（内蒙古电力勘测设计院有限责任公司 内蒙古呼和浩特 010020）
摘要：地下开采引起的地面塌陷会给建筑物与人民生活带来了直接危害。对于开采沉陷地区的电力工程特别是输电线路工程，由于路径原因，部分杆塔不能有效避开采沉陷区，为保障开采区附近建筑物、输电线路、电网的安全运行，开展开采沉陷区对建筑物的影响预测研究，具有重要的意义和应用价值。本文从开采沉陷的基本理论出发、运用概率积分法对开采沉陷区某工程的地表移动和变形进行了预测，同时编制相应Excel程序，经对比验证，效果较好。
关键词：开采沉陷；概率积分；变形
Prediction Analysis of Mining Subsidence Based on Excel
Chen Wen-bo
Inner Mongolia Electric Power Survey & Design Institute Co.，Ltd，Inner Mongolia，Hohhot 010020
Abstract：The ground collapse caused by underground mining will directly endanger the buildings and people's livelihood.For electric power projects in mining subsidence areas especially transmission line projects，due to the path reasons，partial towers can’t effectively avoid mining subsidence area。In order to ensure the safe operation of buildings and transmission lines and power grids near the mining area，it is of great significance and practical value to carry out the prediction research of influence of mining subsidence area on buildings.This paper starts from the basic theory of mining subsidence and uses the probability integral method to predict the surface movement and deformation of a project in the mining subsidence area.At the same time，the corresponding Excel program is compiled，and the result is better by comparison.
Keywords：mining subsidence；probability integral；deformation
1 概述
开采沉陷区是指地下矿产被采出后留下的空洞区。地下开采对地表的影响主要是垂直方向的移动和变形（沉降、倾斜、曲率）与水平方向的移动和变形（水平移动、拉伸和压缩）。受地表沉陷的影响，附近建筑物基础可能发生下沉、倾斜、移位、扭曲等破坏；对输变电杆塔来说可能使杆塔的根开和各塔腿高差发生变化，塔体结构产生较大的附加应力，并可能导致导线对地距离、电气间歇等产生变化，直接威胁铁塔安全及整个线路的稳定运行。地表沉陷程度与覆岩的性质、产状、埋深、开采规模、开采方法以及顶板管理方法等有关。
2 采空区地基变形预测
2.1 地表移动变预计模型
常用的预计方法有：概率积分法、典型曲线法、负指数函数法和数值计算方法等。《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB51044-2014）中规定“地表移动变形宜采用概率积分法”。
概率积分法是我国的刘宝琛和廖国华等多位学者在影响函数法和随机介质理论的基础上提出的一种比较实用的开采沉陷预计方法。其基本思想是将岩体看作为随机介质，把地表的移动变形看作随机事件且服从统计规律，把整个区域分解成无限个微小单元，根据叠加原理看作开采对地表的影响等于采区内开采各个微小单元对地表的影响之和来计算整个开采引起的地表及岩层变形。
地表任一点的移动变形关系式为：
下沉：
式中：Wmax—地表充分采动时最大下沉角；Umax—地表充分采动时最大水平移动值；r—主要影响半径；θ0—主要影响传播角；D—开采区域；x，y—计算点的相对坐标（考虑了拐点偏移距）。显然，地表任意点的移动变形与该点与采动区的相对位置有关。
2.2移动变形最大值模型
近水平及倾斜煤层充分开采时地表最大移动变形量的计算模型：
式中：M—采厚；x0—最大值的所在位置的横坐标；H—采深；α—煤层倾角；q—下沉系数；b—水平移动系数；tanβ—主要影响角正切；r—主要影响半径；
3 工程实例
某输电线路由于路径原因需穿越采空区，经调查与收集井田的资料，该井田煤层为4层，其中最主要的是2号煤层平均埋深约214m，煤层平均厚度为2.3m，煤层倾角 0.5°，为近水平煤层。矿井首采201 盘区的工作面（390m×240m）位于该井田的东南，开采工作面沿煤层倾向方向推进，采用一次采全高分层采煤法。开采方式根据实际地质情况选择倾斜长臂式全部垮落法开采。线路走向与采空区走向夹角为120°，且37#塔位距开采左边界285m，下边界162m。该煤田主要工作面参数如表1所示。
该煤田工作面主要参数表 表1
概率积分计算结果 表2
3.1 Excel程序计算结果
为预测该杆塔建成后的地表移动与变形情况，我们利用概率积分法对其进行了分析。考虑到概率积分计算较冗繁，会有重积分计算过程，往往计算工作量较大，而Excel编程充分利用Excel完备的计算功能，通过定义名称、输入计算公式、插入工作表函数、图表等操作，完成一系列庞大的信息处理。下表为通过excel编制的概率积分计算开采沉陷程序界面及本工程计算结果，该程序通过输入工作面主要参数，利用excel自带的函数公式及部分简单的编程即可实现。
为验算程序的正确性，本工程经MSCS（矿区开采沉陷预计系统）系统软件计算，MSCS计算结果：该电力杆塔中心处地表塌陷值为1379mm；倾斜值为-4.53mm/m；曲率为-0.17mm/m2；水平变形为-5.6mm/m；水平移动为-150mm；本程序与MSCS计算结果较为接近，其误差来源主要在于分析的步长与内插值的精度取值不同所致。
3.2 图形输出
经该程序计算的下沉、倾斜、曲率、水平移动与水平变形值的数据，通过第三方绘图软件可以直观地输出等值线图、三维图及矢量图等，图形简洁明了。
（1）曲线图
图1 走向主断面方向下沉、倾斜、曲率
图2 走向主断面方向水平移动、水平变形
从图中可以看出，倾斜值最大处在下沉曲线的拐点处。同时下沉曲线最大区域其水平移动值为零。
（2）等值线图
图3 走向主断面沉陷值等值线图
图4 走向主断面水平移动等值线图
图5 倾向主断面沉陷值等值线图
图6 倾向主断面水平移动等值线图
由该图可以看出，不论走向还是倾向主断面，在靠近开采区域中心位置处沉陷值最大。同时开采区域中心区域位置处水平移动接近零，这也说明该工作面在走向与倾向方向已充分采动。
（3）三维图与矢量图
图7 走向主断面沉陷值三维图
图8 走向主断面水平移动矢量图
4结论
（1）本文运用概率积分法对某开采沉陷区线路杆塔的移动与变形情况进行了预测，并编制了相应的Excel计算程序，该程序与相关软件计算结果进行了对比分析，结果表明，本程序具较好的适用性。由于在Excel界面下开发，过程简单明了，同时可供各级工程人员在该界面下进行编辑、补充。
（2）概率积分法是基于水平、均质介质特征建立的预测模型，因此对水平煤层、缓倾斜煤层应用效果较好，对于急倾斜煤层应用效果不佳。
参考文献：
[1]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社.2000
[2]GB51044-2014，煤矿采空区岩土工程勘察规范[S]
[3]工程地质手册编委会.工程地质手册（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2007
作者简介：
陈文波（1982—），男，汉，内蒙古呼和浩特人，本科生，中级工程师，目前从事岩土工程勘察设计与研究工作。
论文作者:陈文波
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
标签：地表论文; 煤层论文; 水平论文; 断面论文; 概率论文; 杆塔论文; 积分论文; 《电力设备》2017年第34期论文;