CN106251053A - 一种采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法 - Google Patents

一种采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法 Download PDF

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Abstract

一种采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，包括以下步骤：(a)确定采煤沉陷区评估范围；(b)收集采煤沉陷区的地质采矿条件数据和开采数据以及所属矿区的地表沉陷数据；(c)得到评估范围内各地表移动与变形值最大值；(d)评估线塔建设荷载对地下采空区的稳定性影响；(e)根据高压输电线塔输送电压确定建设适宜性分类准则，然后进行综合评估，确定拟建高压输电线塔线路建设的适宜性。本发明能够为高压输电线塔在采煤沉陷区地表的建设提供科学依据，确保高压输电线塔正常运行，并节省保护成本投入。

Description

一种采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法
技术领域
本发明涉及一种采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法。
背景技术
煤炭资源开采往往造成地表沉陷，在地表沉陷区建设发电输电工程，必须对高压输电线塔的地基稳定性进行技术评估。其意义主要在于：一方面，避免对高压输电线塔的沉陷影响危害程度认识和评估不足，在预防措施不足的情况下，盲目地建设施工，对高压输电线塔安全运营产生不利影响；另一方面，避免过度地拔高沉陷影响危害程度，采取过度的保护措施，加大人力物力财力的投资，增加不必要的建设成本。
必要的科学的高压输电线塔的地基适宜性评估将为高压输电线塔在采煤沉陷区的合理建设提供科学依据，但目前，现有技术中还没有针对采煤沉陷区高压输电线塔建设适宜性的有效评估方法。
发明内容
本发明提供了一种采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，能够为高压输电线塔在采煤沉陷区地表的建设提供科学依据，确保高压输电线塔建成后正常运行，并避免过度保护成本投入。
本发明采用的技术方案如下：
一种采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，包括以下步骤：
(a)根据建设高压输电线塔的具体情况，包括高压输电线塔总体规划、线塔结构、尺寸和荷载，确定采煤沉陷区评估范围；
(b)收集评估范围内的地质勘探数据和开采数据以及所属矿区的地表沉陷数据；
(c)预测采煤沉陷区地表残余沉陷变形数据和未来规划开采地表沉陷变形数据，下沉系数根据开采结束年限、未来规划期及高压输电线塔服务期选取0.03～0.90，计算绘制出评估范围在高压输电线塔服务期内的地表下沉、倾斜、水平变形等值线图，进而得到评估范围内各地表移动与变形值最大值；
(d)评估高压输电线塔建设荷载对地下采空区的稳定性影响，所述高压输电线塔建设荷载包括施工动荷载和静荷载；
(e)根据高压输电线塔输送电压获得采煤沉陷区地表建设高压输电线塔适宜性分类准则，依据适宜性分类准则进行综合评估，确定拟建高压输电线塔线路所在区域的适宜性。
110kV高压输电线塔建设适宜性标准见表1，220kV高压输电线塔建设适宜性标准见表2。
表1 110kV高压输电线塔建设适宜性标准
表2 220kV高压输电线塔建设适宜性标准
在上述采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法中，在评估范围内，在开采煤层数据和采空区塌陷状况未知情况下，进行钻探勘查，获得开采煤层数据和采空区地质采矿数据。钻探勘查每个线塔布置1个孔，在评估线塔中心位置。
在上述采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法中，在步骤(a)中，确定采煤沉陷区评估范围，首先需要了解高压输电线塔总体规划，线塔结构、尺寸和荷载等资料。
在上述采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法中，在步骤(a)中，需对高压输电每个线塔逐个评估，每个线塔评估范围为线塔外围向外扩50m。
在上述采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法中，在步骤(b)中，所述地质勘探数据和开采数据包括：地形地貌、地层岩性、地质构造、水文气象、采空区分布、今后开采规划等相关图纸资料、文字报告和台账。
具体到载体文件包括地质图件和采矿图件。地质图件具体又包括地形地质图、地层综合柱状图、煤岩层对比图、煤层底板等高线及资源/储量估算图、地质剖面图、钻孔柱状图等。采矿图件具体又包括井上下对照图、采掘(剥)工程平面图、开采规划图等。
地质勘探数据和开采数据收集范围可以扩大到以高压输电线塔线路评估范围边界向外侧扩展2H0的范围，H0为采煤沉陷区地下采空区平均采深，单位为m。
地表沉陷数据不仅收集评估区域内附近矿井的，还需要寻找所属矿区的或条件相近的相邻矿区的沉陷监测数据、开采沉陷规律分析资料等。
在上述采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法中，在步骤(c)中，对采煤沉陷区地表沉陷变形预测分析。预测采煤沉陷区地表今后还将产生的沉陷变形数据采用概率积分法，根据影响评估范围的地质采矿条件、采空区开采结束时间以及高压输电线塔服务期限等综合因素，选取采空区残余下沉系数0.03～0.40，规划开采下沉系数0.5～0.90，计算给出评估范围内在高压输电线塔服务期内的地表下沉、倾斜、水平变形等值线图。根据计算得到的评估范围内各种地表变形值最大值情况，分析拟建线塔可能的沉陷损坏程度。
在上述采煤沉陷区地表建设高压线塔的适宜性评估方法中，在步骤(d)中，当地下采空区实际采深H大于临界采深H临时，地下采空区处于相对稳定状态，H临表达式为：
H临＝H裂+H影+h
其中，H裂为采空区导水裂缝带高度，多煤层开采时，取最高位置的数据，
H影为线塔荷载向地下的影响深度，h为误差范围，取h＝5～10m。
在上述采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法中，在步骤(e)中，对应适宜性分级线塔建设处理措施为，A级(适宜性好)为高压线塔建设用地，采取抗变形措施保护；B级(适宜性中等)可作为高压线塔建设用地，采取抗变形措施，同时对浅部采空区进行处理，受规划开采区影响的可采取地下开采技术措施或采动过程中的维修防护措施等；C级(适宜性差)建议高压线塔异地选址，若作为高压线塔建设用地，需进行线塔下采空区治理控制地表沉陷变形，受规划开采区影响的应采取地下开采技术措施减小和控制线塔处地表沉陷变形，以及必要的抗变形措施、线塔倾斜实时监测措施等。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
①本发明提供的一种采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，由于通过高压输电线塔总体规划、线塔结构、尺寸和荷载，对采煤沉陷区评估范围进行了合理确定，能够更有效、更有针对性的收集采矿、地质和地表沉陷等数据，因此，本发明的评估过程更高效、评估结果更精确。
②本发明提供的采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，由于针对地质勘探数据和开采数据以及所属矿区的地表沉陷数据等进行分析评估，因此，本发明能够提供较为准确全面的评估结果。
③本发明提供的采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，由于针对采煤沉陷区地表残余沉陷变形数据进行了预测，并计算绘制出评估范围在高压输电线塔服务期内的地表下沉、倾斜、水平变形等值线图，进而得到的评估范围内各地表变形值最大值，评估基础数据更全面、科学，因此，本发明能够获得更为准确全面的评估结果。
④本发明提供的采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，由于先评估高压输电线塔建设荷载对地下采空区的稳定性影响，所述高压输电线塔建设荷载包括施工动荷载和静荷载，然后再进行适宜性评估，因此，本发明更加具备有序性和科学性，使评估工作更加有条不紊，循序渐进，符合科学规律。
⑤本发明提供的采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，由于将采深采厚比、地表下沉值和地表变形最大值作为采煤沉陷区建设高压输电线塔适宜性评估指标，其中地表变形最大值又细分为水平变形和倾斜，既考虑了影响因素的全面性，也考虑了权重影响，因此，本发明既能保证评估的准确度，也能兼顾评估工作的效率，有效控制评估成本。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式作进一步地详细描述。
在本实施例中，拟建设一条220kV线路，线路长度约31.2km，设线塔87座，全部建设在采煤沉陷区，对高压输电线塔建设适宜性进行评估。
所述采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，包括以下步骤：
(a)根据建设高压输电线塔的具体情况，包括高压输电线塔总体规划、线塔结构、尺寸和荷载，确定采煤沉陷区评估范围；
(b)收集影响评估范围的地质勘探数据和开采数据以及所属矿区的地表沉陷数据；
(c)预测采煤沉陷区地表残余沉陷变形数据和未来规划开采地表沉陷变形数据，预测采煤沉陷区地表今后还将产生的残余沉陷变形数据采用概率积分法，下沉系数根据开采结束年限和高压输电线塔服务期，选取采空区残余下沉系数0.03～0.40，规划开采下沉系数0.5～0.90，计算出评估范围在高压输电线塔服务期内的地表下沉、倾斜、水平变形等值线图，根据计算得到的评估范围内各种地表变形值最大值情况，分析拟建线塔可能的沉陷损坏程度；
(d)评估高压输电线塔建设荷载对地下采空区的稳定性影响，所述高压输电线塔建设荷载包括施工动荷载和静荷载；
(e)根据下表所示的220kV高压输电线塔建设适宜性标准进行综合评估，确定拟建高压输电线塔所在区域的适宜性。
针对其中一个线塔A进行说明，线塔A基础平面尺寸为8.1m×8.1m，呼高54m，基底附加压力值127kN/m2。拟建线塔外围四周各外扩50m确定为地表评估范围。
收集区域自然、地质采矿条件、地表沉陷数据等资料后，获得以下地质、采矿、地表沉陷数据，该线塔及周围附近已开采煤层有侏罗系3号煤层、侏罗系8号煤层、侏罗系9号煤层，累计采厚3.81m，采深160～230m；规划开采煤层有侏罗系11-2号煤层(与12-1煤层合并)、侏罗系13号煤层、侏罗系14号煤层、石炭二叠系8号煤层，累计采厚10.3m，埋深260～370m。该区地层为坚硬地层，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，地质构造及水文地质构造较为简单。
经现场踏勘，建设场地地形平缓，没有发现地裂缝，看不到沉陷迹象。对收集的图纸等资料进行分析，制成高压输电线塔下方及附近各开采煤层开采情况平面图，弄清了各开采煤层开采情况。已开采各煤层开采时间从1970年持续至2012年。采空区类型有巷采或刀柱式采煤法、长壁式垮落综合机械化采煤法形成的采空区。规划开采采用长壁式综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板。
在本实施例中，预测采煤沉陷区地表今后还将产生的沉陷变形数据采用概率积分法，根据掌握的地质采矿条件、采空区开采结束时间以及高压输电线塔服务期限等综合因素，选取采空区残余下沉系数0.03～0.20，规划开采下沉系数0.65，由此计算并绘制出评估范围内在高压输电线塔服务期内的地表下沉、倾斜、水平变形等值线图。
计算结果为：受现有采空区的影响，该线塔地表还可能产生的最大下沉值为418mm，最大倾斜值4.2mm/m，最大水平变形2.5mm/m；规划区开采后，该线塔地表还可能产生的最大下沉值为1633mm，最大倾斜值10.2mm/m；最大水平变形4.8mm/m。根据计算得到的各种地表变形值最大值情况，分析该线塔受现有采空区的影响，可能产生II级的损坏程度，即轻度损坏；受规划区开采影响，可能产生IV级的损坏程度，即严重损坏，必须采取一定的防护措施。
在本实施例中，计算得到评估范围下方导水裂缝带的最高发育高度位于3号煤层之上45m，即H裂＝45m。计算建筑荷载向地下的影响深度H影，根据拟建线塔建筑具体情况，计算得到H影＝20m。根据公式得到临界采深H临：
H临＝H裂+H影+h
获得H临＝70m，此处h＝5m，拟建线塔下方3号煤层开采区域最小采深为160m，下方煤层采空区实际采深大于临界采深，采空区地基处于稳定状态，可以确定拟建线塔的建筑荷载不会破坏采空区的稳定性。
在本实施例中，根据本发明建立的采煤沉陷区地表建设高压输电线塔适宜性分级标准对该线塔进行综合评估。受现有采空区的沉陷变形影响，该线塔建设适宜性评估结果为适宜性好(A级)，优先作为高压线塔建设用地，只要采取抗变形措施即可。但是，当今后规划区开采后，该线塔处地表沉陷变形值较大，该线塔建设适宜性评估结果为适宜性中等(B级)，可作为高压线塔建设用地，需采取抗变形措施，针对规划开采区可采取地下开采技术措施如部分开采、充填开采等或采动过程中的维修防护措施等。
全线路87座线塔，受现有采空区的沉陷变形影响，适宜性为A级的有73个，适宜性为B级的有12个，适宜性为C级的有2个。当今后规划区开采后，适宜性为A级的有59个，适宜性为B级的有14个，适宜性为C级的有14个。对每座线塔的建设提出了相应的技术措施，确保线路正常运行。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)根据建设高压输电线塔的具体情况，包括线塔线路总体规划、线塔结构、尺寸和荷载，确定采煤沉陷区评估范围；
(b)收集评估范围内的采煤沉陷区地质勘探数据和开采数据以及所属矿区的地表沉陷数据；
(c)预测采煤沉陷区地表残余沉陷变形数据和未来规划开采地表沉陷变形数据，下沉系数根据开采结束年限、未来规划期及高压输电线塔服务期选取0.03～0.90，计算绘制出评估范围在高压输电线塔服务期内的地表下沉、倾斜、水平变形等值线图，进而得到评估范围内各地表移动与变形值最大值；
(d)评估高压线塔建设荷载对地下采空区的稳定性影响，所述高压线塔建设荷载包括施工动荷载和静荷载；
(e)根据高压输电线塔输送电压获得采煤沉陷区地表建设高压输电线塔适宜性分类准则，依据适宜性分类准则进行综合评估，确定拟建高压输电线塔线路所在区域的适宜性。
2.根据权利要求1所述的采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，其特征在于：高压输电线塔输送电压为110kV时，建设适宜性标准为：
3.根据权利要求1所述的采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，其特征在于：高压输电线塔输送电压为220kV时，建设适宜性标准为：
4.根据权利要求1-3任一所述的采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，其特征在于：在评估范围内，在开采煤层数据和采空区塌陷状况未知情况下，则进行钻探勘查，获得开采煤层数据和采空区地质采矿数据。
5.根据权利要求4所述的采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，其特征在于：钻探勘查针对每个高压输电线塔布置1个孔，在线塔中心位置。
6.根据权利要求1-5任一所述的采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，其特征在于：在步骤(d)中，当地下采空区实际采深H大于临界采深H临时，地下采空区处于相对稳定状态，H临表达式为：
H临＝H裂+H影+h
其中，H裂为采空区导水裂缝带高度，多煤层开采时，取最高位置的数据，H影为荷载向地下的影响深度，h为误差范围，取h＝5～10m。
7.根据权利要求1或2所述的采煤沉陷区地表建设高压输电线塔的适宜性评估方法，其特征在于：在步骤(a)中，针对高压输电每个线塔逐个评估，每个线塔评估范围为线塔外围边界向外扩50m。
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