采空区对贞丰县龙场二期光伏电站稳定分析及评价

张 彪，陈 潇，刘超杨，严 浩

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳550081）

从2010年以来，我国为调整优化产业结构，建立长效机制，在电力、煤炭、钢铁、水泥等行业关停淘汰了一大批落后产能。然而煤矿关停之后，很多地区会形成煤矿采空区。由于采空区地质条件极其复杂，采空区往往伴随有岩层移动、变形等，从而导致地质灾害的发生，这对工程建设将带来诸多不利的影响。为了适应国家能源长期健康发展，近些年来，国家能源已经开始转型，新能源逐步兴起，大批光伏、风电等新能源项目落地建设。本文以贵州省贞丰县附近采空区范围内某光伏电站为例，对采空区给光伏电站建设稳定性造成的影响进行分析及评价。

1 工程概况

拟建的某光伏电站于贵州黔西南布依族苗族自治州贞丰县龙山镇境内，该站址东西最长约1.7km，南北最宽约0.8km。该站址距贞丰县城直线距离约14.0km，距兴义市区直线距离约71km，距贵阳市直线距离约180km。在站址区有乡村公路通过，场址区对外交通便利。

拟建光伏电站初拟装机容量50MWp，初选场址面积约2.22km2。根据资料显示，该光伏电站站址内分布有贞丰县纳旺煤矿和贞丰县高家岩煤矿。

2 场地工程地质条件

2.1 地形地貌及地层岩性

拟建光伏电站站址区东西最长约1.7km，南北最宽约0.8km，场内原始地面高程为1200~1455m，属于构造、剥蚀低中山地貌。自然坡度一般10°~30°不等。站址区内基岩大量裸露，地表随处可见散布的松动块石，块石直径一般0.3~3.0m不等；场址区植被较发育，多为杂树和杂草地。

站址区上覆土层为残坡积层（Qedl）砂质粘土夹碎块石，碎块石成分为砂岩，直径一般0.5~1.0m；下伏基岩为三叠系上统龙头山组（T3l）和火把冲组（T3h）地层，岩性主要为灰、灰绿色厚层块状岩屑石英砂岩与粉砂质粘土岩、粘土岩互层夹炭质页岩、油页岩及菱铁矿层。此外尚夹数十层煤层及煤线，其中有可采煤三层。煤层主要分布在中上部及底部，厚580~687m。

2.2 采空区分布范围

根据搜集资料显示，站址区内过去采煤活动较剧烈，具一定规模，对光伏电站影响较大的煤矿包括贞丰县纳旺煤矿和高家岩煤矿，目前两个煤矿已经关停。各煤矿与站址和煤矿区纵剖面略分别见图1、图2。由图可知，光伏电站周边分布有两个较大规模的采空区，光伏站址大部分区域位于采空区之上。

图1 工程周边煤矿分布平面略图

图2 站址区煤矿纵剖面略图

2.3 采空区基本特征

2.3.1 贞丰县纳旺煤矿

贞丰县纳旺煤矿大部分主要位于拟建光伏站址东部区域。根据现场调查及《贵州省贞丰县纳旺煤矿勘查地质报告》显示，贞丰县纳旺煤矿地质储量173.26×104t，设计年生产能力为9×104t，准采面积为2.6km2，准采高程1100~1300m。该煤矿煤层为三叠系火把组（T3h）的煤层，自下而上层4层编为1#、2#、3#、4#煤，其中1#、2#属于不稳定煤层，开采价值低。本矿区主要为3#、4#煤层，煤层倾角为8°~22°。

3#煤：俗称“高煤”产于火把组第三段上部，煤层厚度0.82~1.26m，平均厚度1.06m；结构简单，变化不大，属于稳定煤层。

4#煤：位于火把组上部，下距3#煤45~58m，煤层厚度0.70~1.13m，平均厚度0.90m；结构简单，属于稳定煤层。

贞丰县纳旺煤矿开采时间为2006年，关停时间为2016年，持续开采时间约10年；开采方式主要为机械采煤，少量为人力。

根据《贵州省贞丰县纳旺煤矿勘查地质报告》，距离地面最近4#煤层采深40~50m，平均采空高度1.06m，为浅层采空区；3#煤层采深90~100m，平均采空高度0.90m，为中层采空区。

2.3.2 贞丰县高家岩高家岩煤矿

贞丰县挽澜高家岩煤矿少部分位于拟建光伏站址西部区域。本矿区与贞丰县纳旺煤矿相邻，煤层位于同一套地层，地质情况与之相似。主要为3#、4#煤层，煤层倾角为8°~22°。推测距离地面最近4#煤层采深40~60m，平均采空高度1.0m左右，为浅层采空区；3#煤层采深100m左右，平均采空高度0.90m左右，为中层采空区。

贞丰县纳旺煤矿开采时间为2004年，关停时间为2015年，持续开采时间约11年；开采方式主要为机械采煤，少量为人力。

2.4 采空区垮落带和断裂带计算

拟建光伏电站周边采空区主要包括贞丰县纳旺煤矿采空区、贞丰县挽澜高家岩煤矿采空区。两个采空区煤层位于同一套地层，煤层倾角为8°~22°。

2.4.1 采空区垮落带计算

根据区域地质资料，采空区煤层顶板岩性上部为砂岩、泥质粉砂岩、下部为粘土岩、页岩等。

根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》L.0.1规定,当煤层倾角α＜55°，煤层顶板为硬质岩、软质岩层或其互层时，厚层煤分层开采的垮落带最大高度，可按下式计算：

式中：M1——按照3#煤层的最大厚度为1.26m；M2——按照4#煤层的最大厚度为1.13m。

2.4.2 采空区断裂带计算

根据区域地质资料，采空区煤层顶板岩性上部为砂岩、泥质粉砂岩、下部为粘土岩、页岩等。

根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》L.0.1规定,当煤层倾角α＜55°，煤层顶板为硬质岩、软质岩层或其互层时，厚层煤分层开采的断裂带最大高度，可按下式计算：

式中：M1——按照3#煤层的最大厚度为1.26m；

M2——按照4#煤层的最大厚度为1.13m。

3 采空区对光伏场址的稳定性分析及评价

根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》，在铅直方向上将岩层破坏划分为垮落带、断裂带及弯曲带。

经过对采空区垮落带最大高度和断裂带最大高度的估算，其中采空区垮落带最大高度Hm=11.2m；断裂带最大高度为32.2m。根据《贵州省贞丰县纳旺煤矿勘查地质报告》及相关资料，贞丰县纳旺煤矿和贞丰县挽澜高家岩煤矿4#煤层平均采深约50m，属浅层采空区；3#煤层采深100m，属中层采空区；由此推测拟建光伏场区位于采空区的弯曲带上。

通过对两个煤矿的开采方式、开采时间、终采时间、采深等因素综合分析可知，拟建光伏站址区域内的采空区主变形阶段已过，但是目前仍然处于缓慢变形阶段。对于荷载不大或对变形要求不高的建（构）筑物影响不大，对于荷载较大或对变形要求较高的建（构）筑物影响较大。

4 讨论

对于采空区项目，首先我们要搜集采空区的相关资料，比如：采空区的范围、采空区地层岩性、岩层产状、煤层厚度、开采方式、采深、开采时间、终采时间等基本特征。根据搜集到的相关资料结合《煤矿采空区岩土工程勘察规范》进行计算与分析，并对采空区及影响区域的建（构）筑物稳定性分析评价，为设计和施工提供可靠依据。

5 结论

通过对拟建光伏站址地形地貌、地层岩性、采空区分布范围、采空区的基本特征、采空区三带等进行分析与计算，得到如下结论：

（1）拟建光伏场区位于两个采空区的弯曲带上，光伏电站的光伏板支架、逆变器的荷载相对较小，场地基本适宜本工程建设。

（2）两个煤矿关停时间较短，埋深最浅的4#煤层区域属于浅层采空区。

（3）目前采空区主变形阶段已过，但是仍然处于缓慢变形阶段，今后光伏电站施工或运行期间可能会出现地表变形，从而影响光伏板及支架基础等场区建筑物地基稳定，后期需加强变形监测。