煤礦采動(dòng)區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)選址方法研究*

郭軻軼

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013;2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

風(fēng)是一種沒(méi)有公害的能源，利用風(fēng)力發(fā)電非常環(huán)保，且能夠產(chǎn)生巨大電能，是一種清潔的可再生能源。為全面貫徹習(xí)近平總書(shū)記“四個(gè)革命、一個(gè)合作”能源安全新戰(zhàn)略，建設(shè)清潔低碳、安全高效的能源體系，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、光伏發(fā)電高質(zhì)量發(fā)展，近些年，我國(guó)大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目，已經(jīng)在多個(gè)城市、多數(shù)地區(qū)建設(shè)大量的風(fēng)電場(chǎng)，這些風(fēng)電場(chǎng)地的選擇，只需考慮足夠風(fēng)力資源即可。由于風(fēng)電場(chǎng)占地面積很大，需要大量的土地資源，隨著建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)越來(lái)越多，風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)地的選擇受到的制約也越來(lái)越大，很多風(fēng)電場(chǎng)地不得不選擇在煤礦井田上方，這就意味著風(fēng)電場(chǎng)下方或是有煤層開(kāi)采的采空區(qū)，或是有將來(lái)需要開(kāi)采的煤層。

眾所周知，投資建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，首先要考慮的因素是風(fēng)，建立風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力要求一般為年平均風(fēng)速大于5 m/s，風(fēng)功率密度大于150 W/m2，盡量有穩(wěn)定的盛行風(fēng)向，以利于機(jī)組布置[1]。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)地位于煤礦井田上方時(shí)除了要考慮風(fēng)之外還要考慮井下煤層的開(kāi)采帶來(lái)的影響，同時(shí)，多數(shù)風(fēng)機(jī)都坐落在山地、丘陵地區(qū)，受煤層開(kāi)采影響，場(chǎng)地內(nèi)存在產(chǎn)生滑坡的可能性，需要綜合各種條件分析，以安全合理地確定每個(gè)風(fēng)機(jī)的位置，確保風(fēng)機(jī)的正常安全運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電所需要的裝置，稱(chēng)作風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，大體上可分風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)和塔筒三部分，屬于高聳建(構(gòu))筑物。這種結(jié)構(gòu)的建(構(gòu))筑物受到地表變形的影響主要為傾斜變形的影響[2]。

目前，在壓覆礦區(qū)新建風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)例很少，特別是在采動(dòng)影響區(qū)上新建風(fēng)電場(chǎng)在國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)例少之又少。由于以往的風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有考慮到煤層采動(dòng)影響，風(fēng)機(jī)的要求變形值很高，風(fēng)機(jī)的位置選擇也是只考慮風(fēng)速、風(fēng)力的要求，這無(wú)疑會(huì)造成極大的安全隱患。因此，有必要提出一套在不影響煤礦正常開(kāi)采的條件下，綜合考慮場(chǎng)地地面、地質(zhì)條件、采礦條件的技術(shù)體系，通過(guò)綜合分析地下開(kāi)采、地表移動(dòng)變形、場(chǎng)地穩(wěn)定性情況等，確定風(fēng)電場(chǎng)每個(gè)風(fēng)機(jī)最安全合理的位置，最終實(shí)現(xiàn)采動(dòng)影響區(qū)上方興建風(fēng)電場(chǎng)無(wú)保護(hù)煤柱條件下的長(zhǎng)久安全運(yùn)行。

1 采動(dòng)區(qū)風(fēng)電場(chǎng)地風(fēng)機(jī)選址基本要求

1.1 風(fēng)力資源選擇

選擇風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)，首先要知道擬建場(chǎng)地附近的氣象資料，選擇項(xiàng)目區(qū)附近有長(zhǎng)期觀測(cè)記錄的氣象觀測(cè)站作為參考?xì)庀笥^測(cè)站；同時(shí)要求了解擬建風(fēng)電場(chǎng)地各高度不少于一年的風(fēng)速、風(fēng)向及氣壓、氣溫資料。如果擬建場(chǎng)地內(nèi)無(wú)氣象站時(shí)，可以在場(chǎng)地內(nèi)建立測(cè)風(fēng)塔獲取測(cè)風(fēng)資料。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)場(chǎng)址所在地的區(qū)域風(fēng)能資源基本狀況進(jìn)行分析，并對(duì)相關(guān)的地理?xiàng)l件和氣候特征進(jìn)行適應(yīng)性分析[3]。一般的常規(guī)風(fēng)力場(chǎng)地的選址主要考慮以下幾個(gè)方面的因素：

(1)風(fēng)資源良好，全年盛行風(fēng)向穩(wěn)定，主導(dǎo)風(fēng)向頻率在30%以上，湍流強(qiáng)度要小；

(2)自然災(zāi)害發(fā)生頻率要低，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)地勢(shì)相對(duì)平坦，交通便利，風(fēng)電上網(wǎng)條件較好；

(3)最好遠(yuǎn)離自然保護(hù)區(qū)、人類(lèi)居住區(qū)、候鳥(niǎo)保護(hù)區(qū)及候鳥(niǎo)遷徙路徑等。

此外，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展,也由于資料分析法在資料的時(shí)空分辨率方面具有一定局限性，越來(lái)越多的高分辨率氣象模式及流體力學(xué)計(jì)算軟件被應(yīng)用到風(fēng)電場(chǎng)微觀選址工作中[4]。

1.2 采動(dòng)區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)選址原則[5]

一般情況下，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)選址應(yīng)避開(kāi)受煤層采動(dòng)影響區(qū)域，確實(shí)無(wú)法避開(kāi)煤礦采動(dòng)影響區(qū)時(shí)，風(fēng)機(jī)選址除考慮風(fēng)能資源、地形地貌、交通運(yùn)輸?shù)纫蛩赝?，還應(yīng)結(jié)合采動(dòng)影響區(qū)的特性，考慮如下選址原則：

(1)盡量避開(kāi)非正規(guī)開(kāi)采的小煤礦開(kāi)采區(qū)域，選擇資料齊全、開(kāi)采規(guī)范的大煤礦開(kāi)采區(qū)域；

(2)避開(kāi)斷層露頭出露位置，躲開(kāi)陷落柱及邊坡不穩(wěn)定區(qū)域；

(3)躲開(kāi)煤層淺部開(kāi)采區(qū)域，控制采深采厚比，選擇采深采厚比比值較大的區(qū)域；

(4)不選擇地表傾斜變形值大的區(qū)域；

(5)首先選擇煤礦已采區(qū)域，其次選擇采動(dòng)區(qū)和未采區(qū)；

(6)躲開(kāi)陡峭的邊坡位置，避免因采動(dòng)引起的滑坡產(chǎn)生安全問(wèn)題。

風(fēng)機(jī)屬于高聳構(gòu)筑物，具有高度大、底面積相對(duì)小的特點(diǎn)，采動(dòng)影響具有特殊性。由于地下煤層的開(kāi)采，地表會(huì)因煤層采動(dòng)引起變形，其中，傾斜變形對(duì)高聳建筑物的安全性影響最大[6]。地表傾斜變形會(huì)使地面的高聳構(gòu)筑物傾斜，導(dǎo)致其重心偏移，受力情況會(huì)隨之改變，即有可能因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生傾覆倒塌等嚴(yán)重破壞性情況。根據(jù)以前的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，高聳構(gòu)筑物的容許地表傾斜變形值與其高度密切相關(guān)。根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)》FD003～2007中要求，風(fēng)機(jī)輪轂高度小于60 m，風(fēng)機(jī)地基傾斜變形最大允許值為6 mm/m；風(fēng)機(jī)輪轂高度80～100 m的風(fēng)機(jī)地基傾斜變形最大允許值為4 mm/m；風(fēng)機(jī)輪轂高度大于100 m，風(fēng)機(jī)地基傾斜變形最大允許值為3 mm/m。水平變形對(duì)基礎(chǔ)無(wú)明顯影響，因此對(duì)水平變形指標(biāo)不專(zhuān)門(mén)提出要求。

2 采動(dòng)區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位的確定

2.1 采動(dòng)區(qū)風(fēng)電場(chǎng)地表變形預(yù)計(jì)方法

風(fēng)電場(chǎng)地地表變形計(jì)算可采用概率積分法，地表移動(dòng)參數(shù)選取可參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》，并借鑒附近礦區(qū)及其他類(lèi)似礦區(qū)的實(shí)測(cè)參數(shù)[7]。對(duì)于當(dāng)前正在開(kāi)采或今后將要開(kāi)采的采動(dòng)區(qū)，需考慮煤層全采后地表的移動(dòng)變形情況，同時(shí)，對(duì)已經(jīng)開(kāi)采過(guò)的煤層，也要進(jìn)行地表殘余沉陷變形預(yù)計(jì)。

對(duì)于多煤層多工作面開(kāi)采，還需考慮煤層開(kāi)采的最不利情況下對(duì)風(fēng)機(jī)的影響：(1)煤層群同時(shí)開(kāi)采，可能出現(xiàn)各煤層開(kāi)采邊界重疊，地表產(chǎn)生疊加影響，使變形增大；(2)擬建塔位處于工作面開(kāi)采邊界附近，在開(kāi)采過(guò)程中工作面開(kāi)采邊界對(duì)應(yīng)上方地表變形值一般比較大，特別是傾斜變形出現(xiàn)最大值，對(duì)高聳建(構(gòu))筑物危害較大。井下對(duì)風(fēng)機(jī)最不利開(kāi)采情況示意圖如圖1所示。

圖1 井下多煤層開(kāi)采對(duì)風(fēng)機(jī)最不利開(kāi)采情況示意圖

通過(guò)計(jì)算，風(fēng)機(jī)位置選擇在地表變形較小的地段，避開(kāi)地表變形值較大的地段。

2.2 采動(dòng)區(qū)風(fēng)電場(chǎng)地穩(wěn)定性分析

風(fēng)機(jī)在煤礦采動(dòng)區(qū)上方建設(shè)選址時(shí)，還需考慮風(fēng)電場(chǎng)地的穩(wěn)定性，進(jìn)行場(chǎng)地穩(wěn)定性分析。

一般對(duì)于長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采而言，地下煤層開(kāi)采結(jié)束后，上覆巖層形成“三帶”，即：垮落帶、裂縫帶、彎曲帶；對(duì)于新建風(fēng)機(jī)的荷載向地下有一定影響深度，即H影，若影響深度與地下采空區(qū)的垮落帶、裂縫帶相交疊，則會(huì)加劇采動(dòng)區(qū)地表的沉陷與變形，造成覆巖劇烈的移動(dòng)與變形。

垮落斷裂帶的發(fā)育高度(H裂)可參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》選取計(jì)算公式如下：

(1)

式中，∑M為分層開(kāi)采煤層累計(jì)采厚，m。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)機(jī)的荷載影響深度(H影)一般不會(huì)超過(guò)40 m。

煤層開(kāi)采后，采空區(qū)垮落裂縫帶不再因新加風(fēng)機(jī)荷載擾動(dòng)而重新移動(dòng)時(shí)，最小采深(H臨)應(yīng)該大于垮落裂縫帶高度(H裂)與風(fēng)機(jī)荷載影響深度(H影)兩者之和，即：

H臨>H裂+H影

(2)

當(dāng)實(shí)際采深大于H臨時(shí)，風(fēng)機(jī)荷載不會(huì)使垮落裂縫帶重新移動(dòng)；當(dāng)實(shí)際采深小于H臨時(shí)，覆巖和地表會(huì)再次發(fā)生較大的不均勻移動(dòng)。

2.3 采動(dòng)區(qū)風(fēng)電場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造影響分析

2.3.1 特殊地質(zhì)構(gòu)造對(duì)風(fēng)機(jī)的影響

由于特殊地質(zhì)構(gòu)造(斷層、巖層弱面、陷落柱等)處巖層受煤層開(kāi)采的影響發(fā)生移動(dòng)與變形，致使其力學(xué)強(qiáng)度低于圍巖的力學(xué)強(qiáng)度，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中，同時(shí)，煤層開(kāi)采后，地下巖層會(huì)在構(gòu)造面產(chǎn)生滑動(dòng)，表現(xiàn)在地表即為處于構(gòu)造處的地表出現(xiàn)塌陷或者臺(tái)階等嚴(yán)重破壞[8]。同時(shí)，由于構(gòu)造的變形集中作用，也使盆地內(nèi)移動(dòng)與變形的正常分布發(fā)生改變。在構(gòu)造露頭處的地表變形加劇，大大地超過(guò)了正常值。位于構(gòu)造露頭兩側(cè)附近的地表變形變得緩和，小于正常值。

由于在構(gòu)造露頭位置易出現(xiàn)塌陷漏斗坑或臺(tái)階狀的地表裂縫，對(duì)風(fēng)機(jī)的危害極大，因此，風(fēng)機(jī)位置選擇應(yīng)避開(kāi)在構(gòu)造露頭位置。

2.3.2 山體滑坡的影響

由于風(fēng)機(jī)的位置選擇多為山地、丘陵地區(qū)，同時(shí)采動(dòng)影響下山體滑坡或坍塌在山區(qū)時(shí)有發(fā)生，形式眾多。一般來(lái)講，采動(dòng)山體滑坡或坍崩主要有兩大原因：其一，開(kāi)采引起新的破壞面，這種破壞面可以是一個(gè)、一組，也可以是數(shù)個(gè)、多組，它們與原構(gòu)造弱面組合，在山坡臨空面條件下，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖體強(qiáng)度(主要為內(nèi)摩擦角φ)，使山坡體失穩(wěn)滑動(dòng)；其二，原構(gòu)造弱面，由于采動(dòng)開(kāi)裂，或使弱面強(qiáng)度進(jìn)一步降低，或使受力條件、邊界條件發(fā)生變化，山體發(fā)生崩坍，造成災(zāi)難性事故。

根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》規(guī)定，砂巖山體發(fā)生采動(dòng)崩塌的潛在崩塌面傾角β應(yīng)大于55°，因此風(fēng)機(jī)點(diǎn)位應(yīng)選擇在最大坡角小于55°的位置。

3 工程實(shí)例

某公司計(jì)劃在河南省平頂山市境內(nèi)建設(shè)風(fēng)電項(xiàng)目，計(jì)劃建設(shè)6臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)型號(hào)為明陽(yáng)智慧的6臺(tái)輪轂高度為90 m的MySE3.2-145機(jī)組，擬建風(fēng)電場(chǎng)地形主要為山地，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組布置時(shí)，需考慮地形地貌、植被、道路運(yùn)輸、居民點(diǎn)等諸多因素。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不規(guī)則布置，采用WT軟件計(jì)算風(fēng)資源圖譜及發(fā)電量計(jì)算，根據(jù)軟件模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，結(jié)合風(fēng)能資源、地形地貌、植被、道路、民建等因素，同業(yè)主、風(fēng)機(jī)廠家及測(cè)量單位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)微觀選址，初步選出6個(gè)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位。

該項(xiàng)目風(fēng)電項(xiàng)目壓覆平煤集團(tuán)A、B兩個(gè)煤礦丁、戊、己三組煤層。其中，1、2號(hào)風(fēng)機(jī)位于A礦范圍內(nèi)，主要壓覆煤層為己組煤層，煤層累計(jì)厚度約4.0～5.2 m，采深約926～1 131 m；3號(hào)風(fēng)機(jī)位于A礦井田范圍以外，受到一定波及影響；4～6號(hào)風(fēng)機(jī)位于B礦井田范圍內(nèi)，壓覆丁組、戊組、己組煤層，煤層累計(jì)厚度約10.3～13.9 m，采深約609～1 130 m。A、B兩煤礦大部分煤層均未開(kāi)采，計(jì)劃在今后幾年或幾十年內(nèi)進(jìn)行大面積開(kāi)采。

分別對(duì)以下5種情況進(jìn)行了計(jì)算：

(1)1～3號(hào)風(fēng)機(jī)區(qū)域地表在A礦己組煤最不利開(kāi)采情況下的采動(dòng)變形預(yù)計(jì)；

(2)1～3號(hào)風(fēng)機(jī)區(qū)域地表在A礦己組煤全采情況下的采動(dòng)變形預(yù)計(jì)；

(3)4～6號(hào)風(fēng)機(jī)區(qū)域地表在B礦戊組煤最不利開(kāi)采情況下采動(dòng)變形預(yù)計(jì)；

(4)4～6號(hào)風(fēng)機(jī)區(qū)域地表在B礦己組煤最不利開(kāi)采情況下采動(dòng)變形預(yù)計(jì)；

(5)4～6號(hào)風(fēng)機(jī)區(qū)域地表在B礦各組煤全采情況下的采動(dòng)變形預(yù)計(jì)。

計(jì)算結(jié)果如表1～表5所示。

表1 1～3號(hào)風(fēng)機(jī)點(diǎn)在A礦己組煤最不利開(kāi)采情況下的移動(dòng)變形值/(mm/m)

表2 1～3號(hào)風(fēng)機(jī)點(diǎn)在A礦己組煤全采情況下的移動(dòng)變形值/(mm/m)

表3 4～6號(hào)風(fēng)機(jī)點(diǎn)在B礦戊組煤最不利開(kāi)采情況下的移動(dòng)變形值/(mm/m)

表4 4～6號(hào)風(fēng)機(jī)點(diǎn)在B礦己組煤最不利開(kāi)采情況下的移動(dòng)變形值/(mm/m)

表5 4～6號(hào)風(fēng)機(jī)點(diǎn)在B礦各組煤全采情況下的移動(dòng)變形值/(mm/m)

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，在滿足有足夠風(fēng)力資源的同時(shí)，需對(duì)1、3、6號(hào)風(fēng)機(jī)的位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后的位置傾斜變形應(yīng)不超過(guò)4 mm/m。

風(fēng)機(jī)位置調(diào)整后，還需對(duì)風(fēng)機(jī)所處位置的山體進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，該項(xiàng)目區(qū)1～3號(hào)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位處于山體山頂平臺(tái)位置，所處山體總體連續(xù)性較好，不存在大的構(gòu)造弱面。4～6號(hào)風(fēng)機(jī)點(diǎn)位處于山體坡體位置，其中4號(hào)點(diǎn)位位于山坡處，坡向165°，坡角18°，巖層傾向30°～50°，傾角16°，坡向與巖層傾向相差115°～135°，屬于切向坡。5號(hào)點(diǎn)位位于山坡處，坡向255°，坡角25°，巖層傾向60°～70°，傾角18°，坡向與巖層傾向相差155°～165°，屬于逆向坡。 6號(hào)點(diǎn)位位于山坡處，坡向110°，坡角13°，巖層傾向60°～70°，傾角16°，坡向與巖層傾向相差40°～50°，屬于切向坡。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)范》規(guī)定，砂巖山體發(fā)生采動(dòng)崩塌的潛在崩塌面傾角β應(yīng)大于55°，因此場(chǎng)區(qū)內(nèi)不存在開(kāi)采引起的破壞面，即最后調(diào)整的位置可以滿足新建風(fēng)機(jī)的要求[9-10]。

4 結(jié) 論

(1)在煤礦采動(dòng)區(qū)上方新建風(fēng)電場(chǎng)時(shí)，風(fēng)機(jī)位置的選擇除了要滿足常規(guī)的風(fēng)力資源要求及場(chǎng)地環(huán)境等要求以外，還需考慮到煤礦采動(dòng)的影響。

(2)風(fēng)機(jī)屬于高聳建筑物，主要受到傾斜變形的影響，對(duì)于多煤層多工作面的開(kāi)采情況，計(jì)算傾斜變形影響需考慮風(fēng)機(jī)下方單側(cè)開(kāi)采的最不利情況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整風(fēng)機(jī)位置。

(3)通過(guò)工程實(shí)例，科學(xué)地確定了新建風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的位置，驗(yàn)證煤礦采動(dòng)區(qū)風(fēng)機(jī)選址方法的可應(yīng)用性，該方法可廣泛的適用于類(lèi)似工程。