非穩(wěn)沉采煤沉陷區(qū)光伏產業(yè)治理的設計實踐

華 祥 翟保宏 趙 琦

（1.通用技術集團工程設計有限公司，山東 濟南 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)濟效益，已成為國家能源政策的主要引導方向。鑒于濟寧地區(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)劃建設光伏發(fā)電可達到采煤沉陷區(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型發(fā)展也具有一定引領作用。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)往復的產生一定的地表移動與變形，甚至破壞，對采動影響范圍內的建（構）筑物也將產生一定的影響，因此在采煤沉陷區(qū)進行各類工程建設時，必須進行建設場地穩(wěn)定性分析，將地面建（構）筑物建設、布局與井下開采活動有效結合起來，以達到雙贏的目的。

1 項目概況

本項目為農光互補光伏發(fā)電工程，位于濟寧市汶上縣境內，規(guī)劃容量100MW。項目按農光互補方式實施，采用大棚與支架結合布置，主要功能區(qū)包括升壓站及農業(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，形成光伏方陣。光伏方陣通常由多排多列光伏組件構成，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行連接，再經(jīng)過專用電纜與逆變器相連。

光伏電站建（構）筑物主要包括光伏支架與基礎、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構，支架基礎形式采用鋼筋混凝土管樁基礎，樁長5.0～7.0m，入土深度2.5～3.0m。逆變器室和升壓變室內通常可放置幾組逆變器和幾組光伏升壓變壓器，通常為單層砌體結構或采用彩鋼復合板封閉，基礎為混凝土條形基礎。綜合樓集生產、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構，基礎采用混凝土獨立基礎，一般為 1～2層。

2 基本地質條件

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。該區(qū)域賦存煤層有3、16和17煤層，16、17煤層沒進入礦井開采規(guī)劃，只需研究已經(jīng)進行開采的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生的移動量；二是停止開采后隨時間變化而產生的移動量。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）筑物產生影響?？紤]光伏電站建、構筑物結構特點，主要對場址區(qū)煤層開采后至地表移動變形延續(xù)結束之間的剩余移動變形進行分析。

根據(jù)地表移動變形延續(xù)時間計算結果，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年服務期內礦井仍主要開采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，界定10mm沉降邊界之外為穩(wěn)定區(qū)，沉降范圍內參照“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）。綜合以上分析結果可知，場址區(qū)面積的49%處于穩(wěn)定區(qū)范圍，不會對項目實施產生影響；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%）。

可進一步優(yōu)化地面總平面布置，將綜合樓等重要建（構）筑物放在穩(wěn)定區(qū)域。考慮到本電站支架基礎可采用單根鋼筋混凝土管樁基礎形式，抗變形能力較強，經(jīng)試驗區(qū)驗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）可進一步增加抗變形設計或暫時避開光伏布置，待場地穩(wěn)定性改善后再行建設。

圖1 場址區(qū)穩(wěn)定性劃分結果

5 結論

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