淺談農業(yè)光伏建設項目綜合治理荊門石膏礦采空區(qū)

祝 軍， 陳海波

(湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州 434020)

荊門市轄區(qū)石膏礦產(chǎn)資源豐富，開采歷史較早，長期開采形成大范圍的采空區(qū)。由于治理工程費用巨大，治理資金短缺，荊門市采空區(qū)基本未進行工程治理，土地利用率較低。筆者由山西省大同市沉陷土地建設光伏電站得以啟發(fā)，利用“農業(yè)+光伏”的工程項目(措施)，結合采空塌陷地質災害治理工程，淺談荊門石膏礦采空區(qū)綜合治理方法與應用。

1 自然環(huán)境概況

1.1 自然地理與氣候

荊門市地處荊山山脈之南東余脈與漢江平原過渡帶，屬構造剝蝕低丘崗地地貌。區(qū)內地層主要由第四系殘坡積及下第三系紅層組成，由于巖石抗風化能力差，風化剝蝕強烈，殘坡積土發(fā)育，地形相對平坦，山頂渾圓，坡度5°～10°。地表植被較發(fā)育，主要以旱地農作物為主，少量林地及荒草地。

荊門市氣候為北亞熱帶季風氣候，四季分明，年平均氣溫15.9 ℃，雨量充沛，陽光充足，年輻射總量在4 180～5 016 MJ/m2·a之間，全年(2018年)日照時數(shù)1 759.2 h，按國家太陽能資源(總輻射)等級劃分標準(GB/T 31155—2014)劃分，屬三類區(qū)域。

1.2 工程地質條件

區(qū)內含礦巖系為白堊系上統(tǒng)跑馬崗組革集亞組，分為石膏山段和橋坡段兩個巖性段，主要由泥膏、薄層纖膏、含膏泥巖、泥質粉砂巖及石膏質泥巖等相間組成。巖(礦)層呈層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀平緩，穩(wěn)定性、連續(xù)性較好，厚度、含礦率變化小。工程地質巖組為層狀軟質—半堅硬軟硬相間碎屑巖組。巖(礦)石抗壓強度均低于30 MPa，工程地質條件較復雜[1]。

2 荊門石膏礦采空塌陷特征及發(fā)展趨勢

2.1 采空區(qū)特征

(1) 分布范圍。荊門市石膏礦區(qū)由北向南，分布在東寶區(qū)子陵鎮(zhèn)、掇刀區(qū)白廟街辦革集、掇刀區(qū)麻城鎮(zhèn)三個礦段，礦區(qū)總面積約為42.89 km2，區(qū)內礦山開采企業(yè)24家。這些礦山企業(yè)主要以淺孔房柱法開采，先后于2009—2018年關閉停產(chǎn)。通過幾十年的地下開采，形成采空區(qū)面積約11.95 km2(圖1),其外圍預測的塌陷影響范圍面積約0.12 km2。

(2) 形態(tài)特征。采空區(qū)空間形態(tài)受區(qū)內單斜構造及礦床沉積形態(tài)控制，呈層狀、似層狀產(chǎn)出[2]。由于礦層總厚度及工業(yè)礦層累計厚度由北向南變薄，埋深由北向南變深，采空層亦形成相近的立體空間形態(tài)。由于采空層埋藏深淺不同，采空區(qū)分為北部淺埋采空區(qū)和南部深埋采空區(qū)。北部的子陵礦段采空層埋深一般在30～50 m,向南延伸至麻城礦段，采空層埋深已達70～140 m。革集—子陵礦段內平均開采厚度較大，一般為6.6～9.0 m[3]，麻城礦段內平均開采厚度較小，一般為0.7～5.25 m。各采空層礦柱尺寸一般在4.3 m×5.9 m～8.1 m×5.6 m，礦柱間距一般在7.5 m×6.0 m～9.0 m×7.0 m，且采空層一般為單層或雙層，少量為三層。

圖1 中心城區(qū)采空區(qū)分布圖Fig.1 Distribution of goaf in central urban area1.中心城區(qū)范圍線；2.石膏礦采空區(qū)；3.采空區(qū)塌陷影響范圍。

2.2 采空塌陷特征

截至2018年底，荊門中心城區(qū)各礦區(qū)累計發(fā)生地面塌陷近百次，塌陷總面積約3.854 km2。塌陷集中分布在東寶區(qū)的子陵鋪鎮(zhèn)和掇刀區(qū)的白廟街辦—麻城鋪一帶，造成直接經(jīng)濟損失過億元。

采空區(qū)地面塌陷可分為切冒型和拱冒型兩類，切冒型形成“深坑式”地面塌陷，拱冒型形成“鍋底形”地面塌陷(圖2、圖3)。在采高相差不大的情況下，子陵鋪、白廟街辦等北部淺埋區(qū)變形比南部麻城區(qū)更為突出，形成“深坑式”地面塌陷，而南部麻城埋深較大的采空區(qū)地面塌陷面積較大，變形模式相對柔和，呈“鍋底形”內傾漸變式發(fā)育。

圖2 切冒型地面塌陷Fig.2 Cutting and caving ground collapse

圖3 拱冒型地面塌陷Fig.3 Collapse of arched ground

根據(jù)塌陷坑地表變形及形態(tài)特征，塌陷區(qū)可分為局部變形區(qū)和大范圍變形區(qū)。切冒型變形范圍一般較小，屬局部變形破壞區(qū)，拱冒型變形范圍一般較大，地表出現(xiàn)有拉裂、傾斜、跌落等多項變形特征，其變形規(guī)模遠大于切冒型地面塌陷，地表拉裂縫以弧形、環(huán)形為主，外圍裂縫在發(fā)育長度、寬度及垂直位移量上都明顯大于切冒型[4]。

2.3 采空塌陷發(fā)展趨勢

子陵鋪和白廟淺埋區(qū)發(fā)生地面塌陷變形的可能性較大，但采空區(qū)形成規(guī)模有限，預測北部礦區(qū)采空區(qū)域變形將以小面積的地面塌陷為主。

麻城鋪深埋采空區(qū)隨著人類活動的加強，對采空區(qū)頂板的外在荷載增加及地下水的滲透，造成石膏礦柱受到侵蝕，其支撐作用大大降低，預測地面塌陷災害發(fā)生的危險性將加劇，發(fā)生拱冒型地面塌陷的地質災害的可能性較高。

3 采空區(qū)治理現(xiàn)狀

3.1 國內外采空區(qū)治理技術

目前國內外采空區(qū)治理技術主要有支撐、充填、崩落和封閉四種基本類型，以及其衍生的聯(lián)合法。

3.1.1支撐法

支撐法是留存永久礦柱或構筑人工石柱支撐采空區(qū)的治理方法，適用于緩傾斜薄—中厚以下的礦體，以及用房柱法、全面法回采的礦體，其頂板相當穩(wěn)固，地表允許冒落。支撐法是處理采空區(qū)的臨時方法，只能暫時性的減緩地表沉降，并不能永久加固采空區(qū)。

3.1.2充填法

充填法指通過車輛運輸或管道，輸送廢石或濕式充填材料充填采空區(qū)，對采空區(qū)進行加固處理，使整個采空區(qū)頂板巖體恢復為接近原始巖體的狀態(tài),減小開采后采空區(qū)頂板破碎巖體的移動和變形。

3.1.3崩落法

崩落法指對采空區(qū)進行放頂處理，利用巖石爆破后發(fā)生松動體積擴大的原理，填滿采空區(qū)，形成對采空區(qū)上方頂板巖石支撐作用的緩沖保護墊層，以防止采空區(qū)內大量巖石突然冒落所造成的危害。

3.1.4封閉法

封閉隔離法就是用封閉和隔離的手段處理采空場。該方法是一種經(jīng)濟、簡便的處理方法，適用于處理孤立小礦體開采后形成的采空場、端部礦體開采后形成的采空場和需繼續(xù)回采的大礦體上部的采空場。

3.1.5聯(lián)合法

聯(lián)合法是在上述幾種方法中選取兩種或兩種以上的方法用于采空區(qū)治理。由于各種基本方法均存在著局限性，所以聯(lián)合法應運而生，目前應用比較廣泛的聯(lián)合法有支撐充填法、支撐片落法、礦房崩落充填法等。

3.2 荊門石膏礦采空區(qū)治理現(xiàn)狀及方法

3.2.1荊門石膏礦采空區(qū)治理方法及案例

近年來，荊門市原國土部門針對采空治理區(qū)主要選取3種防治工程方案進行治理——方案一采用地表灌漿封閉法+監(jiān)測；方案二采用采空區(qū)強制崩落+監(jiān)測；方案三為采空區(qū)充填+監(jiān)測。分別舉例如下：

(1) 案例一。2007年荊門龍源石膏礦區(qū)地質環(huán)境恢復治理工程。該礦山位于子陵鋪采空區(qū)，礦區(qū)建設始于1958年，由于缺乏規(guī)范開采管理，礦坑充水，部分采空區(qū)已塌陷，無法進入井下開展治理工作，僅能選用地表封閉治理方法。治理方法由農田復墾、裂縫灌漿回填等工程組成，一定程度上改善了礦山地質環(huán)境，然而采空區(qū)內地面塌陷仍存在殘余變形特點，所以該工程采用的地表治理方法，治標不能治本，治理效果不是十分理想。

(2) 案例二。2010年6月17日荊花石膏礦對5 000 m2老采空區(qū)成功進行了人工強制放頂，即崩落法處置。荊花石膏礦位于白廟花竹村采空區(qū)，1989年5月投入生產(chǎn)。由于該礦進行長期變形監(jiān)測， 2010年6月4日發(fā)現(xiàn)明顯頂板來壓和沉降前兆，6月17日進行了爆破崩落治理。此方法未造成任何人員傷亡和設備損失，但采空區(qū)地表整體下陷，下陷面積2 500 m2，最大下沉深度0.5 m，地表破壞較嚴重。該方法雖然施工簡單，較經(jīng)濟，但仍有其局限性：①損壞了地表設施，破壞了“綠水青山”的原生環(huán)境;②采空區(qū)的巖土由于受爆破破壞，巖土存在不均勻沉降，其沉降周期較長，暫時不能做城市建設用地使用，土地空置時間過長。

(3) 案例三。2010年10月荊門市委托中國科學院武漢巖土力學研究所，對荊花石膏礦采空區(qū)地質災害治理項目進行可行性分析，經(jīng)過勘查、綜合分析及防治工程方案比選，計劃采用充填法和崩落法相結合的方法進行治理，治理費用達4 282萬元[6]。終因治理費用過高，該礦區(qū)采空區(qū)僅局部治理，未能完全治理。

3.2.2荊門采空區(qū)治理方法評述

上述3種方案治理費用相差較大，地表灌漿封閉法主要存在施工工藝復雜、施工質量難以控制，但經(jīng)濟快效，治理成本相對較低；強制崩落法主要存在施工安全系數(shù)差、爆破造成環(huán)境破壞污染以及不利于土地高價值利用等問題，治理成本相對較低；采空區(qū)充填法優(yōu)點是施工相對簡單、安全性高、施工工藝成熟、施工易于管理、治理效果較好，缺點是灌漿治理工程量較大、治理成本高。

綜上所述，選取一種技術上可行、經(jīng)濟上合理，又能滿足項目建設要求的采空區(qū)治理方法，是荊門市石膏礦采空區(qū)治理的關鍵。由此，對利用“農業(yè)+光伏”工程項目綜合治理采空區(qū)進行方法探討。

4 利用農業(yè)光伏建設綜合治理石膏礦采空區(qū)探討

4.1 子陵鎮(zhèn)50 kW光伏治理案例

該項目是荊門市光伏發(fā)電扶貧工程，位于荊門子陵石膏礦區(qū)北側緣金榜村(照片1)。光伏電站規(guī)劃建設容量為50.18 kW，項目共選用193塊峰值功率為260 W的多晶硅光伏組件、1臺33 kW和1臺17 kW并網(wǎng)逆變器，于2016年4月并網(wǎng)發(fā)電，參照2007年9月14日由國家氣象局審核通過的《太陽能資源評估方法》，荊門全年日照時數(shù)1 759.2 h，預估本電站每年發(fā)電60 000度，年收益為70 000元，每年減少7 500 kg煤資源使用，工程靜態(tài)投資40萬元，25年總收益約為175萬元，預計5- 6年回本。項目投入少、收益大，綠色環(huán)保，提高了礦山土地附加值。

照片1 金榜村50 kW光伏發(fā)電示范項目Photo 1 50 kW photovoltaic power generation demonstrationproject in Jinbang Village

照片2 麻城鎮(zhèn)板廟村牧場Photo 2 Ranch of Banmiao Village Macheng Town

4.2 麻城鎮(zhèn)采空區(qū)治理案例

荊門華中農業(yè)開發(fā)有限公司位于荊門市掇刀區(qū)麻城鎮(zhèn)采空區(qū)(照片2)，公司成立于2011年5月，注冊資金1 000萬元，是一家綠色肉牛養(yǎng)殖及銷售、食用菌種植及銷售、秸稈飼料加工及銷售的省級農業(yè)龍頭企業(yè)。公司投資5 000萬元已建成標準化牛舍13棟，建成標準化食用菌種植基地30 000 m2，建成600 m3沼氣池，并配套建設了200 hm2的放牧場。目前已形成“秸稈養(yǎng)牛—牛糞種菇(沼氣)—菇廢料(沼渣、沼液)還田”的生態(tài)循環(huán)鏈條。項目區(qū)內地形平緩，牧草資源豐富，為天然良好牧場，退耕還牧，減少區(qū)內的人工擾動。

4.3 農業(yè)光伏治理采空區(qū)的啟示

山西省大同市作為典型的煤炭資源型城市，存在大面積的采煤沉陷區(qū)，并具有豐富的太陽能資源。為此，大同市政府率先在采煤沉陷區(qū)上建設光伏示范基地。該基地第一期光伏電站建設規(guī)模100萬千瓦，并已投產(chǎn)發(fā)電，實現(xiàn)了采煤沉陷區(qū)產(chǎn)業(yè)化綜合治理，解決離地農民生活問題與生態(tài)環(huán)境治理難題。大同市與荊門市有著相似性，同樣為能源轉型性城市，同樣有采空塌陷地質災害，所以建議在荊門采空區(qū)實施“農光結合+監(jiān)測預警”的綜合治理手段，可解決采空區(qū)治理和提高土地利用率的問題。

4.4 采空區(qū)治理初步方案

以荊花石膏礦采空區(qū)為例，進行治理方案探討。荊花石膏礦采空區(qū)距地面垂深70～150 m，約面積20×104m2，已采用崩落法、充填法治理采空區(qū)面積約7.32×104m2，未治理的采空區(qū)面積約12.68×104m2，引發(fā)地質災害的可能性大，采空區(qū)的治理及地質環(huán)境恢復治理難度較大。

4.4.1崩落法方案

根據(jù)中國科學院武漢巖土力學研究所預算，荊花石膏礦采空區(qū)采用崩落法治理采空區(qū)，勘察設計、爆破、地面恢復治理、安全監(jiān)測與維護等治理費用共約1 458萬元。

4.4.2充填法方案

充填法是從坑內外通過車輛(或管道)輸送充填材料送入采空區(qū)，將采空區(qū)充填密實得以消除采空區(qū)。根據(jù)荊花石膏礦采空區(qū)特征，擬采用鉆孔注砂充填治理。治理工程由勘察設計、鉆孔成孔、砂漿充填施工等，工程投資概算共約9 817萬元。

4.4.3農業(yè)光伏綜合治理支撐充填聯(lián)合法方案

(1) 方案簡述。該方案是利用“農業(yè)+分布式光伏”建設項目，根據(jù)荷載輕(設備質量12～18 kg/m2)、基礎處理要求不高等工程特點，專門設計樁式基礎，實施支撐充填聯(lián)合法，具體應用點式灌注法[7]施工，以達到采空區(qū)治理的目的。該方法是以樁形式坐于最底層的采空層底板處，地表縱橫修建水平格構梁，使覆巖及采空區(qū)周圍的原始礦體共同構建出一個框架結構，依托此框架結構的穩(wěn)定，來達到防止地表下沉的目的。

根據(jù)農業(yè)光伏建筑物荷載和采空層頂板上覆巖層的質量，設計灌注點的密度及強度。灌注孔口徑250 ～ 300 mm,灌注材料多為混凝土、砂漿，用泵送法灌入砼后，壓入砂漿。漿液擴散半徑約5 m左右。遇采空層也可采用預制樁，直接穿過采空層，坐于底板處。

(2) 經(jīng)濟概算。①地表農業(yè)光伏費用。根據(jù)采空區(qū)面積，設定建設總裝機容量為5 mW的電站，布置5個光伏發(fā)電單元，每個單元設2臺500 kW并網(wǎng)逆變器和1臺1 000 kW升壓變壓器，多晶硅光伏組件功率為260 W，以兩回35 kV電纜饋線線路送入管理區(qū)實施操作與監(jiān)控。管理區(qū)及進站道路用地面積約2 000 m2，可充分利用采空區(qū)外圍的采空塌陷影響區(qū)土地，設計單層生產(chǎn)房屋和綜合房屋各一座。項目采用分區(qū)發(fā)電、集中并網(wǎng)方式，光伏陣列所發(fā)電能經(jīng)過開閉站匯流后，以35 kV電壓等級送入荊門市電網(wǎng)。其設備購置費、安裝工程費等，地表農業(yè)光伏費用概算為5 456.42萬元。

②治理費用。荊花石膏礦未治理的采空區(qū)面積約為12.68×104m2，若完全充填則所需鉆孔量為126 757/78.5=1 615個孔。由于選用了自重輕、跨度大、鋼性好的光伏支架，其樁基礎間距40 m即可。計算注砂孔鉆孔404個，參照全充填法治理方案，所得治理費用概算為2 653萬元。

綜合上述，農業(yè)光伏電站投資概算為5 456.42萬元，荊花石膏礦采空區(qū)點式灌注治理費用共約2 653萬元，總計8 109.42萬元。農業(yè)光伏項目主要為農業(yè)與光伏項目的結合，不僅有優(yōu)惠的政策支持，還有巨大的資金支持，僅光伏發(fā)電站項目只須6-7年即可收回成本。“棚頂發(fā)電，棚下種植、養(yǎng)殖”的農業(yè)光伏項目新模式，不需要征收大面積土地，節(jié)約了土地資源，大大減少了項目建設用地的費用。同時，項目在采空區(qū)內的建設，可以充分利用現(xiàn)有的地質資料，節(jié)省勘察費，還能充分利用國土部門對采空塌陷治理的資金及成果，解決基礎的工程費用。

4.5 采空區(qū)治理方案比較

4.5.1成本比較

由上述三種方案的投資概算可以看出：充填方案造價最為昂貴，初步概算為9 817萬元；崩落法方案最為經(jīng)濟，初步概算為1 458萬元；而結合農業(yè)光伏項目所使用的綜合治理方法(支撐充填聯(lián)合方法)，價格處于二者之間，初步概算為8 109.42萬元，而實際用于采空區(qū)治理的費用僅為2 653萬元。綜合考慮采空區(qū)的治理成本和采空區(qū)影響范圍內的土地價值，認為綜合治理方案在經(jīng)濟上是可行的。

4.5.2施工安全性比較

采用充填法處理不需要進入采空區(qū)，施工安全性最高；崩落法的施工則不得不進入年度久遠、安全性較差的采空區(qū)，其施工安全系數(shù)最低；采用支撐充填聯(lián)合方法處理避免了在危險采空區(qū)進行崩落施工的情況，施工安全性較高。由此可知，采用較經(jīng)濟的支撐充填聯(lián)合方法在安全性上占有較明顯的優(yōu)勢。

4.5.3治理效果和效益比較

據(jù)以往經(jīng)驗，采用充填法處理采空區(qū)以后，采空區(qū)上覆巖層的變形較小，對地表地基的損傷較小，處理后的土地用作工業(yè)或者建筑用地的地基處理費用較少；采用崩落法處理采空區(qū)會引起上覆蓋巖層的較大變形，對地表地基的損傷較大，處理后的土地用作工業(yè)或者建筑用地的地基處理費用最多；采用綜合治理方法(支撐充填聯(lián)合法)處理費用適中，且農業(yè)光伏將產(chǎn)生無限經(jīng)濟價值。農業(yè)與光伏項目的國家?guī)头隽Χ染薮螅r業(yè)基本上當年投入當年就有成本回報，而光伏發(fā)電站項目只須6-7年即可收回成本，并產(chǎn)生有巨大的經(jīng)濟效益。“棚頂發(fā)電，棚下種植、養(yǎng)殖”的“農業(yè)光伏+治理”新模式(照片3)，不僅很好的節(jié)約、利用了土地資源，還起到綜合治理采空區(qū)的作用。

綜上所述，上述三種采空區(qū)處理方案在技術上都是可行的，但是完全采用充填法存在處理費用高的問題，完全采用崩落法又存在施工安全性低等缺點，為了保證施工的安全性、經(jīng)濟性，并考慮到治理效果，認為荊花石膏礦采空區(qū)采用綜合治理方案下的支撐充填聯(lián)合法進行處理更符合實際需要。

照片3 農業(yè)光伏大棚Photo 3 Agriculture photovoltaic greenhouse

5 結論

荊門市石膏礦采空區(qū)地形相對平坦，太陽能資源豐富，自然條件較好。采空區(qū)總面積11.95 km2，地面塌陷地質災害較發(fā)育，塌陷面積約3.854 km2。預測北部礦區(qū)采空區(qū)域變形，將以小面積地面塌陷為主；南部礦區(qū)采空區(qū)發(fā)生拱冒型地面塌陷的地質災害可能性較高。荊門市采空區(qū)治理方法多采用封閉法、崩落法、充填法等方法，總體上來講，治理工程的費用高、難度大。

利用荊門市良好的自然資源建設“農業(yè)+光伏”項目，同時結合該項目進行采空區(qū)的綜合治理，能起到事半功倍作用。通過相關案例分析及荊花石膏礦采空區(qū)的治理方案探討，認為：根據(jù)農業(yè)光伏工程建(構)筑物荷載輕、地基條件要求不高之特點，選擇支撐充填聯(lián)合法處理地基，其成本遠遠小于常規(guī)的充填(注漿)法，施工安全性優(yōu)于崩落法，即經(jīng)濟又可行。“棚頂發(fā)電，棚下種植、養(yǎng)殖”的“農業(yè)光伏+治理”新模式治理采空區(qū)，對于探索采空區(qū)生態(tài)修復、資源型城市的能源發(fā)展方式轉變有較大推動作用，可提高土地利用率，使采空區(qū)內人民安居樂業(yè)，即有經(jīng)濟效益，又有社會效益。