陕北地区光伏发电与采煤沉陷区的综合治理分析

熊光东，宋培柱，谭绍鑫，张 坤

（湖北能源集团西北新能源发展有限公司，西安 710075）

采煤沉陷区的恢复治理关系到矿区的可持续发展，是陕北地区面临的一个难题。采煤沉陷产生地表裂缝，导致导水裂隙带破坏，地表含水层水位下降，浅层含水量降低，对脆弱地表生态环境造成破坏。有必要分析沉陷区裂缝产生及发育规律，结合光伏布置，治理沉陷区裂缝，优化沉陷区治理方案，有效利用当地闲置土地和优质太阳能资源，减少地表水分蒸发，并进行植被恢复，改善生态环境，为采煤沉陷区的综合利用与可持续发展提供参考。

1 沉陷裂缝发育特征

采煤沉陷区地表变形可分为三部分，主要发生在开采过程中。一是开采过程中随开采空间变化而产生的变形；二是停止开采后至稳定的剩余变形；三是稳定沉陷后的地表残余变形。地表变形表现为沉陷裂缝，煤层、岩体埋深越小，浅层裂隙发育越显著，传至地表产生的裂缝越明显。而煤层、岩体埋深越大，采煤扰动对岩体的破坏传至地表产生的裂缝越少。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，即永久性裂缝。永久性裂缝一般位于矿区采空沉陷区的稳定区域和基本稳定区域。由于后续煤层开采，岩层发育、运动，动态裂缝的宽度与深度发生变化。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具有多种形态，一般表现为地表破碎展布式裂缝、地表撕裂式裂缝、地表下沉式裂缝及地表塌陷式裂缝等形态[2]，如图1所示。

图1 地表裂缝形态

2 沉陷裂缝的危害

矿区地表受采煤扰动影响，易造成裂缝发育、塌陷下沉，导致导水裂隙带破坏，地表潜水层、含水层水位下降，浅层地表含水率显著降低[3]。如图1所示，地表塌陷式裂缝因浅层水流失，地表植被干枯。首先，土壤结构撕裂受损，产生裂缝，土壤水分运移中断，在干旱、高温及风力侵蚀影响下，土壤中水分进一步蒸发，导致表层土壤水分损失且无法恢复。其次，裂缝的产生使得地表土壤黏性颗粒进一步减少，砂性颗粒增多，碳、氮、磷的损失加剧，有机质含量降低。地表沉陷与裂缝发育阻断了植被根系，植被之间的水分运移受阻，地表植被被破坏，地表沙化。由于地表含水率、土壤有机质降低及植被破坏，土壤微生物丰度及群落结构多样性发生变化。

3 沉陷区的治理

针对上述情况，应对采空沉陷区进行治理。采空沉陷区的治理坚持“治理-恢复-稳定-利用”的长效综合方针，通过政策引导和产业推动，走科学利用之路。针对矿区地表的沉陷裂缝和脆弱生态，要对沉陷裂缝进行治理，结合光伏布置，推进地表修复，进行植被恢复，基本技术路线为裂缝治理→布置光伏→植被建设。

3.1 裂缝治理

裂缝一般采用三步法进行综合治理，即削坡清理→深部填充→表层覆土[2]，如图2所示。削坡清理是指对裂缝边缘进行适当削坡、清理减载，将清理的堆积物放至浅沟、洼地等部分进行平整，并对地表裂缝两侧各0.3～0.5 m 的表土进行剥离备用。深部填充是指选取填充裂缝所需的土方、碎石等材料，对裂缝区深部进行填充，填至裂缝距地表0.8～1.2 m时，要分层碾实。表层覆土是指裂缝区回填至距顶部0.3～0.4 m，将原先剥离的备用土与伴有生物肥料、本地种子的有机土壤混合，再进行裂缝区覆土，并平整夯实填充表层覆土。

图2 裂缝治理

裂缝治理时，对于沉陷区宽度较大的、未自然恢复的裂缝，一般可采用机械与人工综合作业方式进行削坡清理、填充夯实。对于地表密度小、窄浅的裂缝，可采用人工作业的方法，裂缝修补所需土方量少。可采用机械治理延展范围广、发育深、宽度较大的裂缝。此外，采煤沉陷变形可能诱发地表的滑坡和塌陷。滑坡修复要降低再次发生滑坡的可能性，结合地形和水流走向设置排水沟。坡度小于15°的凸形坡、坡度15°～25°的凹形坡易成为水土流失效应加剧的隐患点[4]，需要重点关注。必要时，采用人工降坡保证坡面的稳定性，并进行植被控制，以达到治理目的。塌陷坑的修复一般采用碎石、土方直接填充，充填至地表0.5 m 距离时，回填表土或富含肥力的土壤。

3.2 布置光伏

采煤沉陷区布置光伏，可有效利用闲置土地，减少地表水分蒸发，改善沉陷区的生态环境。但采煤沉陷区布置光伏，既要克服矿区沉陷变形的影响，又要遵循减少对原有植被破坏并改善生态的政策。

首先，选择适宜布置光伏的区域。依据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》（GB 51044—2014），采用地表倾斜、曲率和水平变形等指标作为评价标准，将采煤沉陷区划分为适宜区域、基本适宜区域和适宜性差区域。其次，采用具有抗变形能力的支架结构，支架设计时应减少刚性连接，增强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。针对不同地形，采用适宜的支架形式，地面平坦的区域采用一般支架形式，如图3所示。坡度起伏变化的区域采用预应力悬索柔性支架，以适应组件离地高、跨度大和建设破坏植被少的要求。必要时，支架增加可调节功能。

图3 固定可调支架

此外，考虑地表沉陷的不确定性对支架稳定性的影响，可在支架变形较大处设应变传感器，监测基础的标高、垂直度。不同片区设置相应的监测点，建立数字化的沉陷监测系统。跟踪煤矿的开采计划，重点监测影响区域，便于及时预警与维修。

3.3 植被建设

针对沉陷区植被破坏，可采用“板上发电，板下种植”的林光或牧光互补模式进行植被恢复建设。根据相关研究，布置光伏可使光伏阵列区地表蒸发量降低20%～25%，土壤含水率提高4%～6%，有效调节植被冠层和土壤温度，并明显降低地表风速、减少风蚀沙化。结合裂缝治理，布置光伏可使沉陷区地表环境得到改善，有利于植被恢复。

植被恢复应考虑当地高寒、高温、干旱及碱性沙地土壤等因素，以适地适树为原则选择植被品种，确保满足生态要求。考虑光伏区不同空间的种植区别，为保障光伏组件不受遮挡，支架周边适宜种植灌木和草本植物。考虑运营的需求，不可密植带有主干的乔木和灌木。沙化区域可采用流动沙丘顶部悬袋网沙障、聚乙烯（PE）纱网沙障及可降解沙障等新技术进行治理。

4 结论

沉陷区地表变形表现为裂缝，裂缝发育状况与煤层、岩体的深度相关，呈现多种形态。沉陷裂缝易造成浅层地表含水率变化，致使土壤有机质降低、植被破坏。采煤沉陷区的综合治理可采用裂缝治理→布置光伏→植被建设的技术路线。裂缝可采用三步法进行综合治理，即削坡清理→深部填充→表层覆土。布置光伏可使得光伏阵列区地表蒸发量降低，土壤含水率提高，降低地表风速、减少风蚀沙化。植被恢复建设结合当地气候条件及土壤情况，考虑光伏发电等因素，选择适地适树的植物品种，确保满足生态要求。在沉陷区布置光伏，不同地形采用适宜的支架形式，以满足沉陷变形及建设破坏植被少的要求。同时，建立沉陷数字监测系统，及时预警与维修。