风力发电场工程与煤层采动间相互影响的论证

1 风电场概况

风电场位于xxxxx前进林场的山上，属山地地形，东西长占地面积130444m2，场址平均海拔高度在500m左右。本工程选用方案WTG2，33台单机容量为1500 kW的风电机组。风电机组轮毂高度采用70m。风机基础初拟为天然地基上的大块体钢筋混凝土板式基础，直径为16.4m，基础埋深3.0m，边坡1:0.5，基础混凝土设计强度等级为C35，基底下设200mm厚的C20素混凝土垫层；

2 地基岩（土）承载力特征值

根据现场踏勘，结合当地建筑经验等，推荐各层地基岩（土）的承载力特征值fak的结果列于表2-1。

表2-1 地基（岩）土承载力特征值 层号 角砾 碎石 块石 灰岩（强风化） 花岗岩（强风化） 花岗岩（中等风化） 根据经验及规范确定fak值(kPa) 240～260 280～350 380～450 380 350 1200 推荐的fak值（kPa） 240～260 280～350 380～450 380 350 1200 3 区域地质采矿条件

通过对风电场区内的矿产资源实地调查及《xxxxxx找煤报告》、《xxxxx勘探地质报告》等有关的资料收集整理分析研究表明：风电场部分区域下有煤层，煤层最小埋藏深度350米，平均厚度0.7 ~0.9米，倾角18°～３０°。区内无大的断层，结构简单。区内井下一般采用长壁全陷法开采，下沉系数可达0.7～0.9。

4开采沉陷预计结果

4.1影响地表塌陷的主要因素

1．上覆岩层的性质

在相同的开采条件下，岩性坚硬且整体性较好的岩土层，塌陷后影响面积较大，但地表种种移动与变形值相对较小，破坏程度较轻。岩性较弱且节理裂隙发育的岩土层，地表塌陷影响面积略小，但移动变形值较大，破坏程度相对加重。

风电场区内煤矿主要开采近水平或倾角很小的煤层，直接顶板为厚度较大的坚硬及极度坚硬岩层所组成。使用长壁式采煤法全部冒落处理采空区时，采空区顶板在自重和上覆岩层重力作用下弯曲下沉，当其内部拉力超过岩层强度极限时，便断裂、破碎而冒落，冒落的矸石堆积在采空区内直至支撑住上面岩层，形成冒落带。上面岩层继续弯曲、下沉，压缩堆积的矸石，当其弯曲下沉所产生的拉应力超过该岩层的强度极限时，还要产生开裂，或者由于各岩层强度不同，弯曲下沉速度不同，岩层与岩层之间产生离层，形成裂缝带。裂缝带的岩层，在重力作用下，虽然仍会弯曲下沉，但是受到移动空间的限制，弯曲下沉程度减少，可能不再开裂，形成弯曲下沉带。如果采空区范围相当大，弯曲下沉带一起可以发展到地面。移动稳定后，上位岩层及地表的最大下沉量可达煤层开采厚度的60~90%，甚至更高。

2．水文地质条件和地质构造

如果覆岩和表土层含量较大，地表塌陷面积和塌陷区的破坏程度将有所增加。如果塌陷区内靠近地表存在较大的断裂构造，则构造断裂带附近将出现较大的移动和变形破坏。

3．地形与微地貌特性

山区倾斜地表将产生附加采动滑移，滑移方向指向下坡方向，因而凸形变坡部位将产生附加水平拉伸变形；山形地貌部位将产生附加的水平压缩和正曲率变形。梯田的地棱边、陡崖的边缘附近常出现裂缝。

4．煤层开采条件的影响

煤层开采条件包括开采深度、开采厚度和煤层倾角。在其它条件相同时，地

表破坏程度与开采深厚比（H/M）呈反比函数关系；开采煤层的倾角影响变形塌陷范围相对于采空区的位臵；倾斜煤层开采时，塌陷区将偏向下山方向。下山方向的移动变形范围和破坏程度将有所增加。

5．采煤与顶板管理方法的影响

地表塌陷范围以及移动、变形和破坏程度与煤层采空区的大小及煤炭采出率有某种正比关系。长壁式大冒顶充分开采的下沉系数可达0.7～0.9；条带式、房柱式等开采的下沉系数则与煤炭采出率有关，一般在0.3以下。显然下沉系数愈小，地表破坏范围和程度也就愈小。

6．开采次数影响

在其它条件相同时，重复开采的地表塌陷破坏程度比初次开采略大一些，原因是覆岩经初次开采后，其坚固性系数将有所降低，重复开采时其下沉系数有所增大。在充分开采条件下，一次重复开采的下沉系数可增加0.1左右，再次重复开采时，增加的幅度将显著减小。

7．开采厚度与开采深度的影响

开采厚度对上覆岩层及地表的沉陷过程的性质有重要的影响。采厚越大，冒落带、导水裂缝带高度越大，地表移动变形值也越大，移动过程表现得越剧烈，因此移动和变形值与采厚成正比。

地表移动值既与采厚成正比，又与采深成反比，所以常用深厚比（H/m）作为衡量开采条件对地表沉陷影响的粗略估计的指标。深厚比越大，地表移动变形值越小，移动和变形就越平缓，深厚比越小，地表移动与变形就越剧烈。在深厚比很小的情况下，地表将出现大裂缝、台阶状断裂，甚至出现塌陷坑。

4.2 采空塌陷稳定分析

矿区内煤层为长壁全陷法开采时，覆岩相对坚硬，采深大于500m，当采用长壁全陷法开采时，回采率达80%以上，塌陷区最大下沉点的下沉在3年左右基本趋于稳定（依据6个月内累计下沉值不超过30mm，认为地表移动期结束），剩下的变形就是残余变形，虽然变形量不大，但是不均匀变形和年沉降速率仍然很大，发育地裂缝也是常有的现象。

1．开采安全深度计算

由于风电机组没有相关规定，所以根据《铁路工程地质手册》推荐的计算方法，安全开采深度为 H=K·M

H——安全开采深度（m）；K——安全系数，参考表2取值； M——矿层采出厚度（m）。

表2 计算安全系数K值表

风电场区域内煤层倾角为一般18°～30°，现阶段长时间内可采一层煤，不考虑重复采动，建筑物级别为I级时，K=175。主要可采煤层平均煤厚为0.7 ~0.9m。

则安全深度为H=157.5m；在区域内煤层埋藏深度远大于煤的安全开采深度。 2.最大下沉量预计

地表的下沉量与许多采矿因素有关，主要影响因素包括上覆岩性、采深、煤层厚度、倾角、采矿方法有关。最大下沉量的计算公式如下：

Wmax=Mqcosɑ Wmax—最大下沉值； M—煤层厚度 q—下沉系数 ɑ—煤层倾角

一、根据工作面上覆岩层结构确定预计参数

（1）上覆岩层岩性的确定方法

根据煤层附近区域的钻孔资料，按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》的规定，结合本区域上覆岩层岩性的综合评价系数P、地质条件、开采技术条件等确定煤层上覆岩层岩性特征。

其中，系数P取决于覆岩岩性及其厚度，可用下式表示：

P??mQi1ni?m1ni

式中 mi—覆岩i分层的法线厚度，m；

Qi—覆岩i分层岩性评价系数,可由表3查得；当无实测强度值时，Q0值可从表4查得。

表3 分层岩性评价系数

岩 性 单向抗拉强度（MPa） ≥90 80 70 60 50 40 30 20 ＞10 初次 采动 Q0 0.0 0.0 0.05 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 0.9 重复采动 Q1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.45 0.7 0.8 0.9 1.0 Q2 0.1 0.4 0.5 0.6 0.7 0.95 1.0 1.0 1.1 岩石名称 很硬的砂岩、石灰岩和粘土页岩、石英矿脉、很硬的铁矿石、致密花岗岩、角闪岩、辉绿岩 硬的石灰岩、硬砂岩、硬大理石、不硬得花岗岩 坚 硬 中 硬 较硬的石灰岩、砂岩和大理石 普通砂岩、铁矿石 砂质页岩、片状砂岩 硬粘土质片岩、不硬的砂岩和石灰岩、软砾岩 各种页岩（不坚硬的）、致密泥灰岩，软页岩、很软石灰岩、无烟煤、普通泥灰岩，破碎页岩、烟煤、硬表土-粒质土壤、致密粘土，软砂质粘土、黄土、腐殖土、松散砂层

软弱 ≤10 1.0 1.1 1.1

表4 初次采动岩层评价系数Q

志志泥泥地层时震旦纪留纪 盆纪 代Q0寒武纪 石炭纪 值岩性 奥陶纪 0

二叠纪 三叠纪 侏罗纪 白垩纪 第三纪 第四纪 砂岩 0.05～0.150.00 （0.10） 0.15～0.30～0.40～0.50～0.70～0.85～0.95～0.300.500.600.700.850.951.00（0.22） （0.40） （0.50） （0.60） （0.78） （0.90） （0.98） 0.30～0.50～0.60～0.70～0.85～0.85～0.500.700.800.850.950.95（0.40） （0.60） （0.70） （0.78） （0.90） （0.90） 0.20～0.40～0.50～0.60～0.80～0.85～0.400.600.700.800.900.95（0.30） （0.50） （0.60） （0.70） （0.85） （0.90） 页岩 0.10～0.300.00 泥灰岩 （0.20） 砂质 页岩 0.10～0.200.00 （0.15） （2）煤层上覆岩层岩性综合评价系数的确定

根据煤层附近比较有代表性的钻孔钻孔柱状图的岩层进行计算P值，其上覆岩层综合评价系数见表5所示。

表5 覆岩综合评价系数计算表

岩性 表土层 砂质泥岩 细粒砂岩 砂质泥岩 乱石 砂质泥岩 粉砂岩 砂质泥岩 细粒砂岩 砂质泥岩 mi 10.50 10.00 20.00 7.15 160.25 9.70 2.40 4.10 1.45 22.60 Qi 1.00 0.85 0.10 0.85 0.80 0.85 0.30 0.85 0.10 0.85 mi*Qi 10.50 8.50 2.00 6.08 128.20 8.25 0.72 3.49 0.15 19.21 岩性 粉砂岩 砂质泥岩 粉砂岩 粉砂岩 细粒砂岩 中粒砂岩 细粒砂岩 玄武岩 中粒砂岩 砂质泥岩 mi 1.85 2.95 3.80 4.30 0.45 14.05 10.90 13.80 3.65 8.00 Qi 0.30 0.85 0.30 0.30 0.10 0.4 0.10 0.05 0.40 0.85 mi*Qi 0.56 2.51 1.14 1.29 0.05 5.62 1.09 0.69 1.46 6.80 中粒砂岩 砂质泥岩 细粒砂岩 砂质泥岩 4.00 12.70 5.00 8.35 0.40 0.85 0.10 0.85 1.60 10.80 0.50 7.10 细粒砂岩 砂质泥岩 0.55 8.45 0.10 0.85 0.06 7.18 总计 350.45 235.55 通过上述对钻孔资料的覆岩岩性综合评价系数的计算，计算得覆岩综合评价系数P=0.69。

根据算得的覆岩综合评价系数P值，并参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中岩性综合评价系数P与岩性影响系数D的对应关系表（见表6），煤层上覆岩层岩性影响系数D为2。由此可知：寺河煤矿上覆岩层岩性综合评定为软弱偏中硬岩层。

表6 岩性综合评价系数P与系数D的对应关系

P 坚硬 D P 中硬 D P 软弱 D 2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 2.60 2.70 2.80 1.26 0.70 1.35 0.75 1.45 0.80 1.54 0.85 1.64 0.90 1.73 0.95 1.82 1.00 1.91 1.05 2.00 1.10 0.76 0.30 0.82 0.35 0.88 0.40 0.95 0.45 1.01 0.50 1.08 0.55 1.14 0.60 1.20 0.65 1.26 0.70 0.00 0.03 0.07 0.11 0.15 0.19 0.23 0.27 0.30 概率积分法的预计参数可依据预计开采覆岩的性质确定，根据本矿区具体的地质采矿条件，软弱偏中硬岩层的概率积分法参数可以参考表7取值。

表7 按覆岩性质区分概率积分法预计参数的经验值

覆岩类型 以中生代地层硬砂岩、硬石坚硬 灰岩为主，其它为砂质页岩、＞6 页岩、辉绿岩 以中生代地层硬砂岩、石灰 岩、砂质页岩为主，其它为中软砾岩、致密泥灰岩、铁矿硬 石 以新生代地层砂质页岩、页软弱 岩、泥灰岩及粘土、砂质粘土等松散层 0.80～＜3 1.0 0.3 2.6 0.10 0.6)α 0.2～1.8～0.05～90°-(0.5～3～6 0.65～0.85 0.2～0.3 1.4～2.2 0.10～0.15 90°-(0.6～0.7)α 0.65 0.3 1.6 0.20 0.8)α 0.40～0.2～1.2～0.15～90°-(0.7～ 主要岩性 f q b tgβ s0/H θ0 覆岩性质 概率积分法预计经验参数 （3）根据上覆岩岩层综合评价系数P求参数

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》，确定地表移动预计参数时，需根据该区域全采法开采时的地表移动参数，并结合本区域上覆岩层岩性特点和地质采矿条件按经验公式分析求得。地表移动参数取值如下：

1.下沉系数q

q＝0.5（0.9+P）=0.8

2.主要影响角正切tanβ

tanβ＝（D+0.0032H）（1－0.0038α）

式中 D——岩性影响系数，其数值与综合评价系数P有关。 3.开采影响传播角θ0

开采影响传播角θ0与煤层倾角α的关系为：

θ0=90°－0.6α=72°

4. 水平移动系数b

开采水平煤层的水平移动系数b变化较小，一般b=0.3，开采倾斜煤层的水平移动系数bc为：

bc=b(1+0.0086·α)

式中——煤层倾角（°） 5.拐点偏距s

坚硬、中硬和软弱覆岩的拐点偏移距依据预计开采覆岩的性质确定。选取参数时，可以参考表7取值。对于区域内煤层来说，其岩性为中性岩性，拐点偏移距为0。

根据以上公式，根据区域煤层的地质采矿条件，经过综合计算分析，可确定该煤层的概率积分法预计参数。

煤层厚度0.9米，下沉系数0.8，煤层倾角18～30°取30°，则 Wmax=0.9×0.8×0.951=0.68472m 3.最大下沉速度预计

地表最大下沉速度与许多采矿因素有关，主要影响因素包括上覆岩性、采深、顶板管理方法及工作面推进速度。一般来说，岩性软下沉速度大，硬则下沉速度小。此外，下沉速度与采厚、工作面推进速度成正比，与采深成反比。最大下沉速度Vm可按以下经验公式估算：

1）.下沉系数0.8

Vm=(KWm V)/Ho ，（单位mm/d） 式中，V—工作面推进速度，m/d; Wm—该工作面的地表最大下沉值，mm；

K—下沉速度系数，一般为0.3~0.5，不同条件下由实地观测确定。按采深350m时，工作面推进速度取1.5m/d，K取0.5，则

Vm=0.5×0.68472×1.5/350 =1.467mm/d 4.最大倾斜率预计

根据微积分求极值的方法，最大倾斜值即 i0=

Ｗr

o

W０—顶板下沉量； ｒ—主要影响半径

ｒ＝Ｈ／tgβ（Ｈ为可采深度350米；β为主要影响范围角，一般取tgβ＝1.8）； i0=0.68472/194.4 =0.0035

5.风机基础稳定性确认

根据《风电机组地基基础设计规定》（FD003—2007）基础允许的变形值见表3

表3 地基变形允许值 轮毂高度H （m） H＜60 60＜H≤80 80＜H≤100 H＞100 沉降允许值 （mm） 3000.006 2000.005 1500.004 100 倾斜率允许值 tanθ 0.006 0.005 0.004 0.003 本项目风电机轮毂高70米，地表最大沉降量为684.72mm，倾斜率为0.0035。均小于《风电机组地基基础设计规定》中规定的风机基础采动允许变形值。

6.结论

根据相关地质条件及风电机轮毂高70米，区域内井下开采采用长壁全陷法开采的条件计算得出，地表的最大沉降量、倾斜率和沉降速度均在风机基础采动允许的变形值之内，而且煤层的埋藏深度远远大于安全开采深度。所以煤矿开采活动中不需要为保护地表风电机组等建筑物，而采取留设保护煤柱、限厚开采、充填开采等措施。

同时地表风电机组的重量和面积等因素，相对于350米厚的岩层对煤层的影响可以忽略不计，煤矿在开采过程中不需要因为地表建设风电机组而对巷道额外采取支护措施。

综上所述地表风电机组和煤层之间的相互影响均在可承受范围内，风电机组的建立不会影响煤矿正常开采中的开采方法、采空区处理、巷道支护等工艺。煤矿可以正常开采。根据《关于规范建设项目压覆矿产资源审批工作的通知》国土

资发[2000]386号中第二条规定：“压覆矿产资源是指因建设项目实施后导致矿产资源不能开发利用。但是建设项目与矿区范围重叠而不影响矿产资源正常开采的，不作压覆处理”。风电厂与矿区范围重叠而不影响矿产资源正常开采，所以不做压覆处理。

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