采煤沉陷区建设光伏电站地基稳定性分析

牛倩龄 ,李 星

(1.平顶山平煤设计院有限公司，河南 平顶山 467000;2.中煤科工生态环境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063000)

煤炭资源的开采和利用为我国经济的快速发展起到了巨大的推动作用，同时也给人们的生存环境带来明显的影响，采煤塌陷区的恢复治理和综合利用直接关系到矿区经济的可持续发展，是我国矿区所面临的一项重要课题[1-3]。某100 MW光伏电站项目拟建于煤矿采煤塌陷区范围内，地方煤矿在区域下方及其附近先后开采了五、四、二共三组煤层，采深较浅，累计采厚15 m左右，开采时间久远，从解放前至今一直存在开采活动，具有煤层多、采深浅、累计采厚大、影响持续时间长等特点，给拟建项目带来巨大的安全隐患。

1 开采情况

1.1 地质采矿条件

拟建光伏电站区域地形属缓坡状起伏低山丘陵地貌，地势总体西部与东部高中间低、北高南低。场区位于中间开阔地带，标高+175～+275 m，高差100 m左右。

项目区下主要开采了五煤段、四煤段和二煤段，先后开采五2、四3、四2和二1煤层。五2煤厚约3.8 m，采深12.4～134.4 m，倾角0～16°；四3煤厚约2.2～2.8 m，采深12.4～144.8 m，倾角0～8°；四2煤厚约2.4～3.2 m，采深29.4～216.8 m，倾角0～8°；二1煤厚约5～5.6 m，采深129.6～434.2 m，倾角0～7°；目前五2、四3、四2已回采结束，二1煤局部尚在开采。开采方法为炮采、普采，全部垮落法顶板管理。

煤层上覆岩层主要由砂岩、泥岩、砂质泥岩等组成，整个覆岩岩性属中硬，第四纪表土层厚约6.6 m。拟建区域附近地质构造较为复杂，断层较为发育，部分断层出露地表，可能对拟建区地基产生一定的不利影响。

1.2 光伏电站情况

光伏电站规划装机容量100 MW，并新建升压站一座。光伏设备主要分为光伏组件和光伏支架。单组光伏组件由4行11列太阳能电池板组合而成，单片太阳能电池板规格为1 650 mm×992 mm，板间距为20 mm。光伏支架采用钢混柱式支撑。

升压站规划面积11 000 m2，长约108 m，宽约102 m，站内规划建设有综合楼、辅房、配电装置室和SVG装置室等建筑物。其中，综合楼为二层砖混框架结构，长54 m，宽12 m；其他建筑物均为一层框架结构。

2 地表沉陷变形预测

井下煤层开采结束后，当地表半年累计下沉量小于30 mm，可认为地表移动期基本结束[4-6]。此时，地表按一定规律形成塌陷盆地，在塌陷盆地范围内的不同位置将产生大小不同的沉陷变形。本次地表残余沉陷变形预计采用概率积分法，将光伏电站分成六个地块进行计算，分区如图1所示，计算结果如表1所示。

下沉系数：q=0.01～0.07

水平移动系数：b=0.30

主要影响角正切：tanβ=2.0

开采影响传播系数：k=0.6

拐点偏移距：s/H=0.05

图1 拟建区地块分区图

表1 拟建区各地块地表最大移动与变形值

3 建筑地基稳定分析

拟建光伏电站荷载向地下有一定影响深度，若此深度与地下采空区的垮落断裂带相交，就会破坏垮落断裂带已有平衡状态，重新发生较大的覆岩和地表移动变形[7-10]。

3.1 采空区覆岩破坏高度计算

光伏电站下方压覆采空区煤层涉及到五组、四组、二组三煤层，由于五四组和四二组煤层层间距比较大，下组煤垮落断裂带的发育高度不会接触到上组煤。项目区内五组、四组、二组煤层均按长壁全陷法开采。

长壁全陷开采采空区垮落断裂带的发育高度选取计算公式如下：

(1)

项目区下方五组煤、四组煤、二组煤的累计采厚分别为4.0 m、6.5 m、6.0 m，经计算，三煤层采空区垮落断裂带的最大发育高度分别位于采空区之上45.6 m、52.0 m、51.1 m。

3.2 光伏电站建筑物影响深度计算

计算地基附加应力相当于地基自重应力10%处深度，即为建筑荷载影响深度。

拟建光伏电站主要建筑物为升压站，其中，最大荷载建筑物为二层砖混框架结构综合楼，设计长54 m，宽12 m，标准层高按3.6 m考虑，基底埋深2.0 m，建筑物的荷载为18 kN/ m2(系单层建筑面积荷载大小)。

经计算，拟建综合楼的荷载影响深度(H影)为12 m，即项目建筑物的最大荷载影响深度为12 m。

光伏设备荷载较小，影响深度非常小，只要不铺设在可能会有塌陷坑、台阶、裂缝等非连续变形的地段，光伏设备就不会发生较大的不均匀沉降。

3.3 光伏电站建筑物对采空区影响分析

根据前面计算，项目区下方五组煤、四组煤、二组煤的垮落断裂带最大发育高度(H裂)分别为45.6 m、52.0 m、51.1 m。建筑物的最大荷载影响深度(H影)为12 m，因此，对于拟建区域内新建建筑物，只有井下五组、四组、二组煤采深分别大于57.6 m、64.0 m、63.1 m时，才能保证项目区内新建建筑荷载不会使采空区再次发生较大不均匀沉降。

4 光伏电站适宜性综合评价

4.1 地表移动变形适宜性

目前，我国“三下”采煤规程制定了一些建筑物相应的损坏等级和允许变形标准，例如，砖混结构建筑物、工业构筑物、暖卫工程管网等，但尚未给出光伏电站对抗变形的要求。参考光伏电站各建筑物的结构、运行情况等，这里暂时对光伏电站的地表移动变形适宜性标准规定如下：

(1)升压站内设备对于地表变形比较敏感，考虑其重要性和特殊性，规定其允许地表移动与变形值为I级变形(下沉≤300 mm，水平变形≤2.0 mm/m，倾斜≤3.0 mm/m、曲率≤0.20×10-3/m)，即地表移动变形超过I级变形的区域不适宜建筑建筑物，不超过I级变形的区域适宜建设；

(2)对于光伏电站内设备，规定允许的地表移动与变形值为Ⅲ级变形(下沉≤500 mm，水平变形≤6.0 mm/m，倾斜≤10.0 mm/m、曲率≤0.60×10-3/m)，即地表变形超过Ⅲ级变形的区域不适宜架设光伏设备，不超过Ⅲ级变形的区域适宜架设光伏设备。

4.2 地基稳定适宜性

(1)根据上述分析，对于升压站，当压覆最上组煤层采空区为五组煤层时，采深大于57.6 m的区域能保证地基稳定适宜建设；当压覆最上组煤层采空区为四组煤层时，采深大于64.0 m的区域能保证地基稳定适宜建设；当压覆最上组煤层采空区为二组煤层时，采深大于63.1 m的区域能保证地基稳定适宜建设。

(2)光伏设备荷载较小，影响深度非常小，只要不铺设在可能会有塌陷坑、台阶、裂缝等非连续变形的地段，并且采取有效的抗变形技术措施，就能够保证光伏设备的安全使用。

5 安全技术措施

拟建区受采空区残余沉陷变形的影响可能会对光伏电站建筑物和光伏设备产生不利影响，因此，对适宜区内新建建筑物及设备必须采取能够抵抗地表沉陷变形的抗变形结构技术措施，以确保新建光伏电站建筑物及设备的安全正常使用。

5.1 建筑物抗变形技术措施

建筑物的抗变形措施主要为变形缝、基础和上部结构等处理。变形缝作为设计采动区建筑物的基本措施之一，具有简便、经济、有效等特点；基础方面可以采用提高持力层的地基承载能力和改变基础形式等措施；上部结构主要措施为尽可能保证建筑物的整体性。此外，对于建筑物内部的线路、管道等，可采用改变支座形式和设置柔性接头等方式。

5.2 光伏设备的安全技术措施

光伏设备的保护措施包括：

(1)光伏组件间、汇流箱以及升压器等之间的线缆要留有一定的富裕长度，以防地表(残余)水平拉伸变形的影响；

(2)光伏支架在地表倾斜较大的区域，应采用可调支架以适应采动影响下地表残余倾斜的变化；

(3)对于升压站内的重要设备尽量采用整体基础，以减小设备之间的相对变形。增大设备与基础连接螺栓的调节量，当设备倾斜时可以进行调节。

6 结 论

本文针对区域特定的地质采矿条件，对拟建光伏电站项目的稳定性进行了评价，确定了适宜建设光伏电站建筑物和光伏设备覆压最上组煤层的最小采深，并提出了相应光伏设施安全技术措施和建筑物抗变形技术措施，确保项目顺利实施，研究成果对采动影响下光伏电站变形与安全评估具有指导意义。