風(fēng)力發(fā)電場工程與煤層采動(dòng)間相互影響的論證

1、1 風(fēng)電場概況風(fēng)電場位于xxxxx前進(jìn)林場的山上，屬山地地形，東西長占地面積m2，場址平均海拔高度在500m左右。本工程選用方案WTG2，33臺(tái)單機(jī)容量為1500 kW的風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)電機(jī)組輪轂高度采用70m。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)初擬為天然地基上的大塊體鋼筋混凝土板式基礎(chǔ)，直徑為16.4m，基礎(chǔ)埋深3.0m，邊坡1:0.5，基礎(chǔ)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C35，基底下設(shè)200mm厚的C20素混凝土墊層；2 地基巖（土）承載力特征值根據(jù)現(xiàn)場踏勘，結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄖ?jīng)驗(yàn)等，推薦各層地基巖（土）的承載力特征值fak的結(jié)果列于表2-1。表2-1 地基（巖）土承載力特征值層號(hào)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范確定fak值(kPa)推薦的fak值（k

2、Pa）角礫240260240260碎石280350280350塊石380450380450灰?guī)r（強(qiáng)風(fēng)化）380380花崗巖（強(qiáng)風(fēng)化）350350花崗巖（中等風(fēng)化）120012003 區(qū)域地質(zhì)采礦條件通過對風(fēng)電場區(qū)內(nèi)的礦產(chǎn)資源實(shí)地調(diào)查及xxxxxx找煤報(bào)告、xxxxx勘探地質(zhì)報(bào)告等有關(guān)的資料收集整理分析研究表明：風(fēng)電場部分區(qū)域下有煤層，煤層最小埋藏深度350米，平均厚度0.7 0.9米，傾角18。區(qū)內(nèi)無大的斷層，結(jié)構(gòu)簡單。區(qū)內(nèi)井下一般采用長壁全陷法開采，下沉系數(shù)可達(dá)0.70.9。4開采沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果4.1影響地表塌陷的主要因素1上覆巖層的性質(zhì)在相同的開采條件下，巖性堅(jiān)硬且整體性較好的巖土層，塌陷后

3、影響面積較大，但地表種種移動(dòng)與變形值相對較小，破壞程度較輕。巖性較弱且節(jié)理裂隙發(fā)育的巖土層，地表塌陷影響面積略小，但移動(dòng)變形值較大，破壞程度相對加重。風(fēng)電場區(qū)內(nèi)煤礦主要開采近水平或傾角很小的煤層，直接頂板為厚度較大的堅(jiān)硬及極度堅(jiān)硬巖層所組成。使用長壁式采煤法全部冒落處理采空區(qū)時(shí)，采空區(qū)頂板在自重和上覆巖層重力作用下彎曲下沉，當(dāng)其內(nèi)部拉力超過巖層強(qiáng)度極限時(shí)，便斷裂、破碎而冒落，冒落的矸石堆積在采空區(qū)內(nèi)直至支撐住上面巖層，形成冒落帶。上面巖層繼續(xù)彎曲、下沉，壓縮堆積的矸石，當(dāng)其彎曲下沉所產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過該巖層的強(qiáng)度極限時(shí)，還要產(chǎn)生開裂，或者由于各巖層強(qiáng)度不同，彎曲下沉速度不同，巖層與巖層之間產(chǎn)生離

4、層，形成裂縫帶。裂縫帶的巖層，在重力作用下，雖然仍會(huì)彎曲下沉，但是受到移動(dòng)空間的限制，彎曲下沉程度減少，可能不再開裂，形成彎曲下沉帶。如果采空區(qū)范圍相當(dāng)大，彎曲下沉帶一起可以發(fā)展到地面。移動(dòng)穩(wěn)定后，上位巖層及地表的最大下沉量可達(dá)煤層開采厚度的6090%，甚至更高。2水文地質(zhì)條件和地質(zhì)構(gòu)造如果覆巖和表土層含量較大，地表塌陷面積和塌陷區(qū)的破壞程度將有所增加。如果塌陷區(qū)內(nèi)靠近地表存在較大的斷裂構(gòu)造，則構(gòu)造斷裂帶附近將出現(xiàn)較大的移動(dòng)和變形破壞。3地形與微地貌特性山區(qū)傾斜地表將產(chǎn)生附加采動(dòng)滑移，滑移方向指向下坡方向，因而凸形變坡部位將產(chǎn)生附加水平拉伸變形；山形地貌部位將產(chǎn)生附加的水平壓縮和正曲率變形。梯

5、田的地棱邊、陡崖的邊緣附近常出現(xiàn)裂縫。4煤層開采條件的影響煤層開采條件包括開采深度、開采厚度和煤層傾角。在其它條件相同時(shí)，地表破壞程度與開采深厚比（H/M）呈反比函數(shù)關(guān)系；開采煤層的傾角影響變形塌陷范圍相對于采空區(qū)的位置；傾斜煤層開采時(shí)，塌陷區(qū)將偏向下山方向。下山方向的移動(dòng)變形范圍和破壞程度將有所增加。5采煤與頂板管理方法的影響地表塌陷范圍以及移動(dòng)、變形和破壞程度與煤層采空區(qū)的大小及煤炭采出率有某種正比關(guān)系。長壁式大冒頂充分開采的下沉系數(shù)可達(dá)0.70.9；條帶式、房柱式等開采的下沉系數(shù)則與煤炭采出率有關(guān)，一般在0.3以下。顯然下沉系數(shù)愈小，地表破壞范圍和程度也就愈小。6開采次數(shù)影響在其它條件相

6、同時(shí)，重復(fù)開采的地表塌陷破壞程度比初次開采略大一些，原因是覆巖經(jīng)初次開采后，其堅(jiān)固性系數(shù)將有所降低，重復(fù)開采時(shí)其下沉系數(shù)有所增大。在充分開采條件下，一次重復(fù)開采的下沉系數(shù)可增加0.1左右，再次重復(fù)開采時(shí)，增加的幅度將顯著減小。7開采厚度與開采深度的影響開采厚度對上覆巖層及地表的沉陷過程的性質(zhì)有重要的影響。采厚越大，冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶高度越大，地表移動(dòng)變形值也越大，移動(dòng)過程表現(xiàn)得越劇烈，因此移動(dòng)和變形值與采厚成正比。地表移動(dòng)值既與采厚成正比，又與采深成反比，所以常用深厚比（H/m）作為衡量開采條件對地表沉陷影響的粗略估計(jì)的指標(biāo)。深厚比越大，地表移動(dòng)變形值越小，移動(dòng)和變形就越平緩，深厚比越小，地表

7、移動(dòng)與變形就越劇烈。在深厚比很小的情況下，地表將出現(xiàn)大裂縫、臺(tái)階狀斷裂，甚至出現(xiàn)塌陷坑。4.2 采空塌陷穩(wěn)定分析礦區(qū)內(nèi)煤層為長壁全陷法開采時(shí)，覆巖相對堅(jiān)硬，采深大于500m，當(dāng)采用長壁全陷法開采時(shí)，回采率達(dá)80%以上，塌陷區(qū)最大下沉點(diǎn)的下沉在3年左右基本趨于穩(wěn)定（依據(jù)6個(gè)月內(nèi)累計(jì)下沉值不超過30mm，認(rèn)為地表移動(dòng)期結(jié)束），剩下的變形就是殘余變形，雖然變形量不大，但是不均勻變形和年沉降速率仍然很大，發(fā)育地裂縫也是常有的現(xiàn)象。1開采安全深度計(jì)算由于風(fēng)電機(jī)組沒有相關(guān)規(guī)定，所以根據(jù)鐵路工程地質(zhì)手冊推薦的計(jì)算方法，安全開采深度為 H=KMH安全開采深度（m）；K安全系數(shù)，參考表2取值； M礦層采出厚度（

8、m）。表2 計(jì)算安全系數(shù)K值表風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)煤層傾角為一般1830，現(xiàn)階段長時(shí)間內(nèi)可采一層煤，不考慮重復(fù)采動(dòng)，建筑物級(jí)別為I級(jí)時(shí)，K=175。主要可采煤層平均煤厚為0.7 0.9m。則安全深度為H=157.5m；在區(qū)域內(nèi)煤層埋藏深度遠(yuǎn)大于煤的安全開采深度。2.最大下沉量預(yù)計(jì)地表的下沉量與許多采礦因素有關(guān)，主要影響因素包括上覆巖性、采深、煤層厚度、傾角、采礦方法有關(guān)。最大下沉量的計(jì)算公式如下：Wmax=MqcosWmax最大下沉值； M煤層厚度 q下沉系數(shù) 煤層傾角 一、根據(jù)工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)確定預(yù)計(jì)參數(shù)（1）上覆巖層巖性的確定方法根據(jù)煤層附近區(qū)域的鉆孔資料，按照建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留

9、設(shè)與壓煤開采規(guī)程的規(guī)定，結(jié)合本區(qū)域上覆巖層巖性的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P、地質(zhì)條件、開采技術(shù)條件等確定煤層上覆巖層巖性特征。其中，系數(shù)P取決于覆巖巖性及其厚度，可用下式表示：式中 mi覆巖i分層的法線厚度，m；Qi覆巖i分層巖性評(píng)價(jià)系數(shù),可由表3查得；當(dāng)無實(shí)測強(qiáng)度值時(shí)，Q0值可從表4查得。表3 分層巖性評(píng)價(jià)系數(shù)巖性單向抗拉強(qiáng)度（MPa）巖石名稱初次采動(dòng)Q0重復(fù)采動(dòng)Q1Q2堅(jiān)硬90807060很硬的砂巖、石灰?guī)r和粘土頁巖、石英礦脈、很硬的鐵礦石、致密花崗巖、角閃巖、輝綠巖硬的石灰?guī)r、硬砂巖、硬大理石、不硬得花崗巖0.00.00.050.10.00.10.20.30.10.40.50.6中硬50403020

10、10較硬的石灰?guī)r、砂巖和大理石普通砂巖、鐵礦石砂質(zhì)頁巖、片狀砂巖硬粘土質(zhì)片巖、不硬的砂巖和石灰?guī)r、軟礫巖0.20.40.60.80.90.450.70.80.91.00.70.951.01.01.1軟弱10各種頁巖（不堅(jiān)硬的）、致密泥灰?guī)r，軟頁巖、很軟石灰?guī)r、無煙煤、普通泥灰?guī)r，破碎頁巖、煙煤、硬表土-粒質(zhì)土壤、致密粘土，軟砂質(zhì)粘土、黃土、腐殖土、松散砂層1.01.11.1表4 初次采動(dòng)巖層評(píng)價(jià)系數(shù)Q0地層時(shí)代Q0值巖性震旦紀(jì)寒武紀(jì)奧陶紀(jì)志志留紀(jì)泥泥盆紀(jì)石炭紀(jì)二疊紀(jì)三疊紀(jì)侏羅紀(jì)白堊紀(jì)第三紀(jì)第四紀(jì)砂巖0.000.050.15（0.10）0.150.30（0.22）0.300.50（0.40）0.

11、400.60（0.50）0.500.70（0.60）0.700.85（0.78）0.850.95（0.90）0.951.00（0.98）頁巖泥灰?guī)r0.000.100.30（0.20）0.300.50（0.40）0.500.70（0.60）0.600.80（0.70）0.700.85（0.78）0.850.95（0.90）0.850.95（0.90）砂質(zhì)頁巖0.000.100.20（0.15）0.200.40（0.30）0.400.60（0.50）0.500.70（0.60）0.600.80（0.70）0.800.90（0.85）0.850.95（0.90）（2）煤層上覆巖層巖性綜合評(píng)價(jià)系數(shù)的確

12、定根據(jù)煤層附近比較有代表性的鉆孔鉆孔柱狀圖的巖層進(jìn)行計(jì)算P值，其上覆巖層綜合評(píng)價(jià)系數(shù)見表5所示。表5 覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)計(jì)算表巖性miQimi*Qi巖性miQimi*Qi表土層10.501.0010.50 粉砂巖1.850.300.56砂質(zhì)泥巖10.000.858.50 砂質(zhì)泥巖2.950.852.51細(xì)粒砂巖20.000.102.00 粉砂巖3.800.301.14砂質(zhì)泥巖7.150.856.08 粉砂巖4.300.301.29亂石160.250.80128.20 細(xì)粒砂巖0.450.100.05砂質(zhì)泥巖9.700.858.25 中粒砂巖14.050.45.62粉砂巖2.400.300.72

13、細(xì)粒砂巖10.900.101.09砂質(zhì)泥巖4.100.853.49 玄武巖13.800.050.69細(xì)粒砂巖1.450.100.15 中粒砂巖3.650.401.46砂質(zhì)泥巖22.600.8519.21 砂質(zhì)泥巖8.000.856.80中粒砂巖4.000.401.60 細(xì)粒砂巖0.550.100.06砂質(zhì)泥巖12.700.8510.80 砂質(zhì)泥巖8.450.857.18細(xì)粒砂巖5.000.100.50 砂質(zhì)泥巖8.350.857.10 總計(jì)350.45235.55通過上述對鉆孔資料的覆巖巖性綜合評(píng)價(jià)系數(shù)的計(jì)算，計(jì)算得覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P=0.69。根據(jù)算得的覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P值，并參照建筑物、水

14、體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程中巖性綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P與巖性影響系數(shù)D的對應(yīng)關(guān)系表（見表6），煤層上覆巖層巖性影響系數(shù)D為2。由此可知：寺河煤礦上覆巖層巖性綜合評(píng)定為軟弱偏中硬巖層。表6 巖性綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P與系數(shù)D的對應(yīng)關(guān)系堅(jiān)硬P0.000.030.070.110.150.190.230.270.30D0.760.820.880.951.011.081.141.201.26中硬P0.300.350.400.450.500.550.600.650.70D1.261.351.451.541.641.731.821.912.00軟弱P0.700.750.800.850.900.951.001.

15、051.10D2.002.102.202.302.402.502.602.702.80概率積分法的預(yù)計(jì)參數(shù)可依據(jù)預(yù)計(jì)開采覆巖的性質(zhì)確定，根據(jù)本礦區(qū)具體的地質(zhì)采礦條件，軟弱偏中硬巖層的概率積分法參數(shù)可以參考表7取值。表7 按覆巖性質(zhì)區(qū)分概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值覆巖類型覆巖性質(zhì)概率積分法預(yù)計(jì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)主要巖性fqbtgs0/H0堅(jiān)硬以中生代地層硬砂巖、硬石灰?guī)r為主，其它為砂質(zhì)頁巖、頁巖、輝綠巖60.400.650.20.31.21.60.150.2090-(0.70.8)中硬以中生代地層硬砂巖、石灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖為主，其它為軟礫巖、致密泥灰?guī)r、鐵礦石360.650.850.20.31.42.20.1

16、00.1590-(0.60.7)軟弱以新生代地層砂質(zhì)頁巖、頁巖、泥灰?guī)r及粘土、砂質(zhì)粘土等松散層30.801.00.20.31.82.60.050.1090-(0.50.6)（3）根據(jù)上覆巖巖層綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P求參數(shù)根據(jù)建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程，確定地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)時(shí)，需根據(jù)該區(qū)域全采法開采時(shí)的地表移動(dòng)參數(shù)，并結(jié)合本區(qū)域上覆巖層巖性特點(diǎn)和地質(zhì)采礦條件按經(jīng)驗(yàn)公式分析求得。地表移動(dòng)參數(shù)取值如下：1.下沉系數(shù)qq0.5（0.9+P）=0.82.主要影響角正切tantan（D+0.0032H）（10.0038）式中 D巖性影響系數(shù)，其數(shù)值與綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P有關(guān)。3.開采影響傳播角0

17、開采影響傳播角0與煤層傾角的關(guān)系為：0=900.6=724. 水平移動(dòng)系數(shù)b開采水平煤層的水平移動(dòng)系數(shù)b變化較小，一般b=0.3，開采傾斜煤層的水平移動(dòng)系數(shù)bc為：bc=b(1+0.0086)式中煤層傾角（）5.拐點(diǎn)偏距s堅(jiān)硬、中硬和軟弱覆巖的拐點(diǎn)偏移距依據(jù)預(yù)計(jì)開采覆巖的性質(zhì)確定。選取參數(shù)時(shí)，可以參考表7取值。對于區(qū)域內(nèi)煤層來說，其巖性為中性巖性，拐點(diǎn)偏移距為0。根據(jù)以上公式，根據(jù)區(qū)域煤層的地質(zhì)采礦條件，經(jīng)過綜合計(jì)算分析，可確定該煤層的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)。煤層厚度0.9米，下沉系數(shù)0.8，煤層傾角1830取30，則Wmax=0.90.80.951=0.68472m3.最大下沉速度預(yù)計(jì)地表最大下

18、沉速度與許多采礦因素有關(guān)，主要影響因素包括上覆巖性、采深、頂板管理方法及工作面推進(jìn)速度。一般來說，巖性軟下沉速度大，硬則下沉速度小。此外，下沉速度與采厚、工作面推進(jìn)速度成正比，與采深成反比。最大下沉速度Vm可按以下經(jīng)驗(yàn)公式估算：1）.下沉系數(shù)0.8Vm=(KWm V)/Ho ，（單位mm/d）式中，V工作面推進(jìn)速度，m/d; Wm該工作面的地表最大下沉值，mm； K下沉速度系數(shù)，一般為0.30.5，不同條件下由實(shí)地觀測確定。按采深350m時(shí)，工作面推進(jìn)速度取1.5m/d，K取0.5，則Vm=0.50.684721.5/350 =1.467mm/d4.最大傾斜率預(yù)計(jì)根據(jù)微積分求極值的方法，最大傾斜值即i0=orW頂板下沉量；主要影響半徑tg（為可采深度350米；為主要影響范圍角，一般取tg1.8）；i0=0.68472/194.4 =0.00355.風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)穩(wěn)定性確認(rèn)根據(jù)風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定（FD0032007）基礎(chǔ)允許的變形值見表3表