礦區采煤沉陷廢棄地農光互補研究與實踐

文 _ 楊海賓 攀枝花煤業（集團）有限責任公司

攀枝花市寶鼎礦區是四川省最大的煤礦工業區，資源儲量豐富。自20世紀60年代開發建設以來，已探明的儲量達8億t，分布在攀枝花市近200km2的范圍內。經過多年煤炭資源大量開采，因采空區沉陷引發的環境和社會問題也日益顯現，寶鼎礦區已形成采空沉陷廢棄地2500多畝。如何加強采煤沉陷區綜合治理，實現“建設新型礦山和農光互補示范區”的戰略目標，已成為擺在我們面前的一項重大任務。

1 寶鼎礦山沉陷區現狀及需要解決的主要問題

1.1 沉陷區現狀

煤炭作為攀鋼釩鈦基地戰略建設的配套資源，寶鼎礦區煤炭開采時間已有50多年，加之過去“先生產后生活”的開發模式已導致礦區地質采空面不斷擴大，地表水嚴重枯竭、地下水位下降，山體滑坡斷裂，地表沉陷，水土流失嚴重，危房戶不斷增加等問題（沉陷區地貌見圖1）。目前，采煤沉陷區面積已達140多km2，涉及住戶已達24634戶，共計7萬余人，占攀枝花市城市總人口的6.5%。

圖1 寶鼎礦山沉陷區地貌

按照“科學規劃、有序推進、精心組織、精心實施、先急后緩、全面治理”的原則，政府對寶鼎礦區采空沉陷區綜合治理進行了統一部署，解決采空區群眾居住和生活問題，同時也對沉陷區進行治理，為維護采煤沉陷區秩序和社會安定創造了基礎條件。

1.2 需要解決的主要問題

2005以來，國家及市政府用在采空沉陷區的治理工作上取得了一定成效，但由于沉陷區涉面廣、治理難度大，因此仍有許多問題需要進一步加以解決。

1.2.1 土地資源浪費大

大寶頂爛泥箐棚戶區和摩梭河采空沉陷區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代，這無疑是極大的浪費。

1.2.2 生態環境破壞嚴重

寶鼎礦山沉陷區雖然利用礦渣、煤矸石、挖土等進行了部分回填，但寶鼎礦區地質采空面大，地表水嚴重枯竭、地下水位下降、山體滑坡斷裂、水土流失嚴重，嚴重的影響生態環境。

1.2.3 治理資金不足

2007年10月，攀枝花開始以每噸20元的標準征收治理費，用于沉陷區的治理，取得了一定成效。但是，由于地方財力和企業用于沉陷區治理的資金嚴重不足、城市建設的歷史性欠賬較多、配套的政策措施嚴重滯后、渠道不廣，直接影響和制約沉陷區綜合治理的進度。

2 寶鼎礦山沉陷區農光互補

通過對寶鼎礦區的沉陷區的一系列調研了解到，該地區可利用土地資源較為豐富，并且有很好的太陽能資源。同時，《國務院關于促進光伏產業健康發展的若干意見》的頒布，推動了分布式光伏發電在眾多領域的應用，使我們看到了利用沉陷區治理與農光互補產業的美好前景。

2.1 農光互補總體規劃

農光互補是將太陽能光伏發電和農業種植相結合的一種技術，可以實現土地立體化增值利用，建設現代高效農業綜合經濟體。大寶鼎光伏電站將發展光伏發電、新能源與農業種養殖、治理采煤沉陷區相結合（圖2），對于探索采煤沉陷區生態修復、資源型城市能源發展方式轉變具有一定的推動作用。

圖2 農光互補總體平面圖

本項目利用大寶頂爛泥菁片區沉陷區廢棄地建設30MW（由18個標稱1.6MW和2個標稱1.0MW方陣組成）光伏發電系統,包括農光互補地面式光伏、農光互補大棚光伏陣列、單軸跟蹤式光伏。對光伏板下部及外圍區域的土地資源進行農業開發建設，建為“農業與光伏互補，種植與養殖循環結合，水土保持、生態修復與農業發展并重”“三位一體”的采空區可持續農業發展示范區。

2.2 30MWp分布式光伏發電

攀枝花地處四川西南部，光照資源豐富，日照時數6h的年平均天數達270d以上，平均太陽總輻射量為5600～6700MJ/m2·a，太陽總輻射量的分布以夏季最多，太陽能輻射年總量的平均絕對距平值為228MJ/m2·a，平均相對變率為3.8%。各季節典型日的日內輻射量變化見圖3。

圖3 攀枝花各季節典型日的日內輻射量變化曲線

由圖3可知，攀枝花氣象站夏季白晝最長時，6時開始有太陽輻射，20時輻射結束，日照長達15h。冬季白晝最短時8時開始有太陽輻射，18時輻射結束，日照時間11h。輻射量集中在9～16時，占全天輻射量的90%。是全國可開發利用太陽能最好的地區之一，在太陽能應用上具有非常優越的自然條件。

光伏發電首先是太陽能電池方陣通過串并聯方式接入直流防雷匯流箱，匯流箱輸出進入配電房直流配電柜內，由并網逆變器將直流轉變成50Hz/380V的交流電，再經交流配電系統后接入升壓變壓系統升壓至35kV，向電網輸送。本項目并網接入系統方案采用35kV中高壓并網，就近并入附近35kV變電站（圖4）。

圖4 光伏發電并網接線圖

2.2.1 光伏電池

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

2.2.2 光伏陣列運行方式

本項目利用寶鼎礦區爛泥箐閑置的沉陷土地資源，在原有的基礎上進一步治理，共劃分為4個區，從北向南依次為A、B、C、D區。

其中A區復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，坡度為15～50°。A區站址共分為小平單軸光伏區、大棚光伏區和普通農業光伏區（支架升高至最低點1.5m），三個區的容量分別為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°，經布置后容量約為15MW左右。

本期30MWp優先開發A區、C區下側和D區上側部分，B區、C區及D區余下部分為后期開發地塊。

本項目地處偏遠，且海拔較高，考慮到后期運行時平單軸方案的人工及設備的運行可靠性等因素，現階段主要采用固定式并搭配少部分平單軸建設方案，光伏支架固定，或隨季節不同調整支架傾角。

2.2.3 光伏電池方陣電池組件的串、并聯設計

①單晶硅太陽電池組件。本工程由18個標稱1.6MW和2個標稱1.0MW太陽電池方陣組成，全部采用單晶硅太陽電池組件。逆變器設計最高輸入電壓1100V，電池組件采用22片串聯的方式。②標稱1.6MW方陣由256串并聯支路形成；標稱1.0MW方陣136串并聯支路組成。③太陽電池矩陣的組件。1.6MW多晶硅太陽電池矩陣的組件數量5632塊（280Wp單晶硅），發電容1.57696MW（標稱容量為1.6MW）；1.0MW多晶硅太陽電池矩陣的組件數量2992塊（280Wp單晶硅），發電容量0.83776MWp（標稱容量為1.0MW），發電總容量：30.0608MWp（標稱容量為30MW）。

2.3 農業種植與養殖

項目對光伏板下部及外圍區域的土地資源進行農業開發建設，規劃面積549畝，建設為“農業與光伏互補，種植與養殖循環結合，水土保持、生態修復與農業發展并重”“三位一體”的采空區可持續農業發展示范區（圖5）。

農業開發范圍包括光伏板布置區域的光伏板下和板間、光伏板區域的邊坡及光伏板布置區域外（項目地紅線內），分別是肉牛養殖、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、植被恢復種植和邊坡生態治理、高效節水水源及田間管網工程7個項目。

養殖上設計優良的肉牛品種，所需的粗飼料完全靠項目區種植牧草解決，達到種養平衡。

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。牛糞便通過沼液池、化糞池處理后完全應用于牧草、蔬菜和食用菌種植需求，節約了肥料投入。

針對煤礦采空區的脆弱生態，在光伏板外圍區域設計混植新木豆和豬屎豆，在光伏板鋪設區域的邊坡種植何首烏。一是推進植被恢復、增加植被覆蓋，減少了項目區的地表蒸發、增加了水源涵養；二是保持了項目區域的水土，防止因水土流失造成光伏設施的損壞；三是適度有序的刈割新木豆和豬屎豆為肉牛養殖提供了飼料補充、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濟效益，同時其采挖不會破壞邊坡土壤結構的穩定。

同時項目采用高效節水灌溉技術和建設集雨窖等措施實施節水和雨養農業。

3 沉陷區農光互補產業化應用效果

攀枝花市寶鼎山30MWp分布式光伏發電規模化應用示范項目建設條件較好，對于改善攀枝花地區能源利用結構，提高企業綠色環保形象，推動社會經濟的可持續發展，都具有較好的經濟和社會效益。

3.1 經濟效益

本工程裝機容量為30MWp，平均每年可向當地提供約3953萬kWh的綠色電能。增加銷售收入3478.64萬元。平均每年利潤2000萬元左右。

圖5 種養循環結合線路圖

農業種植與養殖在完成項目投資后，10年預計實現產值5842.28萬元，獲得純利潤1346.83萬元。

3.2 社會效益

3.2.1 提高了沉陷區的深化治理及土地資源化

沉陷區治理是一項長期而漫長的任務，通過農光互補，既恢復土地使用功能，又有效地利用了閑置土地，同時對沉陷區進行了深化治理，恢復了生態環境，產生了經濟效益。

3.2.2 減少環境污染

按照火電標煤耗330g計算，30MWp光伏發電每年可節約標準煤約1.307萬t，減排二氧化碳3.398萬t、二氧化硫313.68t、氮氧化物91.49t。

3.2.3 提高企業綠色環保形象

農光互補的應用很好地優化了企業發展結構，合理地利用了自然資源，同時開發種植與養殖，強化了企業綠色環保形象。

3.2.4 國家能源戰略的重要體現

隨著石油煤炭等化石能源的大量利用開發，不可再生資源保有儲量越來越少，加快開發可再生新能源具有戰略意義。

3.2.5 對山地地貌下煤礦采空區廢棄地的綜合利用方法進行了探索和實踐。

4 結論

開展采空區沉陷治理與農光互補相結合，開辟了采煤沉陷區地質災害治理新路徑，也是太陽能光伏發電和農業種植相結合的新型產業模式。實現了土地立體化增值利用，不但深化治理了沉陷區帶來的環境問題，還利用了攀枝花豐富太陽能資源，實現了能源與農業、環境與發展、經濟與資源的協調發展，具有良好的經濟、社會和生態效益。

[1]歐先軍，孫金坤，范學梅.攀枝花地區綠色建筑適宜性技術選擇[J]，四川建筑，2014：34-5.

[2]文建國，張帆，虎海波，等.仁和區大寶鼎爛泥箐30MWP光伏項目A區農業開發利用設計[R].2017.