非稳沉采煤沉陷区光伏产业治理的设计实践

华 祥 翟保宏 赵 琦

（1.通用技术集团工程设计有限公司，山东 济南 250031；2.华电山东新能源有限公司汶上分公司，山东 汶上 272500）

光伏发电由于具有显著的能源、环保和经济效益，已成为国家能源政策的主要引导方向。鉴于济宁地区采煤沉陷区范围广，在采煤沉陷区废弃的土地上规划建设光伏发电可达到采煤沉陷区有效利用与新能源开发双赢目的，对于山东省其他地区沉陷区治理工作和全国资源型城市转型发展也具有一定引领作用。但由于采矿活动是一个循环连续的过程，采煤沉陷区会循环往复的产生一定的地表移动与变形，甚至破坏，对采动影响范围内的建（构）筑物也将产生一定的影响，因此在采煤沉陷区进行各类工程建设时，必须进行建设场地稳定性分析，将地面建（构）筑物建设、布局与井下开采活动有效结合起来，以达到双赢的目的。

1 项目概况

本项目为农光互补光伏发电工程，位于济宁市汶上县境内，规划容量100MW。项目按农光互补方式实施，采用大棚与支架结合布置，主要功能区包括升压站及农业管理站、光伏区、连接各方阵的道路、电缆通道。太阳能光伏发电系统主要由光伏方阵、汇流箱、逆变器、测量通信系统及公共电网组成。光伏方阵多采用多晶硅光伏组件，每个光伏组件尺寸为1650×992×40mm，重量约19kg。光伏组件需要用牢固的支架朝南架设，形成光伏方阵。光伏方阵通常由多排多列光伏组件构成，长度根据组件列数决定。各光伏组件之间需要接线盒进行连接，再经过专用电缆与逆变器相连。

光伏电站建（构）筑物主要包括光伏支架与基础、逆变器室、升压变室及综合楼。光伏支架采用钢支架作为直接支撑结构，支架基础形式采用钢筋混凝土管桩基础，桩长5.0～7.0m，入土深度2.5～3.0m。逆变器室和升压变室内通常可放置几组逆变器和几组光伏升压变压器，通常为单层砌体结构或采用彩钢复合板封闭，基础为混凝土条形基础。综合楼集生产、生活为一体的一般性综合性建筑，布置有控制室、办公室、餐厅、资料室、宿舍等，采用钢筋混凝土框架结构，基础采用混凝土独立基础，一般为 1～2层。

2 基本地质条件

场址区属平原地貌，地面高程为+40m左右，位于汶上县某煤矿采煤沉陷区内。该区域赋存煤层有3、16和17煤层，16、17煤层没进入矿井开采规划，只需研究已经进行开采的3煤层。3煤层厚度4.03～9.52m（平均厚度7.50m），开采标高-340～-900m，煤层倾角一般不超过25°。

3 地表移动变形分析

3.1 剩余移动变形分析

煤层开采后，地表移动变形可分为两部分：一是随着开采空间变化而产生的移动量；二是停止开采后随时间变化而产生的移动量。前者是主要移动量，根据统计资料，这部分移动量占开采厚度的65%～75%。停止开采后的移动量又可细分为两部分：一部分为停止开采后至稳定（地表移动变形延续时间结束）的剩余移动变形，约占开采厚度的20%～25%；其余为稳沉后的地表残余移动变形，约占开采厚度的5%～10%。由于残余移动变形影响周期很长，且移动变形总量不大，因此主要会对精密建（构）筑物产生影响。考虑光伏电站建、构筑物结构特点，主要对场址区煤层开采后至地表移动变形延续结束之间的剩余移动变形进行分析。

根据地表移动变形延续时间计算结果，3煤层全部垮落法开采地表移动影响时间为2.7～4.9年。据此，确定出矿井1301、1302、1303、1304、1305、1306、1307、3301、3302工作面引起的采空区地面沉陷区域基本处于稳沉状态，1308、1309、1310、1312、3303、3304、3306工作面引起的地表移动变形尚未结束。经计算地表剩余移动变形主要集中在东部边界，最大下沉值为650mm，最大倾斜变形值为-5.5mm/m，最大水平变形值为+2.5/-1.5mm/m。

3.2 规划开采影响分析

阳城煤矿为正常生产矿井，随着时间的推移，其开采活动还会继续。根据矿井目前接续安排规划，电站25年服务期内矿井仍主要开采3煤层，近期先规划开采北三采区剩余区域，然后通过大巷继续向南开拓。经计算规划开采影响主要集中在东部和南部，预计影响地表最大下沉3600mm，最大倾斜变形为10.0mm/m，最大水平变形为+6.0/-6.0mm/m。

4 采空区稳定性评价

根据前面分析，本次场地稳定性评价需考虑已开采的采空区剩余移动变形影响和未来开采规划影响。本次根据以往行业经验，界定10mm沉降边界之外为稳定区，沉降范围内参照“三下”规范第27条规定划分为基本稳定区（Ⅰ、Ⅱ级损坏）和不稳定区（≥Ⅲ级损坏）。综合以上分析结果可知，场址区面积的49%处于稳定区范围，不会对项目实施产生影响；48%处于基本稳定区范围，存在一定变形影响；极小部分处于不稳定区（约3%）。

可进一步优化地面总平面布置，将综合楼等重要建（构）筑物放在稳定区域。考虑到本电站支架基础可采用单根钢筋混凝土管桩基础形式，抗变形能力较强，经试验区验证地表移动下沉盆地边缘较缓，桩体施工后整体变形不大，因此认为基本稳定区采用单桩基支架形式也可满足使用要求。极小部分不稳定区（场址区3%比例）可进一步增加抗变形设计或暂时避开光伏布置，待场地稳定性改善后再行建设。

图1 场址区稳定性划分结果

5 结论

报告在全面收集场址区规划及煤矿相关地质采矿资料的基础上，对相关矿井煤层开采引起的地表沉陷结果及剩余变形进行了计算，并结合下一步开采规划，对煤矿采空区地表的稳定性进行了评价。通过对场址区稳定性进行分区、划分，可更有效地进行地面总平面布置，将综合楼等重要建（构）筑物避开稳定性较差区域，确保运营安全。