淺談大同采煤沉陷區正泰光伏電站支撐結構的選型

鄒福來 張天文 郭志剛 沈道軍 周承軍

（浙江正泰新能源開發有限公司，浙江 杭州 310000）

淺談大同采煤沉陷區正泰光伏電站支撐結構的選型

鄒福來 張天文 郭志剛 沈道軍 周承軍

（浙江正泰新能源開發有限公司，浙江 杭州 310000）

筆者在負責大同采煤地質沉陷區的光伏電站工程建設過程中，就光伏發電支撐結構選型總結了一些思路，與同行共勉，共同提高。

支撐結構；沉陷區；設計

筆者近期在負責一個采煤地質沉陷區的光伏電站工程建設，剛接到項目的時候大家都認為有風險，甚至風險很大不可控，但真正深入工程設計和施工的時候，發現其實并非那么可怕，還是有章可循的，在本文就淺談一下作者自己的一些設計思路，與同行共勉，共同提高。

1.工程概況

大同市太陽能資源豐富，年均太陽能輻射總量5432.8MJ/m2，非常適宜建設并網發電電站。為了整合采煤沉陷區光照、土地、電網等發展要素，將不利因素轉變為有利因素，拓展產業發展空間，助推新能源示范城市建設，實現經濟與生態良性發展，大同市發改委在深入調查、反復論證的基礎上，提出了利用采煤沉陷區閑置廢棄土地和電網接入等有利條件，發展光伏產業的設想。并組織編制了《大同采煤沉陷區光伏發電基地規劃及2015年實施方案》。2015年6月，大同市采煤沉陷區國家先進技術光伏示范基地建設正式獲得國家能源局批復，成為我國實施光伏產業“領跑者計劃”首個獲批的基地。本文描述工程規模為50MW，海拔高度約1260m，其下方大同組煤系地層平均厚191.18m，采空區主要涉及侏羅系的5個煤層。

2.地質情況

根據本工程地質勘查報告結果，光伏場區地基土自上而下可劃分為4層：

第①層濕陷性粉土（Q4al+pl）褐黃色，稍濕，稍密，含有云母、氧化物等；土質均勻；混有粉細砂，夾有零星碎石；無光澤反應，搖振反應中等，干強度及韌性低。濕陷程度中等～強烈。該層標準貫入試驗實測擊數5.0～9.0擊，平均6.4擊。

第②層粉砂（Q4al+pl）褐黃色，稍濕，稍密，含有云母、氧化物等；土質均勻；混有粉細砂，夾有零星碎石。該層標準貫入試驗實測擊數8.0～12.0擊，平均10.2擊。

第③層砂巖（J2）褐黃色，礦物成分以石英、長石為主；碎裂狀結構，塊狀層理構造，全風化～強風化，巖芯呈破碎狀，屬軟巖；巖石質量基本等級為Ⅴ級，巖石質量指標RQD在15～25之間，該層飽和狀態下單軸抗壓強度介于10.3MPa～16.9MPa之間，平均12.4MPa。本次勘察部分鉆孔未揭穿該層，最大揭露厚度6.4m。

第④層砂巖（J2）褐黃色，礦物成分以石英、長石為主；塊狀結構，塊狀層理構造，中風化，基巖裂隙發育，巖芯較完整呈短柱狀，柱長10cm～15cm，屬軟巖；巖石質量基本等級為Ⅳ級，巖石質量指標RQD在30～45之間，該層飽和狀態下單軸抗壓強度介于10.6MPa～16.6MPa之間，平均12.4MPa。

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）（附錄A），大同市南郊區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，設計地震分組為第一組。場址區屬構造基本穩定區。

根據采煤沉陷區地基穩定性評估報告結果，該項目擬建區下方及周圍賦存侏羅系大同組和石炭系太原組煤系地層。侏羅系大同組煤系地層分屬于3個煤礦：云崗礦、晉華宮礦和同生宏達礦。

圖1　不同支架類型

圖2　地表移動延續時間曲線圖

受現有采空區的沉陷變形影響，項目擬建區地表還可能產生的下沉值為21mm～753mm，傾斜-5.4～+7.3mm/m，曲率-0.11～+0.06×10-3/m，水平變形-3.2～+2.3mm/m。鑒于該項目建筑特點，擬建區內大部分區域地表建筑屬于I級輕微損壞變形或Ⅱ級輕度損壞變形，少部分擬建區內光伏電站設備受到Ⅲ級中度損壞變形。應采取一定的抗變形措施，應對新建建筑采取一定的抗變形措施。

3.支撐結構形式

該項目為5個“領跑者計劃+新技術、新模式示范項目”中的一個，由浙江正泰新能源開發有限公司負責本工程的建設。根據政府要求，該項目總共引用了3種支架，包括固定支架、可調支架和單軸跟蹤支架3種類型，支架現場照片如圖1所示。

4.大同礦區開采沉陷特點

根據礦山開采沉陷理論，地下煤層開采結束以后經過一段時間，當地表連續6個月下沉值不超過30mm時，可認為采空區地表沉陷達到穩定狀態。但實際上由于受多種因素的影響，開采對地表的影響還未結束，地表還會發生少量的殘余沉降，對地表建筑物產生不利影響。

受采動影響的擬建建筑場地的地表沉陷狀況通常由采煤引起的地表移動延續時間進行分析。地表移動延續時間（地表移動期）是指地表移動開始到結束的整個時間，分為地表移動初始期、活躍期和衰退期3個階段。地表移動延續時間可根據地表最大下沉點的下沉與時間關系曲線和下沉速度曲線求得。圖2是某礦綜采工作面地表兩測點的地表移動延續時間曲線圖。

根據設計部門給出的光伏示范基地項目光伏支架等主要建（構）筑物地基基礎容許沉降值，傾斜等指標要求，依據《巖土工程勘察規范》（GB50021-2001）、《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》（2000版）和《采空區公路設計與施工技術細則》（JTG/TD31-03-2011），綜合考慮山西大同市采煤沉陷區特點，制定了該區光伏電站光伏組件和光伏支架建設適宜性分區標準，見表1。

表1　項目光伏組件和光伏支架建設適宜性分區標準

5.結構選型思路

（1）固定支架

在傳統固定支架基礎上做了一個創新，增加了可調功能，能夠適應在預測沉降量使用；另外同時將一個陣列分成多段，每段長度縮小，由4根立柱支撐，這樣就提高了支架的抵抗變形能力。

（2）手動可調支架

首先，根據地基穩定性評估結論，將手動可調支架排布在適宜性好的區域。另外，由于手動可調支架采用單排3立柱支撐，主體依靠強度較好的單主梁形式，整體性強。

（3）單軸跟蹤支架

大同項目跟蹤系統由3軸聯動的小型系統組成，中間軸屬于驅動軸，由電動推桿驅動，由拉桿帶動兩側2軸運動。此系統主要針對山地不平地形設計、同時解決了基礎沉降對跟蹤器運行的影響。

①兩軸基礎產生的沉降差對系統的影響：由于兩軸之間的拉桿由鉸鏈連接，當產生高度差時，并不影響跟蹤器運行。

②同一軸不同支腿基礎由于沉降產生高度差，系統可以正常運行。如圖3所示。

圖3　單軸跟蹤支架在地勢起伏地段示意圖

結語

在采煤地質沉陷區內建設光伏電站，我們技術人員的主要任務是選擇合適的支撐結構形式。該支撐結構必須能夠適應一定的地基沉降，同時也要有科學的沉陷預測系統。

提高建構筑物的抗變形能力，主要措施有：

許可條件下，構筑物長軸應平行于地表下沉等值線，應盡量避免結構主體的軸向與煤層走向成斜交布置。

盡量使建（構）筑物處于預測殘余沉降較均勻和數值較小區域，建（構）筑物長軸方向應盡可能與地表下沉等值線平行。

建筑物體型應力求簡單，平面形狀以矩形為宜，避免立面高低起伏。

[1]上海電力設計院有限公司.南郊區馬營洼5萬kW項目可行性研究報告[R].

[2]煤炭科學技術研究院有限公司.南郊區馬營洼5萬kW項目地基穩定性評估報告[R].

[3] GB 50797-2012，光伏發電站設計規范[S].

TU393

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