牛倩齡 ,李 星

(1.平頂山平煤設(shè)計(jì)院有限公司，河南 平頂山 467000;2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063000)

煤炭資源的開(kāi)采和利用為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用，同時(shí)也給人們的生存環(huán)境帶來(lái)明顯的影響，采煤塌陷區(qū)的恢復(fù)治理和綜合利用直接關(guān)系到礦區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，是我國(guó)礦區(qū)所面臨的一項(xiàng)重要課題[1-3]。某100 MW光伏電站項(xiàng)目擬建于煤礦采煤塌陷區(qū)范圍內(nèi)，地方煤礦在區(qū)域下方及其附近先后開(kāi)采了五、四、二共三組煤層，采深較淺，累計(jì)采厚15 m左右，開(kāi)采時(shí)間久遠(yuǎn)，從解放前至今一直存在開(kāi)采活動(dòng)，具有煤層多、采深淺、累計(jì)采厚大、影響持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，給擬建項(xiàng)目帶來(lái)巨大的安全隱患。

1 開(kāi)采情況

1.1 地質(zhì)采礦條件

擬建光伏電站區(qū)域地形屬緩坡?tīng)钇鸱蜕角鹆甑孛?，地?shì)總體西部與東部高中間低、北高南低。場(chǎng)區(qū)位于中間開(kāi)闊地帶，標(biāo)高+175～+275 m，高差100 m左右。

項(xiàng)目區(qū)下主要開(kāi)采了五煤段、四煤段和二煤段，先后開(kāi)采五2、四3、四2和二1煤層。五2煤厚約3.8 m，采深12.4～134.4 m，傾角0～16°；四3煤厚約2.2～2.8 m，采深12.4～144.8 m，傾角0～8°；四2煤厚約2.4～3.2 m，采深29.4～216.8 m，傾角0～8°；二1煤厚約5～5.6 m，采深129.6～434.2 m，傾角0～7°；目前五2、四3、四2已回采結(jié)束，二1煤局部尚在開(kāi)采。開(kāi)采方法為炮采、普采，全部垮落法頂板管理。

煤層上覆巖層主要由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等組成，整個(gè)覆巖巖性屬中硬，第四紀(jì)表土層厚約6.6 m。擬建區(qū)域附近地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，斷層較為發(fā)育，部分?jǐn)鄬映雎兜乇恚赡軐?duì)擬建區(qū)地基產(chǎn)生一定的不利影響。

1.2 光伏電站情況

光伏電站規(guī)劃裝機(jī)容量100 MW，并新建升壓站一座。光伏設(shè)備主要分為光伏組件和光伏支架。單組光伏組件由4行11列太陽(yáng)能電池板組合而成，單片太陽(yáng)能電池板規(guī)格為1 650 mm×992 mm，板間距為20 mm。光伏支架采用鋼混柱式支撐。

升壓站規(guī)劃面積11 000 m2，長(zhǎng)約108 m，寬約102 m，站內(nèi)規(guī)劃建設(shè)有綜合樓、輔房、配電裝置室和SVG裝置室等建筑物。其中，綜合樓為二層磚混框架結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)54 m，寬12 m；其他建筑物均為一層框架結(jié)構(gòu)。

2 地表沉陷變形預(yù)測(cè)

井下煤層開(kāi)采結(jié)束后，當(dāng)?shù)乇戆肽昀塾?jì)下沉量小于30 mm，可認(rèn)為地表移動(dòng)期基本結(jié)束[4-6]。此時(shí)，地表按一定規(guī)律形成塌陷盆地，在塌陷盆地范圍內(nèi)的不同位置將產(chǎn)生大小不同的沉陷變形。本次地表殘余沉陷變形預(yù)計(jì)采用概率積分法，將光伏電站分成六個(gè)地塊進(jìn)行計(jì)算，分區(qū)如圖1所示，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

下沉系數(shù)：q=0.01～0.07

水平移動(dòng)系數(shù)：b=0.30

主要影響角正切：tanβ=2.0

開(kāi)采影響傳播系數(shù)：k=0.6

拐點(diǎn)偏移距：s/H=0.05

圖1 擬建區(qū)地塊分區(qū)圖

表1 擬建區(qū)各地塊地表最大移動(dòng)與變形值

3 建筑地基穩(wěn)定分析

擬建光伏電站荷載向地下有一定影響深度，若此深度與地下采空區(qū)的垮落斷裂帶相交，就會(huì)破壞垮落斷裂帶已有平衡狀態(tài)，重新發(fā)生較大的覆巖和地表移動(dòng)變形[7-10]。

3.1 采空區(qū)覆巖破壞高度計(jì)算

光伏電站下方壓覆采空區(qū)煤層涉及到五組、四組、二組三煤層，由于五四組和四二組煤層層間距比較大，下組煤垮落斷裂帶的發(fā)育高度不會(huì)接觸到上組煤。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)五組、四組、二組煤層均按長(zhǎng)壁全陷法開(kāi)采。

長(zhǎng)壁全陷開(kāi)采采空區(qū)垮落斷裂帶的發(fā)育高度選取計(jì)算公式如下：

(1)

項(xiàng)目區(qū)下方五組煤、四組煤、二組煤的累計(jì)采厚分別為4.0 m、6.5 m、6.0 m，經(jīng)計(jì)算，三煤層采空區(qū)垮落斷裂帶的最大發(fā)育高度分別位于采空區(qū)之上45.6 m、52.0 m、51.1 m。

3.2 光伏電站建筑物影響深度計(jì)算

計(jì)算地基附加應(yīng)力相當(dāng)于地基自重應(yīng)力10%處深度，即為建筑荷載影響深度。

擬建光伏電站主要建筑物為升壓站，其中，最大荷載建筑物為二層磚混框架結(jié)構(gòu)綜合樓，設(shè)計(jì)長(zhǎng)54 m，寬12 m，標(biāo)準(zhǔn)層高按3.6 m考慮，基底埋深2.0 m，建筑物的荷載為18 kN/ m2(系單層建筑面積荷載大小)。

經(jīng)計(jì)算，擬建綜合樓的荷載影響深度(H影)為12 m，即項(xiàng)目建筑物的最大荷載影響深度為12 m。

光伏設(shè)備荷載較小，影響深度非常小，只要不鋪設(shè)在可能會(huì)有塌陷坑、臺(tái)階、裂縫等非連續(xù)變形的地段，光伏設(shè)備就不會(huì)發(fā)生較大的不均勻沉降。

3.3 光伏電站建筑物對(duì)采空區(qū)影響分析

根據(jù)前面計(jì)算，項(xiàng)目區(qū)下方五組煤、四組煤、二組煤的垮落斷裂帶最大發(fā)育高度(H裂)分別為45.6 m、52.0 m、51.1 m。建筑物的最大荷載影響深度(H影)為12 m，因此，對(duì)于擬建區(qū)域內(nèi)新建建筑物，只有井下五組、四組、二組煤采深分別大于57.6 m、64.0 m、63.1 m時(shí)，才能保證項(xiàng)目區(qū)內(nèi)新建建筑荷載不會(huì)使采空區(qū)再次發(fā)生較大不均勻沉降。

4 光伏電站適宜性綜合評(píng)價(jià)

4.1 地表移動(dòng)變形適宜性

目前，我國(guó)“三下”采煤規(guī)程制定了一些建筑物相應(yīng)的損壞等級(jí)和允許變形標(biāo)準(zhǔn)，例如，磚混結(jié)構(gòu)建筑物、工業(yè)構(gòu)筑物、暖衛(wèi)工程管網(wǎng)等，但尚未給出光伏電站對(duì)抗變形的要求。參考光伏電站各建筑物的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行情況等，這里暫時(shí)對(duì)光伏電站的地表移動(dòng)變形適宜性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如下：

(1)升壓站內(nèi)設(shè)備對(duì)于地表變形比較敏感，考慮其重要性和特殊性，規(guī)定其允許地表移動(dòng)與變形值為I級(jí)變形(下沉≤300 mm，水平變形≤2.0 mm/m，傾斜≤3.0 mm/m、曲率≤0.20×10-3/m)，即地表移動(dòng)變形超過(guò)I級(jí)變形的區(qū)域不適宜建筑建筑物，不超過(guò)I級(jí)變形的區(qū)域適宜建設(shè)；

(2)對(duì)于光伏電站內(nèi)設(shè)備，規(guī)定允許的地表移動(dòng)與變形值為Ⅲ級(jí)變形(下沉≤500 mm，水平變形≤6.0 mm/m，傾斜≤10.0 mm/m、曲率≤0.60×10-3/m)，即地表變形超過(guò)Ⅲ級(jí)變形的區(qū)域不適宜架設(shè)光伏設(shè)備，不超過(guò)Ⅲ級(jí)變形的區(qū)域適宜架設(shè)光伏設(shè)備。

4.2 地基穩(wěn)定適宜性

(1)根據(jù)上述分析，對(duì)于升壓站，當(dāng)壓覆最上組煤層采空區(qū)為五組煤層時(shí)，采深大于57.6 m的區(qū)域能保證地基穩(wěn)定適宜建設(shè)；當(dāng)壓覆最上組煤層采空區(qū)為四組煤層時(shí)，采深大于64.0 m的區(qū)域能保證地基穩(wěn)定適宜建設(shè)；當(dāng)壓覆最上組煤層采空區(qū)為二組煤層時(shí)，采深大于63.1 m的區(qū)域能保證地基穩(wěn)定適宜建設(shè)。

(2)光伏設(shè)備荷載較小，影響深度非常小，只要不鋪設(shè)在可能會(huì)有塌陷坑、臺(tái)階、裂縫等非連續(xù)變形的地段，并且采取有效的抗變形技術(shù)措施，就能夠保證光伏設(shè)備的安全使用。

5 安全技術(shù)措施

擬建區(qū)受采空區(qū)殘余沉陷變形的影響可能會(huì)對(duì)光伏電站建筑物和光伏設(shè)備產(chǎn)生不利影響，因此，對(duì)適宜區(qū)內(nèi)新建建筑物及設(shè)備必須采取能夠抵抗地表沉陷變形的抗變形結(jié)構(gòu)技術(shù)措施，以確保新建光伏電站建筑物及設(shè)備的安全正常使用。

5.1 建筑物抗變形技術(shù)措施

建筑物的抗變形措施主要為變形縫、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)等處理。變形縫作為設(shè)計(jì)采動(dòng)區(qū)建筑物的基本措施之一，具有簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、有效等特點(diǎn)；基礎(chǔ)方面可以采用提高持力層的地基承載能力和改變基礎(chǔ)形式等措施；上部結(jié)構(gòu)主要措施為盡可能保證建筑物的整體性。此外，對(duì)于建筑物內(nèi)部的線路、管道等，可采用改變支座形式和設(shè)置柔性接頭等方式。

5.2 光伏設(shè)備的安全技術(shù)措施

光伏設(shè)備的保護(hù)措施包括：

(1)光伏組件間、匯流箱以及升壓器等之間的線纜要留有一定的富裕長(zhǎng)度，以防地表(殘余)水平拉伸變形的影響；

(2)光伏支架在地表傾斜較大的區(qū)域，應(yīng)采用可調(diào)支架以適應(yīng)采動(dòng)影響下地表殘余傾斜的變化；

(3)對(duì)于升壓站內(nèi)的重要設(shè)備盡量采用整體基礎(chǔ)，以減小設(shè)備之間的相對(duì)變形。增大設(shè)備與基礎(chǔ)連接螺栓的調(diào)節(jié)量，當(dāng)設(shè)備傾斜時(shí)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)區(qū)域特定的地質(zhì)采礦條件，對(duì)擬建光伏電站項(xiàng)目的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，確定了適宜建設(shè)光伏電站建筑物和光伏設(shè)備覆壓最上組煤層的最小采深，并提出了相應(yīng)光伏設(shè)施安全技術(shù)措施和建筑物抗變形技術(shù)措施，確保項(xiàng)目順利實(shí)施，研究成果對(duì)采動(dòng)影響下光伏電站變形與安全評(píng)估具有指導(dǎo)意義。