煤矸石回填层残余沉降计算方法及其应用.pdf
第 4 2卷第 8期能 源 与 环 保 V o l 4 2 N o 8 2 0 2 0年8月 C h i n aE n e r g ya n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o nA u g . 2 0 2 0 收稿日期 2 0 2 0- 0 4- 1 0 ; 责任编辑 郭海霞 D O I 1 0 . 1 9 3 8 9 / j . c n k i . 1 0 0 3- 0 5 0 6 . 2 0 2 0 . 0 8 . 0 2 7 作者简介 陈清通( 1 9 8 3 ) , 男, 福建上杭人, 助理研究员, 硕士, 2 0 0 9年毕业于辽宁工程技术大学, 现从事采空区勘查评估治理相关工作。 引用格式 陈清通, 陈凯, 孙庆先. 煤矸石回填层残余沉降计算方法及其应用[ J ] . 能源与环保, 2 0 2 0 , 4 2 ( 8 ) 1 2 7 1 3 0 . C h e nQ i n g t o n g , C h e nK a i , S u nQ i n g x i a n . C a l c u l a t i o nm e t h o do f r e s i d u a l s e t t l e m e n t o f c o a l g a n g u eb a c k f i l l l a y e r a n di t s a p p l i c a t i o n [ J ] . C h i n a E n e r g y a n dE n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n , 2 0 2 0 , 4 2 ( 8 ) 1 2 7 1 3 0 . 煤矸石回填层残余沉降计算方法及其应用 陈清通1 , 2, 陈 凯1 , 2, 孙庆先1 , 2 ( 1 . 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院, 北京 1 0 0 0 1 3 ; 2 . 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室( 煤炭科学研究总院) , 北京 1 0 0 0 1 3 ) 摘要 为了评估煤矸石回填区光伏建设场地地基稳定性, 在分析煤矸石回填层变形特性的基础上, 提 出了弹性力学模型和开尔文模型相结合计算煤矸石回填层地表残余沉降变形的技术思路。研究结果 表明, 考虑回填时间和回填厚度因素的煤矸石回填层残余沉降变形计算方法简单实用, 能够满足工程 需要, 计算结果可为光伏设备基础设施建设提供设计依据。 关键词 光伏建设; 煤矸石回填层; 自重沉降; 残余变形 中图分类号 T D 3 2 5 . 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3- 0 5 0 6 ( 2 0 2 0 ) 0 8- 0 1 2 7- 0 4 C a l c u l a t i o nme t h o do f r e s i d u a l s e t t l e me n t o f c o a l g a n g u eb a c k f i l l l a y e ra n di t s a p p l i c a t i o n C h e nQ i n g t o n g 1 , 2, C h e nK a i1 , 2, S u nQ i n g x i a n1 , 2 ( 1 . M i n e S a f e t yT e c h n o l o g yB r a n c ho f C h i n aC o a l R e s e a r c hI n s t i t u t e , B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 , C h i n a ; 2 . S t a t e K e yL a b o r a t o r yo f C o a l M i n i n ga n dC l e a nU t i l i z a t i o n ( C h i n aC o a l R e s e a r c hI n s t i t u t e ) , B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 , C h i n a ) A b s t r a c t I no r d e r t oe v a l u a t e t h e f o u n d a t i o ns t a b i l i t y o f p h o t o v o l t a i c c o n s t r u c t i o ns i t e i nc o a l g a n g u e b a c k f i l l a r e a , b a s e do nt h e a n a l y s i s o f d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o f c o a l g a n g u e b a c k f i l l l a y e r , t h e t e c h n i c a l i d e a o f c o m b i n i n g e l a s t i c m e c h a n i c s m o d e l a n dK e l v i nm o d e l t o c a l c u l a t et h es u r f a c er e s i d u a l s e t t l e m e n t d e f o r m a t i o no f c o a l g a n g u e b a c k f i l l l a y e r w a s p r o p o s e d . T h e r e s u l t s s h o w e dt h a t t h e c a l c u l a t i o n m e t h o do f r e s i d u a l s e t t l e m e n t d e f o r m a t i o no f c o a l g a n g u e b a c k f i l l l a y e r c o n s i d e r i n g t h e f a c t o r s o f b a c k f i l l t i m e a n db a c k f i l l t h i c k n e s s w a s s i m p l ea n dp r a c t i c a l , w h i c hc a nm e e t t h en e e d s o f t h ep r o j e c t . T h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s c a np r o v i d ed e s i g nb a s i s f o r p h o t o v o l t a i ce q u i p m e n t i n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o n . K e y w o r d s p h o t o v o l t a i cc o n s t r u c t i o n ; c o a l g a n g u eb a c k f i l l l a y e r ; s e l f w e i g h t s e t t l e m e n t ; r e s i d u a l d e f o r m a t i o n 0 引言 利用煤矸石回填区地表建设光伏电站, 既高效 利用了废弃的土地资源, 也促进了地区能源结构的 改善, 对解决土地资源有效利用问题具有积极意义。 吕梁市某露天煤矿煤矸石回填区被利用为光伏建设 场地, 光伏设施在煤矸石回填区建设不可避免地存 在沉降问题。为此, 需对煤矸石回填区沉降进行计 算与评估[ 1 ], 确保沉降变形值在光伏设备安全运行 允许范围内。 关于回填层沉降变形的问题, 很多学者都进行 了研究。黎莉[ 2 ]研究了高填石路堤施工沉降观测 及质量控制方法; 郑治[ 3 ]研究了高填方路堤沉降变 形规律及压实技术; 谢春庆等[ 4 5 ]结合机场工程对粗 巨粒土填筑地基施工影响主要因素及高填方块碎石 夯实地基变形进行了分析; 刘宏等[ 6 ]对九寨黄龙机 场高填方地基工后沉降进行了预测; 孙庆先等[ 7 ]研 究了采煤沉陷和高填方沉降双重影响下的地表移动 变形方法, 均取得了一定的成果。对煤矸石回填层 变形的研究, 董倩[ 8 ]认为煤矸石回填层的压缩变形 包括 2个方面 ①自重荷载下的压缩变形。在自重 荷载的作用下, 煤矸石回填区的压缩变形与回填层 的厚度和变形模量相关性较大, 同时也受回填层的 组分、 结构和形状等因素的影响。②物理化学反应 721 2 0 2 0年第 8期 能 源 与 环 保第 4 2卷 下的压缩变形。煤矸石回填层随着时间的影响, 在 风化瓦解下块体减小, 随着粒径的变小瓦解速度变 快, 影响其回填层的稳定性; 同时, 雨水的冲刷带走 其中可溶性的成分, 使煤矸石回填层逐渐破碎; 煤矸 石中残留的煤质、 硫质等在空气中发生氧化反应, 造 成回填层实体物质的减少, 这些物质的变化都会导 致回填层的压缩变形。由此可见, 煤矸石回填层在 空气中物理化学反应下的压缩变形极其复杂, 受岩 性、 组分、 化学成分、 堆积时间、 环境和气候等条件影 响, 难以定量分析计算, 工程实践中, 仅考虑自重荷 载影响的压缩变形。 1 煤矸石回填层自重压缩变形计算方法 1 1 基于弹性力学模型的煤矸石回填层自重压缩 变形计算 回填层土体自重作用下沉降分析模型如图 1所 示。依据弹性力学推导出大面积回填层土体在自重 荷载作用下沉降量的简易计算公式, 图 1为在地基 上大面积回填层土体中取出的一个微元柱体( 其 中, H为填方高度[ 9 ]) 。 图 1 回填层土体自重作用下沉降分析模型 F i g 1 S e t t l e me n t a n a l y s i s mo d e l o f b a c k f i l l s o i l u n d e rs e l f w e i g h t 在回填层土体中取一个微元柱体并分成 n层, 层高为 h 。其中, 第 i 层上的土柱在自重荷载作用下 的竖向压缩量计算公式为 Δ S i= h εz i= ( 1+ υ ) ( 1- 2 υ ) 1- υ ρ g ( i - 1 ) H n E 0 ( 1 ) S = ∑ n i = 1 Δ S i= ∑ n i = 1 i - 1 n ( 1+ υ ) ( 1- 2 υ ) 1- υ ρ g h H E 0 = n - 1 2 n ( 1+ υ ) ( 1- 2 υ ) 1- υ ρ g H 2 E 0 ( 2 ) 当 n→∞时, 回填层地基沉降的计算公式为 S = ( 1+ υ ) ( 1- 2 υ ) 2 ( 1- υ ) ρ g H 2 E 0 ( 3 ) 影响回填层土体沉降的主要因素有填方高度 H 、 变形模量 E 0、 密度 ρ 、 泊松比 υ 。对煤矸石回填层 变形模量、 密度和泊松比各参数取值, 参考文献 [ 1 0 ] 。 1 2 基于开尔文模型的煤矸石回填层参与沉降变 形计算 考虑到时间的影响因素, 在岩石力学研究中, 开 尔文模型能够较好地反映岩石蠕变的特性, 该模型 采用弹簧( H o o k e 体) 、 粘缸( N e w t o n体) 两元件并联 组合, 两元件应变相等、 应力相加, 如图 2所示, 根据 应力条件 σ= σ 0( 常数) , 初始条件 t = 0 , ε= 0 , 可以 导出开尔文体蠕变方程[ 1 1 ] ε= σ 0 K 1- e x p -K η [] t( 4 ) 图 2 开尔文体 F i g 2 K e l v i ns t y l e 开尔文体的蠕变曲线如图 3所示。 图 3 开尔文体的蠕变曲线 F i g 3 C r e e pc u r v eo f K e l v i n 应变量由已发生的应变 ε 0和残余应变 ε ′ 组成 ε ′ = ε- ε 0, 即 ε= ε0+ ε ′ 。 ε ′=σ 0 K ∫ ∞ T 1-e x p -K η [] t = σ 0 K e x p -K η t ( 5 ) 821 2 0 2 0年第 8期陈清通, 等 煤矸石回填层残余沉降计算方法及其应用 第 4 2卷 所以残余应变 ε ′ 为 ε ′ = σ 0 K e x p -K η t( 6 ) 式中, K为弹性模量; η为黏性模量。 回填层残余变形与原始变形的比值可表示为 P= c 1e - c 2t ( 7 ) 式中, c 1、 c2为经验常数。 据式( 7 ) 制作的曲线如图 4所示。 图 4 残余变形与原始变形的比值与时间曲线 F i g 4 R a t i oa n dt i mec u r v eo f r e s i d u a l d e f o r ma t i o n t oo r i g i n a l d e f o r ma t i o n 2 工程应用 吕梁市某光伏发电项目建设场地为露天矿的煤 矸石高填方区, 煤矸石自重沉降对整个光伏场区都 有很大的影响。因此, 在该区域进行光伏建设, 需对 煤矸石高填方区沉降变形进行计算分析, 评估光伏 建设场地地基稳定性, 为施工建设提供参考依据。 2 1 回填层厚度确定 通过光伏建设场地所在煤矿提供的地形地貌 图, 可以获得煤矸石回填之前原始地貌的高程情况 和回填之后的现实地貌的高程情况。利用 S u r f e r 软 件制作回填之前的原始地貌高程等值线( 图 5 ) 和回 填之后的现实地貌高程等值线( 图 6 ) 。 图 5 光伏建设场地原始地貌等值线 F i g 5 O r i g i n a l l a n d f o r mc o n t o u ro f p h o t o v o l t a i c c o n s t r u c t i o ns i t e 图 6 光伏建设场地现实地貌等值线 F i g 6 R e a l i s t i cl a n d f o r mc o n t o u ro f p h o t o v o l t a i c c o n s t r u c t i o ns i t e 利用原始地貌与现实地貌的对比做差, 可以得 出光伏项目场地的回填层厚度。光伏建设场地煤矸 石回填厚度等值线如图 7所示。 图 7 光伏建设场地煤矸石回填厚度等值线 F i g 7 C o n t o u rl i n eo f c o a l g a n g u eb a c k f i l l t h i c k n e s s i np h o t o v o l t a i cc o n s t r u c t i o ns i t e 2 2 回填层残余沉降计算 通过考察与资料分析发现, 光伏项目建设场地 煤矸石回填距今 3~ 5年。根据式( 7 ) 计算, 残余沉 降量为最终值的 1 7 % ~ 3 3 %。故此, 采用式( 3 ) 计 算回填层地基沉降量的最终值, 残余沉降量按最终 值的 2 5 %计算。即回填层残余沉降量计算见式 ( 8 ) S = ( 1+ υ ) ( 1- 2 υ ) 1- υ ρ g H 2 E 0 2 5 %( 8 ) 将相应参数代入式( 8 ) 中, 即能得出项目建设 区回填层自重压缩残余沉降量, 利用 S u r f e r 软件制 作沉降量等值线图, 如图 8所示。 2 3 光伏建设适宜性分析 根据光伏场地基础设施对沉降量允许值的要 求, 认为下沉值≤3 0 0m m的区域为适宜性好区域, 这些地段优先作为光伏示范基地项目建筑场地; 下 沉值3 0 0~ 8 0 0 m m 的区域为适宜性中等区域, 这些 921 2 0 2 0年第 8期 能 源 与 环 保第 4 2卷 图 8 光伏建设场地煤矸石回填层残余沉降量等值线 F i g 8 C o n t o u rl i n eo f r e s i d u a l s e t t l e me n t o f c o a l g a n g u e b a c k f i l l l a y e ri np h o t o v o l t a i cc o n s t r u c t i o ns i t e 区域可作为光伏示范基地项目的新建场地, 需采取 一定抗变形措施; 下沉值≥8 0 0m m的区域, 为适宜 性差区域, 不适宜建设光伏项目设备设施。 考虑回填层沉降影响情况下, 依据制定的标准 对项目建设区兴建光伏设备的适宜性进行了分区, 分区结果如图 9所示。根据分区结果, 可以指导建 设单位在进行基础设施建设时, 尽量将光伏设备布 置在适应性好及适应性中等的区域, 避开适应性差 的区域, 为光伏设施建设单位提供设计依据。 图 9 光伏建设场地适宜性分区 F i g 9 S u i t a b i l i t yz o n i n go f p h o t o v o l t a i cc o n s t r u c t i o ns i t e 3 结论 本文提出了弹性力学模型和开尔文模型相结合 计算煤矸石回填区地表残余沉降变形的方法, 为吕 梁市某露天煤矿煤矸石回填区地表建设光伏电站提 供了技术支持, 取得了较好的效果。 ( 1 ) 煤矸石回填层地表沉降变形包括自重荷载 作用下的压缩变形和物理化学反应产生的压缩变 形, 其中前者产生的沉降变形占主要部分, 而且可以 通过弹性力学理论计算取得。 ( 2 ) 随着时间的推移, 煤矸石回填区地表残余 变形逐渐减缓, 残余变形与原始的比值可以通过开 尔文模型进行计算取得。 ( 3 ) 通过选取项目区域同一位置 2次高程的差 值, 最终得出回填层厚度等值线图, 结果直观且能满 足工程要求。 ( 4 ) 针对项目区域不同回填厚度和时间, 计算 出整个建设场区的残余沉降量, 依据制定的标准对 兴建光伏设备的适宜性进行分区, 结果可为光伏设 施建设单位提供设计依据。 参考文献( R e f e r e n c e s ) [ 1 ] 国家安全生产监督管理总局, 国家煤矿安全监察局, 国家能源 局, 等. 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规 范[ M] . 北京 煤炭工业出版社, 2 0 1 7 . 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C h i n e s e J o u r n a l o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g , 2 0 0 2 , 2 4 ( 1 ) 3 8 4 1 . [ 6 ] 刘宏, 李攀峰, 张倬元. 九寨黄龙机场高填方地基工后沉降预 测[ J ] . 岩土工程学报, 2 0 0 5 , 2 7 ( 1 ) 9 0 9 3 . L i uH o n g , L i P a n f e n g , Z h a n g Z h u o y u a n . P r e d i c t i o no f t h e p o s t c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t o f t h eh i g he m b a n k m e n t o f J i u z h a i H u a n g l o n g a i r p o r t [ J ] . C h i n e s e J o u r n a l o f G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g , 2 0 0 5 , 2 7 ( 1 ) 9 0 9 3 . [ 7 ] 孙庆先, 李杰, 陈清通, 等. 采煤沉陷和高填方沉降双重影响下 的地表移动变形预计方法与应用[ J ] . 煤矿开采, 2 0 1 8 , 2 3 ( 2 ) 7 2 7 4 . S u nQ i n g x i a n , L i J i e , C h e nQ i n g t o n g , e t a l . S u r f a c em o v e m e n t d e f o r m a t i o np r e d i c t i n g m e t h o da n d a p p l i c a t i o nu n d e r d o u b l e i n f l u e n c e o f m i n i n gs u b s i d e n c ea n dh i g hf i l l s e t t l i n g [ J ] . C o a l M i n i n gT e c h n o l o g y , 2 0 1 8 , 2 3 ( 2 ) 7 2 7 4 . [ 8 ] 董倩. 重庆地区矸石山堆积形态及其稳定性分析的研究[ D ] . 重庆 重庆大学, 2 0 0 6 . [ 9 ] 贺广零, 李倩妹, 洪芳, 等. 山区变电站高填方体地基工后沉降 分析[ J ] . 建筑科学与工程学报, 2 0 0 7 , 2 4 ( 4 ) 4 5 4 9 . H eG u a n g l i n g , L i Q i a n m e i , H o n gF a n g , e t a l . A n a l y s i s o f p o s t c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t o f t r a n s f o r m a t i o ns u b s t a t i o nh i g hf i l l f o u n d a t i o n i nm o u n t a i n o u s a r e a s [ J ] . J o u r n a l o f A r c h i t e c t u r ea n dC i v i l E n g i n e e r i n g , 2 0 0 7 , 2 4 ( 4 ) 4 5 4 9 . [ 1 0 ] 柴亚南. 煤矸石路基填料分级标准及沉降特性研究[ D ] . 西 安 长安大学, 2 0 1 3 . [ 1 1 ] 丁陈建. 采动场地残余变形特征及预测模型研究[ D ] . 徐州 中国矿业大学, 2 0 0 9 . 031