非穩(wěn)沉采煤沉陷區(qū)光伏產(chǎn)業(yè)治理的設(shè)計實(shí)踐

華 祥 翟保宏 趙 琦

（1.通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計有限公司，山東 濟(jì)南 250031；2.華電山東新能源有限公司汶上分公司，山東 汶上 272500）

光伏發(fā)電由于具有顯著的能源、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，已成為國家能源政策的主要引導(dǎo)方向。鑒于濟(jì)寧地區(qū)采煤沉陷區(qū)范圍廣，在采煤沉陷區(qū)廢棄的土地上規(guī)劃建設(shè)光伏發(fā)電可達(dá)到采煤沉陷區(qū)有效利用與新能源開發(fā)雙贏目的，對于山東省其他地區(qū)沉陷區(qū)治理工作和全國資源型城市轉(zhuǎn)型發(fā)展也具有一定引領(lǐng)作用。但由于采礦活動是一個循環(huán)連續(xù)的過程，采煤沉陷區(qū)會循環(huán)往復(fù)的產(chǎn)生一定的地表移動與變形，甚至破壞，對采動影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物也將產(chǎn)生一定的影響，因此在采煤沉陷區(qū)進(jìn)行各類工程建設(shè)時，必須進(jìn)行建設(shè)場地穩(wěn)定性分析，將地面建（構(gòu)）筑物建設(shè)、布局與井下開采活動有效結(jié)合起來，以達(dá)到雙贏的目的。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為農(nóng)光互補(bǔ)光伏發(fā)電工程，位于濟(jì)寧市汶上縣境內(nèi)，規(guī)劃容量100MW。項(xiàng)目按農(nóng)光互補(bǔ)方式實(shí)施，采用大棚與支架結(jié)合布置，主要功能區(qū)包括升壓站及農(nóng)業(yè)管理站、光伏區(qū)、連接各方陣的道路、電纜通道。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏方陣、匯流箱、逆變器、測量通信系統(tǒng)及公共電網(wǎng)組成。光伏方陣多采用多晶硅光伏組件，每個光伏組件尺寸為1650×992×40mm，重量約19kg。光伏組件需要用牢固的支架朝南架設(shè)，形成光伏方陣。光伏方陣通常由多排多列光伏組件構(gòu)成，長度根據(jù)組件列數(shù)決定。各光伏組件之間需要接線盒進(jìn)行連接，再經(jīng)過專用電纜與逆變器相連。

光伏電站建（構(gòu)）筑物主要包括光伏支架與基礎(chǔ)、逆變器室、升壓變室及綜合樓。光伏支架采用鋼支架作為直接支撐結(jié)構(gòu)，支架基礎(chǔ)形式采用鋼筋混凝土管樁基礎(chǔ)，樁長5.0～7.0m，入土深度2.5～3.0m。逆變器室和升壓變室內(nèi)通常可放置幾組逆變器和幾組光伏升壓變壓器，通常為單層砌體結(jié)構(gòu)或采用彩鋼復(fù)合板封閉，基礎(chǔ)為混凝土條形基礎(chǔ)。綜合樓集生產(chǎn)、生活為一體的一般性綜合性建筑，布置有控制室、辦公室、餐廳、資料室、宿舍等，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，一般為 1～2層。

2 基本地質(zhì)條件

場址區(qū)屬平原地貌，地面高程為+40m左右，位于汶上縣某煤礦采煤沉陷區(qū)內(nèi)。該區(qū)域賦存煤層有3、16和17煤層，16、17煤層沒進(jìn)入礦井開采規(guī)劃，只需研究已經(jīng)進(jìn)行開采的3煤層。3煤層厚度4.03～9.52m（平均厚度7.50m），開采標(biāo)高-340～-900m，煤層傾角一般不超過25°。

3 地表移動變形分析

3.1 剩余移動變形分析

煤層開采后，地表移動變形可分為兩部分：一是隨著開采空間變化而產(chǎn)生的移動量；二是停止開采后隨時間變化而產(chǎn)生的移動量。前者是主要移動量，根據(jù)統(tǒng)計資料，這部分移動量占開采厚度的65%～75%。停止開采后的移動量又可細(xì)分為兩部分：一部分為停止開采后至穩(wěn)定（地表移動變形延續(xù)時間結(jié)束）的剩余移動變形，約占開采厚度的20%～25%；其余為穩(wěn)沉后的地表殘余移動變形，約占開采厚度的5%～10%。由于殘余移動變形影響周期很長，且移動變形總量不大，因此主要會對精密建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生影響。考慮光伏電站建、構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要對場址區(qū)煤層開采后至地表移動變形延續(xù)結(jié)束之間的剩余移動變形進(jìn)行分析。

根據(jù)地表移動變形延續(xù)時間計算結(jié)果，3煤層全部垮落法開采地表移動影響時間為2.7～4.9年。據(jù)此，確定出礦井1301、1302、1303、1304、1305、1306、1307、3301、3302工作面引起的采空區(qū)地面沉陷區(qū)域基本處于穩(wěn)沉狀態(tài)，1308、1309、1310、1312、3303、3304、3306工作面引起的地表移動變形尚未結(jié)束。經(jīng)計算地表剩余移動變形主要集中在東部邊界，最大下沉值為650mm，最大傾斜變形值為-5.5mm/m，最大水平變形值為+2.5/-1.5mm/m。

3.2 規(guī)劃開采影響分析

陽城煤礦為正常生產(chǎn)礦井，隨著時間的推移，其開采活動還會繼續(xù)。根據(jù)礦井目前接續(xù)安排規(guī)劃，電站25年服務(wù)期內(nèi)礦井仍主要開采3煤層，近期先規(guī)劃開采北三采區(qū)剩余區(qū)域，然后通過大巷繼續(xù)向南開拓。經(jīng)計算規(guī)劃開采影響主要集中在東部和南部，預(yù)計影響地表最大下沉3600mm，最大傾斜變形為10.0mm/m，最大水平變形為+6.0/-6.0mm/m。

4 采空區(qū)穩(wěn)定性評價

根據(jù)前面分析，本次場地穩(wěn)定性評價需考慮已開采的采空區(qū)剩余移動變形影響和未來開采規(guī)劃影響。本次根據(jù)以往行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，界定10mm沉降邊界之外為穩(wěn)定區(qū)，沉降范圍內(nèi)參照“三下”規(guī)范第27條規(guī)定劃分為基本穩(wěn)定區(qū)（Ⅰ、Ⅱ級損壞）和不穩(wěn)定區(qū)（≥Ⅲ級損壞）。綜合以上分析結(jié)果可知，場址區(qū)面積的49%處于穩(wěn)定區(qū)范圍，不會對項(xiàng)目實(shí)施產(chǎn)生影響；48%處于基本穩(wěn)定區(qū)范圍，存在一定變形影響；極小部分處于不穩(wěn)定區(qū)（約3%）。

可進(jìn)一步優(yōu)化地面總平面布置，將綜合樓等重要建（構(gòu)）筑物放在穩(wěn)定區(qū)域。考慮到本電站支架基礎(chǔ)可采用單根鋼筋混凝土管樁基礎(chǔ)形式，抗變形能力較強(qiáng)，經(jīng)試驗(yàn)區(qū)驗(yàn)證地表移動下沉盆地邊緣較緩，樁體施工后整體變形不大，因此認(rèn)為基本穩(wěn)定區(qū)采用單樁基支架形式也可滿足使用要求。極小部分不穩(wěn)定區(qū)（場址區(qū)3%比例）可進(jìn)一步增加抗變形設(shè)計或暫時避開光伏布置，待場地穩(wěn)定性改善后再行建設(shè)。

圖1 場址區(qū)穩(wěn)定性劃分結(jié)果

5 結(jié)論

報告在全面收集場址區(qū)規(guī)劃及煤礦相關(guān)地質(zhì)采礦資料的基礎(chǔ)上，對相關(guān)礦井煤層開采引起的地表沉陷結(jié)果及剩余變形進(jìn)行了計算，并結(jié)合下一步開采規(guī)劃，對煤礦采空區(qū)地表的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價。通過對場址區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分區(qū)、劃分，可更有效地進(jìn)行地面總平面布置，將綜合樓等重要建（構(gòu)）筑物避開穩(wěn)定性較差區(qū)域，確保運(yùn)營安全。