本發(fā)明屬于架空輸電線路防災(zāi)設(shè)計(jì)和保護(hù)領(lǐng)域，具體涉及一種煤礦采空區(qū)架空輸電線路標(biāo)準(zhǔn)深厚比的計(jì)算方法及裝置。

背景技術(shù)：

高壓輸電線路是遠(yuǎn)距離電力輸送的主要渠道，線路運(yùn)行時(shí)要求安全可靠、萬無一失。位于地下的煤礦被開采后會形成采動影響區(qū)，引發(fā)地表產(chǎn)生采動變形。當(dāng)輸電鐵塔位于采動影響區(qū)時(shí)，由于其對開采引起的地表移動變形極為敏感，高壓輸電線路的安全性將受到極大影響。對煤礦采空區(qū)的地表穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，對位于采動影響區(qū)的輸電線路的安全可靠運(yùn)行尤為重要。

目前，我國主要依據(jù)煤層的埋深與其開采厚度的比值，即傳統(tǒng)的“采深采厚比”(簡稱為深厚比)這一指標(biāo)來劃分礦山開采區(qū)的破壞程度，評價(jià)采空區(qū)地表的穩(wěn)定性。該方法雖使用廣泛、簡單，但存在一些問題，一是深厚比一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，沒有標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算方法；二是利用深厚比對開采區(qū)破壞程度的劃分存在不同的標(biāo)準(zhǔn)，方法不夠統(tǒng)一，不便于工程應(yīng)用；三是目前采用的地表沉陷模型本質(zhì)上是將上覆層視為單一介質(zhì)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定相關(guān)限值，未考慮上覆層性質(zhì)。因此有必要提出一個(gè)統(tǒng)一且便于工程應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算方法來對地表穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，這對保證輸電線路的安全具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的一些問題，本發(fā)明提供一種煤礦采空區(qū)架空輸電線路標(biāo)準(zhǔn)深厚比的計(jì)算方法，該方法計(jì)算理論依據(jù)充分，考慮全面，結(jié)果可靠，能夠綜合考慮上覆巖土層的密度、開采深度及厚度對地表變形的影響，能夠較準(zhǔn)確地反映出地表變形與標(biāo)準(zhǔn)深厚比的關(guān)系，能夠?qū)旊娋€路途經(jīng)的采空區(qū)的地表變形進(jìn)行評價(jià)，便于工程應(yīng)用；同時(shí)本發(fā)明提供一種煤礦采空區(qū)架空輸電線路標(biāo)準(zhǔn)深厚比的計(jì)算裝置，該計(jì)算裝置能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)深厚比與最大下沉率，能直觀地反映地表變形程序。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種煤礦采空區(qū)架空輸電線路標(biāo)準(zhǔn)深厚比的計(jì)算方法，包括以下步驟：

步驟一：

(1)根據(jù)上覆各巖土層的密度和厚度，計(jì)算采空區(qū)上覆層的平均密度

(2)根據(jù)計(jì)算采空區(qū)上覆層密度系數(shù)

步驟二：根據(jù)計(jì)算上覆層的拐點(diǎn)深厚比和上覆層的下沉擾動系數(shù)

步驟三：

(1)根據(jù)和計(jì)算采空區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)深厚比

(2)根據(jù)計(jì)算采空區(qū)的最大下沉率δ。

所述步驟一中的計(jì)算公式為：

其中：ρi為上覆巖土層中第i層巖土層的密度；

hi為上覆巖土層中第i層巖土層的厚度。

所述步驟一中的計(jì)算公式為：

所述步驟二中的計(jì)算公式為：

其中：m為煤層采厚。

所述步驟二中的計(jì)算公式為：

其中：λ為采厚比。

所述步驟三中的計(jì)算公式為：

所述步驟三中δ的計(jì)算公式為：

根據(jù)和計(jì)算之后還包括：

將與1進(jìn)行比較：當(dāng)大于1時(shí)，地表下沉率較小且變化幅度較??；當(dāng)小于等于1時(shí)，地表下沉率較大且變化幅度較大。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種煤礦采空區(qū)架空輸電線路標(biāo)準(zhǔn)深厚比的計(jì)算裝置，包括：

平均密度計(jì)算模塊，用于根據(jù)上覆各巖土層的密度和厚度，計(jì)算采空區(qū)上覆層的平均密度；

密度系數(shù)計(jì)算模塊，與平均密度計(jì)算模塊通訊以獲得上覆層的平均密度并根據(jù)上覆層的平均密度計(jì)算采空區(qū)上覆層的密度系數(shù)

拐點(diǎn)深厚比計(jì)算模塊，分別與平均密度計(jì)算模塊通訊和密度系數(shù)計(jì)算模塊通訊以獲得上覆層的平均密度和上覆層的密度系數(shù)根據(jù)上覆層的平均密度計(jì)算上覆層的拐點(diǎn)深厚比

下沉擾動系數(shù)計(jì)算模塊，與平均密度計(jì)算模塊通訊以獲得上覆層的平均密度并根據(jù)上覆層的平均密度計(jì)算上覆層的下沉擾動系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)深厚比計(jì)算模塊，分別與拐點(diǎn)深厚比計(jì)算模塊和下沉擾動系數(shù)計(jì)算模塊通訊以獲得上覆層的拐點(diǎn)深厚比和下沉擾動系數(shù)并根據(jù)上覆層的拐點(diǎn)深厚比和下沉擾動系數(shù)計(jì)算采空區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)深厚比

最大下沉率計(jì)算模塊，與標(biāo)準(zhǔn)深厚比計(jì)算模塊通訊以獲得標(biāo)準(zhǔn)深厚比并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)深厚比計(jì)算采空區(qū)的最大下沉率δ。

本發(fā)明基于采空區(qū)巖層地質(zhì)資料，首先將采空區(qū)上覆巖土層中的不同巖土層的實(shí)際密度換算為某一介質(zhì)的平均密度，并計(jì)算出密度系數(shù)，然后根據(jù)采空區(qū)上方各巖土層的平均密度、密度系數(shù)、采厚和深厚比，計(jì)算出該介質(zhì)的拐點(diǎn)深厚比、下沉擾動系數(shù)，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出了該介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)深厚比，并得到了標(biāo)準(zhǔn)深厚比與最大下沉率的函數(shù)關(guān)系。該計(jì)算方法計(jì)算理論依據(jù)充分，考慮全面，結(jié)果可靠，使用方便，能夠綜合考慮上覆各巖土層的厚度及性質(zhì)對地表變形的影響程度，可以適用于不同地理狀況、不同工況，具有廣泛的適用性。該方法能夠?qū)旊娋€路途經(jīng)的采空區(qū)的地表穩(wěn)定性評價(jià)提供參考，對保證輸電線路的安全具有重要的意義。該裝置能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)深厚比與最大下沉率，能直觀地反映了地表變形程序。

具體實(shí)施方式

下面對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

上覆土層的性質(zhì)對地表的移動和變形具有重要的影響，在考慮深厚比對架空輸電線路地表穩(wěn)定性的影響時(shí)，必須考慮上覆土層的厚度及性質(zhì)。本發(fā)明將不同性質(zhì)的上覆巖土層作為一特殊介質(zhì)，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)深厚比，分析標(biāo)準(zhǔn)深厚比與地表變形的關(guān)系，以此為架空輸電線路的地表穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)提供參考。

一種煤礦采空區(qū)架空輸電線路標(biāo)準(zhǔn)深厚比的計(jì)算方法，包括以下步驟：

步驟一：

(1)根據(jù)上覆各巖土層的密度和厚度，計(jì)算采空區(qū)上覆層的平均密度其計(jì)算公式為：

其中：ρi為上覆巖土層中第i層巖土層的密度，單位：kg·m^-3；

hi為上覆巖土層中第i層巖土層的厚度，單位：m；

為上覆層的平均密度，單位：kg·m^-3。

(2)根據(jù)上覆層的平均密度，計(jì)算采空區(qū)上覆層密度系數(shù)其計(jì)算公式為：

其中：為上覆層的平均密度，單位：kg·m^-3；

為上覆層的密度系數(shù)。

步驟二：

(1)將上覆巖土層作為一特殊介質(zhì)，計(jì)算其拐點(diǎn)深厚比其計(jì)算公式為：

其中：為上覆層的平均密度，單位：kg·m^-3；

m為煤層采厚，單位：m；

為上覆層的密度系數(shù)；

為拐點(diǎn)深厚比，即深厚比與下沉率的關(guān)系曲線的拐點(diǎn)所對應(yīng)的深厚比。

(2)計(jì)算下沉擾動系數(shù)其計(jì)算公式為：

其中：為上覆層的平均密度，單位：kg·m^-3

m為煤層采厚，單位：m；

λ為采厚比，即上覆層厚度與煤層厚度之比；

為下沉擾動系數(shù)。

步驟三：

(1)根據(jù)上覆層的拐點(diǎn)深厚比和下沉擾動系數(shù)計(jì)算采空區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)深厚比其計(jì)算公式為：

其中：λ為采厚比；

為拐點(diǎn)深厚比；

為下沉擾動系數(shù)；

為采空區(qū)標(biāo)準(zhǔn)深厚比；

(2)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)深厚比計(jì)算采空區(qū)的最大下沉率δ，其計(jì)算公式為：

其中：為采空區(qū)標(biāo)準(zhǔn)深厚比；

δ為采空區(qū)的最大下沉率。

將多介質(zhì)疊加形成的上覆層作為一特殊介質(zhì)計(jì)算得到了采空區(qū)標(biāo)準(zhǔn)深厚比和最大下沉率δ，并將標(biāo)準(zhǔn)深厚比與1進(jìn)行比較：當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)深厚比大于1時(shí)，地表下沉率較小且變化幅度較小；當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)深厚比小于等于1時(shí)，地表下沉率較大且變化幅度較大。

下面舉具體實(shí)例對本發(fā)明所述的計(jì)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)采煤工作面煤層厚度為2.65m，采厚比λ＝125.8，平均傾角6°，采用走向長壁垮落采煤法，綜合機(jī)械化采煤，開采深度為330米到360米，地表起伏不大。根據(jù)研究區(qū)域的巖層柱狀圖和巖土的物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定上覆層的基本賦存情況及巖土的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。現(xiàn)需要通過計(jì)算該處的標(biāo)準(zhǔn)深厚比來評估該采區(qū)地表變形情況。

表1：上覆層各分層參數(shù)

1.計(jì)算采空區(qū)上覆層各巖土層的平均密度和密度系數(shù)

將表1中各分層的實(shí)際厚度、密度參數(shù)代入式計(jì)算得到上覆層各巖土層的平均密度將平均密度代入式計(jì)算得到密度系數(shù)

2.計(jì)算拐點(diǎn)深厚比和下沉擾動系數(shù)

將采厚、平均密度和密度系數(shù)代入式計(jì)算得到拐點(diǎn)深厚比將采厚、平均密度和采厚比代入式計(jì)算得到下沉擾動系數(shù)

3.計(jì)算采空區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)深厚比和最大下沉率δ

將采厚比、拐點(diǎn)深厚比和下沉擾動系數(shù)代入式計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)深厚比將標(biāo)準(zhǔn)深厚比代入式計(jì)算得到最大下沉率δ＝16.0％。

4.將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測情況對比

由上述計(jì)算結(jié)果可知，按照本發(fā)明專利的計(jì)算方法，其標(biāo)準(zhǔn)深厚比為5.254>1，據(jù)此判斷，該采區(qū)煤層開采造成地表變形輕微，與實(shí)際觀測情況基本一致。

上述算例的計(jì)算表明，采用本發(fā)明的相關(guān)計(jì)算方法，可以方便的計(jì)算得到各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的采空區(qū)標(biāo)準(zhǔn)深厚比值，其計(jì)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特殊介質(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，為煤礦采空區(qū)架空輸電線路的地表穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，提供了一種有效的研究分析手段和方法。

典型采空區(qū)的上覆巖層主要由黃土、砂巖、粉土等代表性巖石或土體組成。申請人采用flac3d有限元軟件，以典型土層黃土和砂土為例，建立了采厚1m和2m時(shí)分別選取10種采深所對應(yīng)的輸電線路采動區(qū)上覆層、煤層和底板的計(jì)算分析模型，模擬了不同深厚比時(shí)地表的下沉情況，并采用數(shù)學(xué)分析方法，提出了標(biāo)準(zhǔn)深厚比的概念，并得出了上覆層為多介質(zhì)土?xí)r所對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)深厚比的計(jì)算方法。研究表明，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)深厚比大于1時(shí)，地表下沉率較小且變化幅度較?。划?dāng)標(biāo)準(zhǔn)深厚比小于等于1時(shí)，地表下沉率較大且變化幅度較大?？蔀榧芸蛰旊娋€路的地表穩(wěn)定性評價(jià)提供參考。

基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種煤礦采空區(qū)架空輸電線路標(biāo)準(zhǔn)深厚比的計(jì)算裝置，包括：

平均密度計(jì)算模塊，用于根據(jù)上覆各巖土層的密度和厚度，計(jì)算采空區(qū)上覆層的平均密度；

密度系數(shù)計(jì)算模塊，與平均密度計(jì)算模塊通訊以獲得上覆層的平均密度并根據(jù)上覆層的平均密度計(jì)算采空區(qū)上覆層的密度系數(shù)

拐點(diǎn)深厚比計(jì)算模塊，分別與平均密度計(jì)算模塊通訊和密度系數(shù)計(jì)算模塊通訊以獲得上覆層的平均密度和上覆層的密度系數(shù)根據(jù)上覆層的平均密度計(jì)算上覆層的拐點(diǎn)深厚比

下沉擾動系數(shù)計(jì)算模塊，與平均密度計(jì)算模塊通訊以獲得上覆層的平均密度并根據(jù)上覆層的平均密度計(jì)算上覆層的下沉擾動系數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)深厚比計(jì)算模塊，分別與拐點(diǎn)深厚比計(jì)算模塊和下沉擾動系數(shù)計(jì)算模塊通訊以獲得上覆層的拐點(diǎn)深厚比和下沉擾動系數(shù)并根據(jù)上覆層的拐點(diǎn)深厚比和下沉擾動系數(shù)計(jì)算采空區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)深厚比

最大下沉率計(jì)算模塊，與標(biāo)準(zhǔn)深厚比計(jì)算模塊通訊以獲得標(biāo)準(zhǔn)深厚比并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)深厚比計(jì)算采空區(qū)的最大下沉率δ。

該裝置能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)深厚比與最大下沉率，能直觀地反映了地表變形程序。

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(jì)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(gè)或多個(gè)其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)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(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。

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)。