陜北地區光伏發電與采煤沉陷區的綜合治理分析

熊光東，宋培柱，譚紹鑫，張 坤

（湖北能源集團西北新能源發展有限公司，西安 710075）

采煤沉陷區的恢復治理關系到礦區的可持續發展，是陜北地區面臨的一個難題。采煤沉陷產生地表裂縫，導致導水裂隙帶破壞，地表含水層水位下降，淺層含水量降低，對脆弱地表生態環境造成破壞。有必要分析沉陷區裂縫產生及發育規律，結合光伏布置，治理沉陷區裂縫，優化沉陷區治理方案，有效利用當地閑置土地和優質太陽能資源，減少地表水分蒸發，并進行植被恢復，改善生態環境，為采煤沉陷區的綜合利用與可持續發展提供參考。

1 沉陷裂縫發育特征

采煤沉陷區地表變形可分為三部分，主要發生在開采過程中。一是開采過程中隨開采空間變化而產生的變形；二是停止開采后至穩定的剩余變形；三是穩定沉陷后的地表殘余變形。地表變形表現為沉陷裂縫，煤層、巖體埋深越小，淺層裂隙發育越顯著，傳至地表產生的裂縫越明顯。而煤層、巖體埋深越大，采煤擾動對巖體的破壞傳至地表產生的裂縫越少。沉陷區裂縫按照發育狀況可分為永久性裂縫和動態裂縫[1]。巖體或煤層內部穩定，應力結構不再繼續變化，裂縫不再變化，即永久性裂縫。永久性裂縫一般位于礦區采空沉陷區的穩定區域和基本穩定區域。由于后續煤層開采，巖層發育、運動，動態裂縫的寬度與深度發生變化。動態裂縫基本位于采煤沉陷區的不穩定區域。采煤沉陷產生的地表裂縫具有多種形態，一般表現為地表破碎展布式裂縫、地表撕裂式裂縫、地表下沉式裂縫及地表塌陷式裂縫等形態[2]，如圖1所示。

圖1 地表裂縫形態

2 沉陷裂縫的危害

礦區地表受采煤擾動影響，易造成裂縫發育、塌陷下沉，導致導水裂隙帶破壞，地表潛水層、含水層水位下降，淺層地表含水率顯著降低[3]。如圖1所示，地表塌陷式裂縫因淺層水流失，地表植被干枯。首先，土壤結構撕裂受損，產生裂縫，土壤水分運移中斷，在干旱、高溫及風力侵蝕影響下，土壤中水分進一步蒸發，導致表層土壤水分損失且無法恢復。其次，裂縫的產生使得地表土壤黏性顆粒進一步減少，砂性顆粒增多，碳、氮、磷的損失加劇，有機質含量降低。地表沉陷與裂縫發育阻斷了植被根系，植被之間的水分運移受阻，地表植被被破壞，地表沙化。由于地表含水率、土壤有機質降低及植被破壞，土壤微生物豐度及群落結構多樣性發生變化。

3 沉陷區的治理

針對上述情況，應對采空沉陷區進行治理。采空沉陷區的治理堅持“治理-恢復-穩定-利用”的長效綜合方針，通過政策引導和產業推動，走科學利用之路。針對礦區地表的沉陷裂縫和脆弱生態，要對沉陷裂縫進行治理，結合光伏布置，推進地表修復，進行植被恢復，基本技術路線為裂縫治理→布置光伏→植被建設。

3.1 裂縫治理

裂縫一般采用三步法進行綜合治理，即削坡清理→深部填充→表層覆土[2]，如圖2所示。削坡清理是指對裂縫邊緣進行適當削坡、清理減載，將清理的堆積物放至淺溝、洼地等部分進行平整，并對地表裂縫兩側各0.3～0.5 m 的表土進行剝離備用。深部填充是指選取填充裂縫所需的土方、碎石等材料，對裂縫區深部進行填充，填至裂縫距地表0.8～1.2 m時，要分層碾實。表層覆土是指裂縫區回填至距頂部0.3～0.4 m，將原先剝離的備用土與伴有生物肥料、本地種子的有機土壤混合，再進行裂縫區覆土，并平整夯實填充表層覆土。

圖2 裂縫治理

裂縫治理時，對于沉陷區寬度較大的、未自然恢復的裂縫，一般可采用機械與人工綜合作業方式進行削坡清理、填充夯實。對于地表密度小、窄淺的裂縫，可采用人工作業的方法，裂縫修補所需土方量少。可采用機械治理延展范圍廣、發育深、寬度較大的裂縫。此外，采煤沉陷變形可能誘發地表的滑坡和塌陷。滑坡修復要降低再次發生滑坡的可能性，結合地形和水流走向設置排水溝。坡度小于15°的凸形坡、坡度15°～25°的凹形坡易成為水土流失效應加劇的隱患點[4]，需要重點關注。必要時，采用人工降坡保證坡面的穩定性，并進行植被控制，以達到治理目的。塌陷坑的修復一般采用碎石、土方直接填充，充填至地表0.5 m 距離時，回填表土或富含肥力的土壤。

3.2 布置光伏

采煤沉陷區布置光伏，可有效利用閑置土地，減少地表水分蒸發，改善沉陷區的生態環境。但采煤沉陷區布置光伏，既要克服礦區沉陷變形的影響，又要遵循減少對原有植被破壞并改善生態的政策。

首先，選擇適宜布置光伏的區域。依據《煤礦采空區巖土工程勘察規范》（GB 51044—2014），采用地表傾斜、曲率和水平變形等指標作為評價標準，將采煤沉陷區劃分為適宜區域、基本適宜區域和適宜性差區域。其次，采用具有抗變形能力的支架結構，支架設計時應減少剛性連接，增強支架適應變形的能力，從而減小各支架構件間的次生應力和局部變形。針對不同地形，采用適宜的支架形式，地面平坦的區域采用一般支架形式，如圖3所示。坡度起伏變化的區域采用預應力懸索柔性支架，以適應組件離地高、跨度大和建設破壞植被少的要求。必要時，支架增加可調節功能。

圖3 固定可調支架

此外，考慮地表沉陷的不確定性對支架穩定性的影響，可在支架變形較大處設應變傳感器，監測基礎的標高、垂直度。不同片區設置相應的監測點，建立數字化的沉陷監測系統。跟蹤煤礦的開采計劃，重點監測影響區域，便于及時預警與維修。

3.3 植被建設

針對沉陷區植被破壞，可采用“板上發電，板下種植”的林光或牧光互補模式進行植被恢復建設。根據相關研究，布置光伏可使光伏陣列區地表蒸發量降低20%～25%，土壤含水率提高4%～6%，有效調節植被冠層和土壤溫度，并明顯降低地表風速、減少風蝕沙化。結合裂縫治理，布置光伏可使沉陷區地表環境得到改善，有利于植被恢復。

植被恢復應考慮當地高寒、高溫、干旱及堿性沙地土壤等因素，以適地適樹為原則選擇植被品種，確保滿足生態要求。考慮光伏區不同空間的種植區別，為保障光伏組件不受遮擋，支架周邊適宜種植灌木和草本植物。考慮運營的需求，不可密植帶有主干的喬木和灌木。沙化區域可采用流動沙丘頂部懸袋網沙障、聚乙烯（PE）紗網沙障及可降解沙障等新技術進行治理。

4 結論

沉陷區地表變形表現為裂縫，裂縫發育狀況與煤層、巖體的深度相關，呈現多種形態。沉陷裂縫易造成淺層地表含水率變化，致使土壤有機質降低、植被破壞。采煤沉陷區的綜合治理可采用裂縫治理→布置光伏→植被建設的技術路線。裂縫可采用三步法進行綜合治理，即削坡清理→深部填充→表層覆土。布置光伏可使得光伏陣列區地表蒸發量降低，土壤含水率提高，降低地表風速、減少風蝕沙化。植被恢復建設結合當地氣候條件及土壤情況，考慮光伏發電等因素，選擇適地適樹的植物品種，確保滿足生態要求。在沉陷區布置光伏，不同地形采用適宜的支架形式，以滿足沉陷變形及建設破壞植被少的要求。同時，建立沉陷數字監測系統，及時預警與維修。