礦區(qū)采煤沉陷廢棄地農(nóng)光互補(bǔ)研究與實(shí)踐

文 _ 楊海賓 攀枝花煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司

攀枝花市寶鼎礦區(qū)是四川省最大的煤礦工業(yè)區(qū)，資源儲(chǔ)量豐富。自20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)建設(shè)以來(lái)，已探明的儲(chǔ)量達(dá)8億t，分布在攀枝花市近200km2的范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)多年煤炭資源大量開(kāi)采，因采空區(qū)沉陷引發(fā)的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題也日益顯現(xiàn)，寶鼎礦區(qū)已形成采空沉陷廢棄地2500多畝。如何加強(qiáng)采煤沉陷區(qū)綜合治理，實(shí)現(xiàn)“建設(shè)新型礦山和農(nóng)光互補(bǔ)示范區(qū)”的戰(zhàn)略目標(biāo)，已成為擺在我們面前的一項(xiàng)重大任務(wù)。

1 寶鼎礦山沉陷區(qū)現(xiàn)狀及需要解決的主要問(wèn)題

1.1 沉陷區(qū)現(xiàn)狀

煤炭作為攀鋼釩鈦基地戰(zhàn)略建設(shè)的配套資源，寶鼎礦區(qū)煤炭開(kāi)采時(shí)間已有50多年，加之過(guò)去“先生產(chǎn)后生活”的開(kāi)發(fā)模式已導(dǎo)致礦區(qū)地質(zhì)采空面不斷擴(kuò)大，地表水嚴(yán)重枯竭、地下水位下降，山體滑坡斷裂，地表沉陷，水土流失嚴(yán)重，危房戶不斷增加等問(wèn)題（沉陷區(qū)地貌見(jiàn)圖1）。目前，采煤沉陷區(qū)面積已達(dá)140多km2，涉及住戶已達(dá)24634戶，共計(jì)7萬(wàn)余人，占攀枝花市城市總?cè)丝诘?.5%。

圖1 寶鼎礦山沉陷區(qū)地貌

按照“科學(xué)規(guī)劃、有序推進(jìn)、精心組織、精心實(shí)施、先急后緩、全面治理”的原則，政府對(duì)寶鼎礦區(qū)采空沉陷區(qū)綜合治理進(jìn)行了統(tǒng)一部署，解決采空區(qū)群眾居住和生活問(wèn)題，同時(shí)也對(duì)沉陷區(qū)進(jìn)行治理，為維護(hù)采煤沉陷區(qū)秩序和社會(huì)安定創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

1.2 需要解決的主要問(wèn)題

2005以來(lái)，國(guó)家及市政府用在采空沉陷區(qū)的治理工作上取得了一定成效，但由于沉陷區(qū)涉面廣、治理難度大，因此仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步加以解決。

1.2.1 土地資源浪費(fèi)大

大寶頂爛泥箐棚戶區(qū)和摩梭河采空沉陷區(qū)的居民搬遷后留下約1400畝的廢棄用地。在如今土地資源稀缺的時(shí)代，這無(wú)疑是極大的浪費(fèi)。

1.2.2 生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重

寶鼎礦山沉陷區(qū)雖然利用礦渣、煤矸石、挖土等進(jìn)行了部分回填，但寶鼎礦區(qū)地質(zhì)采空面大，地表水嚴(yán)重枯竭、地下水位下降、山體滑坡斷裂、水土流失嚴(yán)重，嚴(yán)重的影響生態(tài)環(huán)境。

1.2.3 治理資金不足

2007年10月，攀枝花開(kāi)始以每噸20元的標(biāo)準(zhǔn)征收治理費(fèi)，用于沉陷區(qū)的治理，取得了一定成效。但是，由于地方財(cái)力和企業(yè)用于沉陷區(qū)治理的資金嚴(yán)重不足、城市建設(shè)的歷史性欠賬較多、配套的政策措施嚴(yán)重滯后、渠道不廣，直接影響和制約沉陷區(qū)綜合治理的進(jìn)度。

2 寶鼎礦山沉陷區(qū)農(nóng)光互補(bǔ)

通過(guò)對(duì)寶鼎礦區(qū)的沉陷區(qū)的一系列調(diào)研了解到，該地區(qū)可利用土地資源較為豐富，并且有很好的太陽(yáng)能資源。同時(shí)，《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)》的頒布，推動(dòng)了分布式光伏發(fā)電在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用，使我們看到了利用沉陷區(qū)治理與農(nóng)光互補(bǔ)產(chǎn)業(yè)的美好前景。

2.1 農(nóng)光互補(bǔ)總體規(guī)劃

農(nóng)光互補(bǔ)是將太陽(yáng)能光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)種植相結(jié)合的一種技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)土地立體化增值利用，建設(shè)現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)體。大寶鼎光伏電站將發(fā)展光伏發(fā)電、新能源與農(nóng)業(yè)種養(yǎng)殖、治理采煤沉陷區(qū)相結(jié)合（圖2），對(duì)于探索采煤沉陷區(qū)生態(tài)修復(fù)、資源型城市能源發(fā)展方式轉(zhuǎn)變具有一定的推動(dòng)作用。

圖2 農(nóng)光互補(bǔ)總體平面圖

本項(xiàng)目利用大寶頂爛泥菁片區(qū)沉陷區(qū)廢棄地建設(shè)30MW（由18個(gè)標(biāo)稱1.6MW和2個(gè)標(biāo)稱1.0MW方陣組成）光伏發(fā)電系統(tǒng),包括農(nóng)光互補(bǔ)地面式光伏、農(nóng)光互補(bǔ)大棚光伏陣列、單軸跟蹤式光伏。對(duì)光伏板下部及外圍區(qū)域的土地資源進(jìn)行農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)建設(shè)，建為“農(nóng)業(yè)與光伏互補(bǔ)，種植與養(yǎng)殖循環(huán)結(jié)合，水土保持、生態(tài)修復(fù)與農(nóng)業(yè)發(fā)展并重”“三位一體”的采空區(qū)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展示范區(qū)。

2.2 30MWp分布式光伏發(fā)電

攀枝花地處四川西南部，光照資源豐富，日照時(shí)數(shù)6h的年平均天數(shù)達(dá)270d以上，平均太陽(yáng)總輻射量為5600～6700MJ/m2·a，太陽(yáng)總輻射量的分布以夏季最多，太陽(yáng)能輻射年總量的平均絕對(duì)距平值為228MJ/m2·a，平均相對(duì)變率為3.8%。各季節(jié)典型日的日內(nèi)輻射量變化見(jiàn)圖3。

圖3 攀枝花各季節(jié)典型日的日內(nèi)輻射量變化曲線

由圖3可知，攀枝花氣象站夏季白晝最長(zhǎng)時(shí)，6時(shí)開(kāi)始有太陽(yáng)輻射，20時(shí)輻射結(jié)束，日照長(zhǎng)達(dá)15h。冬季白晝最短時(shí)8時(shí)開(kāi)始有太陽(yáng)輻射，18時(shí)輻射結(jié)束，日照時(shí)間11h。輻射量集中在9～16時(shí)，占全天輻射量的90%。是全國(guó)可開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能最好的地區(qū)之一，在太陽(yáng)能應(yīng)用上具有非常優(yōu)越的自然條件。

光伏發(fā)電首先是太陽(yáng)能電池方陣通過(guò)串并聯(lián)方式接入直流防雷匯流箱，匯流箱輸出進(jìn)入配電房直流配電柜內(nèi)，由并網(wǎng)逆變器將直流轉(zhuǎn)變成50Hz/380V的交流電，再經(jīng)交流配電系統(tǒng)后接入升壓變壓系統(tǒng)升壓至35kV，向電網(wǎng)輸送。本項(xiàng)目并網(wǎng)接入系統(tǒng)方案采用35kV中高壓并網(wǎng)，就近并入附近35kV變電站（圖4）。

圖4 光伏發(fā)電并網(wǎng)接線圖

2.2.1 光伏電池

目前晶體硅電池占光伏電池總量的93%，單晶硅比多晶硅轉(zhuǎn)換效率高。單晶硅電池單片光電轉(zhuǎn)換效率約為17%左右，比多晶硅光電轉(zhuǎn)換效率高約1%。本項(xiàng)目選用單晶硅光伏電池，容量為280Wp。

2.2.2 光伏陣列運(yùn)行方式

本項(xiàng)目利用寶鼎礦區(qū)爛泥箐閑置的沉陷土地資源，在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)一步治理，共劃分為4個(gè)區(qū)，從北向南依次為A、B、C、D區(qū)。

其中A區(qū)復(fù)墾為耕地和園地的總面積約為571.2畝，地形整體為東西坡趨勢(shì)，坡度為15～50°。A區(qū)站址共分為小平單軸光伏區(qū)、大棚光伏區(qū)和普通農(nóng)業(yè)光伏區(qū)（支架升高至最低點(diǎn)1.5m），三個(gè)區(qū)的容量分別為1MW、0.5MW及6.8MW。

B地塊約為201畝，地形整體為南北坡，坡度為15～40°，最終布置容量約為5MW。

C地塊約為580.95畝，地形整體為西北-東南坡，坡度約為15～30°，場(chǎng)地地形地貌條件為整體四塊地整體性較好，且布置較集中，交通條件較好，經(jīng)布置后，容量約為25MW。

D地塊約為370畝，地形坡向與C地塊一致，坡度約為15～40°，經(jīng)布置后容量約為15MW左右。

本期30MWp優(yōu)先開(kāi)發(fā)A區(qū)、C區(qū)下側(cè)和D區(qū)上側(cè)部分，B區(qū)、C區(qū)及D區(qū)余下部分為后期開(kāi)發(fā)地塊。

本項(xiàng)目地處偏遠(yuǎn)，且海拔較高，考慮到后期運(yùn)行時(shí)平單軸方案的人工及設(shè)備的運(yùn)行可靠性等因素，現(xiàn)階段主要采用固定式并搭配少部分平單軸建設(shè)方案，光伏支架固定，或隨季節(jié)不同調(diào)整支架傾角。

2.2.3 光伏電池方陣電池組件的串、并聯(lián)設(shè)計(jì)

①單晶硅太陽(yáng)電池組件。本工程由18個(gè)標(biāo)稱1.6MW和2個(gè)標(biāo)稱1.0MW太陽(yáng)電池方陣組成，全部采用單晶硅太陽(yáng)電池組件。逆變器設(shè)計(jì)最高輸入電壓1100V，電池組件采用22片串聯(lián)的方式。②標(biāo)稱1.6MW方陣由256串并聯(lián)支路形成；標(biāo)稱1.0MW方陣136串并聯(lián)支路組成。③太陽(yáng)電池矩陣的組件。1.6MW多晶硅太陽(yáng)電池矩陣的組件數(shù)量5632塊（280Wp單晶硅），發(fā)電容1.57696MW（標(biāo)稱容量為1.6MW）；1.0MW多晶硅太陽(yáng)電池矩陣的組件數(shù)量2992塊（280Wp單晶硅），發(fā)電容量0.83776MWp（標(biāo)稱容量為1.0MW），發(fā)電總?cè)萘浚?0.0608MWp（標(biāo)稱容量為30MW）。

2.3 農(nóng)業(yè)種植與養(yǎng)殖

項(xiàng)目對(duì)光伏板下部及外圍區(qū)域的土地資源進(jìn)行農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)建設(shè)，規(guī)劃面積549畝，建設(shè)為“農(nóng)業(yè)與光伏互補(bǔ)，種植與養(yǎng)殖循環(huán)結(jié)合，水土保持、生態(tài)修復(fù)與農(nóng)業(yè)發(fā)展并重”“三位一體”的采空區(qū)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展示范區(qū)（圖5）。

農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)范圍包括光伏板布置區(qū)域的光伏板下和板間、光伏板區(qū)域的邊坡及光伏板布置區(qū)域外（項(xiàng)目地紅線內(nèi)），分別是肉牛養(yǎng)殖、紫花苜蓿光草種植模式、皇竹草種植、光蔬模式種植和光菌種植模式、植被恢復(fù)種植和邊坡生態(tài)治理、高效節(jié)水水源及田間管網(wǎng)工程7個(gè)項(xiàng)目。

養(yǎng)殖上設(shè)計(jì)優(yōu)良的肉牛品種，所需的粗飼料完全靠項(xiàng)目區(qū)種植牧草解決，達(dá)到種養(yǎng)平衡。

牧草品種選擇種植耐旱、耐瘠薄的豆科牧草紫花苜蓿、新木豆、豬屎豆和禾本科牧草皇竹草，供給肉牛養(yǎng)殖所需的搭配飼草。

種植耐旱、耐陰蔬菜“紫背天葵”和高效益的食用菌。牛糞便通過(guò)沼液池、化糞池處理后完全應(yīng)用于牧草、蔬菜和食用菌種植需求，節(jié)約了肥料投入。

針對(duì)煤礦采空區(qū)的脆弱生態(tài)，在光伏板外圍區(qū)域設(shè)計(jì)混植新木豆和豬屎豆，在光伏板鋪設(shè)區(qū)域的邊坡種植何首烏。一是推進(jìn)植被恢復(fù)、增加植被覆蓋，減少了項(xiàng)目區(qū)的地表蒸發(fā)、增加了水源涵養(yǎng)；二是保持了項(xiàng)目區(qū)域的水土，防止因水土流失造成光伏設(shè)施的損壞；三是適度有序的刈割新木豆和豬屎豆為肉牛養(yǎng)殖提供了飼料補(bǔ)充、多余牧草部分可以出售；四是何首烏成熟后可以采收獲得經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)其采挖不會(huì)破壞邊坡土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

同時(shí)項(xiàng)目采用高效節(jié)水灌溉技術(shù)和建設(shè)集雨窖等措施實(shí)施節(jié)水和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。

3 沉陷區(qū)農(nóng)光互補(bǔ)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用效果

攀枝花市寶鼎山30MWp分布式光伏發(fā)電規(guī)?；瘧?yīng)用示范項(xiàng)目建設(shè)條件較好，對(duì)于改善攀枝花地區(qū)能源利用結(jié)構(gòu)，提高企業(yè)綠色環(huán)保形象，推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，都具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

本工程裝機(jī)容量為30MWp，平均每年可向當(dāng)?shù)靥峁┘s3953萬(wàn)kWh的綠色電能。增加銷售收入3478.64萬(wàn)元。平均每年利潤(rùn)2000萬(wàn)元左右。

圖5 種養(yǎng)循環(huán)結(jié)合線路圖

農(nóng)業(yè)種植與養(yǎng)殖在完成項(xiàng)目投資后，10年預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值5842.28萬(wàn)元，獲得純利潤(rùn)1346.83萬(wàn)元。

3.2 社會(huì)效益

3.2.1 提高了沉陷區(qū)的深化治理及土地資源化

沉陷區(qū)治理是一項(xiàng)長(zhǎng)期而漫長(zhǎng)的任務(wù)，通過(guò)農(nóng)光互補(bǔ)，既恢復(fù)土地使用功能，又有效地利用了閑置土地，同時(shí)對(duì)沉陷區(qū)進(jìn)行了深化治理，恢復(fù)了生態(tài)環(huán)境，產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.2 減少環(huán)境污染

按照火電標(biāo)煤耗330g計(jì)算，30MWp光伏發(fā)電每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1.307萬(wàn)t，減排二氧化碳3.398萬(wàn)t、二氧化硫313.68t、氮氧化物91.49t。

3.2.3 提高企業(yè)綠色環(huán)保形象

農(nóng)光互補(bǔ)的應(yīng)用很好地優(yōu)化了企業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)，合理地利用了自然資源，同時(shí)開(kāi)發(fā)種植與養(yǎng)殖，強(qiáng)化了企業(yè)綠色環(huán)保形象。

3.2.4 國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要體現(xiàn)

隨著石油煤炭等化石能源的大量利用開(kāi)發(fā)，不可再生資源保有儲(chǔ)量越來(lái)越少，加快開(kāi)發(fā)可再生新能源具有戰(zhàn)略意義。

3.2.5 對(duì)山地地貌下煤礦采空區(qū)廢棄地的綜合利用方法進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

4 結(jié)論

開(kāi)展采空區(qū)沉陷治理與農(nóng)光互補(bǔ)相結(jié)合，開(kāi)辟了采煤沉陷區(qū)地質(zhì)災(zāi)害治理新路徑，也是太陽(yáng)能光伏發(fā)電和農(nóng)業(yè)種植相結(jié)合的新型產(chǎn)業(yè)模式。實(shí)現(xiàn)了土地立體化增值利用，不但深化治理了沉陷區(qū)帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，還利用了攀枝花豐富太陽(yáng)能資源，實(shí)現(xiàn)了能源與農(nóng)業(yè)、環(huán)境與發(fā)展、經(jīng)濟(jì)與資源的協(xié)調(diào)發(fā)展，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。

[1]歐先軍，孫金坤，范學(xué)梅.攀枝花地區(qū)綠色建筑適宜性技術(shù)選擇[J]，四川建筑，2014：34-5.

[2]文建國(guó)，張帆，虎海波，等.仁和區(qū)大寶鼎爛泥箐30MWP光伏項(xiàng)目A區(qū)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)利用設(shè)計(jì)[R].2017.