惡劣環(huán)境下煤礦采動區(qū)高壓輸電線路的安全性分析
作者：張毅宏
煤炭開采引起的地表移動和變形，對高壓輸電線路的安全造成嚴重威脅。煤炭開采造成輸電線路桿塔傾斜、基礎下沉，被迫停運、改線的事件時有發(fā)生，也嚴重影響煤炭企業(yè)的生產和安全．目前我國各大礦區(qū)幾乎所有的煤田上方均有高壓輸電線通過。隨著煤礦開采范圍的擴大，在高壓輸電線路下開采煤炭已成為必然。但是要開采出壓覆的煤炭資源，必須確保通過煤礦開采沉陷區(qū)高壓輸電桿塔結構安全和線路安全運行。目前已有學者對大風、冰雪等惡劣環(huán)境下輸電線路體系安全性評價方法進行了研究，但針對煤礦采動影響區(qū)輸電線路的安全性評價方法研究鮮見報道。
基于此．本文以某礦區(qū)某采區(qū)為例，進行了輸電線路采動地表變形預計，分析了該采區(qū)上輸電鐵塔的抗變形性能，進行了采區(qū)內擬建輸電線路的安全性評價，可為今后類似工程提供參考。
1工程概況
某礦區(qū)某采區(qū)的含煤層平均總厚約280.0 m，共含1 8層。近期計劃開采的煤層為3上、3下煤層．3上煤層平均厚度3.29 m，3下煤層平均厚度8.57 m。采厚比為21.8。該礦區(qū)厚煤層采用綜采放頂煤開采，開采條件好。但本采區(qū)高壓線路較多．包括馬南線、寧高線、寧接線和漁澳線等220 kV線路，還有接南線、寧莊線等110 kV線路。位于采區(qū)內的線路總長約10．0 km，大量壓占可采儲量．嚴重影響了煤礦企業(yè)的正常生產，因此急需對該區(qū)高壓輸電線路進行安全性評估。
2采動區(qū)輸電線路安全性評價方法
先建立鐵塔的計算模型，通過考慮材料非線性和幾何非線性的大變形結構分析，獲得鐵塔在各種典型工況下的基礎位移極限值，以折算后的等效地表變形作為鐵塔所受地表變形的允許值；再根據(jù)輸電線路所在的地質條件以及采煤規(guī)劃情況，對鐵塔所處位置的地表變形進行科學的預計，作為實際變形值：最后將鐵塔地表變形允許值與地表變形預計值進行對比，判斷鐵塔的安全狀況。
由于各種抗變形基礎對于鐵塔的整體沉降和整體傾斜均無明顯有效影Ⅱ向，且分析時鐵塔一般不會由于有限傾斜而發(fā)生結構性倒塌，對于整體沉降和整體傾斜主要從輸電線路正常運行的角度進行安全性評價．并采取構造措施進行處理。
3輸電線路采動地表變形預計
3.1 地表沉陷的變形預計方法及其參數(shù)確定
概率積分法是煤礦開采沉陷領域廣泛使用的地表沉陷預計模型。多年實踐驗證表明，采用該方法進行煤礦地下開采的地表沉陷預計精度完全能夠達到工程要求。因此，本項目仍采用概率積分法對本采區(qū)的地表沉陷情況進行預計。
概率積分法是因其所用的移動和變形預計公式中含有概率積分而得名。概率積分法是應用非連續(xù)介質力學中的顆粒體介質力學來研究巖層及地表移動問題，作為隨機介質的顆粒體介質．在研究其移動規(guī)律時可抽象為圖1所示的理論模型。
在圖1的理論模型中．假設這些介質顆粒是一些大小相同、質量均一的小球，并被裝在大小相同的均勻排列的方格內。若下方一個方格中的小球被移走后，由于重力作用，上層的2個相鄰方格中的小球滾入這個方格的概率應均是1／2。由此向上類推，就可以得到圖2 a）的顆粒移動概率分布圖。選取如圖2a）所示的坐標系，則介質內任意一個水平的概率分布可以繪成圖2 b)所示的概率分布直方圖。若格子和顆粒無限�。畡t該直方圖趨近于一條光滑的曲線。
在上述模型的基礎上通過概率積分得出充分采動、走向半無限開采時走向主斷面的地表移動和變形的預計公式為
根據(jù)上述計算公式，通過計算機編程編制基于概率積分法的地表變形預計系統(tǒng)．將開采情況和預計參數(shù)輸入計算機，由計算機對地表變形進行預計。
考慮該煤礦的實際地質采礦條件，參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中的有關規(guī)定，本文采用的概率積分法預計地表移動參數(shù)如表l所示。
3.2 地表沉陷的變形預計結果
地表變形的預計結果表明．本采區(qū)內6條高壓線均受不同程度的采動影響。下沉最大的是魚澳45號桿塔，其值為6 400 mm;東西方向水平變形最大的是魚奧39號桿塔、北湖38號桿塔，其值為-8 mm/m：南北方向水平變形最大的是北湖38號、魚澳39號桿塔，其值為-9 mm/m;東西方向水平移動最大的是魚澳41號桿塔．其值為-1 900 mm;南北方向水平移動最大的是魚澳39號桿塔，其值為-1 300 mm;東西方向傾斜變形最大的是北湖40號桿塔、魚澳41號桿塔、寧高32號桿塔，其值為-15 mm/m;南北方向傾斜變形最大的是魚澳39號桿塔，其值為-10 mm/m：而東西方向曲率變形最大的是接南37號桿塔、寧高29號桿塔、寧接29號桿塔，其值為0.07 mm/m2：南北方向曲率變形最大的是寧接32號桿塔，其值為-0.035 mm/m2。
4研究區(qū)輸電鐵塔抗變形性能
4.1 塔架模型的建立
以典型輸電線路中的1B-JI終端轉角塔(110kV，24 m)、IBG-ZM3直線塔(110 kV，33 m)、
2DG-JC1直線塔(220 kV，30 m)和2DG-ZMC3直線塔(220 kV，42 m)等4種高壓輸電鐵塔為計算原型．通過有限元分析．獲得各鐵塔抵抗典型地表變形的性能。各鐵塔的根開和基本計算荷載等基本情況如表2所示，各鐵塔的結構簡圖不再示出。
本文采用通用有限元軟件ANSYS完成輸電鐵塔的模型建立和抗變形計算。計算時，打開程序的大變形選項考慮鐵塔結構的幾何非線性，通過定義角鋼材料為理想的彈塑性材料來考慮材料非線性變形。斜材與主材的連接設為剛節(jié)點，輔材與其他桿件的連接設為鉸接。交叉斜材之間的連接螺栓．通過耦合交叉節(jié)點的空間線位移來等效模擬。最終建立的IB-J1和2DG-JCI鐵塔的有限元模擬如圖3所示。限于篇幅，其他鐵塔的計算模型不冉詳細列出。
4.2計算荷載和地表變形的組合工況
4.2.1 荷載和工況
本文分析的多條輸電線路上的鐵塔有直線塔和轉角塔，塔形又分為貓頭塔和干字塔。限于篇幅，本文僅以1B-J1干字形輸電鐵塔為例具體說明計算荷載和計算方法，其他鐵塔僅列出最終計算結果。
在對輸電鐵塔進行分析時．考慮的荷載有風載、覆冰荷載、地震作用及導線與鐵塔的自重載荷等，這些荷載由電力設計院提供。由于本文主要分析采動地表變形對上部鐵塔結構的影響．對于安裝工況和斷線工況等事故工況不做分析．而僅考慮鐵塔的白重作用工況（僅考慮自重，無冰，無風）、大風工況和覆冰工況等3種正常運行工況與地表變形的組合。正常運行工況的相應氣溫、風速和覆冰厚度等如表3所示。其中，1B-J1鐵塔的導（地）線掛線點處的水平荷載和垂直荷載如表4所示。
在進行有限元分析時，考慮的地表變形條件有地表水平拉伸、水平壓縮、傾斜變形，并分別與鐵塔的正常運行工況進行組合。其中氣溫最低主要考慮結構和導（地）線的白重，故將其與地表變形的組合工況成為單獨地表變形工況（共計11種），如表5所示。而將風速最大和覆冰與地表變形的共同作用稱為復合地表變形工況（共計29種），限于篇幅不再示出。
4.2.2荷載和地表變形的施加
在進行具體計算時，將上述導線、金具和地線的荷載直接施加在有限元模型的相應節(jié)點處．而地表變形通過對鐵塔4個支座施加相應的水平和豎向線位移來模型地表變形的情況。
4.3數(shù)值計算方法
4.3.1 失效準則
本文在分析巾．以鐵塔模型發(fā)生下述3種情況之一為結構破壞的標志：(l)寬面、窄面內交叉斜材發(fā)生失穩(wěn)破壞（未發(fā)現(xiàn)主材失穩(wěn)的情況）：(2)主材發(fā)生全截面屈服：(3)結構位移（主要指傾斜）超出《架空送電線路運行規(guī)程》的限值。
4.3.2計算步驟
在使用ANSYS軟件對鐵塔進行破壞形態(tài)研究時，按照以下步驟進行：(1)進行鐵塔在正常運行工況的結構分析，得到各桿件的應力狀態(tài)；(2)對塔架支座施加位移，進行結構分析；(3)如果拉桿塑性變形達到預設值則停止計算．取前一次位移和破壞形態(tài)為最終結果：(4)當壓桿失穩(wěn)時，考慮壓桿屈曲后殘余強度．對鐵塔的整體剛度進行修正，然后繼續(xù)計算，、
4.4輸電鐵塔抗變形能力分析
通過前述建模和分析方法，考慮鐵塔處于單獨地表變形和復合地表變形作用下．并考慮采動盆地移動方向與線路的相互關系．逐步增大地表變形．直到輸電鐵塔結構發(fā)生局部失穩(wěn)破壞或整體失穩(wěn)破壞．得到輸電鐵塔基礎不均勻沉降和根開變化的最大限值。然后，將根開變化允許值和不均勻沉降值等效轉化為地表變形值．如表6所示。限于篇幅，這里僅列出各鐵塔抗地表變形的下限值。表6中各鐵塔的最大傾斜變形值取的是本文計算值與DL/T 741-2010《架空輸電線路運行規(guī)程》規(guī)定限值的較小值。
5研究區(qū)輸電線路安全性評價
根據(jù)前述分析結果，該礦區(qū)全采后各鐵塔所在處的地表變形值作為預計值（實際值）．將計算所得輸電鐵塔破壞時的根開變化、單支座下沉值和傾斜變形限值等效換算為相應的地表變形作為地表變形允許值。再將二者進行對比，進行輸電線路的安全性評價．各鐵塔的地表變形預計值和允許值以及安全性評價結果如表7所示。
從表7的比較表明．該采區(qū)煤炭開采所產生的地表變形對典型輸電鐵塔安全性有重要的不利影響。按照整個線路最不利的地表變形進行安全性評估，4種鐵塔的傾斜變形均超出了文獻規(guī)定的限值，而1B-J1鐵塔的水平壓縮變形值也達到了鐵塔本身的抗變形性能限值．其他的一些指標也與鐵塔抗變形限值比較接近，這說明采煤地表變形已經對鐵塔結構形成了嚴重的威脅．結構安全性沒有保障。特別是輸電鐵塔整體下沉過大．而該礦區(qū)所處環(huán)境地下水位過高，嚴重影響輸電鐵塔的正常使用及安全運行。因此，為保證該采區(qū)上方的輸電鐵塔的安全可靠性．有必要對輸電線路進行改線．將鐵塔建設在地表變形綜合影響較小的位置．
6結論和建議
(l)針對研究區(qū)的高壓輸電線路下采煤方案，采用礦山開采沉陷學理論對該采區(qū)的地表沉陷進行了分析，得到了輸電線路下地表變形的預計值。
(2)采用有限元技術，對某采區(qū)輸電鐵塔在單獨地表變形和復合地表變形工況作用下的抗變形性能進行了系統(tǒng)分析．獲得了各鐵塔抵抗地表變形的根開變化允許限值．為該采區(qū)輸電鐵塔安全性評價奠定了基礎。
(3)根據(jù)地表變形預計值和輸電鐵塔抗變形性能分析的變形允許值的分析結果．對該采區(qū)上輸電鐵塔的鐵塔安全性進行了評價。結果表明，現(xiàn)有采煤設計方案，不能保證輸電線路的安全運行．有必要對輸電線路進行改線，將鐵塔建設在地表變形綜合影響較小的位置。
7摘要：
采空區(qū)塌陷嚴重影響輸電線路的安全運行，開展煤礦采動區(qū)輸電線路的安全性評估具有重要意義。以某礦某采區(qū)為例，依據(jù)開采沉陷學理論進行了輸電線路下采動地表變形的預計；考慮不同的變形工況和荷載組合．采用有限元方法，得到了典型輸電鐵塔的抗變形性能；在此基礎上，進行了輸電線路的安全性評價．提出r該煤礦采動區(qū)高壓輸電線路的處理方案，可為今后類似工程提供參考。
