浅谈大同采煤沉陷区正泰光伏电站支撑结构的选型

邹福来 张天文 郭志刚 沈道军 周承军

（浙江正泰新能源开发有限公司，浙江 杭州 310000）

浅谈大同采煤沉陷区正泰光伏电站支撑结构的选型

邹福来 张天文 郭志刚 沈道军 周承军

（浙江正泰新能源开发有限公司，浙江 杭州 310000）

笔者在负责大同采煤地质沉陷区的光伏电站工程建设过程中，就光伏发电支撑结构选型总结了一些思路，与同行共勉，共同提高。

支撑结构；沉陷区；设计

笔者近期在负责一个采煤地质沉陷区的光伏电站工程建设，刚接到项目的时候大家都认为有风险，甚至风险很大不可控，但真正深入工程设计和施工的时候，发现其实并非那么可怕，还是有章可循的，在本文就浅谈一下作者自己的一些设计思路，与同行共勉，共同提高。

1.工程概况

大同市太阳能资源丰富，年均太阳能辐射总量5432.8MJ/m2，非常适宜建设并网发电电站。为了整合采煤沉陷区光照、土地、电网等发展要素，将不利因素转变为有利因素，拓展产业发展空间，助推新能源示范城市建设，实现经济与生态良性发展，大同市发改委在深入调查、反复论证的基础上，提出了利用采煤沉陷区闲置废弃土地和电网接入等有利条件，发展光伏产业的设想。并组织编制了《大同采煤沉陷区光伏发电基地规划及2015年实施方案》。2015年6月，大同市采煤沉陷区国家先进技术光伏示范基地建设正式获得国家能源局批复，成为我国实施光伏产业“领跑者计划”首个获批的基地。本文描述工程规模为50MW，海拔高度约1260m，其下方大同组煤系地层平均厚191.18m，采空区主要涉及侏罗系的5个煤层。

2.地质情况

根据本工程地质勘查报告结果，光伏场区地基土自上而下可划分为4层：

第①层湿陷性粉土（Q4al+pl）褐黄色，稍湿，稍密，含有云母、氧化物等；土质均匀；混有粉细砂，夹有零星碎石；无光泽反应，摇振反应中等，干强度及韧性低。湿陷程度中等～强烈。该层标准贯入试验实测击数5.0～9.0击，平均6.4击。

第②层粉砂（Q4al+pl）褐黄色，稍湿，稍密，含有云母、氧化物等；土质均匀；混有粉细砂，夹有零星碎石。该层标准贯入试验实测击数8.0～12.0击，平均10.2击。

第③层砂岩（J2）褐黄色，矿物成分以石英、长石为主；碎裂状结构，块状层理构造，全风化～强风化，岩芯呈破碎状，属软岩；岩石质量基本等级为Ⅴ级，岩石质量指标RQD在15～25之间，该层饱和状态下单轴抗压强度介于10.3MPa～16.9MPa之间，平均12.4MPa。本次勘察部分钻孔未揭穿该层，最大揭露厚度6.4m。

第④层砂岩（J2）褐黄色，矿物成分以石英、长石为主；块状结构，块状层理构造，中风化，基岩裂隙发育，岩芯较完整呈短柱状，柱长10cm～15cm，属软岩；岩石质量基本等级为Ⅳ级，岩石质量指标RQD在30～45之间，该层饱和状态下单轴抗压强度介于10.6MPa～16.6MPa之间，平均12.4MPa。

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）（附录A），大同市南郊区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组。场址区属构造基本稳定区。

根据采煤沉陷区地基稳定性评估报告结果，该项目拟建区下方及周围赋存侏罗系大同组和石炭系太原组煤系地层。侏罗系大同组煤系地层分属于3个煤矿：云岗矿、晋华宫矿和同生宏达矿。

图1　不同支架类型

图2　地表移动延续时间曲线图

受现有采空区的沉陷变形影响，项目拟建区地表还可能产生的下沉值为21mm～753mm，倾斜-5.4～+7.3mm/m，曲率-0.11～+0.06×10-3/m，水平变形-3.2～+2.3mm/m。鉴于该项目建筑特点，拟建区内大部分区域地表建筑属于I级轻微损坏变形或Ⅱ级轻度损坏变形，少部分拟建区内光伏电站设备受到Ⅲ级中度损坏变形。应采取一定的抗变形措施，应对新建建筑采取一定的抗变形措施。

3.支撑结构形式

该项目为5个“领跑者计划+新技术、新模式示范项目”中的一个，由浙江正泰新能源开发有限公司负责本工程的建设。根据政府要求，该项目总共引用了3种支架，包括固定支架、可调支架和单轴跟踪支架3种类型，支架现场照片如图1所示。

4.大同矿区开采沉陷特点

根据矿山开采沉陷理论，地下煤层开采结束以后经过一段时间，当地表连续6个月下沉值不超过30mm时，可认为采空区地表沉陷达到稳定状态。但实际上由于受多种因素的影响，开采对地表的影响还未结束，地表还会发生少量的残余沉降，对地表建筑物产生不利影响。

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，分为地表移动初始期、活跃期和衰退期3个阶段。地表移动延续时间可根据地表最大下沉点的下沉与时间关系曲线和下沉速度曲线求得。图2是某矿综采工作面地表两测点的地表移动延续时间曲线图。

根据设计部门给出的光伏示范基地项目光伏支架等主要建（构）筑物地基基础容许沉降值，倾斜等指标要求，依据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）、《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（2000版）和《采空区公路设计与施工技术细则》（JTG/TD31-03-2011），综合考虑山西大同市采煤沉陷区特点，制定了该区光伏电站光伏组件和光伏支架建设适宜性分区标准，见表1。

表1　项目光伏组件和光伏支架建设适宜性分区标准

5.结构选型思路

（1）固定支架

在传统固定支架基础上做了一个创新，增加了可调功能，能够适应在预测沉降量使用；另外同时将一个阵列分成多段，每段长度缩小，由4根立柱支撑，这样就提高了支架的抵抗变形能力。

（2）手动可调支架

首先，根据地基稳定性评估结论，将手动可调支架排布在适宜性好的区域。另外，由于手动可调支架采用单排3立柱支撑，主体依靠强度较好的单主梁形式，整体性强。

（3）单轴跟踪支架

大同项目跟踪系统由3轴联动的小型系统组成，中间轴属于驱动轴，由电动推杆驱动，由拉杆带动两侧2轴运动。此系统主要针对山地不平地形设计、同时解决了基础沉降对跟踪器运行的影响。

①两轴基础产生的沉降差对系统的影响：由于两轴之间的拉杆由铰链连接，当产生高度差时，并不影响跟踪器运行。

②同一轴不同支腿基础由于沉降产生高度差，系统可以正常运行。如图3所示。

图3　单轴跟踪支架在地势起伏地段示意图

结语

在采煤地质沉陷区内建设光伏电站，我们技术人员的主要任务是选择合适的支撑结构形式。该支撑结构必须能够适应一定的地基沉降，同时也要有科学的沉陷预测系统。

提高建构筑物的抗变形能力，主要措施有：

许可条件下，构筑物长轴应平行于地表下沉等值线，应尽量避免结构主体的轴向与煤层走向成斜交布置。

尽量使建（构）筑物处于预测残余沉降较均匀和数值较小区域，建（构）筑物长轴方向应尽可能与地表下沉等值线平行。

建筑物体型应力求简单，平面形状以矩形为宜，避免立面高低起伏。

[1]上海电力设计院有限公司.南郊区马营洼5万kW项目可行性研究报告[R].

[2]煤炭科学技术研究院有限公司.南郊区马营洼5万kW项目地基稳定性评估报告[R].

[3] GB 50797-2012，光伏发电站设计规范[S].

TU393

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