煤矿采动区风电场风机选址方法研究*

2021-03-07郭轲轶

矿山测量 2021年1期

郭轲轶

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013;2.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北唐山 063012)

风是一种没有公害的能源，利用风力发电非常环保，且能够产生巨大电能，是一种清洁的可再生能源。为全面贯彻习近平总书记“四个革命、一个合作”能源安全新战略，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，实现风电、光伏发电高质量发展，近些年，我国大力发展风力发电项目，已经在多个城市、多数地区建设大量的风电场，这些风电场地的选择，只需考虑足够风力资源即可。由于风电场占地面积很大，需要大量的土地资源，随着建设的风电场越来越多，风电场场地的选择受到的制约也越来越大，很多风电场地不得不选择在煤矿井田上方，这就意味着风电场下方或是有煤层开采的采空区，或是有将来需要开采的煤层。

众所周知，投资建设风电场时，首先要考虑的因素是风，建立风电场的风力要求一般为年平均风速大于5 m/s，风功率密度大于150 W/m2，尽量有稳定的盛行风向，以利于机组布置[1]。当风电场地位于煤矿井田上方时除了要考虑风之外还要考虑井下煤层的开采带来的影响，同时，多数风机都坐落在山地、丘陵地区，受煤层开采影响，场地内存在产生滑坡的可能性，需要综合各种条件分析，以安全合理地确定每个风机的位置，确保风机的正常安全运行。风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。这种风力发电机组，大体上可分风轮、发电机和塔筒三部分，属于高耸建(构)筑物。这种结构的建(构)筑物受到地表变形的影响主要为倾斜变形的影响[2]。

目前，在压覆矿区新建风电场的实例很少，特别是在采动影响区上新建风电场在国内外的工程实例少之又少。由于以往的风机在设计时并没有考虑到煤层采动影响，风机的要求变形值很高，风机的位置选择也是只考虑风速、风力的要求，这无疑会造成极大的安全隐患。因此，有必要提出一套在不影响煤矿正常开采的条件下，综合考虑场地地面、地质条件、采矿条件的技术体系，通过综合分析地下开采、地表移动变形、场地稳定性情况等，确定风电场每个风机最安全合理的位置，最终实现采动影响区上方兴建风电场无保护煤柱条件下的长久安全运行。

1 采动区风电场地风机选址基本要求

1.1 风力资源选择

选择风力发电场在设计时，首先要知道拟建场地附近的气象资料，选择项目区附近有长期观测记录的气象观测站作为参考气象观测站；同时要求了解拟建风电场地各高度不少于一年的风速、风向及气压、气温资料。如果拟建场地内无气象站时，可以在场地内建立测风塔获取测风资料。风力发电场设计应对场址所在地的区域风能资源基本状况进行分析，并对相关的地理条件和气候特征进行适应性分析[3]。一般的常规风力场地的选址主要考虑以下几个方面的因素：

(1)风资源良好，全年盛行风向稳定，主导风向频率在30%以上，湍流强度要小；

(2)自然灾害发生频率要低，风电场内地势相对平坦，交通便利，风电上网条件较好；

(3)最好远离自然保护区、人类居住区、候鸟保护区及候鸟迁徙路径等。

此外，随着数值模拟技术的快速发展,也由于资料分析法在资料的时空分辨率方面具有一定局限性，越来越多的高分辨率气象模式及流体力学计算软件被应用到风电场微观选址工作中[4]。

1.2 采动区风电场风机选址原则[5]

一般情况下，风电场风机选址应避开受煤层采动影响区域，确实无法避开煤矿采动影响区时，风机选址除考虑风能资源、地形地貌、交通运输等因素外，还应结合采动影响区的特性，考虑如下选址原则：

(1)尽量避开非正规开采的小煤矿开采区域，选择资料齐全、开采规范的大煤矿开采区域；

(2)避开断层露头出露位置，躲开陷落柱及边坡不稳定区域；

(3)躲开煤层浅部开采区域，控制采深采厚比，选择采深采厚比比值较大的区域；

(4)不选择地表倾斜变形值大的区域；

(5)首先选择煤矿已采区域，其次选择采动区和未采区；

(6)躲开陡峭的边坡位置，避免因采动引起的滑坡产生安全问题。

风机属于高耸构筑物，具有高度大、底面积相对小的特点，采动影响具有特殊性。由于地下煤层的开采，地表会因煤层采动引起变形，其中，倾斜变形对高耸建筑物的安全性影响最大[6]。地表倾斜变形会使地面的高耸构筑物倾斜，导致其重心偏移，受力情况会随之改变，即有可能因结构强度不足而产生破坏，严重时会发生倾覆倒塌等严重破坏性情况。根据以前的实践经验可知，高耸构筑物的容许地表倾斜变形值与其高度密切相关。根据《风电机组地基基础设计规定(试行)》FD003～2007中要求，风机轮毂高度小于60 m，风机地基倾斜变形最大允许值为6 mm/m；风机轮毂高度80～100 m的风机地基倾斜变形最大允许值为4 mm/m；风机轮毂高度大于100 m，风机地基倾斜变形最大允许值为3 mm/m。水平变形对基础无明显影响，因此对水平变形指标不专门提出要求。

2 采动区风电场风机点位的确定

2.1 采动区风电场地表变形预计方法

风电场地地表变形计算可采用概率积分法，地表移动参数选取可参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，并借鉴附近矿区及其他类似矿区的实测参数[7]。对于当前正在开采或今后将要开采的采动区，需考虑煤层全采后地表的移动变形情况，同时，对已经开采过的煤层，也要进行地表残余沉陷变形预计。

对于多煤层多工作面开采，还需考虑煤层开采的最不利情况下对风机的影响：(1)煤层群同时开采，可能出现各煤层开采边界重叠，地表产生叠加影响，使变形增大；(2)拟建塔位处于工作面开采边界附近，在开采过程中工作面开采边界对应上方地表变形值一般比较大，特别是倾斜变形出现最大值，对高耸建(构)筑物危害较大。井下对风机最不利开采情况示意图如图1所示。

图1 井下多煤层开采对风机最不利开采情况示意图

通过计算，风机位置选择在地表变形较小的地段，避开地表变形值较大的地段。

2.2 采动区风电场地稳定性分析

风机在煤矿采动区上方建设选址时，还需考虑风电场地的稳定性，进行场地稳定性分析。

一般对于长壁工作面开采而言，地下煤层开采结束后，上覆岩层形成“三带”，即：垮落带、裂缝带、弯曲带；对于新建风机的荷载向地下有一定影响深度，即H影，若影响深度与地下采空区的垮落带、裂缝带相交叠，则会加剧采动区地表的沉陷与变形，造成覆岩剧烈的移动与变形。

垮落断裂带的发育高度(H裂)可参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》选取计算公式如下：

(1)

式中，∑M为分层开采煤层累计采厚，m。

根据经验，风机的荷载影响深度(H影)一般不会超过40 m。

煤层开采后，采空区垮落裂缝带不再因新加风机荷载扰动而重新移动时，最小采深(H临)应该大于垮落裂缝带高度(H裂)与风机荷载影响深度(H影)两者之和，即：

H临>H裂+H影

(2)

当实际采深大于H临时，风机荷载不会使垮落裂缝带重新移动；当实际采深小于H临时，覆岩和地表会再次发生较大的不均匀移动。

2.3 采动区风电场地地质构造影响分析

2.3.1 特殊地质构造对风机的影响

由于特殊地质构造(断层、岩层弱面、陷落柱等)处岩层受煤层开采的影响发生移动与变形，致使其力学强度低于围岩的力学强度，从而导致应力集中，同时，煤层开采后，地下岩层会在构造面产生滑动，表现在地表即为处于构造处的地表出现塌陷或者台阶等严重破坏[8]。同时，由于构造的变形集中作用，也使盆地内移动与变形的正常分布发生改变。在构造露头处的地表变形加剧，大大地超过了正常值。位于构造露头两侧附近的地表变形变得缓和，小于正常值。

由于在构造露头位置易出现塌陷漏斗坑或台阶状的地表裂缝，对风机的危害极大，因此，风机位置选择应避开在构造露头位置。

2.3.2 山体滑坡的影响

由于风机的位置选择多为山地、丘陵地区，同时采动影响下山体滑坡或坍塌在山区时有发生，形式众多。一般来讲，采动山体滑坡或坍崩主要有两大原因：其一，开采引起新的破坏面，这种破坏面可以是一个、一组，也可以是数个、多组，它们与原构造弱面组合，在山坡临空面条件下，当应力超过岩体强度(主要为内摩擦角φ)，使山坡体失稳滑动；其二，原构造弱面，由于采动开裂，或使弱面强度进一步降低，或使受力条件、边界条件发生变化，山体发生崩坍，造成灾难性事故。

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》规定，砂岩山体发生采动崩塌的潜在崩塌面倾角β应大于55°，因此风机点位应选择在最大坡角小于55°的位置。

3 工程实例

某公司计划在河南省平顶山市境内建设风电项目，计划建设6台风机，风机型号为明阳智慧的6台轮毂高度为90 m的MySE3.2-145机组，拟建风电场地形主要为山地，风力发电机组布置时，需考虑地形地貌、植被、道路运输、居民点等诸多因素。风力发电机组不规则布置，采用WT软件计算风资源图谱及发电量计算，根据软件模拟结果及现场实际情况，结合风能资源、地形地貌、植被、道路、民建等因素，同业主、风机厂家及测量单位进行了现场微观选址，初步选出6个风机点位。

该项目风电项目压覆平煤集团A、B两个煤矿丁、戊、己三组煤层。其中，1、2号风机位于A矿范围内，主要压覆煤层为己组煤层，煤层累计厚度约4.0～5.2 m，采深约926～1 131 m；3号风机位于A矿井田范围以外，受到一定波及影响；4～6号风机位于B矿井田范围内，压覆丁组、戊组、己组煤层，煤层累计厚度约10.3～13.9 m，采深约609～1 130 m。A、B两煤矿大部分煤层均未开采，计划在今后几年或几十年内进行大面积开采。

分别对以下5种情况进行了计算：

(1)1～3号风机区域地表在A矿己组煤最不利开采情况下的采动变形预计；

(2)1～3号风机区域地表在A矿己组煤全采情况下的采动变形预计；

(3)4～6号风机区域地表在B矿戊组煤最不利开采情况下采动变形预计；

(4)4～6号风机区域地表在B矿己组煤最不利开采情况下采动变形预计；

(5)4～6号风机区域地表在B矿各组煤全采情况下的采动变形预计。

计算结果如表1～表5所示。

表1 1～3号风机点在A矿己组煤最不利开采情况下的移动变形值/(mm/m)

表2 1～3号风机点在A矿己组煤全采情况下的移动变形值/(mm/m)

表3 4～6号风机点在B矿戊组煤最不利开采情况下的移动变形值/(mm/m)

表4 4～6号风机点在B矿己组煤最不利开采情况下的移动变形值/(mm/m)

表5 4～6号风机点在B矿各组煤全采情况下的移动变形值/(mm/m)

通过计算结果可知，在满足有足够风力资源的同时，需对1、3、6号风机的位置进行调整，调整后的位置倾斜变形应不超过4 mm/m。

风机位置调整后，还需对风机所处位置的山体进行稳定性评价，该项目区1～3号风机点位处于山体山顶平台位置，所处山体总体连续性较好，不存在大的构造弱面。4～6号风机点位处于山体坡体位置，其中4号点位位于山坡处，坡向165°，坡角18°，岩层倾向30°～50°，倾角16°，坡向与岩层倾向相差115°～135°，属于切向坡。5号点位位于山坡处，坡向255°，坡角25°，岩层倾向60°～70°，倾角18°，坡向与岩层倾向相差155°～165°，属于逆向坡。 6号点位位于山坡处，坡向110°，坡角13°，岩层倾向60°～70°，倾角16°，坡向与岩层倾向相差40°～50°，属于切向坡。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》规定，砂岩山体发生采动崩塌的潜在崩塌面倾角β应大于55°，因此场区内不存在开采引起的破坏面，即最后调整的位置可以满足新建风机的要求[9-10]。