高耸构筑物采动变形理论与保护

第1章 绪论 煤炭在我国一次能源消耗中占 60%左右，预计在 2050年以前，我国主体能源结构仍将以煤炭为主，我国煤炭产量和消费量均超过世界的 1/3。图1-1为我国 2008～2020年煤炭产量 [1]。但煤炭开采将引起覆岩、地表与地表建 (构)筑物的破坏，以常见的长壁开采工作面为例，岩层移动稳定后，按其破坏的严重程度，自下而上大致可分为垮落带、裂缝带和弯曲下沉带，在地表形成下沉盆地，进而影响地表建 (构)筑物安全 [2，3]，如图1-2所示。煤炭开采引起的地表沉陷及环境灾害问题，不仅破坏了矿区生态环境，而且已经对地表建 (构)筑物造成了严重损害 [4-7]，如图1-3所示。 地表沉陷将引起地表建(构)筑物损坏，不同类型建(构)筑物的损坏特征不同。其中，地表高耸构筑物指的是高度较大、基础面积较小的结构，以水平荷载 (特别是风荷载)为结构设计的主要依据，根据其结构形式可分为自立式塔式结构和拉线式桅式结构，所以高耸结构也称塔桅结构，主要包括高压输电线路铁塔、广播电视信号铁塔、烟囱等[8-14]，如图1-4所示。 这些高耸构筑物的结构、材料、高度等与一般建 (构)筑物(房屋、桥梁、铁路等)不同，对地表移动和变形值的响应及敏感性有其特殊性，因此高耸构筑物采动损坏特征具有显著的特殊性[15]。其中，高压输电线路是由导线、铁塔、基础以及附属连接件等组成的连续、耦合的空间体系结构。目前我国各大矿区几乎所有的煤矿井田上方均有高压输电线路通过，如兖州矿区南屯煤矿、济宁二号煤矿， 图1-1 我国 2008～2020年煤炭产量 图1-2 长壁开采工作面岩层与地表移动剖面示意图 图1-3 煤炭开采引起的地表建(构)筑物损坏、地表沉陷、地裂缝照片 图1-4 地表高耸构筑物照片 高压输电线路压占 2189万 t可采储量；晋煤集团寺河煤矿井田内有我国首条 1000kV晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程经过，压煤量共 3078万 t[16，17]。由于高压输电线路分布的特殊性，尤其是高压输电线路铁塔对开采引起的地表移动变形敏感性，高压输电线路的安全性显得十分重要。若为高压输电线路铁塔留设保护煤柱，会损失大量的煤炭资源，并严重影响煤矿井下开拓开采布局。而采取搬迁高压输电线路 (改线)措施，不仅投资大、涉及面广、实施难度大，而且存在新路径选择困难、重复压煤、周期长等复杂问题[18，19]。 因此，高耸构筑物下采煤问题、高耸构筑物采动损害与保护问题日益突出。高耸构筑物采动典型特征与保护关键技术是其变形控制和安全性评价的理论和技术基础。因此，深入研究采动影响下高耸构筑物与基础、地基协同变形理论，采动影响下高耸构筑物损坏特征，以及高耸构筑物下采煤保护关键技术，对提高煤炭资源采出率、预防或减轻高耸构筑物采动损害、丰富和发展现有采动区建 (构)筑物保护理论等具有重要实际意义。 在保证地面建 (构)筑物安全的前提下，昀大限度地开采煤炭资源是开采沉陷学科目前面临的主要问题。随着采矿科学技术、测绘科学技术的发展，目前已掌握了一般地质采矿条件下煤矿岩层与地表移动的基本规律，获得了地表移动变形与地质采矿因素的关系，建立了地表移动和变形预测理论、预测参数及建 (构)筑物保护煤柱设计理论，研究了“三下”采煤技术、开采引起的地质灾害及治理等。高压输电线路铁塔是高压输电线路上昀重要的设施，属于高耸构筑物，同时它的移动变形要受到基础和高压线的约束。国外对高压输电线路铁塔下压煤开采理论的研究相对较少，美国弗吉尼亚州 Island Creek煤炭公司进行过一例高压输电线路铁塔下采煤的工程实例，采用注浆充填采空区控制地表沉陷和变形 [3]；有学者研究了钢结构高压输电线路铁塔对地表移动的响应情况；澳大利亚已将高压输电线路铁塔作为地表重要特征物之一，对其采动影响情况进行了调查与分析。我国主要侧重于对地表沉陷和变形控制、高压输电线路铁塔的监测和维修措施的研究。国内外研究现状如下。 1.1 地表沉陷控制 建(构)筑物下采煤问题的关键是控制地表移动和变形。国外如波兰曾在塔型构筑物(如烟囱、铁塔等 )下开采时，采用对称背向开采，使构筑物处于下沉盆地中央，不承受拉伸变形和倾斜。波兰井下开采措施主要有密实水砂充填、部分开采、顺序开采、分期开采、协调开采等。德国通过地面注浆充填冒落矸石空洞以减小地表沉陷，充填物为工业废物，达到双重保护的目的。我国经过多年的研究和实践，控制地表沉陷的方法主要有部分开采 (条带开采、房柱式开采、限厚开采等 )、充填开采 (膏体充填、矸石充填等 )、覆岩离层注浆和协调开采等[20-26]。这些方法也是钱鸣高院士科学采矿和“绿色开采技术”体系中的重要技术措施 [22，27]。 1.2 煤矿采动对高耸构筑物的影响 研究表明开采引起的下沉、倾斜和水平移动对高耸构筑物有明显影响 [28，29]。以高压输电线路铁塔为例，在地表移动变形作用下，高压输电线路的铁塔、基础、导线都会发生变形。成枢等针对济三煤矿 43012工作面上部高压输电线路铁塔的变形，得出地表倾斜与高压线杆倾斜之间的定量关系式[30]；李逢春等分析了地表移动变形对高压输电线路的影响，基于抛物线模型导出了开采影响下高压输电线路近地距离的计算方法[31]；舒兴平等采用有限元法分析了某铁塔倒塌事故中铁塔的受力性能[32]；沈炜良等对高压输电线路铁塔进行了静动态有限元分析 [33]。 我国学者进行了一些高耸构筑物的实测和理论研究工作，获得了一些成果。邓喀中等研究了采动区建筑物地基、基础协同作用及其对建筑物附加作用力的影响[34，35]；何荣和陈进景分析了开采影响区内烟囱变形特征，并进行了变形监测 [36]；夏军武等建立了采动区地基、基础、框架结构共同作用理论计算模型，分析了采动过程中上部结构的变形、内力等变化规律，推导出采动区建筑物移动变形和附加作用力的计算公式，为采动区上方框架结构建筑物的保护、加固和设计提供了理论计算依据 [37，38]；阎跃观等针对采动区内高压输电线路铁塔进行了首采面开切眼优化设计，并进行了地表监测 [39，40]；郭文兵等研究了地表倾斜变形对高压输电线路铁塔的影响[15]。 1.3 高耸构筑物下采煤实践及保护技术 开采引起的地表移动变形具有连续、渐变的特点。因此，在高耸构筑物下采煤时，可以通过及时维修、调整等措施将高耸构筑物的各项指标控制在允许范围内，确保高耸构筑物的安全运行。以高压输电线路铁塔为例，我国在许多矿区已实现了薄及中厚煤层或厚煤层分层开采条件下的高压输电线路铁塔下采煤，见表 1-1。 表1-1 我国高压输电线路铁塔下采煤实例 如阳泉矿区在 20世纪 80年代曾在 110kV高压输电线路铁塔下进行了开采实验，采用井下分层冒落开采和地面维修等手段，保证了铁塔的安全。兖州矿区南屯煤矿、济宁三号煤矿等已从多条高压输电线路下采出煤炭 669.2万 t，保证了高压输电线路的安全运行和采掘工作面的正常接替，积累了宝贵的实践经验和理论数据。张联军和王宇伟采取限厚开采等措施，并通过建立观测站来观测高压输电线路铁塔受下采煤的影响 [41]；张文等通过对龙口洼里煤矿 220kV高压输电线路的监测，初步提出了铁塔的移动规律，采取了降低采高、均匀推进、使铁塔受力均匀等措施 [42]；刘文生采用覆岩离层注浆技术对济宁二号煤矿 4302工作面上的地面 110kV高压输电线路进行保护试验研究 [43]，结果表明覆岩离层注浆充填后地表减沉效果明显，高压输电线路正常运行；郭文兵和郑彬采取适当限厚、匀速开采且现场加强监测等措施成功地将放顶煤开采工作面推过了 220kV高压输电线路铁塔 [13]。 与普通建(构)筑物相比，高压输电线路铁塔基础面积相对不大、单塔占地面积较小、承受动荷载能力强、允许变形量大。因此对高压输电线路进行维修是高压输电线路铁塔下采煤的主要技术之一。张建强等提出可调整“井”字钢梁基墩架构改造加固技术对塔基进行加固处理 [44，45]；史振华分析了位于采空区不同位置的铁塔基础变化形式，并提出将分裂基础变成联合基础，以及带电升高铁塔等措施。在现场变形监测方面，可以采用高压输电线路铁塔倾斜监测系统获取铁塔在顺线路和横线路方向的倾斜数据[46]。 第2章 高耸构筑物采动变形特征 2.1 采动地表移动与变形规律 2.1.1 地表移动盆地的形成 地表移动盆地是在工作面的推进过程中逐渐形成的。如图2-1所示，一般是当回采工作面自开切眼开始向前推进的距离相当于采深的 1/4～1/2时，开采影响波及地表，引起地表下沉。然后，随着工作面继续向前推进，采空区面积增大，地表的影响范围不断扩大，下沉值不断增加，下沉盆地也逐渐扩大。当采空区达到一定程度时，达到昀大下沉值，形成一个平底的下沉盆地。当工作面停止推进以后，地表的移动不会马上停止，要延续一段时间，然后才能稳定，形成昀终的地表移动盆地，此时的盆地又称静态移动盆地。 图2-1 地表移动盆地的形成过程 1、2、3、4为工作面推进的位置；w1、w4和 w04为下沉曲线；H0为开采深度 2.1.2 地表移动盆地内移动变形指标 经常描述地表移动盆地内移动和变形的五项指标分别为下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形。其中，下沉、倾斜和曲率是属于垂直方向上的移动和变形，水平移动和水平变形 (包括拉伸变形与压缩变形 )是属于水平方向上的移动和变形。实测表明，地表点的移动轨迹取决于地表点在时间和空间上与工作面的相对位置关系。如图2-2所示，一个点的移动向量可以分解为垂直分量和水平分量。垂直分量称为下沉，水平分量称为水平移动。沿断面的水平移动称为纵向水平移动，