本發(fā)明屬于架空輸電線路防災(zāi)設(shè)計和保護(hù)領(lǐng)域，涉及一種架空輸電線路煤礦采空區(qū)等效采厚比的計算方法及裝置。
背景技術(shù)：
輸電鐵塔對開采引起的地表移動變形極為敏感，地下煤層的開采會引起地表的移動和變形，高壓輸電線路的安全性將受到極大影響。然而如何評價采空區(qū)地表變形對上部新建的輸電線路的影響程度，一直是國內(nèi)外尚未完全解決的難題。
目前，國內(nèi)外學(xué)者一般通過傳統(tǒng)采厚比的大小，也就是煤層的埋藏深度與其開采厚度的比值的大小，對地表變形的影響程度進(jìn)行劃分，并根據(jù)劃分的等級提出是否適宜立塔及采取結(jié)構(gòu)措施的建議。然而，由于不同地區(qū)上覆巖土層的厚度及性質(zhì)都存在顯著的區(qū)別，簡單的用煤層的埋藏深度與其厚度的比值判斷采空區(qū)的地表變形程度，缺乏理論依據(jù)。同一個采厚比的數(shù)值，可能對應(yīng)完全不同的地質(zhì)情況，無法反映實(shí)際地表變形的嚴(yán)重程度，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的判斷錯誤。因此，依據(jù)傳統(tǒng)的采厚比來評估采空區(qū)地表變形對地表輸電線路的影響程度，進(jìn)行煤礦采空區(qū)架空輸電線路的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行技術(shù)方案的確定，存在嚴(yán)重的安全隱患。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種架空輸電線路煤礦采空區(qū)等效采厚比的計算方法及裝置，該方法計算理論依據(jù)充分，考慮全面，結(jié)果可靠，能夠合理考慮上覆巖土層的厚度及性質(zhì)對地表變形的影響程度，能夠準(zhǔn)確地反映出實(shí)際地表變形的嚴(yán)重程度，能夠有利于對輸電線路途經(jīng)的采空區(qū)的地表變形的危險性進(jìn)行評價，能夠有助于煤礦采空區(qū)架空輸電線路合理的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行技術(shù)方案的確定，對保證輸電線路的安全具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值，該裝置能快速準(zhǔn)確地計算出煤礦采空區(qū)的采厚比，能反映出實(shí)際地表變形的嚴(yán)重程度。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種架空輸電線路煤礦采空區(qū)等效采厚比的計算方法，包括以下步驟：
步驟一：根據(jù)上覆巖土層的性質(zhì)和厚度，計算采空區(qū)上方的各個巖土分層的等效厚度；
步驟二：將上覆巖土層各分層的等效厚度進(jìn)行累加求和，求得上覆巖土層對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的等效總厚度；
步驟三：根據(jù)煤層的開采厚度和上覆巖土層的等效總厚度，計算采空區(qū)的等效采厚比。
作為一種優(yōu)選，所述步驟一中采空區(qū)上方的各個巖土分層的等效厚度的計算公式為：
其中：Qk為上覆巖土層中被選擇作為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的巖土層的巖性評價系數(shù)；
Qi為上覆巖土層中第i層巖土層的巖性評價系數(shù)；
hi為上覆巖土層中第i層巖土層的巖層厚度。
作為一種優(yōu)選，所述步驟二中上覆巖土層對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的等效總厚度的計算公式為：
作為一種優(yōu)選，所述步驟三中采空區(qū)等效采厚比的計算公式為：
其中：B為煤層開采的厚度。
作為一種優(yōu)選，所述步驟一中選擇上覆巖土層中的黃土作為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)，黃土的巖性評價系數(shù)為1.0。
進(jìn)一步包括，以黃土作為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)計算得到的采空區(qū)等效采厚比分別位于和的范圍內(nèi)時，表示地表變形對于輸電線路的影響程度分別處于嚴(yán)重、中等和輕微三個等級。
當(dāng)?shù)刃Р珊癖鹊挠嬎憬Y(jié)果表明地表變形對輸電線路的影響程度屬于嚴(yán)重時，該采空區(qū)不應(yīng)進(jìn)行輸電線路的建設(shè)；當(dāng)?shù)乇碜冃螌旊娋€路的影響程度屬于中等時，在該采空區(qū)進(jìn)行輸電線路建設(shè)時，應(yīng)采取結(jié)構(gòu)和構(gòu)造抗變形措施；當(dāng)?shù)乇碜冃螌旊娋€路的影響程度屬于輕微時，在該采空區(qū)進(jìn)行輸電線路的建設(shè)時，可不采取特殊措施。
作為一種優(yōu)選，采取結(jié)構(gòu)和構(gòu)造抗變形的措施具體指：提高巡線頻率、進(jìn)行輸電線路的在線變形和位移監(jiān)測。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種架空輸電線路煤礦采空區(qū)等效采厚比的計算裝置，包括：
等效厚度計算模塊，用于根據(jù)上覆巖土層的性質(zhì)和厚度，計算采空區(qū)上方的各個巖土分層的等效厚度；
等效總厚度計算模塊，用于將上覆巖土層各分層的等效厚度進(jìn)行累加求和，求得上覆巖土層對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的等效總厚度；
等效采厚比計算模塊，用于根據(jù)煤層的開采厚度和上覆巖土層的等效總厚度，計算采空區(qū)的等效采厚比。
進(jìn)一步地，所述裝置進(jìn)一步包括：
輸出模塊，用于當(dāng)以黃土作為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)計算得到的采空區(qū)等效采厚比時，輸出該采空區(qū)不適合建設(shè)輸電線路的結(jié)論；當(dāng)時，輸出該采空區(qū)輸電線路建設(shè)時需采取結(jié)構(gòu)和構(gòu)造抗變形措施的結(jié)論；當(dāng)時，輸出在該采空區(qū)適合建設(shè)輸電線路的結(jié)論。
本發(fā)明基于采空區(qū)巖層地質(zhì)資料，以煤礦采空區(qū)常見的黃土為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)，以巖性評價系數(shù)為換算依據(jù)，首先將采空區(qū)上覆巖土層中的不同巖土層的實(shí)際厚度換算為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的等效厚度，然后將采空區(qū)上方巖土層的等效厚度進(jìn)行累加求和獲得采空區(qū)上覆巖土層的等效總厚度，也就是開采煤層的等效深度，接著將上覆巖土層等效總厚度除以采煤厚度，從而得到了該采空區(qū)的等效采厚比。在此基礎(chǔ)上，以黃土為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)，提出了評價輸電線路途徑采空區(qū)的地表變形嚴(yán)重程度的判斷指標(biāo)。該計算方法，其計算理論依據(jù)充分，考慮全面，結(jié)果可靠，使用方便，計算結(jié)果更為貼合工程設(shè)計的要求，能夠合理考慮上覆巖土層的厚度及性質(zhì)對地表變形的影響程度，能夠準(zhǔn)確地反映出實(shí)際地表變形的嚴(yán)重程度，便于推廣應(yīng)用，具有廣泛的適用性。該方法還能夠有利于對輸電線路途經(jīng)的采空區(qū)的地表變形的危險性進(jìn)行評價，能夠有助于煤礦采空區(qū)架空輸電線路合理的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行技術(shù)方案的確定，對保證輸電線路的安全具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值。該裝置能快速準(zhǔn)確地計算出煤礦采空區(qū)的采厚比，能反映出實(shí)際地表變形的嚴(yán)重程度。
具體實(shí)施方式
下面對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
上覆巖土層的性質(zhì)對地表的移動和變形具有重要的影響，亦即在考慮采厚比對架空輸電線路地表的穩(wěn)定性的影響時，必須考慮上覆巖土層的厚度及性質(zhì)。所以，本發(fā)明將不同性質(zhì)的上覆巖土層折算為某種作為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的土層或巖層，將目前所稱的采厚比，換算為統(tǒng)一的采厚比，即等效采厚比，更能夠反應(yīng)采空區(qū)地質(zhì)條件對地表變形的影響程度，以此作為架空輸電線路的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行技術(shù)方案的確定的重要依據(jù)。
一種架空輸電線路煤礦采空區(qū)等效采厚比的計算方法，包括以下步驟：
步驟一：計算采空區(qū)上方的各個巖土分層的等效厚度其計算公式為：
其中：Qk為上覆巖土層中被選擇作為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的巖土層的巖性評價系數(shù)，在實(shí)際計算時，選擇黃土為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)，其巖性評價系數(shù)為1.0；
Qi為上覆巖土層中第i層巖土層的巖性評價系數(shù)；
hi為上覆巖土層中第i層巖土層的巖層厚度，單位為m；
為上覆巖土層中第i層巖土層折算為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)后的等效厚度，單位為m；
表1：分層巖性評價系數(shù)
步驟二：將上覆巖土層各分層的等效厚度進(jìn)行累加求和，求得上覆巖土層對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的等效總厚度，其計算公式為：
其中：為采空區(qū)上覆巖土層相對于標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的等效總厚度，單位為m；
步驟三：根據(jù)煤層的開采厚度和上覆巖土層的等效總厚度，計算采空區(qū)的等效采厚比，其計算公式為：
其中：為采空區(qū)等效采厚比；
B為煤層開采的厚度，單位為m。
以黃土作為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)計算得到的采空區(qū)等效采厚比分別位于和的范圍內(nèi)時，表示地表變形對于輸電線路的影響程度分別處于嚴(yán)重、中等和輕微三個等級。
當(dāng)?shù)刃Р珊癖鹊挠嬎憬Y(jié)果表明地表變形對輸電線路的影響程度屬于嚴(yán)重時，該采空區(qū)不應(yīng)進(jìn)行輸電線路的建設(shè)；當(dāng)?shù)乇碜冃螌旊娋€路的影響程度屬于中等時，在該采空區(qū)進(jìn)行輸電線路建設(shè)時，應(yīng)采取必要的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造抗變形措施，提高巡線頻率，有條件的應(yīng)進(jìn)行輸電線路的在線變形和位移監(jiān)測；當(dāng)?shù)乇碜冃螌旊娋€路的影響程度屬于輕微時，在該采空區(qū)進(jìn)行輸電線路的建設(shè)時，可不采取特殊措施。
本發(fā)明提出了一種能夠合理考慮上覆巖土層的厚度及性質(zhì)對地表變形的影響程度的等效采厚比的計算方法，并可以據(jù)此對輸電線路途經(jīng)的采空區(qū)的地表變形的危險性進(jìn)行評價，以確定架空輸電線路的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行技術(shù)方案，對保證輸電線路的安全具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值。
下面舉具體實(shí)例對本發(fā)明所述的計算方法的具體操作步驟進(jìn)行說明：
實(shí)施例1：某采空區(qū)采煤工作面的上覆巖土層的基本賦存情況如表1所示，開采煤層厚度為11.0m?，F(xiàn)需要通過計算該處的等效采厚比，評價對輸電線路的影響程度，并提出是否能在此處建設(shè)線路的建議。
表2：上覆巖土層各分層參數(shù)
1.計算采空區(qū)上方各巖土層的等效厚度
以黃土作為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)，將上覆巖土層的各層巖土層的實(shí)際厚度換算為對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的等效厚度。
將表2中各分層的實(shí)際厚度、巖性系數(shù)參數(shù)代入式計算得到各層的等效厚度如表3所示。
2.計算上覆巖土層的等效總厚度
將求得的各層等效厚度從地表向下逐層累加，由式求得采空區(qū)上方所有巖土層的累積等效總厚度如表3所示。
由表3可見，該處位置的采空區(qū)上覆巖土層的實(shí)際總厚度為333.5m，而對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)黃土的等效總厚度為401.8m。
表3：各分層相對黃土等效厚度
3.計算采空區(qū)等效采厚比
按照本發(fā)明專利的方法，由式計算該處位置的采空區(qū)等效采厚比
與之對應(yīng)的，如果用傳統(tǒng)的計算方法，則該采空區(qū)以各巖土層實(shí)際厚度計算得到的采厚比應(yīng)為已超出允許建設(shè)輸電線路的安全范圍。
4.進(jìn)行該采空區(qū)地表變形對輸電線路的影響程度的評價
由上述計算結(jié)果可知，按照本發(fā)明專利的計算方法，其等效采厚比為35.6，介于采厚比為35和120之間的范圍內(nèi)。據(jù)此判斷，其地表變形屬于一般影響程度，可以在該處建設(shè)輸電鐵塔，但是應(yīng)采取必要的抗變形結(jié)構(gòu)和技術(shù)措施。
上述算例的計算表明，采用本發(fā)明的相關(guān)計算方法，可以方便的計算得到各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的采空區(qū)采厚比值，其計算過程簡單，便于理解掌握。特別是，本發(fā)明將各種巖土層都簡化為一種標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)，便于不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件下的采空區(qū)相關(guān)地表沉陷觀測數(shù)據(jù)的綜合對比分析和相關(guān)輸電線路規(guī)劃、設(shè)計和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的對比、總結(jié)和推廣應(yīng)用，為解決目前采空區(qū)線路設(shè)計中許多經(jīng)驗(yàn)難以上升到統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的難題，提高采空區(qū)輸電線路的規(guī)劃、設(shè)計和運(yùn)行的科學(xué)技術(shù)水平，提供了一種有效的研究分析手段和方法。
典型采空區(qū)的上覆巖層，主要是由黃土、砂巖、粉土等代表性巖石或土體組成的。申請人采用FLAC 3D有限元軟件，建立了大量典型采空區(qū)巖土體的沉陷分析模型，分析在地下煤層開采后地表達(dá)下沉值、下沉率、傾斜值等主要的地表變形指標(biāo)。研究表明，以黃土作為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)，當(dāng)上覆巖層的等效采厚比小于35時，地表變形多呈現(xiàn)出非連續(xù)性的特征，沉陷率較大，采空區(qū)和非采空區(qū)的邊界位置容易出現(xiàn)沉陷斷層，這說明，當(dāng)?shù)刃Р珊癖刃∮?5時，地表變形劇烈，屬于危險地段，應(yīng)避免在此處建設(shè)輸電鐵塔；當(dāng)上覆巖層的等效采厚比大于120時，采空區(qū)上方的地表變形的程度很小，采空區(qū)區(qū)域邊界附近的地表也沒有明顯不利的地表變形，這說明當(dāng)?shù)刃Р珊癖却笥?20時，采空區(qū)的地表變形不會對輸電鐵塔的安全造成嚴(yán)重影響，可以正常建設(shè)輸電鐵塔；當(dāng)上覆巖層的等效采厚比時，采空區(qū)發(fā)生一定的下沉、傾斜等變形，但地表變形呈現(xiàn)出良好的連續(xù)性，且下沉率也較小，采空區(qū)周邊地表受到的影響也很小，沒有發(fā)生階梯性的突然性地表破壞，此時，只要采取一定的措施，比如設(shè)置底部復(fù)合防護(hù)板基礎(chǔ)、加長地腳螺栓和配套的糾偏扶正措施等，就可以有效的解決地表開裂、地表下沉和地表傾斜給鐵塔帶來的不利影響，因此，當(dāng)上覆巖層的等效采厚比時，在采空區(qū)上方架設(shè)輸電線路是可行的，但應(yīng)該結(jié)合具體的地形條件做好配套的結(jié)構(gòu)和技術(shù)措施，進(jìn)一步提高輸電鐵塔的安全性。
基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種架空輸電線路煤礦采空區(qū)等效采厚比的計算裝置，包括：
等效厚度計算模塊，用于根據(jù)上覆巖土層的性質(zhì)和厚度，計算采空區(qū)上方的各個巖土分層的等效厚度；
等效總厚度計算模塊，用于將上覆巖土層各分層的等效厚度進(jìn)行累加求和，求得上覆巖土層對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的等效總厚度；
等效采厚比計算模塊，用于根據(jù)煤層的開采厚度和上覆巖土層的等效總厚度，計算采空區(qū)的等效采厚比。
進(jìn)一步地，所述裝置可以進(jìn)一步包括：
輸出模塊，用于當(dāng)以黃土作為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)計算得到的采空區(qū)等效采厚比時，輸出該采空區(qū)不適合建設(shè)輸電線路的結(jié)論；當(dāng)時，輸出該采空區(qū)輸電線路建設(shè)時需采取結(jié)構(gòu)和構(gòu)造抗變形措施的結(jié)論；當(dāng)時，輸出在該采空區(qū)適合建設(shè)輸電線路的結(jié)論。
該裝置能快速準(zhǔn)確地計算出煤礦采空區(qū)的采厚比，能反映出實(shí)際地表變形的嚴(yán)重程度。
所述采取結(jié)構(gòu)和構(gòu)造抗變形的措施具體可以包括：提高巡線頻率、進(jìn)行輸電線路的在線變形和位移監(jiān)測。
本發(fā)明基于采空區(qū)巖層地質(zhì)資料，將采空區(qū)上覆巖土層中的不同巖土層的實(shí)際厚度換算為標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)的等效厚度，然后將采空區(qū)上方巖土層的等效厚度進(jìn)行累加求和獲得采空區(qū)上覆巖土層的等效總厚度，也就是開采煤層的等效深度，接著將上覆巖土層等效總厚度除以采煤厚度，從而得到了該采空區(qū)的等效采厚比。在此基礎(chǔ)上，提出了評價輸電線路途徑采空區(qū)的地表變形嚴(yán)重程度的判斷指標(biāo)。采用本發(fā)明所提供的方案能夠合理考慮上覆巖土層的厚度及性質(zhì)對地表變形的影響程度，準(zhǔn)確地反映出實(shí)際地表變形的嚴(yán)重程度，便于推廣應(yīng)用，具有廣泛的適用性。而且，還有利于對輸電線路途經(jīng)的采空區(qū)的地表變形的危險性進(jìn)行評價，有助于煤礦采空區(qū)架空輸電線路合理的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行技術(shù)方案的確定，對保證輸電線路的安全具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本申請的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機(jī)程序產(chǎn)品。因此，本申請可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且，本申請可采用在一個或多個其中包含有計算機(jī)可用程序代碼的計算機(jī)可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學(xué)存儲器等)上實(shí)施的計算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。
本申請是參照根據(jù)本申請實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計算機(jī)程序指令到通用計算機(jī)、專用計算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個機(jī)器，使得通過計算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。
這些計算機(jī)程序指令也可存儲在能引導(dǎo)計算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計算機(jī)可讀存儲器中，使得存儲在該計算機(jī)可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。
這些計算機(jī)程序指令也可裝載到計算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理，從而在計算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改，等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。