浅谈黄土区域采煤沉陷区光伏固定支架的选型

熊光东 姜 东 谭绍鑫 张 坤 安 华

(1.湖北能源集团西北新能源发展有限公司,陕西 西安 710075; 2.西北电力设计院有限公司,陕西 西安 710049)

0 引言

陕北地区具有丰富的煤炭资源，地表土质多为黄土。黄土区域开采煤炭，形成大面积的采煤沉陷区，地表的湿陷性黄土在降水后发生二次沉陷。在黄土区域采煤沉陷区布置光伏，可有效利用沉陷区闲置的土地，并改善沉陷区的生态环境，能够提高社会综合效益。黄土区域采煤沉陷区由于其沉陷特点，给光伏支架及基础的选型和设计带来新的问题。本文结合实际项目，分析了黄土区域采煤沉陷区光伏支架的选型与设计的影响因素及注意事项，为黄土地区采煤沉陷区布置光伏提供参考。

1 采煤沉陷区沉陷变形特点

受采动影响的拟建建筑场地的地表沉陷状况通常由采煤引起的地表移动延续时间进行分析。地表移动延续时间(地表移动期)是指地表移动开始到结束的整个时间，分为地表移动初期、活跃期和衰退期三个阶段。地表移动延续时间主要取决于煤层开采深度、开采面积、工作面推进速度、采煤方法及覆岩性质。首先，项目矿区硬岩条件下的较硬顶板和浅煤层刀柱和仓房开采的主要破坏形式是整体一次性切冒，具有明显的突发性，表现为塌陷过程时间短、破坏性大、难以预测预防。其次，当开采深度较大时，地表沉陷形式转变为缓慢沉陷型，但会出现一些地裂缝。再次，浅埋煤层开采时，其基岩与采厚比偏小，地表极易产生裂缝。

采煤沉陷区地表变形一般分为三部分，主要部分发生在开采过程中，随开采空间变化而产生的变形；其次为停止开采后至稳定的剩余变形；其余为稳定沉陷后的地表残余变形。地表变形多表现为沉陷裂缝，煤层、岩体埋深越浅，形成的裂隙发育越剧烈，传至地表产生的裂缝就越明显。而煤层、岩体埋深越深，采煤扰动对岩体的破坏传至地表产生的裂缝就越少。沉陷区裂缝按照发育状况可分为永久性裂缝和动态裂缝[1]。岩体或煤层内部稳定，应力结构不再继续变化，裂缝不再变化，即为永久性裂缝。永久性裂缝一般位于矿区的采空沉陷区的稳定区域和基本稳定区域。而动态裂缝，由于后续煤层开采，岩层发育、运动，裂缝的宽度与深度随之发生变化。动态裂缝基本位于采煤沉陷区的不稳定区域。采煤沉陷产生的地表裂缝发育有多种形态，呈现出地表破碎展布式、地表塌陷式、地表撕裂式及地表下沉式裂缝等形态，如图1所示。且在黄土地区，采煤沉陷产生地表裂缝，暴雨后易发生积水沿裂缝浸入表层黄土，表层黄土易发生湿陷破坏，地表发生二次沉降。

2 沉陷变形对光伏支架及基础的影响

光伏支架及基础的合理选型与正确设计，关乎光伏发电站的安全与经济效益。与常规场地布置光伏不同，在黄土地区采煤沉陷区布置光伏，支架及基础不仅要满足在各种荷载作用组合下对结构强度、刚度、承载力及稳定性的要求，还需要满足地基土沉陷对支架及基础所产生的结构可调性、稳定性的要求[2]。地表沉陷对支架及基础的影响主要表现在以下两个方面。

(1)采煤沉陷变形一般可分为水平变形和倾斜变形，水平变形产生地表裂缝，倾斜变形产生地表沉降差。地表发生不均匀沉降，支架基础与地表的相对位置改变，整个结构受到附加外部作用力，从而造成：基础埋置深度减小、受力情况发生变化，基础承载力和稳定性降低；上部支架构件受不均匀沉陷影响发生较大变形，致使光伏组件受拉或受扭而破坏。

(2)由于采煤沉陷产生的裂缝的影响，降水沿地裂缝浸入地表湿陷性黄土，发生二次沉降变形，与支架基础的相对位置进一步改变，整个结构受到二次附加外部作用力，且黄土地基的承载力降低，从而造成：基础埋置深度进一步减小，基础承载力和稳定性进一步降低；不均匀沉陷影响加大，支架钢构件的变形增大，更易造成组件破坏。且地表黄土可能发生湿陷性破坏，地表易产生较大孔洞，如图2所示，造成该位置处支架结构失稳乃至结构倾覆。

(a)地表破碎展布式裂缝(b)地表塌陷式裂缝(c)地表撕裂式裂缝(d)地表下沉式裂缝图1 地表裂缝形态

图2 地表孔洞

3 光伏支架及组件的建设适宜性分区标准

采煤沉陷区对光伏厂区建(构)筑物的破坏影响主要通过采用地表倾斜、曲率和水平变形等指标作为评价标准。根据光伏组件、光伏支架的抗变形能力分析，依据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》(GB51044-2014)、《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》与指南(2017版)和《采空区公路设计与施工技术细则》(JTG/TD31-03-2011)，考虑项目当地采煤沉陷区特点，确定了该区光伏组件和光伏支架建设适宜性分区标准，见表1。按上述分区标准整个项目厂区就分为A区(适宜区域)、B区(基本适宜区域)及C区(适宜性差区域)。

表1 光伏组件和光伏支架建设适宜性分区标准

4 支架及基础的选型与设计

4.1 支架及基础的选型

项目按照政策要求，综合考虑厂区沉陷特点、组件离地高度、成本与可靠性等因素，项目采用2种固定支架，即单立柱支架和双立柱支架[3]。其中单立柱支架采用PHC管桩，双立柱支架采用钢螺旋管桩；并针对地表沉陷的影响，在支架上增加了可调节功能。

单立柱支架具有安装节点少、施工误差小；且支架基础数量少，与地基土接触面积变小，减少了地基土堆基础的影响，从而减小了支架结构的不协调变形。双立柱支架结构整体稳定性，地表变形过大或出现孔洞后，不易发生倾覆，使得运维具备足够的反应时间，且便于后期维护和检修。

根据光伏厂区光伏组件、光伏支架的抗变形能力分析，按照前述光伏支架建设适宜区分类，确定在A区(适宜区域)和B区(基本适宜区域)布置光伏支架。并综合考虑项目矿区的沉陷变形特点，重点关注预测地表变形过大或出现孔洞的区域，即采煤沉陷盆地的工作面边缘、开切眼及停采线附近区域。根据采煤沉陷区稳定性报告中针对上述地表变形较大区域的评估结果，确定在地表水平变形大于2.0mm的区域采用双立柱支架方案；其他区域由于地表沉陷变形较小，选用单立柱支架方案，单立柱支架布置示例如图3所示。

图3 单立柱支架示例

4.2 支架及基础设计

首先，综合考虑沉陷变形特点、组件离地高度、成本与可靠性等因素，在沉陷变形较小的区域可采用单立支架，但应尽量减小单个支架阵列基础数量，以减少地基土对支架基础的影响；对地裂缝较多、沉陷大，可能出现地表孔洞的区域，采用稳定性高、抗倾覆性好的双立柱支架。

其次，设计时应减少支架各个连接处的刚性连接，采用铰接，提高支架适应变形的能力，从而减小各支架构件间的次生应力和局部变形[4]。设计时应当考虑对支架结构进行一定抗变形设计，如单立柱支架在PHC管桩顶处预留调节余量、双立柱支架在钢柱柱脚处预留调节余量，保证组件不被破坏。

此外，考虑地表沉陷为不可控因素对支架及基础稳定性及安全性影响极大，可在支架变形较大位置设置应力应变计，同时监测基础的标高、垂直度，不同片区应设置相应的监测点，建立数字化的沉陷监测系统。跟踪煤矿的开采计划，运维期间重点监测影响区域，一方面提前对支架紧固件进行松绑，拆除部分组件，减少组件损坏；另一方面加强巡视和监测，若发现较大地面裂缝和孔洞，及时处理。

5 结 语

(1)采煤沉陷区的地表变形表现为沉陷裂缝，裂缝发育状况与煤层、岩体的深度相关，呈现地表破碎展布式、地表塌陷式、地表撕裂式及地表下沉式裂缝等多种形态。

(2)在黄土区域采煤沉陷区建设光伏电站，需要选择合适的光伏支架型式，以适应黄土区域采煤沉陷变形的特殊要求。首先，选择的支架结构能适应一定的地表沉陷变形；其次，针对可能发生较大地表沉陷变形的区域，预留可调余量，减少组件损坏；另外，针对可能出现地表孔洞的区域，能够具有一定抗倾覆能力和稳定性，为巡视和检修争取时间，降低损失。

(3)选择支架结构上设置变形监测设备，根据不同区域的沉陷变形特征合理设置监测点，建立科学的数字化沉陷监测系统，及时准确发现状况，迅速处理和检修，降低人力成本，提高运维效率。