張金柱

(陜西省一八五煤田地質(zhì)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

利用廢棄土地、煤礦采空塌陷區(qū)建設(shè)光伏發(fā)電站項(xiàng)目，在促進(jìn)和鼓勵(lì)當(dāng)?shù)匦履茉纯焖侔l(fā)展的同時(shí)，也解決了建設(shè)用地緊張、選址困難等問(wèn)題，但是采空區(qū)地基的穩(wěn)定程度，直接關(guān)系到光伏電站的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。因此，為了弄清煤礦開(kāi)采對(duì)光伏電站影響程度，對(duì)采煤引起的地表變形量以及未來(lái)煤層開(kāi)采對(duì)光伏電站的影響進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并對(duì)地基的穩(wěn)定性以及作為光伏電站建設(shè)場(chǎng)地的適宜性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果提出防治措施及建議。

1 項(xiàng)目概況

神木某100 MWp煤礦塌陷區(qū)智慧光伏電站項(xiàng)目(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“光伏電站”)位于神木市某煤礦采空區(qū)上部，總裝機(jī)容量約為100 MWp，總投資94 561萬(wàn)元，采用分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案，并在工程方陣中發(fā)展種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)，規(guī)劃總占地面積約2.2 km2。為了弄清煤礦開(kāi)采及開(kāi)采后采空區(qū)對(duì)光伏電站的穩(wěn)定性影響程度，現(xiàn)以神木某煤礦采空區(qū)智慧光伏電站項(xiàng)目為例，開(kāi)展“煤礦采空區(qū)場(chǎng)地光伏電站地基穩(wěn)定性預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)”工作。

2 研究區(qū)地基穩(wěn)定性分析及預(yù)測(cè)

2.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

含煤地層：研究區(qū)含煤地層共含可采煤層5層，其自上而下編號(hào)分別為4-2、4-3、4-4、5-2、5-3煤層。4-2煤層最大埋深180 m，煤層底板標(biāo)高1 124～1 156 m，厚度為0.30～4.20 m，平均厚度2.98 m。5-2煤層最大埋深275 m，煤層底板標(biāo)高1 052～1 088 m，煤層厚度1.00～4.23 m，平均厚度2.41 m。5-3煤層埋深225～281 m，煤層底板標(biāo)高1 025～1 077 m，煤層厚度0.30～7.35 m，平均厚度2.78 m。4-3煤層埋深126～188 m，煤層底板標(biāo)高1 102～1 124 m，煤層厚度0.18～1.41 m，平均1.02 m。4-4煤層埋深100～198 m，煤層底板標(biāo)高1 088～1 105 m，煤層厚度0.40～1.55 m，平均厚度1.09 m。

2.2 研究區(qū)煤層開(kāi)采后地表的變形

覆巖移動(dòng)規(guī)律：煤層開(kāi)采后，采空區(qū)頂?shù)装搴蛢蓭托纬闪俗杂煽臻g，由于開(kāi)采破壞了圍巖的原始應(yīng)力狀態(tài)而引起圍巖中應(yīng)力應(yīng)變重新分布，瞬間以彈性變形形式完成[1-2]。通常情況下，巖體含有大量各類(lèi)地質(zhì)弱面(如斷裂、破碎帶、層理、片理等)，將巖體切割成為一系列弱聯(lián)接的嵌合體或各式各樣的組合體，在圍巖應(yīng)力與自重共同作用下，礦體開(kāi)采后，緊靠采空區(qū)的臨空塊體就發(fā)生移動(dòng)，滿(mǎn)足失穩(wěn)的力學(xué)和幾何條件的塊體先行垮落，并將這種過(guò)程傳遞給相鄰后方塊體，隨之相繼發(fā)生垮落，頂板巖塊的移動(dòng)逐漸發(fā)展，破壞區(qū)逐漸擴(kuò)大?？迓渫Ｖ购螅谧灾刈饔孟驴迓鋷r體逐漸壓密，最終達(dá)到平衡。采空區(qū)上方覆巖的移動(dòng)形式是極其復(fù)雜的，其移動(dòng)形式基本上可歸結(jié)為：垮落(又稱(chēng)崩落、冒落)、彎曲下沉、上覆巖層斷裂和離層、片幫、巖石沿層面滑移、垮落巖石的滾動(dòng)、底板巖層的隆起等形式。總體上，上部地層發(fā)育為“三帶”，即：垮落帶、裂隙帶和整體沉降帶，如圖1所示。

Ⅰ-垮落帶；Ⅱ-裂隙帶；Ⅲ-整體沉降帶圖1 “三帶”示意圖

煤層開(kāi)采后引起地表變形形式：由于研究區(qū)煤礦采用長(zhǎng)壁式采煤方式，地表變形主要是以連續(xù)移動(dòng)變形為主，局部可能存在非連續(xù)移動(dòng)變形。地表變形的形式主要表現(xiàn)為地表移動(dòng)盆地，地表裂縫、塌陷臺(tái)階及塌陷坑等。

2.3 煤層開(kāi)采引起地表變形量預(yù)測(cè)

計(jì)算方法選取：對(duì)于地表移動(dòng)變形的研究，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的工作[3-4]。我國(guó)經(jīng)過(guò)50多年的系統(tǒng)研究和實(shí)踐，已基本掌握了其移動(dòng)變形規(guī)律，并頒布了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》。目前，我國(guó)比較常用的地表移動(dòng)變形計(jì)算方法有概率積分法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法、威布爾函數(shù)法和典型曲線(xiàn)法等，其中概率積分法具有參數(shù)容易確定、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各礦區(qū)使用比較廣泛，是最常用的方法，本次地表沉陷變形計(jì)算即采用這種方法[5]。概率積分法的基礎(chǔ)是隨機(jī)介質(zhì)理論，因其所用的移動(dòng)變形預(yù)計(jì)公式中含有概率積分(或其導(dǎo)數(shù))而得名。巖體是一種成因較為復(fù)雜的固體介質(zhì)，在生成的過(guò)程中，由于地質(zhì)作用使得巖體被層面、節(jié)理、斷層、軟弱夾層等非均質(zhì)結(jié)構(gòu)面所切割，開(kāi)采作用使原生結(jié)構(gòu)再次受擾動(dòng)，表現(xiàn)出明顯的不連續(xù)性，所以李特威尼申采用了非連續(xù)介質(zhì)中顆粒介質(zhì)力學(xué)來(lái)研究巖層與地表移動(dòng)問(wèn)題。認(rèn)為開(kāi)采引起的巖層與地表移動(dòng)的規(guī)律與作為隨機(jī)介質(zhì)的顆粒介質(zhì)模型所描述的規(guī)律在宏觀上相似。該模型認(rèn)為介質(zhì)是由類(lèi)似砂?；蛳鄬?duì)來(lái)說(shuō)很小的巖塊這樣的介質(zhì)顆粒組成，顆粒之間完全失去聯(lián)系，可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，大量的顆粒介質(zhì)之間移動(dòng)可以認(rèn)為是隨機(jī)過(guò)程。顆粒介質(zhì)在重力作用下，不受其尺寸大小、成層的幾何形狀的影響而僅受隨機(jī)規(guī)律支配，如果移動(dòng)下面某一顆粒，則其上面的顆粒就會(huì)落下來(lái)填充下面的空洞，這種過(guò)程將重復(fù)循環(huán)到地表，形成一個(gè)單元下沉盆地。這種沉降過(guò)程可以看作是大量單元空洞從地層深處向地面移動(dòng)的過(guò)程，地表下沉盆地的形態(tài)與正態(tài)的概率分布密度曲線(xiàn)較為相似。根據(jù)前人對(duì)國(guó)內(nèi)外地表移動(dòng)研究表明[6]，本區(qū)地表殘余移動(dòng)分布規(guī)律基本符合概率積分模型，可以近似采用概率積分法進(jìn)行計(jì)算。

矩形工作面開(kāi)采時(shí)，對(duì)地表任意點(diǎn)下沉預(yù)計(jì)計(jì)算，可設(shè)矩形工作面的走向方向的開(kāi)采長(zhǎng)度為l，傾向方向的開(kāi)采寬度的水平投影長(zhǎng)為L(zhǎng)。則傾向方向?yàn)槌浞植蓜?dòng)時(shí)，走向主斷面上的下沉預(yù)計(jì)公式為

W0(x)=W(x)-W(x-l)

(1)

走向方向?yàn)槌浞植蓜?dòng)時(shí)，傾向主斷面上的下沉預(yù)計(jì)公式為

W0(y)=W(x)-W(y-l)

(2)

地表任意點(diǎn)的下沉預(yù)計(jì)公式為：

(3)

式中：W0—最大下沉值。

多工作面開(kāi)采影響的預(yù)計(jì)計(jì)算時(shí)，首先計(jì)算出單個(gè)工作面開(kāi)采引起地表預(yù)計(jì)點(diǎn)的下沉，然后根據(jù)疊加原理進(jìn)行疊加計(jì)算獲得多工作面開(kāi)采的聯(lián)合影響。

任意形狀工作面開(kāi)采影響預(yù)計(jì)時(shí)，將任意形狀工作面順煤層走向劃分成若干矩形工作面，用一個(gè)或多個(gè)矩形工作面代替任意形工作面。

地表沉降最大值Wmax=M·q·cosα

地表傾斜最大值Imax=Wmax/r

地表曲率最大值Kmax=1.52·Wmax/r2

地表水平位移最大值Vmax=b·Wmax

地表最大水平變形Emax=1.52·Wmax/r

(4)

式中：q—下沉系數(shù)，與礦層傾角、開(kāi)采方法和頂板管理方式有關(guān)；M—采厚；H—采深；α—煤層傾角；r—開(kāi)采影響半徑，其值與埋深(H)呈正比，與煤層影響角(β)的正切值成反比，即：r=H/tgβ；b—水平移動(dòng)系數(shù)，取值范圍在0.25～0.35之間。

參數(shù)確定：類(lèi)比研究區(qū)多年地表巖移觀測(cè)資料、區(qū)域覆巖性質(zhì)，綜合確定研究區(qū)地表最大變形量的預(yù)測(cè)參數(shù)。根據(jù)《周邊煤礦工作面開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律》資料，結(jié)合《采空區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T D31-03-2011)附錄D采空區(qū)地表移動(dòng)變形計(jì)算，對(duì)于水平及緩傾斜礦層(α<15°)中硬覆巖的長(zhǎng)壁式垮落法半無(wú)限采空區(qū)地表移動(dòng)、變形最大值及其位置的計(jì)算，在光伏電站受充分采動(dòng)影響時(shí)，參數(shù)確定如下：

下沉系數(shù)單層開(kāi)采q=0.60(參照研究區(qū)多年實(shí)測(cè)剖面變形數(shù)據(jù)推算得來(lái))，重復(fù)開(kāi)采q=0.70，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.26，主要影響角正切tanβ=2.0，重復(fù)開(kāi)采tanβ=2.2；4-2煤層埋深H=109 m，4-3煤層埋深H=133 m，4-4煤層埋深H=147 m，5-2煤層埋深H=175 m；4-2煤層主要影響范圍半徑r=H/tanβ=54.50 m，4-3煤層主要影響范圍半徑r=H/tanβ=60.45 m，4-4煤層主要影響范圍半徑r=H/tanβ=66.82 m，5-2煤層主要影響范圍半徑r=H/tanβ=79.55 m。

預(yù)測(cè)結(jié)果：利用上述地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)參數(shù)、預(yù)測(cè)模型，結(jié)合本區(qū)域地質(zhì)采礦條件和煤層賦存情況，對(duì)煤層開(kāi)采引起地表沉陷變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 采空區(qū)最大變形量預(yù)測(cè)結(jié)果表

地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間：劃分為啟動(dòng)階段、活躍階段、衰退階段。進(jìn)入衰退階段的標(biāo)準(zhǔn)為：連續(xù)6個(gè)月內(nèi)地表下沉量小于30 mm，衰退階段對(duì)地表的構(gòu)筑物基本影響?！叭隆辈擅阂?guī)程規(guī)定的地表移動(dòng)時(shí)間(啟動(dòng)階段、活躍階段)計(jì)算公式

T=2.5H

(5)

其中:H—煤層埋深，m；T—持續(xù)時(shí)間，d。

經(jīng)估算，各煤層在開(kāi)采過(guò)程中地表移動(dòng)時(shí)間見(jiàn)表2。根據(jù)周邊煤礦觀測(cè)資料，地表移動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間為10～40 d；活躍階段60～250 d；衰退階段一般持續(xù)2 a左右，有的達(dá)6～7 a，衰退階段的殘余沉降一般小于總沉降量的10%。

表2 采空地表移動(dòng)變形持續(xù)時(shí)間預(yù)測(cè)結(jié)果表

地表變形影響范圍：地表沉陷影響范圍受煤層厚度、覆巖厚度及其巖性的制約。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》，結(jié)合煤礦地質(zhì)條件，估算地表移動(dòng)選用移動(dòng)角為：松散層α=45°，基巖β=71°。地表沉陷影響范圍在開(kāi)采邊界向外擴(kuò)展82～109 m，見(jiàn)表3。這些擴(kuò)展帶主要以拉伸變形、水平位移和傾斜位移為主，而塌陷盆地中心則呈現(xiàn)以垂向塌陷變形為主，水平位移、傾斜位移為輔的變形規(guī)律。

表3 煤層開(kāi)采引起地表變形影響范圍

2.4 研究區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性分析

當(dāng)光伏電站建設(shè)前，場(chǎng)地下方已進(jìn)行煤層開(kāi)采且沉降尚未穩(wěn)定，則煤層開(kāi)采采空區(qū)對(duì)光伏電站存在安全影響；當(dāng)光伏電站建設(shè)前，場(chǎng)地下方已進(jìn)行煤層開(kāi)采且沉降穩(wěn)定，則煤層開(kāi)采采空區(qū)對(duì)光伏電站基本無(wú)影響。當(dāng)光伏電站建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中，場(chǎng)地下方進(jìn)行煤層開(kāi)采，則建設(shè)和運(yùn)行期間煤層開(kāi)采對(duì)光伏電站存在安全影響。具體情況如下所述：

4-2煤層平均埋深109 m，煤層開(kāi)采厚度2.50 m，開(kāi)采后的地表最大下沉值為1.50 m，最大傾斜變形值為27.52 mm/m，最大曲率值為0.77×10-3m，最大水平移動(dòng)值為0.39 m，最大水平變形值為10.88 mm/m，采深采厚比43.6，煤層開(kāi)采后地表影響范圍為工作面上部及邊界外推82 m以?xún)?nèi)。根據(jù)該煤礦開(kāi)采進(jìn)度與光伏電站的時(shí)空關(guān)系，光伏電站場(chǎng)地范圍內(nèi)采空時(shí)間均已超過(guò)4-2煤層的地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間273 d，可以認(rèn)為場(chǎng)地已基本穩(wěn)定，采空區(qū)對(duì)光伏電站基本無(wú)影響。

4-3煤層平均埋深133 m，煤層開(kāi)采厚度1.05 m，開(kāi)采后的地表最大下沉值為0.73 m，最大傾斜變形值為12.16 mm/m，最大曲率值為0.31×10-3m，最大水平移動(dòng)值為0.19 m，最大水平變形值為4.80 mm/m，采深采厚比126.7，煤層開(kāi)采后地表影響范圍為工作面上部及邊界外推93 m以?xún)?nèi)。煤層采空后地表變形較小，以整體沉降為主。根據(jù)該煤礦開(kāi)采進(jìn)度與光伏電站的時(shí)空關(guān)系，光伏電站場(chǎng)地范圍內(nèi)4-3煤層均未開(kāi)采，開(kāi)采后的地表變形對(duì)光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行存在影響，但影響較小。

4-4煤層平均埋深147 m，煤層開(kāi)采厚度1.09 m，開(kāi)采后的地表最大下沉值為0.76 m，最大傾斜變形值為11.42 mm/m，最大曲率值為0.26×10-3m，最大水平移動(dòng)值為0.20 m，最大水平變形值為4.51 mm/m，采深采厚比134.9，煤層開(kāi)采后地表影響范圍為工作面上部及邊界外推98 m以?xún)?nèi)。煤層采空后地表變形較小，以整體沉降為主。根據(jù)該煤礦開(kāi)采進(jìn)度與光伏電站的時(shí)空關(guān)系，光伏電站場(chǎng)地范圍內(nèi)4-4煤層均未開(kāi)采。

5-2煤層平均埋深175 m，煤層開(kāi)采厚度2.71 m，開(kāi)采后的地表最大下沉值為1.90 m，最大傾斜變形值為23.84 mm/m，最大曲率值為0.46×10-3m，最大水平移動(dòng)值為0.49 m，最大水平變形值為9.42 mm/m，采深采厚比64.6，煤層開(kāi)采后地表影響范圍為工作面上部及邊界外推109 m以?xún)?nèi)。煤層采空后地表變形較明顯，但仍以整體沉降為主。根據(jù)該煤礦開(kāi)采進(jìn)度與光伏電站的時(shí)空關(guān)系，光伏電站場(chǎng)地范圍內(nèi)5-2煤層均未開(kāi)采。

3 影響評(píng)價(jià)及防治措施

3.1 煤礦采空區(qū)對(duì)光伏電站影響

煤礦采空區(qū)沉陷會(huì)使地表產(chǎn)生變形，將會(huì)導(dǎo)致光伏電站及其附屬物產(chǎn)生一系列問(wèn)題，從而影響光伏電站的安全運(yùn)行，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

對(duì)光伏陣列基礎(chǔ)的危害：采空區(qū)的沉降、位移可使樁基與承臺(tái)發(fā)生變形，從而導(dǎo)致光伏陣列基礎(chǔ)變形。

對(duì)光伏陣列硅晶板的危害：采空區(qū)沉陷引起地表傾斜和水平變形及豎向下沉，可在豎直方向上產(chǎn)生拉伸變形，引起光伏陣列支架變形，從而可能導(dǎo)致硅晶板擺放角度發(fā)生變化。

對(duì)場(chǎng)內(nèi)道路的危害：采空區(qū)沉陷引起地表傾斜和水平變形及豎向下沉，可在豎直方向上產(chǎn)生拉伸變形，引起路堤本身松弛、開(kāi)裂，而且有可能在不同壓實(shí)度的土層中產(chǎn)生脫層，影響路基的承載力。若路基因采空區(qū)沉陷而下沉的同時(shí)，伴隨著水平方向上的移動(dòng)，垂直于路線(xiàn)方向的橫向移動(dòng)將改變路基的原有方向，沿路基縱向的地表水平變形使路基受到拉伸和壓縮。由于這2種移動(dòng)的不均勻性，會(huì)使公路發(fā)生坡度，豎曲線(xiàn)現(xiàn)狀改變和沿路線(xiàn)方向的變化。

對(duì)其附屬物的危害：光伏電站建設(shè)中的附屬物主要為電纜管線(xiàn)。若采空區(qū)發(fā)生垂直沉降及水平變形時(shí)，易造成地下電纜管線(xiàn)斷裂。

3.2 防治措施及建議

避免在場(chǎng)地內(nèi)煤層開(kāi)采影響范圍內(nèi)進(jìn)行工程建設(shè)活動(dòng)。采用可調(diào)節(jié)變形的支架，光伏電站運(yùn)行階段若光伏支架產(chǎn)生微量變形后便于調(diào)整；減小單個(gè)光伏陳列的面積；及時(shí)對(duì)產(chǎn)生變形的光伏陣列修復(fù)。連接光伏電板和輸電設(shè)施的電纜等采用柔性連接，埋設(shè)時(shí)留有變形余量。逆變器及箱變等可采用鋼筋混凝土基座。對(duì)場(chǎng)區(qū)道路進(jìn)行及時(shí)平整修復(fù)。布設(shè)專(zhuān)門(mén)的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)，定期進(jìn)行觀測(cè)和預(yù)警，對(duì)產(chǎn)生變形的光伏陣列基礎(chǔ)進(jìn)行處理，重新調(diào)整電板支架的狀態(tài)，保證設(shè)備能夠正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)開(kāi)采引起的覆巖變形特征和演化規(guī)律預(yù)測(cè)，以及場(chǎng)地穩(wěn)定性評(píng)價(jià)計(jì)算，可以分析礦區(qū)煤層開(kāi)采沉陷對(duì)地表的影響。從而提出煤層開(kāi)采導(dǎo)致光伏電站災(zāi)害的防治措施建議，可為光伏電站工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。