论文部分内容阅读
摘要：海矿线9#塔出现角钢断裂、变形，海矿线8#塔联板与角钢连接处存在错位，海矿线7#、8#塔周边出现多处地质裂缝的情况，给阳煤供电线路带来了重大安全隐患。通过对煤矿采空区地表特性及可能变形的分析，制订了有效的加固方案，以便彻底消除该重大安全隐患，确保供电线路安全运行。
关键词：输电线路;现状分析;可调基础;应用;安全供电
0 引言
海矿线作为集团公司矿区重要的110 kV电源进线，承担着保障阳煤本部各矿区安全供电的重任，是本部唯一一个110 kV变电站的主电源。主进线海矿双回线路为同塔架设，其安全运行对保障矿区矿井的安全生产具有重要意义。针对海矿线路部分区域出现的重大安全隐患，应用了输电线路铁塔可调式基础。该改造具有适用不同地基地质变化形式;无需线路停电，不影响线路安全运行;无需进行线路杆塔迁改;可以进行整体连续调整;不影响煤矿正常开采，避免了为保证线路安全预留煤柱造成的煤炭资源浪费等众多优点。通过对海矿线路铁塔进行可调式基础改造，原有铁塔基础得到了加固，减轻了铁塔及导线受力，避免了因采煤沉陷造成的线路倒塔、断线、大面积停电等重大安全事故，确保了矿井的安全供电。
1 线路运行现状分析
2018年11月，发供电分公司供电工区线路巡检人员在对海矿线铁塔进行线路巡检作业过程中，发现海矿线9#塔出现角钢断裂、变形，海矿线8#塔联板与角钢连接处错位，海矿线7#、8#塔周边出现多处地质裂缝的重大安全隐患。经过现场勘测，海矿线铁塔存在不同程度的倾斜和沉降情况，对海矿线路的安全运行构成了极其严重的威胁。
2 煤矿采空區地表的一般变形特征及本地段的可能变形分析
2.1 采空区地表的一般变形特征
煤矿采煤区地表的变形形状、大小、速度与所采煤层埋深、采煤厚度、上部岩层强度、完整性、开采方式、工艺等密切相关。所有煤层开采，都要引起采煤区地表不同程度的塌陷、开裂、错台、倾斜、凹凸变形;800～1 000 m深的煤层开采一般引起地表的变形较为缓慢，幅度相对较小;煤层埋深越浅，开采层越厚，则引起地表变形、塌陷幅度相对越大，速率越快;通常情况下，煤层上部岩层强度及完整性对采煤区地表的变形形状和幅度也有较大影响，覆盖的岩层强度越低，则地表变形塌陷越小;反之则越大。在影响采煤区地表变形的诸多因素中，煤层的开采方式、工艺方法影响最大。采煤工艺大体上分为房柱法、综合机械化采煤法（简称“综采”）两种。综采由于作业面大，向前推进速度快，采煤区地表的塌陷随着作业面的推进逐步发生，前期塌陷量较大较快，后期变形相对较小而缓慢，当完成一大片煤层的开采后，地表即形成一个倒梯形的盆地;房柱法开采煤层时，如果严格按国家规范的规定，留够煤柱的大小和数量，则不会引起拟采煤区地表的变形和塌陷，但一般的煤矿开采过程中，为了多出煤，很少按规范操作，因而总是在煤矿开采中和开采后，引起采煤区上地表缓慢而不规则的变形和塌陷。随着技术的进步和生产力的快速发展，目前，房柱法已基本为综采所取代。
2.2 本采煤区地表可能变形分析
根据采煤区110 kV海矿7#/8#/9#铁塔所经过煤矿的煤层开采资料分析可知：指定高压线地段开采的煤层厚度为：第一层3.5～4.0 m、第二层6.0～6.5 m、第三层3.5～4.0 m。煤层分布较为平缓，开采方法为综合机械化采煤法。由于该煤矿综合机械化采煤技术水平先进合理，作业面较大，向前推进速度快，采煤区地表的塌陷随着作业面的推进将逐步发生，地表塌陷速度较采掘面推进稍慢、规模大，后期地表仍有缓慢塌陷变形，发展将延续1.5～2年;采煤区上部为中等浮土体覆盖，随着采煤作业面的逐步推进，采煤区内各处地表局部将出现大规模的裂缝、倾斜、错台、塌陷，采煤区边缘则会形成一道比较有规则的塌陷错层和地表倾斜带。
3 铁塔基础和塔体改造加固方案
3.1 采煤区110 kV海矿7#/8#/9#铁塔加固改造方案
由于采煤区110 kV海矿7#/8#/9#三基铁塔地基在采煤中和采煤后均将产生不同形式、大规模的下沉、开裂、错台、凹凸和倾斜等，铁塔改造加固后应能克服或者适应这些地基的变形和破坏形式。铁塔除具有制造运输简便、省材适用、组装简单等优势外，结构上应将其作为一种拉压、零轴力杆件组合的受力结构体系，因此，在进行铁塔基础与塔体改造加固时，我们应解决以下问题：（1）采取合适的结构措施，消除塔材之间的相对变形和由此而产生的杆件内部弯矩，尽量使铁塔成为并保持一种不至于发生失稳破坏的拉压（纯受压受拉）结构;（2）为了消除不可预测内力变化或次生弯矩，提高铁塔的安全性，应适当提高塔体的强度和稳定性;（3）在铁塔成为一个拉压结构并提高各局部刚度的同时，每个铁塔体系在外力作用下应在整体上保持稳定。
为此，我们采用本公司“输变电构架连续整体可调基础”的发明专利和“一种可调基础调整装置”实用新型专利技术进行该铁塔的改造加固。具体改造加固设计如下：（1）建立和选择较为符合实际的地质力学计算模型，分析或预测塔基地表的可能变形、错台、倾斜和开裂发展趋势，特别是大小量级。（2）根据本工程现场地质条件、铁塔的地基情况，判别是否需要设置诱导设施。（3）通过分析，选择符合规范要求和实际情况的荷载组合，进行铁塔和基础调整梁/承台梁等的分析、强度分析和变形分析，确定调整梁/承台梁跨度、截面尺寸、配筋、构造等;确定以典型的转角、耐张铁塔作为转角塔基础尺寸设计的代表性塔，以相邻档距最大的直线塔作为直线塔基础改造尺寸选择的典型塔。
为了确保施工期的安全，施工前必须在垂直线路走向、铁塔的适当高度处打拉线对铁塔进行横向保护，拉线一般设置为：（1）与导线走向垂直;（2）与水平地面夹角为45°;（3）拉线基础和连接方式参照线路耐张塔拉线方式;（4）拉线采用？准18～22普通钢绞线;（5）拉线上部尽量设置于铁塔上方的主材上。
3.2 采煤区110 kV海矿7#/8#/9#铁塔实施方案
在东西、南北两个方向各采用两根基础梁，将4个支墩连接为一个井字架基础;在井字架的4个外端用横梁连接井字梁;联系横梁的下部设置封闭长方形承台梁，具体加固设计如下：
（1）进行4个基墩的测量，检测各基墩的不均匀沉降和倾斜，分别单个地开挖、调整不均匀沉降基墩的高度和倾斜，使4个基墩满足设计要求;
（2）开挖基础，采用钢筋加固（或湿包钢的钢板套）和型钢或钢筋砼或混合井字折梁系，将原铁塔4个基墩连为整体基础，每个基墩在井字梁的交叉点上，梁外端下部预制一个整体正方形调整台，井字梁端头各安装一套本公司专利升降设备和一套锁定装置系统;
（3）上部钢塔的4个主角钢，采用角钢四边连接和对角连接加固。
4 可调基础的应用成效
根据以往处理办法及经验，对于因采煤区沉陷严重存在巨大安全隐患的线路杆塔，需要对相关线路杆塔进行整体迁移，迁移至煤田外围，确保线路的长久安全稳定运行。但是受到地形因素及采煤区域范围较大等实际条件限制，往往无法完全避开采煤区域，即使有适合的路径选择也将产生巨额的投资费用。若无法避开采煤区域，需要将铁塔布置在待采区，则需在铁塔位置下方留出足够的煤柱，确保线路安全运行，但这将造成相当储量的煤炭资源浪费，产生上亿元的经济损失，经济性极差。
而可调基础的应用使线路铁塔基础得到了加固，减轻了铁塔及导线受力变形，线路运行正常良好，满足输电线路运行规范和要求;避免了因采煤沉陷造成的导线断线、铁塔倾倒、大面积停电等重大安全事故发生，确保了矿区电网的安全可靠运行;保证了集团本部区域煤矿开采、居民生活的正常进行，对保障集团公司各项工作的顺利开展具有积极意义。
收稿日期：2020-05-06
作者简介：薛明荣（1983—），男，陕西汉中人，电气工程师，研究方向：电气。
关键词：输电线路;现状分析;可调基础;应用;安全供电
0 引言
海矿线作为集团公司矿区重要的110 kV电源进线，承担着保障阳煤本部各矿区安全供电的重任，是本部唯一一个110 kV变电站的主电源。主进线海矿双回线路为同塔架设，其安全运行对保障矿区矿井的安全生产具有重要意义。针对海矿线路部分区域出现的重大安全隐患，应用了输电线路铁塔可调式基础。该改造具有适用不同地基地质变化形式;无需线路停电，不影响线路安全运行;无需进行线路杆塔迁改;可以进行整体连续调整;不影响煤矿正常开采，避免了为保证线路安全预留煤柱造成的煤炭资源浪费等众多优点。通过对海矿线路铁塔进行可调式基础改造，原有铁塔基础得到了加固，减轻了铁塔及导线受力，避免了因采煤沉陷造成的线路倒塔、断线、大面积停电等重大安全事故，确保了矿井的安全供电。
1 线路运行现状分析
2018年11月，发供电分公司供电工区线路巡检人员在对海矿线铁塔进行线路巡检作业过程中，发现海矿线9#塔出现角钢断裂、变形，海矿线8#塔联板与角钢连接处错位，海矿线7#、8#塔周边出现多处地质裂缝的重大安全隐患。经过现场勘测，海矿线铁塔存在不同程度的倾斜和沉降情况，对海矿线路的安全运行构成了极其严重的威胁。
2 煤矿采空區地表的一般变形特征及本地段的可能变形分析
2.1 采空区地表的一般变形特征
煤矿采煤区地表的变形形状、大小、速度与所采煤层埋深、采煤厚度、上部岩层强度、完整性、开采方式、工艺等密切相关。所有煤层开采，都要引起采煤区地表不同程度的塌陷、开裂、错台、倾斜、凹凸变形;800～1 000 m深的煤层开采一般引起地表的变形较为缓慢，幅度相对较小;煤层埋深越浅，开采层越厚，则引起地表变形、塌陷幅度相对越大，速率越快;通常情况下，煤层上部岩层强度及完整性对采煤区地表的变形形状和幅度也有较大影响，覆盖的岩层强度越低，则地表变形塌陷越小;反之则越大。在影响采煤区地表变形的诸多因素中，煤层的开采方式、工艺方法影响最大。采煤工艺大体上分为房柱法、综合机械化采煤法（简称“综采”）两种。综采由于作业面大，向前推进速度快，采煤区地表的塌陷随着作业面的推进逐步发生，前期塌陷量较大较快，后期变形相对较小而缓慢，当完成一大片煤层的开采后，地表即形成一个倒梯形的盆地;房柱法开采煤层时，如果严格按国家规范的规定，留够煤柱的大小和数量，则不会引起拟采煤区地表的变形和塌陷，但一般的煤矿开采过程中，为了多出煤，很少按规范操作，因而总是在煤矿开采中和开采后，引起采煤区上地表缓慢而不规则的变形和塌陷。随着技术的进步和生产力的快速发展，目前，房柱法已基本为综采所取代。
2.2 本采煤区地表可能变形分析
根据采煤区110 kV海矿7#/8#/9#铁塔所经过煤矿的煤层开采资料分析可知：指定高压线地段开采的煤层厚度为：第一层3.5～4.0 m、第二层6.0～6.5 m、第三层3.5～4.0 m。煤层分布较为平缓，开采方法为综合机械化采煤法。由于该煤矿综合机械化采煤技术水平先进合理，作业面较大，向前推进速度快，采煤区地表的塌陷随着作业面的推进将逐步发生，地表塌陷速度较采掘面推进稍慢、规模大，后期地表仍有缓慢塌陷变形，发展将延续1.5～2年;采煤区上部为中等浮土体覆盖，随着采煤作业面的逐步推进，采煤区内各处地表局部将出现大规模的裂缝、倾斜、错台、塌陷，采煤区边缘则会形成一道比较有规则的塌陷错层和地表倾斜带。
3 铁塔基础和塔体改造加固方案
3.1 采煤区110 kV海矿7#/8#/9#铁塔加固改造方案
由于采煤区110 kV海矿7#/8#/9#三基铁塔地基在采煤中和采煤后均将产生不同形式、大规模的下沉、开裂、错台、凹凸和倾斜等，铁塔改造加固后应能克服或者适应这些地基的变形和破坏形式。铁塔除具有制造运输简便、省材适用、组装简单等优势外，结构上应将其作为一种拉压、零轴力杆件组合的受力结构体系，因此，在进行铁塔基础与塔体改造加固时，我们应解决以下问题：（1）采取合适的结构措施，消除塔材之间的相对变形和由此而产生的杆件内部弯矩，尽量使铁塔成为并保持一种不至于发生失稳破坏的拉压（纯受压受拉）结构;（2）为了消除不可预测内力变化或次生弯矩，提高铁塔的安全性，应适当提高塔体的强度和稳定性;（3）在铁塔成为一个拉压结构并提高各局部刚度的同时，每个铁塔体系在外力作用下应在整体上保持稳定。
为此，我们采用本公司“输变电构架连续整体可调基础”的发明专利和“一种可调基础调整装置”实用新型专利技术进行该铁塔的改造加固。具体改造加固设计如下：（1）建立和选择较为符合实际的地质力学计算模型，分析或预测塔基地表的可能变形、错台、倾斜和开裂发展趋势，特别是大小量级。（2）根据本工程现场地质条件、铁塔的地基情况，判别是否需要设置诱导设施。（3）通过分析，选择符合规范要求和实际情况的荷载组合，进行铁塔和基础调整梁/承台梁等的分析、强度分析和变形分析，确定调整梁/承台梁跨度、截面尺寸、配筋、构造等;确定以典型的转角、耐张铁塔作为转角塔基础尺寸设计的代表性塔，以相邻档距最大的直线塔作为直线塔基础改造尺寸选择的典型塔。
为了确保施工期的安全，施工前必须在垂直线路走向、铁塔的适当高度处打拉线对铁塔进行横向保护，拉线一般设置为：（1）与导线走向垂直;（2）与水平地面夹角为45°;（3）拉线基础和连接方式参照线路耐张塔拉线方式;（4）拉线采用？准18～22普通钢绞线;（5）拉线上部尽量设置于铁塔上方的主材上。
3.2 采煤区110 kV海矿7#/8#/9#铁塔实施方案
在东西、南北两个方向各采用两根基础梁，将4个支墩连接为一个井字架基础;在井字架的4个外端用横梁连接井字梁;联系横梁的下部设置封闭长方形承台梁，具体加固设计如下：
（1）进行4个基墩的测量，检测各基墩的不均匀沉降和倾斜，分别单个地开挖、调整不均匀沉降基墩的高度和倾斜，使4个基墩满足设计要求;
（2）开挖基础，采用钢筋加固（或湿包钢的钢板套）和型钢或钢筋砼或混合井字折梁系，将原铁塔4个基墩连为整体基础，每个基墩在井字梁的交叉点上，梁外端下部预制一个整体正方形调整台，井字梁端头各安装一套本公司专利升降设备和一套锁定装置系统;
（3）上部钢塔的4个主角钢，采用角钢四边连接和对角连接加固。
4 可调基础的应用成效
根据以往处理办法及经验，对于因采煤区沉陷严重存在巨大安全隐患的线路杆塔，需要对相关线路杆塔进行整体迁移，迁移至煤田外围，确保线路的长久安全稳定运行。但是受到地形因素及采煤区域范围较大等实际条件限制，往往无法完全避开采煤区域，即使有适合的路径选择也将产生巨额的投资费用。若无法避开采煤区域，需要将铁塔布置在待采区，则需在铁塔位置下方留出足够的煤柱，确保线路安全运行，但这将造成相当储量的煤炭资源浪费，产生上亿元的经济损失，经济性极差。
而可调基础的应用使线路铁塔基础得到了加固，减轻了铁塔及导线受力变形，线路运行正常良好，满足输电线路运行规范和要求;避免了因采煤沉陷造成的导线断线、铁塔倾倒、大面积停电等重大安全事故发生，确保了矿区电网的安全可靠运行;保证了集团本部区域煤矿开采、居民生活的正常进行，对保障集团公司各项工作的顺利开展具有积极意义。
收稿日期：2020-05-06
作者简介：薛明荣（1983—），男，陕西汉中人，电气工程师，研究方向：电气。