本發明屬于架空輸電線路防災設計和保護領域，涉及一種架空輸電線路煤礦采空區等效采厚比的計算方法及裝置。
背景技術：
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地表變形對上部新建的輸電線路的影響程度，一直是國內外尚未完全解決的難題。
目前，國內外學者一般通過傳統采厚比的大小，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行劃分，并根據劃分的等級提出是否適宜立塔及采取結構措施的建議。然而，由于不同地區上覆巖土層的厚度及性質都存在顯著的區別，簡單的用煤層的埋藏深度與其厚度的比值判斷采空區的地表變形程度，缺乏理論依據。同一個采厚比的數值，可能對應完全不同的地質情況，無法反映實際地表變形的嚴重程度，甚至導致嚴重的判斷錯誤。因此，依據傳統的采厚比來評估采空區地表變形對地表輸電線路的影響程度，進行煤礦采空區架空輸電線路的規劃、建設和運行技術方案的確定，存在嚴重的安全隱患。
技術實現要素：
針對上述現有技術存在的問題，本發明提供一種架空輸電線路煤礦采空區等效采厚比的計算方法及裝置，該方法計算理論依據充分，考慮全面，結果可靠，能夠合理考慮上覆巖土層的厚度及性質對地表變形的影響程度，能夠準確地反映出實際地表變形的嚴重程度，能夠有利于對輸電線路途經的采空區的地表變形的危險性進行評價，能夠有助于煤礦采空區架空輸電線路合理的規劃、建設和運行技術方案的確定，對保證輸電線路的安全具有重要的指導意義和參考價值，該裝置能快速準確地計算出煤礦采空區的采厚比，能反映出實際地表變形的嚴重程度。
為了實現上述目的，本發明提供一種架空輸電線路煤礦采空區等效采厚比的計算方法，包括以下步驟：
步驟一：根據上覆巖土層的性質和厚度，計算采空區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行累加求和，求得上覆巖土層對應于標準介質的等效總厚度；
步驟三：根據煤層的開采厚度和上覆巖土層的等效總厚度，計算采空區的等效采厚比。
作為一種優選，所述步驟一中采空區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準介質的巖土層的巖性評價系數；
Qi為上覆巖土層中第i層巖土層的巖性評價系數；
hi為上覆巖土層中第i層巖土層的巖層厚度。
作為一種優選，所述步驟二中上覆巖土層對應于標準介質的等效總厚度的計算公式為：
作為一種優選，所述步驟三中采空區等效采厚比的計算公式為：
其中：B為煤層開采的厚度。
作為一種優選，所述步驟一中選擇上覆巖土層中的黃土作為標準介質，黃土的巖性評價系數為1.0。
進一步包括，以黃土作為標準介質計算得到的采空區等效采厚比分別位于和的范圍內時，表示地表變形對于輸電線路的影響程度分別處于嚴重、中等和輕微三個等級。
當等效采厚比的計算結果表明地表變形對輸電線路的影響程度屬于嚴重時，該采空區不應進行輸電線路的建設；當地表變形對輸電線路的影響程度屬于中等時，在該采空區進行輸電線路建設時，應采取結構和構造抗變形措施；當地表變形對輸電線路的影響程度屬于輕微時，在該采空區進行輸電線路的建設時，可不采取特殊措施。
作為一種優選，采取結構和構造抗變形的措施具體指：提高巡線頻率、進行輸電線路的在線變形和位移監測。
為了實現上述目的，本發明還提供一種架空輸電線路煤礦采空區等效采厚比的計算裝置，包括：
等效厚度計算模塊，用于根據上覆巖土層的性質和厚度，計算采空區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行累加求和，求得上覆巖土層對應于標準介質的等效總厚度；
等效采厚比計算模塊，用于根據煤層的開采厚度和上覆巖土層的等效總厚度，計算采空區的等效采厚比。
進一步地，所述裝置進一步包括：
輸出模塊，用于當以黃土作為標準介質計算得到的采空區等效采厚比時，輸出該采空區不適合建設輸電線路的結論；當時，輸出該采空區輸電線路建設時需采取結構和構造抗變形措施的結論；當時，輸出在該采空區適合建設輸電線路的結論。
本發明基于采空區巖層地質資料，以煤礦采空區常見的黃土為標準介質，以巖性評價系數為換算依據，首先將采空區上覆巖土層中的不同巖土層的實際厚度換算為標準介質的等效厚度，然后將采空區上方巖土層的等效厚度進行累加求和獲得采空區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的等效采厚比。在此基礎上，以黃土為標準介質，提出了評價輸電線路途徑采空區的地表變形嚴重程度的判斷指標。該計算方法，其計算理論依據充分，考慮全面，結果可靠，使用方便，計算結果更為貼合工程設計的要求，能夠合理考慮上覆巖土層的厚度及性質對地表變形的影響程度，能夠準確地反映出實際地表變形的嚴重程度，便于推廣應用，具有廣泛的適用性。該方法還能夠有利于對輸電線路途經的采空區的地表變形的危險性進行評價，能夠有助于煤礦采空區架空輸電線路合理的規劃、建設和運行技術方案的確定，對保證輸電線路的安全具有重要的指導意義和參考價值。該裝置能快速準確地計算出煤礦采空區的采厚比，能反映出實際地表變形的嚴重程度。
具體實施方式
下面對本發明作進一步說明。
上覆巖土層的性質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定性的影響時，必須考慮上覆巖土層的厚度及性質。所以，本發明將不同性質的上覆巖土層折算為某種作為標準介質的土層或巖層，將目前所稱的采厚比，換算為統一的采厚比，即等效采厚比，更能夠反應采空區地質條件對地表變形的影響程度，以此作為架空輸電線路的規劃、建設和運行技術方案的確定的重要依據。
一種架空輸電線路煤礦采空區等效采厚比的計算方法，包括以下步驟：
步驟一：計算采空區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準介質的巖土層的巖性評價系數，在實際計算時，選擇黃土為標準介質，其巖性評價系數為1.0；
Qi為上覆巖土層中第i層巖土層的巖性評價系數；
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層巖土層折算為標準介質后的等效厚度，單位為m；
表1：分層巖性評價系數
步驟二：將上覆巖土層各分層的等效厚度進行累加求和，求得上覆巖土層對應于標準介質的等效總厚度，其計算公式為：
其中：為采空區上覆巖土層相對于標準介質的等效總厚度，單位為m；
步驟三：根據煤層的開采厚度和上覆巖土層的等效總厚度，計算采空區的等效采厚比，其計算公式為：
其中：為采空區等效采厚比；
B為煤層開采的厚度，單位為m。
以黃土作為標準介質計算得到的采空區等效采厚比分別位于和的范圍內時，表示地表變形對于輸電線路的影響程度分別處于嚴重、中等和輕微三個等級。
當等效采厚比的計算結果表明地表變形對輸電線路的影響程度屬于嚴重時，該采空區不應進行輸電線路的建設；當地表變形對輸電線路的影響程度屬于中等時，在該采空區進行輸電線路建設時，應采取必要的結構和構造抗變形措施，提高巡線頻率，有條件的應進行輸電線路的在線變形和位移監測；當地表變形對輸電線路的影響程度屬于輕微時，在該采空區進行輸電線路的建設時，可不采取特殊措施。
本發明提出了一種能夠合理考慮上覆巖土層的厚度及性質對地表變形的影響程度的等效采厚比的計算方法，并可以據此對輸電線路途經的采空區的地表變形的危險性進行評價，以確定架空輸電線路的規劃、建設和運行技術方案，對保證輸電線路的安全具有重要的指導意義和參考價值。
下面舉具體實例對本發明所述的計算方法的具體操作步驟進行說明：
實施例1：某采空區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。現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線路的建議。
表2：上覆巖土層各分層參數
1.計算采空區上方各巖土層的等效厚度
以黃土作為標準介質，將上覆巖土層的各層巖土層的實際厚度換算為對應于標準介質的等效厚度。
將表2中各分層的實際厚度、巖性系數參數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，該處位置的采空區上覆巖土層的實際總厚度為333.5m，而對應于標準介質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.計算采空區等效采厚比
按照本發明專利的方法，由式計算該處位置的采空區等效采厚比
與之對應的，如果用傳統的計算方法，則該采空區以各巖土層實際厚度計算得到的采厚比應為已超出允許建設輸電線路的安全范圍。
4.進行該采空區地表變形對輸電線路的影響程度的評價
由上述計算結果可知，按照本發明專利的計算方法，其等效采厚比為35.6，介于采厚比為35和120之間的范圍內。據此判斷，其地表變形屬于一般影響程度，可以在該處建設輸電鐵塔，但是應采取必要的抗變形結構和技術措施。
上述算例的計算表明，采用本發明的相關計算方法，可以方便的計算得到各種復雜地質條件下的采空區采厚比值，其計算過程簡單，便于理解掌握。特別是，本發明將各種巖土層都簡化為一種標準介質，便于不同地區、不同地質條件下的采空區相關地表沉陷觀測數據的綜合對比分析和相關輸電線路規劃、設計和運行經驗的對比、總結和推廣應用，為解決目前采空區線路設計中許多經驗難以上升到統一的技術標準的難題，提高采空區輸電線路的規劃、設計和運行的科學技術水平，提供了一種有效的研究分析手段和方法。
典型采空區的上覆巖層，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巖土體的沉陷分析模型，分析在地下煤層開采后地表達下沉值、下沉率、傾斜值等主要的地表變形指標。研究表明，以黃土作為標準介質，當上覆巖層的等效采厚比小于35時，地表變形多呈現出非連續性的特征，沉陷率較大，采空區和非采空區的邊界位置容易出現沉陷斷層，這說明，當等效采厚比小于35時，地表變形劇烈，屬于危險地段，應避免在此處建設輸電鐵塔；當上覆巖層的等效采厚比大于120時，采空區上方的地表變形的程度很小，采空區區域邊界附近的地表也沒有明顯不利的地表變形，這說明當等效采厚比大于120時，采空區的地表變形不會對輸電鐵塔的安全造成嚴重影響，可以正常建設輸電鐵塔；當上覆巖層的等效采厚比時，采空區發生一定的下沉、傾斜等變形，但地表變形呈現出良好的連續性，且下沉率也較小，采空區周邊地表受到的影響也很小，沒有發生階梯性的突然性地表破壞，此時，只要采取一定的措施，比如設置底部復合防護板基礎、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，當上覆巖層的等效采厚比時，在采空區上方架設輸電線路是可行的，但應該結合具體的地形條件做好配套的結構和技術措施，進一步提高輸電鐵塔的安全性。
基于同一發明構思，本發明還提供了一種架空輸電線路煤礦采空區等效采厚比的計算裝置，包括：
等效厚度計算模塊，用于根據上覆巖土層的性質和厚度，計算采空區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行累加求和，求得上覆巖土層對應于標準介質的等效總厚度；
等效采厚比計算模塊，用于根據煤層的開采厚度和上覆巖土層的等效總厚度，計算采空區的等效采厚比。
進一步地，所述裝置可以進一步包括：
輸出模塊，用于當以黃土作為標準介質計算得到的采空區等效采厚比時，輸出該采空區不適合建設輸電線路的結論；當時，輸出該采空區輸電線路建設時需采取結構和構造抗變形措施的結論；當時，輸出在該采空區適合建設輸電線路的結論。
該裝置能快速準確地計算出煤礦采空區的采厚比，能反映出實際地表變形的嚴重程度。
所述采取結構和構造抗變形的措施具體可以包括：提高巡線頻率、進行輸電線路的在線變形和位移監測。
本發明基于采空區巖層地質資料，將采空區上覆巖土層中的不同巖土層的實際厚度換算為標準介質的等效厚度，然后將采空區上方巖土層的等效厚度進行累加求和獲得采空區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的等效采厚比。在此基礎上，提出了評價輸電線路途徑采空區的地表變形嚴重程度的判斷指標。采用本發明所提供的方案能夠合理考慮上覆巖土層的厚度及性質對地表變形的影響程度，準確地反映出實際地表變形的嚴重程度，便于推廣應用，具有廣泛的適用性。而且，還有利于對輸電線路途經的采空區的地表變形的危險性進行評價，有助于煤礦采空區架空輸電線路合理的規劃、建設和運行技術方案的確定，對保證輸電線路的安全具有重要的指導意義和參考價值。
本領域內的技術人員應明白，本申請的實施例可提供為方法、系統、或計算機程序產品。因此，本申請可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本申請可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限于磁盤存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的計算機程序產品的形式。
本申請是參照根據本申請實施例的方法、設備(系統)、和計算機程序產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由計算機程序指令實現流程圖和/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/或方框的結合。可提供這些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用于實現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。
這些計算機程序指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現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。
這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用于實現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。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改，等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。