利用采空塌陷區進行光伏發電工程設計的方法

北京中節智行能源技術咨詢有限公司 ■ 張長存

北京聚合電力工程設計有限公司 ■ 馬思娟

0 引言

隨著人類社會對煤層、礦藏等能源的渴求，大量開采便成為趨勢，地面塌陷等災害也隨之而來。后期治理困難、治理費用高，會使土地擁有者多是無可奈何地選擇閑置，從而造成浪費。能否利用及如何更好地利用是擺在每個建設者面前的一道難關，解決好此類問題，也就成了設計者的必然職責。

隨著光伏發電項目建設的進行，建設區呈多樣化發展，受耕地、礦產、林地、風景區等眾多因素影響，工程中多利用山區、丘陵區、平原區的閑棄土地進行建設，這也是多方努力、變廢為寶的趨勢。

工程區選址時會遇到采空塌陷區的問題，擁有者以此類土地閑置可惜而撓頭，開發者也為如何利用而苦惱。當前工程用地日趨緊張，光伏項目能否利用及如何利用此類土地，是決策時關注的焦點，已成為設計者必須面對的課題。

鑒于此類工程地質問題的特殊性，本文結合工程實際，進行設計方法探討。

1 采空區塌陷危害及特點

煤層、礦藏的不斷開采，會使地下巖層空置，為上部巖層塌陷提供了發展空間，進而對地表的建筑、人員、設備的安全產生危害。

1.1 塌陷危害

采空區會引起房屋等建筑坍塌，發生人員傷害事件。如國內某村受煤礦開采的影響，農戶的窯洞出現了傾斜問題，住戶生命財產的安全受到了危脅。國內某鎮發生過因房屋下部采空區突然發生塌陷，造成職工休息室內數名礦工被埋的事件。

如果前期對塌陷嚴重性估計不足，致使地下開采常常伴有不科學、不規范的現象，而后期塌陷危害嚴重又使當事者忙亂慌張，無所適從，不能科學對待。

1.2 塌陷特點

1.2.1 發展過程不可逆

采空區塌陷的危害性逐漸被社會所認識，但由于引發源在地下，發展過程均不可逆，一般可分為初始期、活躍期和衰退期[1]，如圖1所示。

1) 初始期：地表移動開始至活躍期開始階段。

圖1 地表變形分期圖

2) 活躍期：在移動過程的延續時間內，地表下沉速度大于50 mm/m(煤層傾角小于45°)或地表下沉速度大于30 mm/m(煤層傾角α大于45°)，可認為是活躍期。

3) 衰退期：活躍期結束到移動期結束后。

1.2.2 治理困難

采空區的地質條件一般均較復雜，且地下巷道多縱橫交錯，同時可能伴有煤層自燃、突涌水等現象，因此后期治理難度很大。

1.2.3 治理費用高

治理時先需收集資料、分析原因，找出處理措施。因為前期收集資料難度大，且處理對象在地下深部，故而治理費用高。處理時常常會有突發事件發生，這又進一步加大了治理費用。

2 塌陷區勘測評價

對塌陷區上的工程建筑進行合理設計，建立在對其進行客觀勘測評價的基礎上。

2.1 進行塌陷區的變形分帶

開采常常在地下幾百米，有的埋深甚至達到上千米，由地下開采位置至地表，一般分為如圖2所示幾個區域。

圖2 塌陷區變形分區

1) 冒落帶(I)：采空區頂板在上覆巖體壓力下完全塌落，形成冒落帶，冒落帶的巖土體雜亂堆積，其高度主要受頂板碎脹系數和開采厚度影響，一般為開采厚度2～6倍。

2) 裂隙帶(II)：冒落帶上部巖體下沉后，會加大原有裂隙張開程度或形成新斷裂帶，但仍保持地層原結構特征。其高度主要受巖性和開采厚度影響，一般為開采厚度9～28倍。

3) 彎曲帶(III)：巖土體下沉順序為由下至上，至地表后，則以彎曲變形為主要特點，變形會改變其原有應力狀態，進而重塑地形。此種彎曲形態可通過測量來取得，一般分為中間區和內、外邊緣區[2](見圖2)：中間區位于沉陷區正上方，以地表下沉為主，傾斜、水平變形較小；內邊緣區位于沉陷區外側上方，以壓縮為主，存在垂直、傾斜、水平變形；外邊緣區位于沉陷區外側礦層上方，產生拉伸變形，甚至形成張裂縫，以傾斜、水平變形為主。

建筑物布置時，先對彎曲帶地表進行分區，利用不同分區的不同變形特征分別對待，以期趨利避害。

2.2 估算地表移動參數

從上述變形形態的分析可知，沉陷變形主要表現為沉降、傾斜和水平變形等3個方面，可以分別用參數表示，如圖3所示。其中：沉降值為ηB-ηA；水平移動為 ζA-ζB；傾斜為 (ηB-ηA)/l；水平變形為 (ζA-ζB)/l。

圖3 塌陷區地表移動變形示意圖

以上參數由工程區地質條件及實測變形資料求得。

2.3 穩定性分區

根據相關規范[3]對場地進行穩定性分區。當地表傾斜3～10 mm/m或水平變形為2～6 mm/m的地段作為建筑場地時，應評價其適宜性，此類變形區定義為穩定性較差區(Ⅱ區)；當變形小于上述范圍值時，基本適宜建筑，此類變形區定義為基本穩定區(Ⅰ區)。

求解出地表移動參數，并按上述標準進行穩定性分區后，可著重對升壓站綜合樓及光伏陣列區的建(構)筑物進行必要的變形計算，以確定設計方案。

3 光伏項目建(構)筑物設計

3.1 功能區組成

光伏發電工程主要由光伏陣列區(含逆變器)、升壓站兩個功能區組成，其間布設線纜連接。

3.1.1 光伏陣列區

光伏板排放上部，光伏板下設支架，對光伏板起抬高、固定作用(見圖4)。光伏板按最優傾角布置，布置時需考慮地形因素、遮擋因素。

圖4 光伏支架

支架一般由鋁合金等金屬材料組成，與一般地面建筑物相比，具有易組裝、質輕、可承受較大變形等特點。

可通過如下措施，減少變形區對組件的不利影響：組件方向應盡量與變形等高線平行；加大支架高度，減少沉陷影響；減小組件長度，避免變形積累。

3.1.2 升壓站區

主要由升壓區、配電室及操作或運行維護人員辦公區組成。配電室及人員辦公場所簡單，可設為一層建筑物。建筑物基礎應采用抗變形能力較大基礎。

3.2 功能區連接

功能區間以纜線連接。

上述光伏陣列區、升壓站區的建(構)筑物不同，對變形的要求也不同，設計時應在塌陷區的勘測評價基礎上分別對待。

4 塌陷區評價與設計方法實例

受成本投入及建設周期控制，光伏發電工程設計時，通常不考慮對沉陷區進行預治理，塌陷區的評價與設計均是基于現有開采情況。

4.1 開采條件

通過調查，開采地層埋深600～1000 m，開采厚2.5～5.0 m。地表巖層以第四系砂土為主，厚200～300 m。

4.2 塌陷基本參數

采空區勘察是以調查及搜集相關變形觀測資料等方式，通過模擬計算來取得地表移動的基本參數。

結果表明，場地內地表最大剩余沉降量發生在西北側(見圖5)，約為2400 mm/m，向東南呈變小趨勢；地表剩余傾斜最大值發生在西側中部(見圖6)，約為4.5 mm/m；地表剩余水平變形最大值發生西北側(見圖7)，約為-4.5 mm/m。

圖5 地表剩余沉降量等值線示意圖

圖6 地表剩余傾斜等值線示意圖

圖7 地表剩余水平變形等值線示意圖

4.3 進行穩定性分區

根據地表變形值將場區分為基本穩定區(Ⅰ區)和穩定性較差區(Ⅱ區)，詳見圖6～7。其中基本穩定區(Ⅰ區)地表傾斜、水平變形分別小于3 mm/m、 2～6 mm/m，穩定性較好。

4.4 建(構)筑物設計

4.4.1 總體布置調整

進行光伏區、升壓站區布置時，一般需考慮地形、地質、地類、交通、送電接入條件等因素。

鑒于場區東側變形小的特點，建(構)筑物應優先布置在基本穩定區(Ⅰ區)內，升壓站區建筑抗變形能力較差，應盡量布置在變形最小區域。

4.4.2 光伏組件排列

加大支架高度，增至1 m，抵消沉陷影響；根據地表變形參數，確定組件長度，避免光伏板變形破壞。

4.4.3 建筑物基礎

盡量減少建筑物基礎面積，并應采用抗變形能力較大基礎類型，如整體板狀基礎。

4.4.4 變形觀測

進行變形觀測，驗證前期結論，對可能出現的問題進行分析、論證。

5 結論

本文結合工程實際情況，以場址的塌陷評價為基礎，針對光伏建(構)筑物的固有特點，首先對工程進行穩定性分區，在最穩定的地區優先放置抗變形能力弱的建筑物；其次對建(構)筑物變形進行驗算，確定組件排列長度及建筑物基礎類型等重要設計方案，從而使閑置土地得到利用成為可能。

毋庸置疑，地面塌陷惡化了場區原地質條件，有時會與水體、滑動土體及其他不良地質因素疊加，形成復雜的作用。這也是設計時難以把控的，因而安排變形觀測工作便不可或缺，觀測值除可驗證前期設計的合理性外，也為今后此類工程的設計積累寶貴經驗。

[1] ISBN 7-5020-1662-7/TD7-65，建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[S].

[2] ISBN 978-7-112-08828-7，工程地質手冊(第四版)[S].

[3] GB 50021-2001，巖土工程勘察規范(2009版)[S].