采空區(qū)光伏電站建設(shè)適宜性評價(jià)

葉小波

(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610000)

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

在煤礦采空區(qū)內(nèi)建設(shè)光伏發(fā)電站，尤其是站內(nèi)變電站或升壓站，將可能面臨較大的風(fēng)險(xiǎn)或耗費(fèi)較大的投資成本。煤礦采空區(qū)煤層傾斜且分布繁雜，為了確保光伏電站建(構(gòu))筑物的安全，須對該場地建設(shè)光伏電站的適宜性進(jìn)行評價(jià)，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(qū)的東南部，光伏場地由北至南依次分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)，其中A區(qū)范圍最大且最為集中，位于煤礦原主井工業(yè)范圍內(nèi)及附近，該區(qū)內(nèi)分布老采空區(qū)、新采空區(qū)以及未來采空區(qū)等，礦區(qū)內(nèi)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(wěn)定性好的場地，根據(jù)當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)規(guī)劃和業(yè)主要求，升壓站場地要在光伏場布置區(qū)內(nèi)選址。本文僅對光伏板布置區(qū)A區(qū)和升壓站場地的建設(shè)適宜性進(jìn)行評價(jià)。

2 采空區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)面積約0.4 km2，位于煤礦礦區(qū)北段位置，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及資料整理綜合分析，評估區(qū)中15-3、15、18、21-3等4個(gè)主要采煤層存在對光伏電站有影響的采空區(qū)，見表1。

表1 A區(qū)范圍采動煤層基本情況

3 光伏場區(qū)適宜性評價(jià)

3.1 采動區(qū)地面變形預(yù)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(chǎn)生的移動和變形值的大小來評價(jià)，地表移動變形值可根據(jù)煤層開采條件采用概率積分法進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)下部煤層埋藏和賦存特征，結(jié)合礦井的開采現(xiàn)狀及采區(qū)接續(xù)計(jì)劃，同時(shí)根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》相近地區(qū)類似地質(zhì)采礦條件的參數(shù)取值進(jìn)行類比，結(jié)合國內(nèi)煤炭行業(yè)多年的實(shí)測經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并參考鄰近礦區(qū)的實(shí)測經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，綜合分析各計(jì)算參數(shù)值詳見表2。各煤層采掘工作面煤層開采情況和預(yù)測計(jì)算成果詳見表3。

表2 地表移動變形參數(shù)

表3 采空區(qū)地表變形預(yù)測成果

續(xù)表3

3.2 適宜性評價(jià)及處理措施

根據(jù)預(yù)測計(jì)算成果分析各工作面的開采時(shí)間和預(yù)測地表移動持續(xù)時(shí)間，大部分采動工作面結(jié)束時(shí)間均大于3年，結(jié)合地表變形監(jiān)測成果數(shù)據(jù)，地表剩余變形量一般都小于300 mm，地表變形已經(jīng)基本完成，A區(qū)場地中對光伏板產(chǎn)生主要影響的43183、4321-34等有兩個(gè)采動工作面。因此，該區(qū)場地基本適宜光伏板建設(shè)，對部分有影響的采空區(qū)光伏板采取相應(yīng)處理措施可以進(jìn)行建設(shè)。

光伏板布置區(qū)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(qū)，主要采取結(jié)構(gòu)措施，如采用剛度較大的獨(dú)立連梁基礎(chǔ)、光伏板與基礎(chǔ)間采用地腳螺旋連接形式等。②對于43183、4321-34兩個(gè)采動工作面影響區(qū)的光伏板，根據(jù)預(yù)測變形持續(xù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，采取基本完成變形后分部建設(shè)的措施。

4 升壓站場地適宜性評價(jià)

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

根據(jù)模擬計(jì)算出的場地地表下沉量，并結(jié)合場地實(shí)際情況，選擇出三個(gè)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(jìn)行了高密度電法、瞬變電磁法兩種物探手段進(jìn)行探測，確定場地以下有無私采煤窯，最后通過鉆探驗(yàn)證物探解譯成果的可靠性。

圖1 光伏站A區(qū)地表下沉等值線

4.1 高密度電法探測成果分析

區(qū)內(nèi)地層走向近于南北向，物探測線布置方向?yàn)闁|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(shù)。剖面為東西方向布設(shè)，由西至東點(diǎn)號增加。圖中表層藍(lán)色條帶狀區(qū)域?yàn)榈谒南蹈采w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(gè)較淺的低阻異常圈閉范圍，推斷為淺表裂隙發(fā)育區(qū)，本次在樁號340 m處布置了鉆孔驗(yàn)證，驗(yàn)證標(biāo)高+1650 m附近巖芯較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)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(xiàn)大范圍低阻異常區(qū)域，經(jīng)地質(zhì)調(diào)查為井下+1600 m變電所、機(jī)電設(shè)備、巷道及局部裂隙發(fā)育反映；樁號800～1000 m區(qū)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(yuǎn)，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(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行地質(zhì)解釋，并與擬建場地進(jìn)行對比分析，見圖4。圖中藍(lán)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(guī)模較小，裂隙埋深較淺，對光伏升壓站建造影響較?。籜4、X5、X6、X7、X11規(guī)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(qū)域?yàn)榫?1600 m變電所、井下水倉、機(jī)電設(shè)備、巷道及局部裂隙發(fā)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(qū)地質(zhì)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(shù)。剖面為東西方向布設(shè)，由西至東點(diǎn)號增加。樁號400～500 m段標(biāo)高+1400～1600 m處呈現(xiàn)出長條型低阻異常區(qū)域，推斷為15號和21-3煤層采空區(qū)；樁號700 m段低阻異常經(jīng)地質(zhì)調(diào)查為井下+1600 m變電所、機(jī)電設(shè)備、巷道及局部裂隙發(fā)育反映；樁號800～900 m，推斷為21-3層煤采空區(qū)，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(qū)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(xiàn)大范圍低阻圈閉異常，推斷為15號煤層采空區(qū)，且采空區(qū)邊界西北部已經(jīng)進(jìn)入擬建升壓站保安煤柱線(藍(lán)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(jī)電設(shè)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(xiàn)大范圍低阻圈閉異常，推斷為21-3號煤層采空區(qū)，且采空區(qū)邊界西北部已經(jīng)進(jìn)入升壓站保安煤柱線(藍(lán)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(xiàn)大范圍低阻圈閉異常，推斷為21-3號煤層采空區(qū)，采空邊界中部小范圍進(jìn)入升壓站保安煤柱線(藍(lán)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(jī)電設(shè)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(yàn)證

本次驗(yàn)證鉆孔位于15號煤層?xùn)|側(cè)邊界處，鉆孔深度為150.3 m。鉆探巖芯顯示標(biāo)高+1650 m附近巖芯較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)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(qū)垮落裂隙帶，與物探解析結(jié)果基本一致。

本次鉆探共取煤層頂?shù)装迳舷?0 m范圍內(nèi)2組巖樣進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)測試，根據(jù)測試結(jié)果，本區(qū)上覆巖層為較堅(jiān)硬巖層，因此報(bào)告中采用相關(guān)參數(shù)選取合理。

4.4 適宜性評價(jià)及處理措施

通過上述物探探測、鉆探驗(yàn)證可知，物探成果解譯方法準(zhǔn)確、可靠。根據(jù)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(qū)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(jù)規(guī)范計(jì)算煤層采空區(qū)傾向影響半徑130 m，由此判斷場地基本位于4321-34采空區(qū)地表移動盆地邊緣外部位置，采空區(qū)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(xiàn)行采空區(qū)分布的條件下不大于10 mm，滿足設(shè)計(jì)要求，因此該場地適宜建設(shè)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(jù)規(guī)范要求預(yù)留保安煤柱。

5 結(jié)論

本文在收集煤礦資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，通過概率積分法對光伏板布置區(qū)地表變形進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)各煤層工作面的開采時(shí)間和地表變形持續(xù)時(shí)間等參數(shù)判斷采空區(qū)大部分工作面已經(jīng)基本完成變形，對相應(yīng)的光伏板區(qū)采取結(jié)構(gòu)處理措施，可滿足設(shè)計(jì)要求，而對于部分采掘工作面，由于其采掘時(shí)間較緊，判斷其尚未完成變形，可根據(jù)預(yù)測變形持續(xù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，采取基本完成變形后分部建設(shè)的措施。

升壓站建(構(gòu))筑物對變形極其敏感，將其直接置于采空區(qū)內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)極大，由于場地內(nèi)煤層分布復(fù)雜、埋深大、煤層傾斜等不利因素導(dǎo)致站址唯一，本次評價(jià)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(jìn)行探測，以驗(yàn)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(yàn)證物探手段解譯的正確性，得出該場地不受采空區(qū)變形范圍影響的結(jié)論，擬選站址可以不采取特殊的工程處理措施進(jìn)行升壓站建設(shè)。