作者：张毅宏
煤炭开采引起的地表移动和变形，对高压输电线路的安全造成严重威胁。煤炭开采造成输电线路杆塔倾斜、基础下沉，被迫停运、改线的事件时有发生，也严重影响煤炭企业的生产和安全．目前我国各大矿区几乎所有的煤田上方均有高压输电线通过。随着煤矿开采范围的扩大，在高压输电线路下开采煤炭已成为必然。但是要开采出压覆的煤炭资源，必须确保通过煤矿开采沉陷区高压输电杆塔结构安全和线路安全运行。目前已有学者对大风、冰雪等恶劣环境下输电线路体系安全性评价方法进行了研究，但针对煤矿采动影响区输电线路的安全性评价方法研究鲜见报道。
基于此．本文以某矿区某采区为例，进行了输电线路采动地表变形预计，分析了该采区上输电铁塔的抗变形性能，进行了采区内拟建输电线路的安全性评价，可为今后类似工程提供参考。
1工程概况
某矿区某采区的含煤层平均总厚约280.0 m，共含1 8层。近期计划开采的煤层为3上、3下煤层．3上煤层平均厚度3.29 m，3下煤层平均厚度8.57 m。采厚比为21.8。该矿区厚煤层采用综采放顶煤开采，开采条件好。但本采区高压线路较多．包括马南线、宁高线、宁接线和渔澳线等220 kV线路，还有接南线、宁庄线等110 kV线路。位于采区内的线路总长约10．0 km，大量压占可采储量．严重影响了煤矿企业的正常生产，因此急需对该区高压输电线路进行安全性评估。
2采动区输电线路安全性评价方法
先建立铁塔的计算模型，通过考虑材料非线性和几何非线性的大变形结构分析，获得铁塔在各种典型工况下的基础位移极限值，以折算后的等效地表变形作为铁塔所受地表变形的允许值；再根据输电线路所在的地质条件以及采煤规划情况，对铁塔所处位置的地表变形进行科学的预计，作为实际变形值：最后将铁塔地表变形允许值与地表变形预计值进行对比，判断铁塔的安全状况。
由于各种抗变形基础对于铁塔的整体沉降和整体倾斜均无明显有效影Ⅱ向，且分析时铁塔一般不会由于有限倾斜而发生结构性倒塌，对于整体沉降和整体倾斜主要从输电线路正常运行的角度进行安全性评价．并采取构造措施进行处理。
3输电线路采动地表变形预计
3.1 地表沉陷的变形预计方法及其参数确定
概率积分法是煤矿开采沉陷领域广泛使用的地表沉陷预计模型。多年实践验证表明，采用该方法进行煤矿地下开采的地表沉陷预计精度完全能够达到工程要求。因此，本项目仍采用概率积分法对本采区的地表沉陷情况进行预计。
概率积分法是因其所用的移动和变形预计公式中含有概率积分而得名。概率积分法是应用非连续介质力学中的颗粒体介质力学来研究岩层及地表移动问题，作为随机介质的颗粒体介质．在研究其移动规律时可抽象为图1所示的理论模型。
在图1的理论模型中．假设这些介质颗粒是一些大小相同、质量均一的小球，并被装在大小相同的均匀排列的方格内。若下方一个方格中的小球被移走后，由于重力作用，上层的2个相邻方格中的小球滚入这个方格的概率应均是1／2。由此向上类推，就可以得到图2 a）的颗粒移动概率分布图。选取如图2a）所示的坐标系，则介质内任意一个水平的概率分布可以绘成图2 b)所示的概率分布直方图。若格子和颗粒无限小．则该直方图趋近于一条光滑的曲线。
在上述模型的基础上通过概率积分得出充分采动、走向半无限开采时走向主断面的地表移动和变形的预计公式为
根据上述计算公式，通过计算机编程编制基于概率积分法的地表变形预计系统．将开采情况和预计参数输入计算机，由计算机对地表变形进行预计。
考虑该煤矿的实际地质采矿条件，参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的有关规定，本文采用的概率积分法预计地表移动参数如表l所示。
3.2 地表沉陷的变形预计结果
地表变形的预计结果表明．本采区内6条高压线均受不同程度的采动影响。下沉最大的是鱼澳45号杆塔，其值为6 400 mm;东西方向水平变形最大的是鱼奥39号杆塔、北湖38号杆塔，其值为-8 mm/m：南北方向水平变形最大的是北湖38号、鱼澳39号杆塔，其值为-9 mm/m;东西方向水平移动最大的是鱼澳41号杆塔．其值为-1 900 mm;南北方向水平移动最大的是鱼澳39号杆塔，其值为-1 300 mm;东西方向倾斜变形最大的是北湖40号杆塔、鱼澳41号杆塔、宁高32号杆塔，其值为-15 mm/m;南北方向倾斜变形最大的是鱼澳39号杆塔，其值为-10 mm/m：而东西方向曲率变形最大的是接南37号杆塔、宁高29号杆塔、宁接29号杆塔，其值为0.07 mm/m2：南北方向曲率变形最大的是宁接32号杆塔，其值为-0.035 mm/m2。
4研究区输电铁塔抗变形性能
4.1 塔架模型的建立
以典型输电线路中的1B-JI终端转角塔(110kV，24 m)、IBG-ZM3直线塔(110 kV，33 m)、
2DG-JC1直线塔(220 kV，30 m)和2DG-ZMC3直线塔(220 kV，42 m)等4种高压输电铁塔为计算原型．通过有限元分析．获得各铁塔抵抗典型地表变形的性能。各铁塔的根开和基本计算荷载等基本情况如表2所示，各铁塔的结构简图不再示出。
本文采用通用有限元软件ANSYS完成输电铁塔的模型建立和抗变形计算。计算时，打开程序的大变形选项考虑铁塔结构的几何非线性，通过定义角钢材料为理想的弹塑性材料来考虑材料非线性变形。斜材与主材的连接设为刚节点，辅材与其他杆件的连接设为铰接。交叉斜材之间的连接螺栓．通过耦合交叉节点的空间线位移来等效模拟。最终建立的IB-J1和2DG-JCI铁塔的有限元模拟如图3所示。限于篇幅，其他铁塔的计算模型不冉详细列出。
4.2计算荷载和地表变形的组合工况
4.2.1 荷载和工况
本文分析的多条输电线路上的铁塔有直线塔和转角塔，塔形又分为猫头塔和干字塔。限于篇幅，本文仅以1B-J1干字形输电铁塔为例具体说明计算荷载和计算方法，其他铁塔仅列出最终计算结果。
在对输电铁塔进行分析时．考虑的荷载有风载、覆冰荷载、地震作用及导线与铁塔的自重载荷等，这些荷载由电力设计院提供。由于本文主要分析采动地表变形对上部铁塔结构的影响．对于安装工况和断线工况等事故工况不做分析．而仅考虑铁塔的白重作用工况（仅考虑自重，无冰，无风）、大风工况和覆冰工况等3种正常运行工况与地表变形的组合。正常运行工况的相应气温、风速和覆冰厚度等如表3所示。其中，1B-J1铁塔的导（地）线挂线点处的水平荷载和垂直荷载如表4所示。
在进行有限元分析时，考虑的地表变形条件有地表水平拉伸、水平压缩、倾斜变形，并分别与铁塔的正常运行工况进行组合。其中气温最低主要考虑结构和导（地）线的白重，故将其与地表变形的组合工况成为单独地表变形工况（共计11种），如表5所示。而将风速最大和覆冰与地表变形的共同作用称为复合地表变形工况（共计29种），限于篇幅不再示出。
4.2.2荷载和地表变形的施加
在进行具体计算时，将上述导线、金具和地线的荷载直接施加在有限元模型的相应节点处．而地表变形通过对铁塔4个支座施加相应的水平和竖向线位移来模型地表变形的情况。
4.3数值计算方法
4.3.1 失效准则
本文在分析巾．以铁塔模型发生下述3种情况之一为结构破坏的标志：(l)宽面、窄面内交叉斜材发生失稳破坏（未发现主材失稳的情况）：(2)主材发生全截面屈服：(3)结构位移（主要指倾斜）超出《架空送电线路运行规程》的限值。
4.3.2计算步骤
在使用ANSYS软件对铁塔进行破坏形态研究时，按照以下步骤进行：(1)进行铁塔在正常运行工况的结构分析，得到各杆件的应力状态；(2)对塔架支座施加位移，进行结构分析；(3)如果拉杆塑性变形达到预设值则停止计算．取前一次位移和破坏形态为最终结果：(4)当压杆失稳时，考虑压杆屈曲后残余强度．对铁塔的整体刚度进行修正，然后继续计算，、
4.4输电铁塔抗变形能力分析
通过前述建模和分析方法，考虑铁塔处于单独地表变形和复合地表变形作用下．并考虑采动盆地移动方向与线路的相互关系．逐步增大地表变形．直到输电铁塔结构发生局部失稳破坏或整体失稳破坏．得到输电铁塔基础不均匀沉降和根开变化的最大限值。然后，将根开变化允许值和不均匀沉降值等效转化为地表变形值．如表6所示。限于篇幅，这里仅列出各铁塔抗地表变形的下限值。表6中各铁塔的最大倾斜变形值取的是本文计算值与DL/T 741-2010《架空输电线路运行规程》规定限值的较小值。
5研究区输电线路安全性评价
根据前述分析结果，该矿区全采后各铁塔所在处的地表变形值作为预计值（实际值）．将计算所得输电铁塔破坏时的根开变化、单支座下沉值和倾斜变形限值等效换算为相应的地表变形作为地表变形允许值。再将二者进行对比，进行输电线路的安全性评价．各铁塔的地表变形预计值和允许值以及安全性评价结果如表7所示。
从表7的比较表明．该采区煤炭开采所产生的地表变形对典型输电铁塔安全性有重要的不利影响。按照整个线路最不利的地表变形进行安全性评估，4种铁塔的倾斜变形均超出了文献规定的限值，而1B-J1铁塔的水平压缩变形值也达到了铁塔本身的抗变形性能限值．其他的一些指标也与铁塔抗变形限值比较接近，这说明采煤地表变形已经对铁塔结构形成了严重的威胁．结构安全性没有保障。特别是输电铁塔整体下沉过大．而该矿区所处环境地下水位过高，严重影响输电铁塔的正常使用及安全运行。因此，为保证该采区上方的输电铁塔的安全可靠性．有必要对输电线路进行改线．将铁塔建设在地表变形综合影响较小的位置．
6结论和建议
(l)针对研究区的高压输电线路下采煤方案，采用矿山开采沉陷学理论对该采区的地表沉陷进行了分析，得到了输电线路下地表变形的预计值。
(2)采用有限元技术，对某采区输电铁塔在单独地表变形和复合地表变形工况作用下的抗变形性能进行了系统分析．获得了各铁塔抵抗地表变形的根开变化允许限值．为该采区输电铁塔安全性评价奠定了基础。
(3)根据地表变形预计值和输电铁塔抗变形性能分析的变形允许值的分析结果．对该采区上输电铁塔的铁塔安全性进行了评价。结果表明，现有采煤设计方案，不能保证输电线路的安全运行．有必要对输电线路进行改线，将铁塔建设在地表变形综合影响较小的位置。
7摘要：
采空区塌陷严重影响输电线路的安全运行，开展煤矿采动区输电线路的安全性评估具有重要意义。以某矿某采区为例，依据开采沉陷学理论进行了输电线路下采动地表变形的预计；考虑不同的变形工况和荷载组合．采用有限元方法，得到了典型输电铁塔的抗变形性能；在此基础上，进行了输电线路的安全性评价．提出r该煤矿采动区高压输电线路的处理方案，可为今后类似工程提供参考。
