煤礦采動區風電場風機選址方法研究*

郭軻軼

(1.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013;2.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

風是一種沒有公害的能源，利用風力發電非常環保，且能夠產生巨大電能，是一種清潔的可再生能源。為全面貫徹習近平總書記“四個革命、一個合作”能源安全新戰略，建設清潔低碳、安全高效的能源體系，實現風電、光伏發電高質量發展，近些年，我國大力發展風力發電項目，已經在多個城市、多數地區建設大量的風電場，這些風電場地的選擇，只需考慮足夠風力資源即可。由于風電場占地面積很大，需要大量的土地資源，隨著建設的風電場越來越多，風電場場地的選擇受到的制約也越來越大，很多風電場地不得不選擇在煤礦井田上方，這就意味著風電場下方或是有煤層開采的采空區，或是有將來需要開采的煤層。

眾所周知，投資建設風電場時，首先要考慮的因素是風，建立風電場的風力要求一般為年平均風速大于5 m/s，風功率密度大于150 W/m2，盡量有穩定的盛行風向，以利于機組布置[1]。當風電場地位于煤礦井田上方時除了要考慮風之外還要考慮井下煤層的開采帶來的影響，同時，多數風機都坐落在山地、丘陵地區，受煤層開采影響，場地內存在產生滑坡的可能性，需要綜合各種條件分析，以安全合理地確定每個風機的位置，確保風機的正常安全運行。風力發電所需要的裝置，稱作風力發電機組。這種風力發電機組，大體上可分風輪、發電機和塔筒三部分，屬于高聳建(構)筑物。這種結構的建(構)筑物受到地表變形的影響主要為傾斜變形的影響[2]。

目前，在壓覆礦區新建風電場的實例很少，特別是在采動影響區上新建風電場在國內外的工程實例少之又少。由于以往的風機在設計時并沒有考慮到煤層采動影響，風機的要求變形值很高，風機的位置選擇也是只考慮風速、風力的要求，這無疑會造成極大的安全隱患。因此，有必要提出一套在不影響煤礦正常開采的條件下，綜合考慮場地地面、地質條件、采礦條件的技術體系，通過綜合分析地下開采、地表移動變形、場地穩定性情況等，確定風電場每個風機最安全合理的位置，最終實現采動影響區上方興建風電場無保護煤柱條件下的長久安全運行。

1 采動區風電場地風機選址基本要求

1.1 風力資源選擇

選擇風力發電場在設計時，首先要知道擬建場地附近的氣象資料，選擇項目區附近有長期觀測記錄的氣象觀測站作為參考氣象觀測站；同時要求了解擬建風電場地各高度不少于一年的風速、風向及氣壓、氣溫資料。如果擬建場地內無氣象站時，可以在場地內建立測風塔獲取測風資料。風力發電場設計應對場址所在地的區域風能資源基本狀況進行分析，并對相關的地理條件和氣候特征進行適應性分析[3]。一般的常規風力場地的選址主要考慮以下幾個方面的因素：

(1)風資源良好，全年盛行風向穩定，主導風向頻率在30%以上，湍流強度要小；

(2)自然災害發生頻率要低，風電場內地勢相對平坦，交通便利，風電上網條件較好；

(3)最好遠離自然保護區、人類居住區、候鳥保護區及候鳥遷徙路徑等。

此外，隨著數值模擬技術的快速發展,也由于資料分析法在資料的時空分辨率方面具有一定局限性，越來越多的高分辨率氣象模式及流體力學計算軟件被應用到風電場微觀選址工作中[4]。

1.2 采動區風電場風機選址原則[5]

一般情況下，風電場風機選址應避開受煤層采動影響區域，確實無法避開煤礦采動影響區時，風機選址除考慮風能資源、地形地貌、交通運輸等因素外，還應結合采動影響區的特性，考慮如下選址原則：

(1)盡量避開非正規開采的小煤礦開采區域，選擇資料齊全、開采規范的大煤礦開采區域；

(2)避開斷層露頭出露位置，躲開陷落柱及邊坡不穩定區域；

(3)躲開煤層淺部開采區域，控制采深采厚比，選擇采深采厚比比值較大的區域；

(4)不選擇地表傾斜變形值大的區域；

(5)首先選擇煤礦已采區域，其次選擇采動區和未采區；

(6)躲開陡峭的邊坡位置，避免因采動引起的滑坡產生安全問題。

風機屬于高聳構筑物，具有高度大、底面積相對小的特點，采動影響具有特殊性。由于地下煤層的開采，地表會因煤層采動引起變形，其中，傾斜變形對高聳建筑物的安全性影響最大[6]。地表傾斜變形會使地面的高聳構筑物傾斜，導致其重心偏移，受力情況會隨之改變，即有可能因結構強度不足而產生破壞，嚴重時會發生傾覆倒塌等嚴重破壞性情況。根據以前的實踐經驗可知，高聳構筑物的容許地表傾斜變形值與其高度密切相關。根據《風電機組地基基礎設計規定(試行)》FD003～2007中要求，風機輪轂高度小于60 m，風機地基傾斜變形最大允許值為6 mm/m；風機輪轂高度80～100 m的風機地基傾斜變形最大允許值為4 mm/m；風機輪轂高度大于100 m，風機地基傾斜變形最大允許值為3 mm/m。水平變形對基礎無明顯影響，因此對水平變形指標不專門提出要求。

2 采動區風電場風機點位的確定

2.1 采動區風電場地表變形預計方法

風電場地地表變形計算可采用概率積分法，地表移動參數選取可參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》，并借鑒附近礦區及其他類似礦區的實測參數[7]。對于當前正在開采或今后將要開采的采動區，需考慮煤層全采后地表的移動變形情況，同時，對已經開采過的煤層，也要進行地表殘余沉陷變形預計。

對于多煤層多工作面開采，還需考慮煤層開采的最不利情況下對風機的影響：(1)煤層群同時開采，可能出現各煤層開采邊界重疊，地表產生疊加影響，使變形增大；(2)擬建塔位處于工作面開采邊界附近，在開采過程中工作面開采邊界對應上方地表變形值一般比較大，特別是傾斜變形出現最大值，對高聳建(構)筑物危害較大。井下對風機最不利開采情況示意圖如圖1所示。

圖1 井下多煤層開采對風機最不利開采情況示意圖

通過計算，風機位置選擇在地表變形較小的地段，避開地表變形值較大的地段。

2.2 采動區風電場地穩定性分析

風機在煤礦采動區上方建設選址時，還需考慮風電場地的穩定性，進行場地穩定性分析。

一般對于長壁工作面開采而言，地下煤層開采結束后，上覆巖層形成“三帶”，即：垮落帶、裂縫帶、彎曲帶；對于新建風機的荷載向地下有一定影響深度，即H影，若影響深度與地下采空區的垮落帶、裂縫帶相交疊，則會加劇采動區地表的沉陷與變形，造成覆巖劇烈的移動與變形。

垮落斷裂帶的發育高度(H裂)可參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》選取計算公式如下：

(1)

式中，∑M為分層開采煤層累計采厚，m。

根據經驗，風機的荷載影響深度(H影)一般不會超過40 m。

煤層開采后，采空區垮落裂縫帶不再因新加風機荷載擾動而重新移動時，最小采深(H臨)應該大于垮落裂縫帶高度(H裂)與風機荷載影響深度(H影)兩者之和，即：

H臨>H裂+H影

(2)

當實際采深大于H臨時，風機荷載不會使垮落裂縫帶重新移動；當實際采深小于H臨時，覆巖和地表會再次發生較大的不均勻移動。

2.3 采動區風電場地地質構造影響分析

2.3.1 特殊地質構造對風機的影響

由于特殊地質構造(斷層、巖層弱面、陷落柱等)處巖層受煤層開采的影響發生移動與變形，致使其力學強度低于圍巖的力學強度，從而導致應力集中，同時，煤層開采后，地下巖層會在構造面產生滑動，表現在地表即為處于構造處的地表出現塌陷或者臺階等嚴重破壞[8]。同時，由于構造的變形集中作用，也使盆地內移動與變形的正常分布發生改變。在構造露頭處的地表變形加劇，大大地超過了正常值。位于構造露頭兩側附近的地表變形變得緩和，小于正常值。

由于在構造露頭位置易出現塌陷漏斗坑或臺階狀的地表裂縫，對風機的危害極大，因此，風機位置選擇應避開在構造露頭位置。

2.3.2 山體滑坡的影響

由于風機的位置選擇多為山地、丘陵地區，同時采動影響下山體滑坡或坍塌在山區時有發生，形式眾多。一般來講，采動山體滑坡或坍崩主要有兩大原因：其一，開采引起新的破壞面，這種破壞面可以是一個、一組，也可以是數個、多組，它們與原構造弱面組合，在山坡臨空面條件下，當應力超過巖體強度(主要為內摩擦角φ)，使山坡體失穩滑動；其二，原構造弱面，由于采動開裂，或使弱面強度進一步降低，或使受力條件、邊界條件發生變化，山體發生崩坍，造成災難性事故。

根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》規定，砂巖山體發生采動崩塌的潛在崩塌面傾角β應大于55°，因此風機點位應選擇在最大坡角小于55°的位置。

3 工程實例

某公司計劃在河南省平頂山市境內建設風電項目，計劃建設6臺風機，風機型號為明陽智慧的6臺輪轂高度為90 m的MySE3.2-145機組，擬建風電場地形主要為山地，風力發電機組布置時，需考慮地形地貌、植被、道路運輸、居民點等諸多因素。風力發電機組不規則布置，采用WT軟件計算風資源圖譜及發電量計算，根據軟件模擬結果及現場實際情況，結合風能資源、地形地貌、植被、道路、民建等因素，同業主、風機廠家及測量單位進行了現場微觀選址，初步選出6個風機點位。

該項目風電項目壓覆平煤集團A、B兩個煤礦丁、戊、己三組煤層。其中，1、2號風機位于A礦范圍內，主要壓覆煤層為己組煤層，煤層累計厚度約4.0～5.2 m，采深約926～1 131 m；3號風機位于A礦井田范圍以外，受到一定波及影響；4～6號風機位于B礦井田范圍內，壓覆丁組、戊組、己組煤層，煤層累計厚度約10.3～13.9 m，采深約609～1 130 m。A、B兩煤礦大部分煤層均未開采，計劃在今后幾年或幾十年內進行大面積開采。

分別對以下5種情況進行了計算：

(1)1～3號風機區域地表在A礦己組煤最不利開采情況下的采動變形預計；

(2)1～3號風機區域地表在A礦己組煤全采情況下的采動變形預計；

(3)4～6號風機區域地表在B礦戊組煤最不利開采情況下采動變形預計；

(4)4～6號風機區域地表在B礦己組煤最不利開采情況下采動變形預計；

(5)4～6號風機區域地表在B礦各組煤全采情況下的采動變形預計。

計算結果如表1～表5所示。

表1 1～3號風機點在A礦己組煤最不利開采情況下的移動變形值/(mm/m)

表2 1～3號風機點在A礦己組煤全采情況下的移動變形值/(mm/m)

表3 4～6號風機點在B礦戊組煤最不利開采情況下的移動變形值/(mm/m)

表4 4～6號風機點在B礦己組煤最不利開采情況下的移動變形值/(mm/m)

表5 4～6號風機點在B礦各組煤全采情況下的移動變形值/(mm/m)

通過計算結果可知，在滿足有足夠風力資源的同時，需對1、3、6號風機的位置進行調整，調整后的位置傾斜變形應不超過4 mm/m。

風機位置調整后，還需對風機所處位置的山體進行穩定性評價，該項目區1～3號風機點位處于山體山頂平臺位置，所處山體總體連續性較好，不存在大的構造弱面。4～6號風機點位處于山體坡體位置，其中4號點位位于山坡處，坡向165°，坡角18°，巖層傾向30°～50°，傾角16°，坡向與巖層傾向相差115°～135°，屬于切向坡。5號點位位于山坡處，坡向255°，坡角25°，巖層傾向60°～70°，傾角18°，坡向與巖層傾向相差155°～165°，屬于逆向坡。 6號點位位于山坡處，坡向110°，坡角13°，巖層傾向60°～70°，傾角16°，坡向與巖層傾向相差40°～50°，屬于切向坡。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》規定，砂巖山體發生采動崩塌的潛在崩塌面傾角β應大于55°，因此場區內不存在開采引起的破壞面，即最后調整的位置可以滿足新建風機的要求[9-10]。

4 結 論

(1)在煤礦采動區上方新建風電場時，風機位置的選擇除了要滿足常規的風力資源要求及場地環境等要求以外，還需考慮到煤礦采動的影響。

(2)風機屬于高聳建筑物，主要受到傾斜變形的影響，對于多煤層多工作面的開采情況，計算傾斜變形影響需考慮風機下方單側開采的最不利情況，并根據計算結果調整風機位置。

(3)通過工程實例，科學地確定了新建風電場風機的位置，驗證煤礦采動區風機選址方法的可應用性，該方法可廣泛的適用于類似工程。