采空区光伏电站建设适宜性评价

叶小波

(四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610000)

我国的土地资源越来越贫乏，工程建设场地越来越难选择，越来越多的工程项目不得不建设在工程地质条件较差的场地上，某太阳能光伏发电站建设在煤矿采空区废弃土地上。

在煤矿采空区内建设光伏发电站，尤其是站内变电站或升压站，将可能面临较大的风险或耗费较大的投资成本。煤矿采空区煤层倾斜且分布繁杂，为了确保光伏电站建(构)筑物的安全，须对该场地建设光伏电站的适宜性进行评价，并提出针对性的处理措施和建议。

1 工程概况

光伏电站位于四川省攀枝花市西区的东南部，光伏场地由北至南依次分为A、B、C、D四个区，其中A区范围最大且最为集中，位于煤矿原主井工业范围内及附近，该区内分布老采空区、新采空区以及未来采空区等，矿区内煤层众多，采掘工作面分布繁杂。升压站为光伏电站中重要且对变形极其敏感的建筑物，须选择受煤层采动影响较小、稳定性好的场地，根据当地建设规划和业主要求，升压站场地要在光伏场布置区内选址。本文仅对光伏板布置区A区和升压站场地的建设适宜性进行评价。

2 采空区基本情况

矿井田开采煤层属中生界上三迭系大荞地煤组，在+1400水平三采区开采丁段和戊段煤层，含可采煤层和局部可采煤层15层，其中15、18、21-3、23-2等煤层为主要可采层，其余为次要可采层。煤矿开采区域煤层均为倾斜煤层群，煤层走向近于北南，煤层倾角10～30°，倾向近正西向。A区面积约0.4 km2，位于煤矿矿区北段位置，根据现场调查及资料整理综合分析，评估区中15-3、15、18、21-3等4个主要采煤层存在对光伏电站有影响的采空区，见表1。

表1 A区范围采动煤层基本情况

3 光伏场区适宜性评价

3.1 采动区地面变形预测

地下煤层开采引起的地表破坏范围和破坏程度可用地表沉陷产生的移动和变形值的大小来评价，地表移动变形值可根据煤层开采条件采用概率积分法进行计算。

根据下部煤层埋藏和赋存特征，结合矿井的开采现状及采区接续计划，同时根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》相近地区类似地质采矿条件的参数取值进行类比，结合国内煤炭行业多年的实测经验进行适当调整，并参考邻近矿区的实测经验数据，综合分析各计算参数值详见表2。各煤层采掘工作面煤层开采情况和预测计算成果详见表3。

表2 地表移动变形参数

表3 采空区地表变形预测成果

续表3

3.2 适宜性评价及处理措施

根据预测计算成果分析各工作面的开采时间和预测地表移动持续时间，大部分采动工作面结束时间均大于3年，结合地表变形监测成果数据，地表剩余变形量一般都小于300 mm，地表变形已经基本完成，A区场地中对光伏板产生主要影响的43183、4321-34等有两个采动工作面。因此，该区场地基本适宜光伏板建设，对部分有影响的采空区光伏板采取相应处理措施可以进行建设。

光伏板布置区采取如下处理措施：①对于地表变形已基本完成的老采空区，主要采取结构措施，如采用刚度较大的独立连梁基础、光伏板与基础间采用地脚螺旋连接形式等。②对于43183、4321-34两个采动工作面影响区的光伏板，根据预测变形持续时间节点，采取基本完成变形后分部建设的措施。

4 升压站场地适宜性评价

升压站为光伏电站中对变形敏感的建筑物，通过对场地内采空区开采资料的搜集和实地调查情况，整个光伏场地A区内均为大面积采动区，绝大地段不宜布置站址场地，部分区域具备选择升压站场地的可能。

根据模拟计算出的场地地表下沉量，并结合场地实际情况，选择出三个拟选场地，见图1。通过比选，最终确定最可能不受采动影响的场地，并针对该场地进行了高密度电法、瞬变电磁法两种物探手段进行探测，确定场地以下有无私采煤窑，最后通过钻探验证物探解译成果的可靠性。

图1 光伏站A区地表下沉等值线

4.1 高密度电法探测成果分析

区内地层走向近于南北向，物探测线布置方向为东西向，共布置测线16条，见图2。

图2 物探工作剖线布置

以下选取高密度电法测线L13线视电阻率等值线断面图说明，图中电阻率取对数。剖面为东西方向布设，由西至东点号增加。图中表层蓝色条带状区域为第四系覆盖层，电阻率较低；下覆基岩，电阻率较高。桩号100～300 m段存在低阻异常，且有向下延伸趋势，推断为15号煤层采空裂隙；桩号300～450 m段存在一个较浅的低阻异常圈闭范围，推断为浅表裂隙发育区，本次在桩号340 m处布置了钻孔验证，验证标高+1650 m附近岩芯较破碎，节理裂隙发育，裂隙表面可见黄褐色锈斑，界面摩擦较明显，与物探解译成果基本一致；桩号500～800 m段+1600 m深度呈现大范围低阻异常区域，经地质调查为井下+1600 m变电所、机电设备、巷道及局部裂隙发育反映；桩号800～1000 m区域浅部低阻异常，推断有裂隙，但埋深较浅，离光伏升压站位置较远，故影响较小，见图3。

图3 L13高密度线勘察成果图

将高密度电法各剖面解释成果投影到平面上，结合地质资料进行地质解释，并与拟建场地进行对比分析，见图4。图中蓝色圈为推断裂隙和裂隙带，按自南向北、自西向东给裂隙带编号从X1～X11，图中X1、X2、X3 和X8、X9、X10规模较小，裂隙埋深较浅，对光伏升压站建造影响较小；X4、X5、X6、X7、X11规模较大，裂隙埋深较浅对光伏升压站建造影响相对较大；红色曲线区域为井下+1600 m变电所、井下水仓、机电设备、巷道及局部裂隙发育反映投影到地面范围。以上解译成果与煤矿提供的矿井资料基本相符。

图4 高密度电法全区地质成果平面图

4.2 瞬变电磁法探测成果分析

以下选取L15物探测线视电阻率等值线断面图作为本次说明示例，电阻率取对数。剖面为东西方向布设，由西至东点号增加。桩号400～500 m段标高+1400～1600 m处呈现出长条型低阻异常区域，推断为15号和21-3煤层采空区；桩号700 m段低阻异常经地质调查为井下+1600 m变电所、机电设备、巷道及局部裂隙发育反映；桩号800～900 m，推断为21-3层煤采空区，以上解译成果与大堡鼎煤矿提供的矿井资料基本相符，见图5。

图5 L15瞬变电磁线勘察成果图

将全区瞬变电磁法成果解译到平面图上，见图6、图7。图6为15号煤层瞬变电磁视电阻率切片图，图中显示5～16线、里程300～500 m段呈现大范围低阻圈闭异常，推断为15号煤层采空区，且采空区边界西北部已经进入拟建升压站保安煤柱线(蓝色框)，西北部采空边界距站址场地(红框中心)最近130 m，切片中间低阻异常为井下变电所、井下水仓、机电设备、巷道及局部裂隙破碎带反映。东南部低阻圈闭异常推断为破碎带。图7为21-3号煤层瞬变电磁视电阻率切片图，图中显示4～16线、里程300～500 m段呈现大范围低阻圈闭异常，推断为21-3号煤层采空区，且采空区边界西北部已经进入升压站保安煤柱线(蓝色框)，距站址场地(红框中心)最近约130 m；1～15线、里程750～900 m段呈现大范围低阻圈闭异常，推断为21-3号煤层采空区，采空边界中部小范围进入升压站保安煤柱线(蓝色框)，距站址场地距离约120 m。切片中间低阻异常为井下变电所、井下水仓其他机电设备、巷道及局部裂隙破碎带反映。以上解译成果与煤矿提供的矿井资料基本相符。

图6 15号煤层顺层切片图

图7 21-3号煤层顺层切片图

4.3 钻探验证

本次验证钻孔位于15号煤层东侧边界处，钻孔深度为150.3 m。钻探岩芯显示标高+1650 m附近岩芯较破碎，节理裂隙发育，裂隙表面可见黄褐色锈斑，界面摩擦较明显，分析为采空区垮落裂隙带，与物探解析结果基本一致。

本次钻探共取煤层顶底板上下10 m范围内2组岩样进行力学性质指标测试，根据测试结果，本区上覆岩层为较坚硬岩层，因此报告中采用相关参数选取合理。

4.4 适宜性评价及处理措施

通过上述物探探测、钻探验证可知，物探成果解译方法准确、可靠。根据采掘工程平面图和物探解译成果可知，4321-34工作面形成的采空区距离场地最近，平面位置距离为132 m，此处21-3煤层埋深约298 m，主要影响角正切tanβ取2.3，根据规范计算煤层采空区倾向影响半径130 m，由此判断场地基本位于4321-34采空区地表移动盆地边缘外部位置，采空区地表影响边界在充分采动条件下未来地表最大下沉量为10 mm，光伏升压站的地表最终沉降在现行采空区分布的条件下不大于10 mm，满足设计要求，因此该场地适宜建设光伏电站升压站，不需要采取特殊的工程处理措施，但需根据规范要求预留保安煤柱。

5 结论

本文在收集煤矿资料的基础上，结合现场调查，通过概率积分法对光伏板布置区地表变形进行预测，并根据各煤层工作面的开采时间和地表变形持续时间等参数判断采空区大部分工作面已经基本完成变形，对相应的光伏板区采取结构处理措施，可满足设计要求，而对于部分采掘工作面，由于其采掘时间较紧，判断其尚未完成变形，可根据预测变形持续时间节点，采取基本完成变形后分部建设的措施。

升压站建(构)筑物对变形极其敏感，将其直接置于采空区内风险极大，由于场地内煤层分布复杂、埋深大、煤层倾斜等不利因素导致站址唯一，本次评价在分析了煤矿采掘分布图之后，通过高密度电法、瞬变电磁法对场地进行探测，以验证分布图等资料的可靠性，并排除场地下有无私采小煤窑的可能性，最后通过钻探验证物探手段解译的正确性，得出该场地不受采空区变形范围影响的结论，拟选站址可以不采取特殊的工程处理措施进行升压站建设。