非穩沉采煤沉陷區光伏產業治理的設計實踐

華 祥 翟保宏 趙 琦

（1.通用技術集團工程設計有限公司，山東 濟南 250031；2.華電山東新能源有限公司汶上分公司，山東 汶上 272500）

光伏發電由于具有顯著的能源、環保和經濟效益，已成為國家能源政策的主要引導方向。鑒于濟寧地區采煤沉陷區范圍廣，在采煤沉陷區廢棄的土地上規劃建設光伏發電可達到采煤沉陷區有效利用與新能源開發雙贏目的，對于山東省其他地區沉陷區治理工作和全國資源型城市轉型發展也具有一定引領作用。但由于采礦活動是一個循環連續的過程，采煤沉陷區會循環往復的產生一定的地表移動與變形，甚至破壞，對采動影響范圍內的建（構）筑物也將產生一定的影響，因此在采煤沉陷區進行各類工程建設時，必須進行建設場地穩定性分析，將地面建（構）筑物建設、布局與井下開采活動有效結合起來，以達到雙贏的目的。

1 項目概況

本項目為農光互補光伏發電工程，位于濟寧市汶上縣境內，規劃容量100MW。項目按農光互補方式實施，采用大棚與支架結合布置，主要功能區包括升壓站及農業管理站、光伏區、連接各方陣的道路、電纜通道。太陽能光伏發電系統主要由光伏方陣、匯流箱、逆變器、測量通信系統及公共電網組成。光伏方陣多采用多晶硅光伏組件，每個光伏組件尺寸為1650×992×40mm，重量約19kg。光伏組件需要用牢固的支架朝南架設，形成光伏方陣。光伏方陣通常由多排多列光伏組件構成，長度根據組件列數決定。各光伏組件之間需要接線盒進行連接，再經過專用電纜與逆變器相連。

光伏電站建（構）筑物主要包括光伏支架與基礎、逆變器室、升壓變室及綜合樓。光伏支架采用鋼支架作為直接支撐結構，支架基礎形式采用鋼筋混凝土管樁基礎，樁長5.0～7.0m，入土深度2.5～3.0m。逆變器室和升壓變室內通常可放置幾組逆變器和幾組光伏升壓變壓器，通常為單層砌體結構或采用彩鋼復合板封閉，基礎為混凝土條形基礎。綜合樓集生產、生活為一體的一般性綜合性建筑，布置有控制室、辦公室、餐廳、資料室、宿舍等，采用鋼筋混凝土框架結構，基礎采用混凝土獨立基礎，一般為 1～2層。

2 基本地質條件

場址區屬平原地貌，地面高程為+40m左右，位于汶上縣某煤礦采煤沉陷區內。該區域賦存煤層有3、16和17煤層，16、17煤層沒進入礦井開采規劃，只需研究已經進行開采的3煤層。3煤層厚度4.03～9.52m（平均厚度7.50m），開采標高-340～-900m，煤層傾角一般不超過25°。

3 地表移動變形分析

3.1 剩余移動變形分析

煤層開采后，地表移動變形可分為兩部分：一是隨著開采空間變化而產生的移動量；二是停止開采后隨時間變化而產生的移動量。前者是主要移動量，根據統計資料，這部分移動量占開采厚度的65%～75%。停止開采后的移動量又可細分為兩部分：一部分為停止開采后至穩定（地表移動變形延續時間結束）的剩余移動變形，約占開采厚度的20%～25%；其余為穩沉后的地表殘余移動變形，約占開采厚度的5%～10%。由于殘余移動變形影響周期很長，且移動變形總量不大，因此主要會對精密建（構）筑物產生影響。考慮光伏電站建、構筑物結構特點，主要對場址區煤層開采后至地表移動變形延續結束之間的剩余移動變形進行分析。

根據地表移動變形延續時間計算結果，3煤層全部垮落法開采地表移動影響時間為2.7～4.9年。據此，確定出礦井1301、1302、1303、1304、1305、1306、1307、3301、3302工作面引起的采空區地面沉陷區域基本處于穩沉狀態，1308、1309、1310、1312、3303、3304、3306工作面引起的地表移動變形尚未結束。經計算地表剩余移動變形主要集中在東部邊界，最大下沉值為650mm，最大傾斜變形值為-5.5mm/m，最大水平變形值為+2.5/-1.5mm/m。

3.2 規劃開采影響分析

陽城煤礦為正常生產礦井，隨著時間的推移，其開采活動還會繼續。根據礦井目前接續安排規劃，電站25年服務期內礦井仍主要開采3煤層，近期先規劃開采北三采區剩余區域，然后通過大巷繼續向南開拓。經計算規劃開采影響主要集中在東部和南部，預計影響地表最大下沉3600mm，最大傾斜變形為10.0mm/m，最大水平變形為+6.0/-6.0mm/m。

4 采空區穩定性評價

根據前面分析，本次場地穩定性評價需考慮已開采的采空區剩余移動變形影響和未來開采規劃影響。本次根據以往行業經驗，界定10mm沉降邊界之外為穩定區，沉降范圍內參照“三下”規范第27條規定劃分為基本穩定區（Ⅰ、Ⅱ級損壞）和不穩定區（≥Ⅲ級損壞）。綜合以上分析結果可知，場址區面積的49%處于穩定區范圍，不會對項目實施產生影響；48%處于基本穩定區范圍，存在一定變形影響；極小部分處于不穩定區（約3%）。

可進一步優化地面總平面布置，將綜合樓等重要建（構）筑物放在穩定區域。考慮到本電站支架基礎可采用單根鋼筋混凝土管樁基礎形式，抗變形能力較強，經試驗區驗證地表移動下沉盆地邊緣較緩，樁體施工后整體變形不大，因此認為基本穩定區采用單樁基支架形式也可滿足使用要求。極小部分不穩定區（場址區3%比例）可進一步增加抗變形設計或暫時避開光伏布置，待場地穩定性改善后再行建設。

圖1 場址區穩定性劃分結果

5 結論

報告在全面收集場址區規劃及煤礦相關地質采礦資料的基礎上，對相關礦井煤層開采引起的地表沉陷結果及剩余變形進行了計算，并結合下一步開采規劃，對煤礦采空區地表的穩定性進行了評價。通過對場址區穩定性進行分區、劃分，可更有效地進行地面總平面布置，將綜合樓等重要建（構）筑物避開穩定性較差區域，確保運營安全。