光伏基础工程采空区技术措施探讨

马冬波

摘 要：采空区建设光伏基础设施时应考虑采空区地表移动与变形带来的影响，为确保光伏基础设施安全运行，需对采空区采取一定的技术措施。现提出对不明采空区应进行勘查、对采空区地基稳定性进行评估，以及对危险采空区进行治理等技术措施。这些采空区技术措施对光伏示范基地的建设起到指导作用。

关键词：光伏基础；采空区勘查；采空区稳定性；采空区治理

引言：建设在采煤沉陷区的光伏电站，由于其兼具经济效益和社会效益的优势，已成为我国光伏产业发展的重要趋势之一。从光伏电站的工程特点出发，总结了其稳定性问题的特殊性。通过与房屋建筑工程进行比较分析，讨论了评价沉陷区光伏场建设适宜性的分区标准和光伏场对地基稳定性的影响，建议了光伏场设计中的抗采动措施，以期为采煤沉陷区光伏场的稳定性评价和抗采动设计提供相应的参考依据。

1、光伏场工程特点

光伏电站通常由光伏发电场和升压站或开关站两部分组成。光伏支架及基础、逆变器基础和箱变基础等，则与之不同，其工程特点可归纳为以下几点：

体量小：与普通建筑动辄百米以上长宽的体量相比光伏场主要构筑物的体量都相对较小。光伏组件通常以一串或两串组件为一个单列，其支架南北3-5米，东西不超过30米。由于光伏场构筑物较小的体量，使得在构筑物范围内由于沉陷引起的不均匀沉降、水平位移、曲率等都相对较小。因此，采空区沉陷对其正常运行的影响也相对较轻。

自重轻：光伏场构筑物的自重通常较轻。光伏支架则多采用壁冷弯型钢制作，钢结构的重量也较轻，经计算光伏组件及支架折算到基底的附加应力约为20KPa。逆变器和箱变等电气设备的重量也不大，分别不超过2吨和6吨。加上基础后折算的基底附加应力分别为50KPa，80KPa。

2、采煤沉陷区特点

采煤沉陷区的光伏电站，由于通常距矿区周边城市较近，且能利用不适宜建设其他建筑物的废弃土地，具有良好的经济效益和社会效益。

采空区的存在会引起地表产生一定程度的下沉、水平移动、倾斜和水平变形，以及地表裂缝、塌陷坑等，从而对采空区范围内的公共基础设施产生一定程度的损坏，影响其正常使用。同时，由于公共基础设施的存在，其自身载荷的作用会对其下方采空区的自身稳定性产生影响，导致采空区进一步移动，进而对公共基础设施产生影响。为此，需要开展公共基础设施采空区稳定性评估技术工作，该工作是采空区上方建设时重要技术工作之一。通过该工作的开展，可预测到公共基础设施建设区域的建设适宜性，即哪些区域适宜建设，哪些区域不宜建设，或者若建设应采取哪些技术措施。

3、采空区地表沉陷计算与分析

根据典型110 kV 升压站站下方采空区地质采矿条件，结合矿区采空区沉陷特点，选取概率积分法沉陷计算模型和相应的计算参数进行采空区移动变形的计算，并给出升压站区域地表下沉、倾斜、水平变形、曲率变形等值线图。

采空区沉陷预计得出：受现有采空区沉陷变形影响，升压站所在地表在今后可能产生的最大下沉值为 947 mm，最大倾斜值为 8.1 mm/ m，最大水平变形值为 4.8 mm/m。考虑本升压站建（构）筑物情况，参考我国 2000 年的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，得出升压站内建筑局部最大可能产生Ⅲ级中度损坏的结论。可见，采空区对升压站建（构）筑物影响巨大，必须采取适当的保护技术措施。

4、荷载影响下采空区稳定性分析

根据采空区垮落断裂带发育高度与建筑物荷载影响深度之间存在的关系，计算得到升压站下方垮落断裂带最大发育高度位于 2 煤采空区上62 m，建筑荷载影响深度 21 m。而升压站下2 煤开采区域埋深仅为 54 m，升压站下方采空区实际采深大于临界采深（即采空区垮落断裂带发育高度与建筑物荷载影响深度之和），可以确定该升压站建（构）筑物的建筑荷载会破坏采空区的稳定性，使采空区地表活动发生较大不均匀沉降。

5、采空区治理技术

为了保证基础设备的安全运行，对的采空区进行治理是必要的。目前，采空区治理方式包括采空区顶板崩落法、采空区充填法和采空区加固法等。其中，采空区充填法是采空区治理广泛采用的一种有效方法。

110 kV 升压站采空区勘查和采空区稳定性分析指出：浅部的 2 层采空区采深在 90 m 以内，浅部采空区不稳定。鉴于升压站重新选址困难，因此确定对浅部的 2 层采空区进行注浆治理，以消去采空区给升压站带来的危害。根据该升压站特性，确定以升压站围墙外扩 15 m 为升压站下方采空区治理区。根据升压站场区尺寸和填充注浆材料扩散半径，确定采空区治理范围内共布置注浆钻孔 29 个。注浆采用“先注 2 煤采空区、后注 3 煤采空区”的下行式注浆方法，注浆材料选用普通硅酸盐水泥和粉煤灰等材料。注浆孔施浆材料选用普通硅酸盐水泥和粉煤灰等材料。注浆孔施成 2 煤采空区注浆量约 4600 m3，3 煤采空区注浆量约 7400 m3，2 煤和 3 煤总注浆量约 12000 m3，投入骨料约 690 m3。典型 110 kV 升压站下方采空区采取充填注浆治理措施后，该升压站建筑区建设适宜性好，仅需对新建升压站建（构）筑物采取简单抗变形结构技术措施。

6 总结

本文从光伏电站的工程特点出发，总结了其稳定性问题的特殊性。通过与房屋建筑工程进行比较，讨论了评价沉陷区光伏场建设适宜性的分区标准和光伏场对地基稳定性的影响，建议了光伏场设计中的抗采动措施，得到了以下有意义的结论。

光伏场内主要构筑物具有体量小、自重轻、容许变形能力强等特点，，其稳定性问题与传统房屋建筑工程不尽相同，需要对此进行专项研究。采空区充填法是采空区治理广泛采用的一种有效方法，还需要工程时间检验。

参考文献

[1]国家煤炭工业局.建筑物，水体，铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[2] 杨 逾，刘文生，冯国才，等.沉陷区地表與建筑物变形分析及兴建评价[J].北京：煤炭科学技术，2006，

（作者单位：宁夏回族自治区电力设计院有限公司）