采空區(qū)對貞豐縣龍場二期光伏電站穩(wěn)定分析及評價

張 彪，陳 瀟，劉超楊，嚴 浩

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽550081）

從2010年以來，我國為調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，建立長效機制，在電力、煤炭、鋼鐵、水泥等行業(yè)關(guān)停淘汰了一大批落后產(chǎn)能。然而煤礦關(guān)停之后，很多地區(qū)會形成煤礦采空區(qū)。由于采空區(qū)地質(zhì)條件極其復(fù)雜，采空區(qū)往往伴隨有巖層移動、變形等，從而導致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，這對工程建設(shè)將帶來諸多不利的影響。為了適應(yīng)國家能源長期健康發(fā)展，近些年來，國家能源已經(jīng)開始轉(zhuǎn)型，新能源逐步興起，大批光伏、風電等新能源項目落地建設(shè)。本文以貴州省貞豐縣附近采空區(qū)范圍內(nèi)某光伏電站為例，對采空區(qū)給光伏電站建設(shè)穩(wěn)定性造成的影響進行分析及評價。

1 工程概況

擬建的某光伏電站于貴州黔西南布依族苗族自治州貞豐縣龍山鎮(zhèn)境內(nèi)，該站址東西最長約1.7km，南北最寬約0.8km。該站址距貞豐縣城直線距離約14.0km，距興義市區(qū)直線距離約71km，距貴陽市直線距離約180km。在站址區(qū)有鄉(xiāng)村公路通過，場址區(qū)對外交通便利。

擬建光伏電站初擬裝機容量50MWp，初選場址面積約2.22km2。根據(jù)資料顯示，該光伏電站站址內(nèi)分布有貞豐縣納旺煤礦和貞豐縣高家?guī)r煤礦。

2 場地工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌及地層巖性

擬建光伏電站站址區(qū)東西最長約1.7km，南北最寬約0.8km，場內(nèi)原始地面高程為1200~1455m，屬于構(gòu)造、剝蝕低中山地貌。自然坡度一般10°~30°不等。站址區(qū)內(nèi)基巖大量裸露，地表隨處可見散布的松動塊石，塊石直徑一般0.3~3.0m不等；場址區(qū)植被較發(fā)育，多為雜樹和雜草地。

站址區(qū)上覆土層為殘坡積層（Qedl）砂質(zhì)粘土夾碎塊石，碎塊石成分為砂巖，直徑一般0.5~1.0m；下伏基巖為三疊系上統(tǒng)龍頭山組（T3l）和火把沖組（T3h）地層，巖性主要為灰、灰綠色厚層塊狀巖屑石英砂巖與粉砂質(zhì)粘土巖、粘土巖互層夾炭質(zhì)頁巖、油頁巖及菱鐵礦層。此外尚夾數(shù)十層煤層及煤線，其中有可采煤三層。煤層主要分布在中上部及底部，厚580~687m。

2.2 采空區(qū)分布范圍

根據(jù)搜集資料顯示，站址區(qū)內(nèi)過去采煤活動較劇烈，具一定規(guī)模，對光伏電站影響較大的煤礦包括貞豐縣納旺煤礦和高家?guī)r煤礦，目前兩個煤礦已經(jīng)關(guān)停。各煤礦與站址和煤礦區(qū)縱剖面略分別見圖1、圖2。由圖可知，光伏電站周邊分布有兩個較大規(guī)模的采空區(qū)，光伏站址大部分區(qū)域位于采空區(qū)之上。

圖1 工程周邊煤礦分布平面略圖

圖2 站址區(qū)煤礦縱剖面略圖

2.3 采空區(qū)基本特征

2.3.1 貞豐縣納旺煤礦

貞豐縣納旺煤礦大部分主要位于擬建光伏站址東部區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及《貴州省貞豐縣納旺煤礦勘查地質(zhì)報告》顯示，貞豐縣納旺煤礦地質(zhì)儲量173.26×104t，設(shè)計年生產(chǎn)能力為9×104t，準采面積為2.6km2，準采高程1100~1300m。該煤礦煤層為三疊系火把組（T3h）的煤層，自下而上層4層編為1#、2#、3#、4#煤，其中1#、2#屬于不穩(wěn)定煤層，開采價值低。本礦區(qū)主要為3#、4#煤層，煤層傾角為8°~22°。

3#煤：俗稱“高煤”產(chǎn)于火把組第三段上部，煤層厚度0.82~1.26m，平均厚度1.06m；結(jié)構(gòu)簡單，變化不大，屬于穩(wěn)定煤層。

4#煤：位于火把組上部，下距3#煤45~58m，煤層厚度0.70~1.13m，平均厚度0.90m；結(jié)構(gòu)簡單，屬于穩(wěn)定煤層。

貞豐縣納旺煤礦開采時間為2006年，關(guān)停時間為2016年，持續(xù)開采時間約10年；開采方式主要為機械采煤，少量為人力。

根據(jù)《貴州省貞豐縣納旺煤礦勘查地質(zhì)報告》，距離地面最近4#煤層采深40~50m，平均采空高度1.06m，為淺層采空區(qū)；3#煤層采深90~100m，平均采空高度0.90m，為中層采空區(qū)。

2.3.2 貞豐縣高家?guī)r高家?guī)r煤礦

貞豐縣挽瀾高家?guī)r煤礦少部分位于擬建光伏站址西部區(qū)域。本礦區(qū)與貞豐縣納旺煤礦相鄰，煤層位于同一套地層，地質(zhì)情況與之相似。主要為3#、4#煤層，煤層傾角為8°~22°。推測距離地面最近4#煤層采深40~60m，平均采空高度1.0m左右，為淺層采空區(qū)；3#煤層采深100m左右，平均采空高度0.90m左右，為中層采空區(qū)。

貞豐縣納旺煤礦開采時間為2004年，關(guān)停時間為2015年，持續(xù)開采時間約11年；開采方式主要為機械采煤，少量為人力。

2.4 采空區(qū)垮落帶和斷裂帶計算

擬建光伏電站周邊采空區(qū)主要包括貞豐縣納旺煤礦采空區(qū)、貞豐縣挽瀾高家?guī)r煤礦采空區(qū)。兩個采空區(qū)煤層位于同一套地層，煤層傾角為8°~22°。

2.4.1 采空區(qū)垮落帶計算

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，采空區(qū)煤層頂板巖性上部為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、下部為粘土巖、頁巖等。

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》L.0.1規(guī)定,當煤層傾角α＜55°，煤層頂板為硬質(zhì)巖、軟質(zhì)巖層或其互層時，厚層煤分層開采的垮落帶最大高度，可按下式計算：

式中：M1——按照3#煤層的最大厚度為1.26m；M2——按照4#煤層的最大厚度為1.13m。

2.4.2 采空區(qū)斷裂帶計算

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，采空區(qū)煤層頂板巖性上部為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、下部為粘土巖、頁巖等。

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》L.0.1規(guī)定,當煤層傾角α＜55°，煤層頂板為硬質(zhì)巖、軟質(zhì)巖層或其互層時，厚層煤分層開采的斷裂帶最大高度，可按下式計算：

式中：M1——按照3#煤層的最大厚度為1.26m；

M2——按照4#煤層的最大厚度為1.13m。

3 采空區(qū)對光伏場址的穩(wěn)定性分析及評價

根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》，在鉛直方向上將巖層破壞劃分為垮落帶、斷裂帶及彎曲帶。

經(jīng)過對采空區(qū)垮落帶最大高度和斷裂帶最大高度的估算，其中采空區(qū)垮落帶最大高度Hm=11.2m；斷裂帶最大高度為32.2m。根據(jù)《貴州省貞豐縣納旺煤礦勘查地質(zhì)報告》及相關(guān)資料，貞豐縣納旺煤礦和貞豐縣挽瀾高家?guī)r煤礦4#煤層平均采深約50m，屬淺層采空區(qū)；3#煤層采深100m，屬中層采空區(qū)；由此推測擬建光伏場區(qū)位于采空區(qū)的彎曲帶上。

通過對兩個煤礦的開采方式、開采時間、終采時間、采深等因素綜合分析可知，擬建光伏站址區(qū)域內(nèi)的采空區(qū)主變形階段已過，但是目前仍然處于緩慢變形階段。對于荷載不大或?qū)ψ冃我蟛桓叩慕ǎ?gòu)）筑物影響不大，對于荷載較大或?qū)ψ冃我筝^高的建（構(gòu)）筑物影響較大。

4 討論

對于采空區(qū)項目，首先我們要搜集采空區(qū)的相關(guān)資料，比如：采空區(qū)的范圍、采空區(qū)地層巖性、巖層產(chǎn)狀、煤層厚度、開采方式、采深、開采時間、終采時間等基本特征。根據(jù)搜集到的相關(guān)資料結(jié)合《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》進行計算與分析，并對采空區(qū)及影響區(qū)域的建（構(gòu)）筑物穩(wěn)定性分析評價，為設(shè)計和施工提供可靠依據(jù)。

5 結(jié)論

通過對擬建光伏站址地形地貌、地層巖性、采空區(qū)分布范圍、采空區(qū)的基本特征、采空區(qū)三帶等進行分析與計算，得到如下結(jié)論：

（1）擬建光伏場區(qū)位于兩個采空區(qū)的彎曲帶上，光伏電站的光伏板支架、逆變器的荷載相對較小，場地基本適宜本工程建設(shè)。

（2）兩個煤礦關(guān)停時間較短，埋深最淺的4#煤層區(qū)域?qū)儆跍\層采空區(qū)。

（3）目前采空區(qū)主變形階段已過，但是仍然處于緩慢變形階段，今后光伏電站施工或運行期間可能會出現(xiàn)地表變形，從而影響光伏板及支架基礎(chǔ)等場區(qū)建筑物地基穩(wěn)定，后期需加強變形監(jiān)測。