采空區光伏電站建設適宜性評價

葉小波

(四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610000)

我國的土地資源越來越貧乏，工程建設場地越來越難選擇，越來越多的工程項目不得不建設在工程地質條件較差的場地上，某太陽能光伏發電站建設在煤礦采空區廢棄土地上。

在煤礦采空區內建設光伏發電站，尤其是站內變電站或升壓站，將可能面臨較大的風險或耗費較大的投資成本。煤礦采空區煤層傾斜且分布繁雜，為了確保光伏電站建(構)筑物的安全，須對該場地建設光伏電站的適宜性進行評價，并提出針對性的處理措施和建議。

1 工程概況

光伏電站位于四川省攀枝花市西區的東南部，光伏場地由北至南依次分為A、B、C、D四個區，其中A區范圍最大且最為集中，位于煤礦原主井工業范圍內及附近，該區內分布老采空區、新采空區以及未來采空區等，礦區內煤層眾多，采掘工作面分布繁雜。升壓站為光伏電站中重要且對變形極其敏感的建筑物，須選擇受煤層采動影響較小、穩定性好的場地，根據當地建設規劃和業主要求，升壓站場地要在光伏場布置區內選址。本文僅對光伏板布置區A區和升壓站場地的建設適宜性進行評價。

2 采空區基本情況

礦井田開采煤層屬中生界上三迭系大蕎地煤組，在+1400水平三采區開采丁段和戊段煤層，含可采煤層和局部可采煤層15層，其中15、18、21-3、23-2等煤層為主要可采層，其余為次要可采層。煤礦開采區域煤層均為傾斜煤層群，煤層走向近于北南，煤層傾角10～30°，傾向近正西向。A區面積約0.4 km2，位于煤礦礦區北段位置，根據現場調查及資料整理綜合分析，評估區中15-3、15、18、21-3等4個主要采煤層存在對光伏電站有影響的采空區，見表1。

表1 A區范圍采動煤層基本情況

3 光伏場區適宜性評價

3.1 采動區地面變形預測

地下煤層開采引起的地表破壞范圍和破壞程度可用地表沉陷產生的移動和變形值的大小來評價，地表移動變形值可根據煤層開采條件采用概率積分法進行計算。

根據下部煤層埋藏和賦存特征，結合礦井的開采現狀及采區接續計劃，同時根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》相近地區類似地質采礦條件的參數取值進行類比，結合國內煤炭行業多年的實測經驗進行適當調整，并參考鄰近礦區的實測經驗數據，綜合分析各計算參數值詳見表2。各煤層采掘工作面煤層開采情況和預測計算成果詳見表3。

表2 地表移動變形參數

表3 采空區地表變形預測成果

續表3

3.2 適宜性評價及處理措施

根據預測計算成果分析各工作面的開采時間和預測地表移動持續時間，大部分采動工作面結束時間均大于3年，結合地表變形監測成果數據，地表剩余變形量一般都小于300 mm，地表變形已經基本完成，A區場地中對光伏板產生主要影響的43183、4321-34等有兩個采動工作面。因此，該區場地基本適宜光伏板建設，對部分有影響的采空區光伏板采取相應處理措施可以進行建設。

光伏板布置區采取如下處理措施：①對于地表變形已基本完成的老采空區，主要采取結構措施，如采用剛度較大的獨立連梁基礎、光伏板與基礎間采用地腳螺旋連接形式等。②對于43183、4321-34兩個采動工作面影響區的光伏板，根據預測變形持續時間節點，采取基本完成變形后分部建設的措施。

4 升壓站場地適宜性評價

升壓站為光伏電站中對變形敏感的建筑物，通過對場地內采空區開采資料的搜集和實地調查情況，整個光伏場地A區內均為大面積采動區，絕大地段不宜布置站址場地，部分區域具備選擇升壓站場地的可能。

根據模擬計算出的場地地表下沉量，并結合場地實際情況，選擇出三個擬選場地，見圖1。通過比選，最終確定最可能不受采動影響的場地，并針對該場地進行了高密度電法、瞬變電磁法兩種物探手段進行探測，確定場地以下有無私采煤窯，最后通過鉆探驗證物探解譯成果的可靠性。

圖1 光伏站A區地表下沉等值線

4.1 高密度電法探測成果分析

區內地層走向近于南北向，物探測線布置方向為東西向，共布置測線16條，見圖2。

圖2 物探工作剖線布置

以下選取高密度電法測線L13線視電阻率等值線斷面圖說明，圖中電阻率取對數。剖面為東西方向布設，由西至東點號增加。圖中表層藍色條帶狀區域為第四系覆蓋層，電阻率較低；下覆基巖，電阻率較高。樁號100～300 m段存在低阻異常，且有向下延伸趨勢，推斷為15號煤層采空裂隙；樁號300～450 m段存在一個較淺的低阻異常圈閉范圍，推斷為淺表裂隙發育區，本次在樁號340 m處布置了鉆孔驗證，驗證標高+1650 m附近巖芯較破碎，節理裂隙發育，裂隙表面可見黃褐色銹斑，界面摩擦較明顯，與物探解譯成果基本一致；樁號500～800 m段+1600 m深度呈現大范圍低阻異常區域，經地質調查為井下+1600 m變電所、機電設備、巷道及局部裂隙發育反映；樁號800～1000 m區域淺部低阻異常，推斷有裂隙，但埋深較淺，離光伏升壓站位置較遠，故影響較小，見圖3。

圖3 L13高密度線勘察成果圖

將高密度電法各剖面解釋成果投影到平面上，結合地質資料進行地質解釋，并與擬建場地進行對比分析，見圖4。圖中藍色圈為推斷裂隙和裂隙帶，按自南向北、自西向東給裂隙帶編號從X1～X11，圖中X1、X2、X3 和X8、X9、X10規模較小，裂隙埋深較淺，對光伏升壓站建造影響較小；X4、X5、X6、X7、X11規模較大，裂隙埋深較淺對光伏升壓站建造影響相對較大；紅色曲線區域為井下+1600 m變電所、井下水倉、機電設備、巷道及局部裂隙發育反映投影到地面范圍。以上解譯成果與煤礦提供的礦井資料基本相符。

圖4 高密度電法全區地質成果平面圖

4.2 瞬變電磁法探測成果分析

以下選取L15物探測線視電阻率等值線斷面圖作為本次說明示例，電阻率取對數。剖面為東西方向布設，由西至東點號增加。樁號400～500 m段標高+1400～1600 m處呈現出長條型低阻異常區域，推斷為15號和21-3煤層采空區；樁號700 m段低阻異常經地質調查為井下+1600 m變電所、機電設備、巷道及局部裂隙發育反映；樁號800～900 m，推斷為21-3層煤采空區，以上解譯成果與大堡鼎煤礦提供的礦井資料基本相符，見圖5。

圖5 L15瞬變電磁線勘察成果圖

將全區瞬變電磁法成果解譯到平面圖上，見圖6、圖7。圖6為15號煤層瞬變電磁視電阻率切片圖，圖中顯示5～16線、里程300～500 m段呈現大范圍低阻圈閉異常，推斷為15號煤層采空區，且采空區邊界西北部已經進入擬建升壓站保安煤柱線(藍色框)，西北部采空邊界距站址場地(紅框中心)最近130 m，切片中間低阻異常為井下變電所、井下水倉、機電設備、巷道及局部裂隙破碎帶反映。東南部低阻圈閉異常推斷為破碎帶。圖7為21-3號煤層瞬變電磁視電阻率切片圖，圖中顯示4～16線、里程300～500 m段呈現大范圍低阻圈閉異常，推斷為21-3號煤層采空區，且采空區邊界西北部已經進入升壓站保安煤柱線(藍色框)，距站址場地(紅框中心)最近約130 m；1～15線、里程750～900 m段呈現大范圍低阻圈閉異常，推斷為21-3號煤層采空區，采空邊界中部小范圍進入升壓站保安煤柱線(藍色框)，距站址場地距離約120 m。切片中間低阻異常為井下變電所、井下水倉其他機電設備、巷道及局部裂隙破碎帶反映。以上解譯成果與煤礦提供的礦井資料基本相符。

圖6 15號煤層順層切片圖

圖7 21-3號煤層順層切片圖

4.3 鉆探驗證

本次驗證鉆孔位于15號煤層東側邊界處，鉆孔深度為150.3 m。鉆探巖芯顯示標高+1650 m附近巖芯較破碎，節理裂隙發育，裂隙表面可見黃褐色銹斑，界面摩擦較明顯，分析為采空區垮落裂隙帶，與物探解析結果基本一致。

本次鉆探共取煤層頂底板上下10 m范圍內2組巖樣進行力學性質指標測試，根據測試結果，本區上覆巖層為較堅硬巖層，因此報告中采用相關參數選取合理。

4.4 適宜性評價及處理措施

通過上述物探探測、鉆探驗證可知，物探成果解譯方法準確、可靠。根據采掘工程平面圖和物探解譯成果可知，4321-34工作面形成的采空區距離場地最近，平面位置距離為132 m，此處21-3煤層埋深約298 m，主要影響角正切tanβ取2.3，根據規范計算煤層采空區傾向影響半徑130 m，由此判斷場地基本位于4321-34采空區地表移動盆地邊緣外部位置，采空區地表影響邊界在充分采動條件下未來地表最大下沉量為10 mm，光伏升壓站的地表最終沉降在現行采空區分布的條件下不大于10 mm，滿足設計要求，因此該場地適宜建設光伏電站升壓站，不需要采取特殊的工程處理措施，但需根據規范要求預留保安煤柱。

5 結論

本文在收集煤礦資料的基礎上，結合現場調查，通過概率積分法對光伏板布置區地表變形進行預測，并根據各煤層工作面的開采時間和地表變形持續時間等參數判斷采空區大部分工作面已經基本完成變形，對相應的光伏板區采取結構處理措施，可滿足設計要求，而對于部分采掘工作面，由于其采掘時間較緊，判斷其尚未完成變形，可根據預測變形持續時間節點，采取基本完成變形后分部建設的措施。

升壓站建(構)筑物對變形極其敏感，將其直接置于采空區內風險極大，由于場地內煤層分布復雜、埋深大、煤層傾斜等不利因素導致站址唯一，本次評價在分析了煤礦采掘分布圖之后，通過高密度電法、瞬變電磁法對場地進行探測，以驗證分布圖等資料的可靠性，并排除場地下有無私采小煤窯的可能性，最后通過鉆探驗證物探手段解譯的正確性，得出該場地不受采空區變形范圍影響的結論，擬選站址可以不采取特殊的工程處理措施進行升壓站建設。