祁南煤礦采煤沉陷區(qū)光伏發(fā)電場地穩(wěn)定性評價(jià)

朱曉飛 王康東

摘 要：在采煤沉陷區(qū)建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目可以達(dá)到采煤沉陷區(qū)有效利用與新能源開發(fā)的雙贏目的。本文以祁南煤礦采煤沉陷區(qū)光伏發(fā)電項(xiàng)目場地為例，對采煤沉陷區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)狀評價(jià)、預(yù)測評價(jià)，并對地基穩(wěn)定性進(jìn)行了評估。結(jié)果表明：規(guī)劃站址適宜于光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：祁南煤礦；采煤沉陷區(qū)；光伏發(fā)電項(xiàng)目；穩(wěn)定性評價(jià)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.065

1 引言

光伏發(fā)電具有顯著的能源、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，因而成為國家能源政策的主要引導(dǎo)方向。2016年5月30日發(fā)布的《國家發(fā)改委、國家能源局關(guān)于完善光伏發(fā)電規(guī)模管理和實(shí)行競爭方式配置項(xiàng)目的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源[2016]1163號）中指出[1]：國家每年安排專門的建設(shè)規(guī)模組織建設(shè)光伏發(fā)電領(lǐng)跑技術(shù)基地，引導(dǎo)光伏技術(shù)進(jìn)步和成本及電價(jià)下降；各地區(qū)可結(jié)合采煤（礦）沉陷區(qū)生態(tài)治理、設(shè)施農(nóng)業(yè)、漁業(yè)養(yǎng)殖、工業(yè)廢氣地、廢棄油田等綜合利用工程，以具備一定規(guī)模、場址相對集中、電力消納條件好且可統(tǒng)一實(shí)施建設(shè)為前提開展基地規(guī)劃。2016年6月3日下發(fā)的《國家能源局關(guān)于下達(dá)2016年光伏發(fā)電建設(shè)實(shí)施方案的通知》（國能新能[2016]166號）中[2]，安徽的兩淮采煤沉陷區(qū)光伏領(lǐng)跑技術(shù)基地的建設(shè)規(guī)模為100萬千瓦。

2 研究區(qū)概況

安徽省宿州市是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地，大規(guī)模的煤炭資源開發(fā)為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供能源動(dòng)力的同時(shí)，也產(chǎn)生了大面積的采煤沉陷區(qū)[3]。在采煤沉陷區(qū)廢棄的土地上規(guī)劃建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目是可行的，可以達(dá)到采煤沉陷區(qū)有效利用與新能源開發(fā)的雙贏目的。根據(jù)太陽總輻射的年總量，我國將太陽能資源豐富程度分為四個(gè)等級[4]，即：資源最豐富、資源很豐富、資源豐富、資源一般；宿州市所在的安徽省屬于資源豐富的地區(qū)，有利于建設(shè)太陽能發(fā)電電站。

安徽省能源局啟動(dòng)的2016年安徽省兩淮采煤沉陷區(qū)的建設(shè)項(xiàng)目分布在淮南、淮北、阜陽、宿州等市境內(nèi)共9個(gè)項(xiàng)目；晶科電力有限公司中標(biāo)的《埇橋區(qū)采煤沉陷區(qū)北楊寨水面光伏電站項(xiàng)目（建設(shè)規(guī)模50MW）》，根據(jù)宿州地方政府選址調(diào)整意見，中標(biāo)項(xiàng)目站址調(diào)整變更至大營鎮(zhèn)耿灣村后王莊的祁南煤礦采煤沉陷區(qū)；其中，宿州市埇橋區(qū)蘄縣20MW光伏發(fā)電項(xiàng)目，分布于祁縣鎮(zhèn)的白陳村，場地區(qū)域面積0.410km2；宿州市埇橋區(qū)大營30MW光伏發(fā)電項(xiàng)目，分布于宿州市埇橋區(qū)蘄縣鎮(zhèn)后王莊，場地區(qū)域面積0.502km2；兩個(gè)擬選站址都主要位于祁南煤礦的采礦權(quán)范圍內(nèi)，位于礦權(quán)的西側(cè)，并且站址范圍內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的采煤沉陷。

由于采煤沉陷區(qū)會(huì)產(chǎn)生一定的地表移動(dòng)與變形，甚至破壞，對采動(dòng)影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生一定的影響，所以在地表建設(shè)光伏發(fā)電項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)對井下開采和地面建設(shè)的時(shí)空關(guān)系進(jìn)行分析，對光伏發(fā)電項(xiàng)目場地穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)[5-6]。

3 場地的穩(wěn)定性評價(jià)

3.1 煤礦的地質(zhì)條件分析

祁南煤礦位于安徽省宿州市埇橋區(qū)祁縣鎮(zhèn)境內(nèi)，北距宿州市約23km，南距蚌埠市約70km [7]；北部以10勘探線與桃園煤礦相接，東部以F22斷層與祁東煤礦相接，淺部以10煤層露頭及井田邊界為界，深部以32煤層-800m等高線平面投影及井田邊界為界，走向長約10km，寬2.6～7.5km，礦區(qū)面積54.5822km2。區(qū)內(nèi)地勢平坦，無基巖出露，均為厚層新生界松散層所覆蓋。礦區(qū)地層有奧陶系、石炭系、二疊系、第三系和第四系，地層厚度約1943m；祁南煤礦位于宿南向斜西南翼，為一走向近南北、至南部逐漸轉(zhuǎn)至近東西、在轉(zhuǎn)折部位向西南凸出，傾向東、至南部逐漸轉(zhuǎn)至傾向北或北東的傾伏構(gòu)造；本礦共有可采煤層10層，其中32、71、72、10四個(gè)煤層為本礦主要可采煤層。

3.2 場地所在采煤沉陷地的現(xiàn)狀評價(jià)

祁南煤礦經(jīng)經(jīng)過長時(shí)間的開采，已形成大面積的采煤沉陷區(qū)，面積為20.46km2，其中，積水區(qū)面積約7.07km2，占沉陷區(qū)面積的25.75%；最大沉陷深度約5.9m。采煤沉陷這一地質(zhì)災(zāi)害造成后王莊、八里頓莊、馬炮樓、陳圩子、小陳家以及小江家等十幾個(gè)自然村莊的房屋毀壞，嚴(yán)重的破壞了當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛惨约巴恋刭Y源。蘄縣20MW光伏發(fā)電項(xiàng)目的場地評估區(qū)位于祁南煤礦的西側(cè)，整個(gè)評估區(qū)都位于祁南煤礦采煤沉陷的范圍內(nèi)，面積為0.410km2，其中沉陷深度<1.0m、1.0-2.0m、>2.0m的面積為0.247，0.150、0.013km2，分別占60.24%、36.59%、3.17%；地面沉陷的最大深度為2.5m，并且部分地區(qū)已經(jīng)積水，積水深度為0-3m。大營30MW光伏發(fā)電項(xiàng)目的場地評估區(qū)也位于祁南煤礦的西側(cè)，整個(gè)評估區(qū)都位于祁南煤礦采煤沉陷的范圍內(nèi)，面積為0.502km2，其中沉陷深度<1.0m、1.0-2.0m、>2.0m的面積為0.246、0.213、0.043km2，分別占49.00%、42.43%、8.57%；地面沉陷的最大深度為2.2m，并且大部分地區(qū)已經(jīng)積水，積水深度為0-3m。

3.3 場地所在采煤沉陷地的預(yù)測評價(jià)

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》（安監(jiān)總煤裝[2017]66號）[8]進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測祁南煤礦采煤沉陷區(qū)地面最大下沉深度（Wmax）為8.7m。根據(jù)沉陷區(qū)各塊段不同點(diǎn)上的最大下沉深度值繪制出塌陷深度（0m、0.4m、1.0m、2.0m、3.0m、4.0m、5.0m、6.0m）等值線圖，圖2、圖3是截取了包括評估區(qū)范圍的2020年沉陷圖、最終沉陷圖；根據(jù)預(yù)測結(jié)果，評估區(qū)內(nèi)最終塌陷深度仍然為2.2m。將評估區(qū)內(nèi)的最終沉陷圖和現(xiàn)狀沉陷圖作對比，認(rèn)為：評估區(qū)最終沉陷深度和沉陷范圍與現(xiàn)狀沉陷情況變化較小，評估區(qū)內(nèi)的沉陷基本處于穩(wěn)沉階段。

此外，針對祁南煤礦采權(quán)范圍內(nèi)的沉降進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，區(qū)內(nèi)選取了2025個(gè)沉降點(diǎn)，結(jié)合預(yù)測的2020年沉降等值線圖與最終沉降等值線圖，通過對比2015年與2020年的沉降變化，及2020年與最終的沉降變化，最后確定采權(quán)范圍內(nèi)的沉降穩(wěn)定性情況。

圖4、圖5 、圖6中選取了2025個(gè)沉降點(diǎn)，并一一比對分析，做出了如下沉降變化等值線圖。

圖中表明了沉降變化范圍較大的幾塊區(qū)域位于祁南煤礦的中部、南部與東南部，西部沉降變化相對較小，基本處于穩(wěn)定階段，而本次擬建的區(qū)域位于祁南煤礦最西側(cè)，區(qū)域沉降穩(wěn)定，工程地質(zhì)條件允許。

4 地基穩(wěn)定性評估

在采煤沉陷區(qū)地表新建建（構(gòu)）筑物時(shí)，由于新建建（構(gòu)）筑物的荷載向地下有一定影響深度，同時(shí)，地下采煤會(huì)造成冒落帶、裂隙帶的形成和分布；如果地表荷載的影響深度與冒落帶、裂隙帶相互交疊時(shí)，就會(huì)破壞冒落帶、裂隙帶已經(jīng)形成的平衡狀態(tài)，引起采空區(qū)活化，使覆巖重新發(fā)生移動(dòng)變形。因此，必須對項(xiàng)目場地的地基穩(wěn)定性進(jìn)行評估。

根據(jù)祁南煤炭資源賦存特點(diǎn)，第四系覆蓋全區(qū)，厚度330～400m；按富水性特征劃分為上部含水層段、中部隔水層段和下部含水層段。根據(jù)第四系下含水層段抽水試驗(yàn)資料，含水層富水性弱至中等，一般按留設(shè)防水安全煤巖柱考慮，因此，各煤層開采過程中導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度一般不會(huì)波及第四系底部。在局部區(qū)域，在經(jīng)過水文地質(zhì)探查后，可能進(jìn)行過提高開采上限的工作，允許導(dǎo)水裂隙帶波及第四系下部含水層段，但開采實(shí)踐表明，當(dāng)導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)入第四系時(shí)，其發(fā)育高度迅速衰減，一般進(jìn)入第四系高度≤10m。而地表建筑荷載影響深度不超過20m。這就說明，新建建（構(gòu)）筑物的建筑荷載不會(huì)破壞采空區(qū)的穩(wěn)定性，地表不會(huì)再次發(fā)生較大不均勻沉降。

5 結(jié)論

綜合以上分析結(jié)果，通過收集的現(xiàn)狀塌陷等值線圖和預(yù)測塌陷等值線圖，并結(jié)合本次工程的建筑物特點(diǎn)以及祁南煤礦的開采計(jì)劃，預(yù)測在不改變現(xiàn)有的開采計(jì)劃的情況下，規(guī)劃站址處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。因此，通過對場地的簡單處理后，規(guī)劃站址基本適宜光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)。

本次評價(jià)是在收集現(xiàn)有資料和礦山開采計(jì)劃的基礎(chǔ)上開展的，煤礦開采計(jì)劃的改變可能導(dǎo)致場地穩(wěn)定性的變化，因此，建議項(xiàng)目在建設(shè)前、建設(shè)過程中、建設(shè)之后與礦方加強(qiáng)溝通。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：朱曉飛（1994-），男，安徽宣城人，學(xué)士，碩士研究生，研究方向：資源評價(jià)。