牛倩齡 ,李 星

(1.平頂山平煤設計院有限公司，河南 平頂山 467000;2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063000)

煤炭資源的開采和利用為我國經(jīng)濟的快速發(fā)展起到了巨大的推動作用，同時也給人們的生存環(huán)境帶來明顯的影響，采煤塌陷區(qū)的恢復治理和綜合利用直接關系到礦區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，是我國礦區(qū)所面臨的一項重要課題[1-3]。某100 MW光伏電站項目擬建于煤礦采煤塌陷區(qū)范圍內(nèi)，地方煤礦在區(qū)域下方及其附近先后開采了五、四、二共三組煤層，采深較淺，累計采厚15 m左右，開采時間久遠，從解放前至今一直存在開采活動，具有煤層多、采深淺、累計采厚大、影響持續(xù)時間長等特點，給擬建項目帶來巨大的安全隱患。

1 開采情況

1.1 地質(zhì)采礦條件

擬建光伏電站區(qū)域地形屬緩坡狀起伏低山丘陵地貌，地勢總體西部與東部高中間低、北高南低。場區(qū)位于中間開闊地帶，標高+175～+275 m，高差100 m左右。

項目區(qū)下主要開采了五煤段、四煤段和二煤段，先后開采五2、四3、四2和二1煤層。五2煤厚約3.8 m，采深12.4～134.4 m，傾角0～16°；四3煤厚約2.2～2.8 m，采深12.4～144.8 m，傾角0～8°；四2煤厚約2.4～3.2 m，采深29.4～216.8 m，傾角0～8°；二1煤厚約5～5.6 m，采深129.6～434.2 m，傾角0～7°；目前五2、四3、四2已回采結(jié)束，二1煤局部尚在開采。開采方法為炮采、普采，全部垮落法頂板管理。

煤層上覆巖層主要由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等組成，整個覆巖巖性屬中硬，第四紀表土層厚約6.6 m。擬建區(qū)域附近地質(zhì)構(gòu)造較為復雜，斷層較為發(fā)育，部分斷層出露地表，可能對擬建區(qū)地基產(chǎn)生一定的不利影響。

1.2 光伏電站情況

光伏電站規(guī)劃裝機容量100 MW，并新建升壓站一座。光伏設備主要分為光伏組件和光伏支架。單組光伏組件由4行11列太陽能電池板組合而成，單片太陽能電池板規(guī)格為1 650 mm×992 mm，板間距為20 mm。光伏支架采用鋼混柱式支撐。

升壓站規(guī)劃面積11 000 m2，長約108 m，寬約102 m，站內(nèi)規(guī)劃建設有綜合樓、輔房、配電裝置室和SVG裝置室等建筑物。其中，綜合樓為二層磚混框架結(jié)構(gòu)，長54 m，寬12 m；其他建筑物均為一層框架結(jié)構(gòu)。

2 地表沉陷變形預測

井下煤層開采結(jié)束后，當?shù)乇戆肽昀塾嬒鲁亮啃∮?0 mm，可認為地表移動期基本結(jié)束[4-6]。此時，地表按一定規(guī)律形成塌陷盆地，在塌陷盆地范圍內(nèi)的不同位置將產(chǎn)生大小不同的沉陷變形。本次地表殘余沉陷變形預計采用概率積分法，將光伏電站分成六個地塊進行計算，分區(qū)如圖1所示，計算結(jié)果如表1所示。

下沉系數(shù)：q=0.01～0.07

水平移動系數(shù)：b=0.30

主要影響角正切：tanβ=2.0

開采影響傳播系數(shù)：k=0.6

拐點偏移距：s/H=0.05

圖1 擬建區(qū)地塊分區(qū)圖

表1 擬建區(qū)各地塊地表最大移動與變形值

3 建筑地基穩(wěn)定分析

擬建光伏電站荷載向地下有一定影響深度，若此深度與地下采空區(qū)的垮落斷裂帶相交，就會破壞垮落斷裂帶已有平衡狀態(tài)，重新發(fā)生較大的覆巖和地表移動變形[7-10]。

3.1 采空區(qū)覆巖破壞高度計算

光伏電站下方壓覆采空區(qū)煤層涉及到五組、四組、二組三煤層，由于五四組和四二組煤層層間距比較大，下組煤垮落斷裂帶的發(fā)育高度不會接觸到上組煤。項目區(qū)內(nèi)五組、四組、二組煤層均按長壁全陷法開采。

長壁全陷開采采空區(qū)垮落斷裂帶的發(fā)育高度選取計算公式如下：

(1)

項目區(qū)下方五組煤、四組煤、二組煤的累計采厚分別為4.0 m、6.5 m、6.0 m，經(jīng)計算，三煤層采空區(qū)垮落斷裂帶的最大發(fā)育高度分別位于采空區(qū)之上45.6 m、52.0 m、51.1 m。

3.2 光伏電站建筑物影響深度計算

計算地基附加應力相當于地基自重應力10%處深度，即為建筑荷載影響深度。

擬建光伏電站主要建筑物為升壓站，其中，最大荷載建筑物為二層磚混框架結(jié)構(gòu)綜合樓，設計長54 m，寬12 m，標準層高按3.6 m考慮，基底埋深2.0 m，建筑物的荷載為18 kN/ m2(系單層建筑面積荷載大小)。

經(jīng)計算，擬建綜合樓的荷載影響深度(H影)為12 m，即項目建筑物的最大荷載影響深度為12 m。

光伏設備荷載較小，影響深度非常小，只要不鋪設在可能會有塌陷坑、臺階、裂縫等非連續(xù)變形的地段，光伏設備就不會發(fā)生較大的不均勻沉降。

3.3 光伏電站建筑物對采空區(qū)影響分析

根據(jù)前面計算，項目區(qū)下方五組煤、四組煤、二組煤的垮落斷裂帶最大發(fā)育高度(H裂)分別為45.6 m、52.0 m、51.1 m。建筑物的最大荷載影響深度(H影)為12 m，因此，對于擬建區(qū)域內(nèi)新建建筑物，只有井下五組、四組、二組煤采深分別大于57.6 m、64.0 m、63.1 m時，才能保證項目區(qū)內(nèi)新建建筑荷載不會使采空區(qū)再次發(fā)生較大不均勻沉降。

4 光伏電站適宜性綜合評價

4.1 地表移動變形適宜性

目前，我國“三下”采煤規(guī)程制定了一些建筑物相應的損壞等級和允許變形標準，例如，磚混結(jié)構(gòu)建筑物、工業(yè)構(gòu)筑物、暖衛(wèi)工程管網(wǎng)等，但尚未給出光伏電站對抗變形的要求。參考光伏電站各建筑物的結(jié)構(gòu)、運行情況等，這里暫時對光伏電站的地表移動變形適宜性標準規(guī)定如下：

(1)升壓站內(nèi)設備對于地表變形比較敏感，考慮其重要性和特殊性，規(guī)定其允許地表移動與變形值為I級變形(下沉≤300 mm，水平變形≤2.0 mm/m，傾斜≤3.0 mm/m、曲率≤0.20×10-3/m)，即地表移動變形超過I級變形的區(qū)域不適宜建筑建筑物，不超過I級變形的區(qū)域適宜建設；

(2)對于光伏電站內(nèi)設備，規(guī)定允許的地表移動與變形值為Ⅲ級變形(下沉≤500 mm，水平變形≤6.0 mm/m，傾斜≤10.0 mm/m、曲率≤0.60×10-3/m)，即地表變形超過Ⅲ級變形的區(qū)域不適宜架設光伏設備，不超過Ⅲ級變形的區(qū)域適宜架設光伏設備。

4.2 地基穩(wěn)定適宜性

(1)根據(jù)上述分析，對于升壓站，當壓覆最上組煤層采空區(qū)為五組煤層時，采深大于57.6 m的區(qū)域能保證地基穩(wěn)定適宜建設；當壓覆最上組煤層采空區(qū)為四組煤層時，采深大于64.0 m的區(qū)域能保證地基穩(wěn)定適宜建設；當壓覆最上組煤層采空區(qū)為二組煤層時，采深大于63.1 m的區(qū)域能保證地基穩(wěn)定適宜建設。

(2)光伏設備荷載較小，影響深度非常小，只要不鋪設在可能會有塌陷坑、臺階、裂縫等非連續(xù)變形的地段，并且采取有效的抗變形技術措施，就能夠保證光伏設備的安全使用。

5 安全技術措施

擬建區(qū)受采空區(qū)殘余沉陷變形的影響可能會對光伏電站建筑物和光伏設備產(chǎn)生不利影響，因此，對適宜區(qū)內(nèi)新建建筑物及設備必須采取能夠抵抗地表沉陷變形的抗變形結(jié)構(gòu)技術措施，以確保新建光伏電站建筑物及設備的安全正常使用。

5.1 建筑物抗變形技術措施

建筑物的抗變形措施主要為變形縫、基礎和上部結(jié)構(gòu)等處理。變形縫作為設計采動區(qū)建筑物的基本措施之一，具有簡便、經(jīng)濟、有效等特點；基礎方面可以采用提高持力層的地基承載能力和改變基礎形式等措施；上部結(jié)構(gòu)主要措施為盡可能保證建筑物的整體性。此外，對于建筑物內(nèi)部的線路、管道等，可采用改變支座形式和設置柔性接頭等方式。

5.2 光伏設備的安全技術措施

光伏設備的保護措施包括：

(1)光伏組件間、匯流箱以及升壓器等之間的線纜要留有一定的富裕長度，以防地表(殘余)水平拉伸變形的影響；

(2)光伏支架在地表傾斜較大的區(qū)域，應采用可調(diào)支架以適應采動影響下地表殘余傾斜的變化；

(3)對于升壓站內(nèi)的重要設備盡量采用整體基礎，以減小設備之間的相對變形。增大設備與基礎連接螺栓的調(diào)節(jié)量，當設備傾斜時可以進行調(diào)節(jié)。

6 結(jié) 論

本文針對區(qū)域特定的地質(zhì)采礦條件，對擬建光伏電站項目的穩(wěn)定性進行了評價，確定了適宜建設光伏電站建筑物和光伏設備覆壓最上組煤層的最小采深，并提出了相應光伏設施安全技術措施和建筑物抗變形技術措施，確保項目順利實施，研究成果對采動影響下光伏電站變形與安全評估具有指導意義。