采空區場地光伏電站地基穩定性預測評價

張金柱

(陜西省一八五煤田地質有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

利用廢棄土地、煤礦采空塌陷區建設光伏發電站項目，在促進和鼓勵當地新能源快速發展的同時，也解決了建設用地緊張、選址困難等問題，但是采空區地基的穩定程度，直接關系到光伏電站的長期安全運行。因此，為了弄清煤礦開采對光伏電站影響程度，對采煤引起的地表變形量以及未來煤層開采對光伏電站的影響進行了預測，并對地基的穩定性以及作為光伏電站建設場地的適宜性進行了評價，針對評價結果提出防治措施及建議。

1 項目概況

神木某100 MWp煤礦塌陷區智慧光伏電站項目(以下簡稱“光伏電站”)位于神木市某煤礦采空區上部，總裝機容量約為100 MWp，總投資94 561萬元，采用分塊發電、集中并網方案，并在工程方陣中發展種植業和養殖業，規劃總占地面積約2.2 km2。為了弄清煤礦開采及開采后采空區對光伏電站的穩定性影響程度，現以神木某煤礦采空區智慧光伏電站項目為例，開展“煤礦采空區場地光伏電站地基穩定性預測評價”工作。

2 研究區地基穩定性分析及預測

2.1 研究區地質概況

含煤地層：研究區含煤地層共含可采煤層5層，其自上而下編號分別為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 研究區煤層開采后地表的變形

覆巖移動規律：煤層開采后，采空區頂底板和兩幫形成了自由空間，由于開采破壞了圍巖的原始應力狀態而引起圍巖中應力應變重新分布，瞬間以彈性變形形式完成[1-2]。通常情況下，巖體含有大量各類地質弱面(如斷裂、破碎帶、層理、片理等)，將巖體切割成為一系列弱聯接的嵌合體或各式各樣的組合體，在圍巖應力與自重共同作用下，礦體開采后，緊靠采空區的臨空塊體就發生移動，滿足失穩的力學和幾何條件的塊體先行垮落，并將這種過程傳遞給相鄰后方塊體，隨之相繼發生垮落，頂板巖塊的移動逐漸發展，破壞區逐漸擴大。垮落停止后，在自重作用下垮落巖體逐漸壓密，最終達到平衡。采空區上方覆巖的移動形式是極其復雜的，其移動形式基本上可歸結為：垮落(又稱崩落、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、底板巖層的隆起等形式。總體上，上部地層發育為“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

煤層開采后引起地表變形形式：由于研究區煤礦采用長壁式采煤方式，地表變形主要是以連續移動變形為主，局部可能存在非連續移動變形。地表變形的形式主要表現為地表移動盆地，地表裂縫、塌陷臺階及塌陷坑等。

2.3 煤層開采引起地表變形量預測

計算方法選取：對于地表移動變形的研究，國內外開展了大量的工作[3-4]。我國經過50多年的系統研究和實踐，已基本掌握了其移動變形規律，并頒布了《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》。目前，我國比較常用的地表移動變形計算方法有概率積分法、負指數函數法、威布爾函數法和典型曲線法等，其中概率積分法具有參數容易確定、實用性強等優點，在各礦區使用比較廣泛，是最常用的方法，本次地表沉陷變形計算即采用這種方法[5]。概率積分法的基礎是隨機介質理論，因其所用的移動變形預計公式中含有概率積分(或其導數)而得名。巖體是一種成因較為復雜的固體介質，在生成的過程中，由于地質作用使得巖體被層面、節理、斷層、軟弱夾層等非均質結構面所切割，開采作用使原生結構再次受擾動，表現出明顯的不連續性，所以李特威尼申采用了非連續介質中顆粒介質力學來研究巖層與地表移動問題。認為開采引起的巖層與地表移動的規律與作為隨機介質的顆粒介質模型所描述的規律在宏觀上相似。該模型認為介質是由類似砂粒或相對來說很小的巖塊這樣的介質顆粒組成，顆粒之間完全失去聯系，可以相對運動，大量的顆粒介質之間移動可以認為是隨機過程。顆粒介質在重力作用下，不受其尺寸大小、成層的幾何形狀的影響而僅受隨機規律支配，如果移動下面某一顆粒，則其上面的顆粒就會落下來填充下面的空洞，這種過程將重復循環到地表，形成一個單元下沉盆地。這種沉降過程可以看作是大量單元空洞從地層深處向地面移動的過程，地表下沉盆地的形態與正態的概率分布密度曲線較為相似。根據前人對國內外地表移動研究表明[6]，本區地表殘余移動分布規律基本符合概率積分模型，可以近似采用概率積分法進行計算。

矩形工作面開采時，對地表任意點下沉預計計算，可設矩形工作面的走向方向的開采長度為l，傾向方向的開采寬度的水平投影長為L。則傾向方向為充分采動時，走向主斷面上的下沉預計公式為

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

(1)

走向方向為充分采動時，傾向主斷面上的下沉預計公式為

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

(2)

地表任意點的下沉預計公式為：

(3)

式中：W0—最大下沉值。

多工作面開采影響的預計計算時，首先計算出單個工作面開采引起地表預計點的下沉，然后根據疊加原理進行疊加計算獲得多工作面開采的聯合影響。

任意形狀工作面開采影響預計時，將任意形狀工作面順煤層走向劃分成若干矩形工作面，用一個或多個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，與礦層傾角、開采方法和頂板管理方式有關；M—采厚；H—采深；α—煤層傾角；r—開采影響半徑，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—水平移動系數，取值范圍在0.25～0.35之間。

參數確定：類比研究區多年地表巖移觀測資料、區域覆巖性質，綜合確定研究區地表最大變形量的預測參數。根據《周邊煤礦工作面開采地表移動規律》資料，結合《采空區公路設計與施工技術細則》(JTG/T D31-03-2011)附錄D采空區地表移動變形計算，對于水平及緩傾斜礦層(α<15°)中硬覆巖的長壁式垮落法半無限采空區地表移動、變形最大值及其位置的計算，在光伏電站受充分采動影響時，參數確定如下：

下沉系數單層開采q=0.60(參照研究區多年實測剖面變形數據推算得來)，重復開采q=0.70，水平移動系數b=0.26，主要影響角正切tanβ=2.0，重復開采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。

預測結果：利用上述地表移動變形預測參數、預測模型，結合本區域地質采礦條件和煤層賦存情況，對煤層開采引起地表沉陷變形進行了預測，預測結果見表1。

表1 采空區最大變形量預測結果表

地表移動持續時間：劃分為啟動階段、活躍階段、衰退階段。進入衰退階段的標準為：連續6個月內地表下沉量小于30 mm，衰退階段對地表的構筑物基本影響。“三下”采煤規程規定的地表移動時間(啟動階段、活躍階段)計算公式

T=2.5H

(5)

其中:H—煤層埋深，m；T—持續時間，d。

經估算，各煤層在開采過程中地表移動時間見表2。根據周邊煤礦觀測資料，地表移動啟動時間為10～40 d；活躍階段60～250 d；衰退階段一般持續2 a左右，有的達6～7 a，衰退階段的殘余沉降一般小于總沉降量的10%。

表2 采空地表移動變形持續時間預測結果表

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《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》，結合煤礦地質條件，估算地表移動選用移動角為：松散層α=45°，基巖β=71°。地表沉陷影響范圍在開采邊界向外擴展82～109 m，見表3。這些擴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以垂向塌陷變形為主，水平位移、傾斜位移為輔的變形規律。

表3 煤層開采引起地表變形影響范圍

2.4 研究區場地穩定性分析

當光伏電站建設前，場地下方已進行煤層開采且沉降尚未穩定，則煤層開采采空區對光伏電站存在安全影響；當光伏電站建設前，場地下方已進行煤層開采且沉降穩定，則煤層開采采空區對光伏電站基本無影響。當光伏電站建設和運行過程中，場地下方進行煤層開采，則建設和運行期間煤層開采對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，煤層開采厚度2.50 m，開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，煤層開采后地表影響范圍為工作面上部及邊界外推82 m以內。根據該煤礦開采進度與光伏電站的時空關系，光伏電站場地范圍內采空時間均已超過4-2煤層的地表移動持續時間273 d，可以認為場地已基本穩定，采空區對光伏電站基本無影響。

4-3煤層平均埋深133 m，煤層開采厚度1.05 m，開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，煤層開采后地表影響范圍為工作面上部及邊界外推93 m以內。煤層采空后地表變形較小，以整體沉降為主。根據該煤礦開采進度與光伏電站的時空關系，光伏電站場地范圍內4-3煤層均未開采，開采后的地表變形對光伏電站的穩定運行存在影響，但影響較小。

4-4煤層平均埋深147 m，煤層開采厚度1.09 m，開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，煤層開采后地表影響范圍為工作面上部及邊界外推98 m以內。煤層采空后地表變形較小，以整體沉降為主。根據該煤礦開采進度與光伏電站的時空關系，光伏電站場地范圍內4-4煤層均未開采。

5-2煤層平均埋深175 m，煤層開采厚度2.71 m，開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，煤層開采后地表影響范圍為工作面上部及邊界外推109 m以內。煤層采空后地表變形較明顯，但仍以整體沉降為主。根據該煤礦開采進度與光伏電站的時空關系，光伏電站場地范圍內5-2煤層均未開采。

3 影響評價及防治措施

3.1 煤礦采空區對光伏電站影響

煤礦采空區沉陷會使地表產生變形，將會導致光伏電站及其附屬物產生一系列問題，從而影響光伏電站的安全運行，主要表現在以下幾個方面。

對光伏陣列基礎的危害：采空區的沉降、位移可使樁基與承臺發生變形，從而導致光伏陣列基礎變形。

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

對場內道路的危害：采空區沉陷引起地表傾斜和水平變形及豎向下沉，可在豎直方向上產生拉伸變形，引起路堤本身松弛、開裂，而且有可能在不同壓實度的土層中產生脫層，影響路基的承載力。若路基因采空區沉陷而下沉的同時，伴隨著水平方向上的移動，垂直于路線方向的橫向移動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種移動的不均勻性，會使公路發生坡度，豎曲線現狀改變和沿路線方向的變化。

對其附屬物的危害：光伏電站建設中的附屬物主要為電纜管線。若采空區發生垂直沉降及水平變形時，易造成地下電纜管線斷裂。

3.2 防治措施及建議

避免在場地內煤層開采影響范圍內進行工程建設活動。采用可調節變形的支架，光伏電站運行階段若光伏支架產生微量變形后便于調整；減小單個光伏陳列的面積；及時對產生變形的光伏陣列修復。連接光伏電板和輸電設施的電纜等采用柔性連接，埋設時留有變形余量。逆變器及箱變等可采用鋼筋混凝土基座。對場區道路進行及時平整修復。布設專門的變形監測網，定期進行觀測和預警，對產生變形的光伏陣列基礎進行處理，重新調整電板支架的狀態，保證設備能夠正常運行。

4 結語

通過對開采引起的覆巖變形特征和演化規律預測，以及場地穩定性評價計算，可以分析礦區煤層開采沉陷對地表的影響。從而提出煤層開采導致光伏電站災害的防治措施建議，可為光伏電站工程設計提供科學依據。