形不可避免但可以减缓，降低和减轻地表移动和变形的措施称为地表沉陷控制措施。地表沉陷控制措施一般通过采取井下开采技术措施控制和减轻地表沉陷和变形量、降低地表沉陷速度、防止地表出现突发性塌陷和非连续变形，以保证地面高压输电线路的采动变形控制在可进行调整维修的范围以内。这些地表沉陷控制措施包括厚煤层分层开采、匀速限厚开采、协调开采、条带开采、充填开采、覆岩离层注浆等。
1. 限厚开采
限厚开采可以减少地表一次下沉对建筑物的影响，其实质就是限制地下厚煤层的厚度，从而达到保护地表及其建筑物或其它需要保护目标的目的。它也是国内外进行“三下开采”厚煤层常用的一种方法。
根据概率积分法地表最大水平变形公式，可以计算出限厚开采的厚度：
(3-1)
其中：—高压线塔的允许变形值；
H —高压线塔煤柱内平均开采深度；
b —水平移动系数；
q —实际下沉系数，即下沉率。
—主要影响角正切；
2. 连续开采
工作面推进到高压线路铁塔下煤柱部分时，应连续开采，不允许过久地停顿或推进速度过慢。因为每过久的停顿一次，工作面开采就相当于形成一个开采边界，使本来只承受动态变形值的地方发展为承受静态变形值。
如果工作面推进速度过快将导致地表剧烈变形，从而是输电线路线塔急剧变形，严重威胁线路安全运行。
因此，当工作面回采推进到高压线路铁塔下煤柱部分时，工作面推进速度不能过快也不能过慢，应抓好正规循环作业，检修好采煤设备，做到不停产、连续开采，保持匀速推进，使地表平稳下降。
3. 多工作协调开采方法
协调开采是根据开采引起地表移动变形分布规律，通过合理的开采布局，开采顺序、方向、时间等方法减缓开采地表变形值。
4覆岩离层注浆充填方法
覆岩离层注浆充填技术作为控制地表沉陷的一种有效措施，能够实现高压线路下的安全开采。国内已有许多覆岩离层注浆成功解放线路下压煤开采的成功经验。
3.2 高压输电线路铁塔加固维修
1. 改造分裂基础为联合基础
改造分裂基础为联合基础，可提高基础的抗水平变形和不均匀沉降的能力。具体方法可采用可调式联体井字梁基础改造加固技术和可调整联体井字梁基墩
架构改造加固技术等。
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。拉线按照使用用途分可分为普通拉线、人字拉线、水平拉线、弓形拉线、公用拉线、V形拉线、十字拉线等几种。由于开采引起的地表移动和变形是个动态过程，因此，对于沉陷区的铁塔可以采用十字拉线。当观测塔一侧有倾斜时，可通过调整其它方向的3条拉线上的金具以抵消高压线塔倾斜。
3. 开采过程中的维修和调整措施
开采过程中主要是通过线路的日常巡检以及观测后数据的分析，以加强对线路运行参数超标情况作出及时调节。主要措施包括基础带电复位、导线驰度调节以及悬垂串偏斜度调节等。
在此涉及到的开采过程中高压线塔的变形观测，其内容主要包括：①高压线路铁塔及其附近裂缝情况；②高压线路铁塔四个基础下沉情况、水平移动情况；
③高压线路铁塔基础松动、变形情况。日常巡检过程中应做好观测记录，观测资料应该整理后及时通知有关部门，以便及时采取相适应的措施，防止事故灾害发生。
4. 结论
本文通过对采空区地质活动与杆塔属性的了解分析，得出了地表活动对杆塔安全影响的主要因素及表现形式；介绍了相关的观测及仿真计算方法，为预测采空区杆塔的安全运行状况分析提供了途径；最后，结合实际介绍了针对以上论述得出的杆塔运行可能出现的问题，提出了相应的预防与治理措施。对于采空区杆塔的安全性评估能很大程度上提高矿区资源开采率，也可适当延伸至其他类型的地面建筑保护，不仅有很好的经济效益，而且具有广泛的应用空间和长远的发展前景。
参考文献：
[1] 杨有启，钮英建. 电气安全技术. 北京：首都经济贸易出版社，2000
[2] 高文龙，姜耀东. 采空区特高压输电杆塔的稳定性研究：中国矿业大学，2009
[3] 郑彬，郭文兵. 采动影响下高压输电线路铁塔的安全性研究：河南理工大学，
2009