關于尾礦庫閉庫和光伏及生態(tài)修復相結(jié)合的研究

陳 貺，王 旭，宋會彬

(中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038)

1 前言

我國存在大量廢棄尾礦庫、排土場、采空區(qū)等，而金屬尾礦庫綜合利用難度大、牽涉面廣、經(jīng)濟性差。目前，我國金屬尾礦的綜合利用率平均不到10%。光伏發(fā)電發(fā)展迅速，由于太陽能能量密度低，需占用大量土地面積，發(fā)展與用地緊張的矛盾日期突出。尾礦庫的環(huán)境治理和生態(tài)修復是踐行“綠水青山”，建設綠色礦山，發(fā)展生態(tài)文明的要求。

本文結(jié)合某鉛鋅礦尾礦庫進行分析研究，將尾礦庫閉庫和光伏與生態(tài)修復有機結(jié)合，并融入智慧化管控平臺，助力傳統(tǒng)礦山企業(yè)轉(zhuǎn)型升級和綠色化、智慧化發(fā)展。

2 項目概況

本項目尾礦庫已于2018年初達到設計容量，具備閉庫條件。海拔2 900m，庫容面積80萬m2，整個庫區(qū)內(nèi)場地平整，幾乎沒有高差。依托尾礦庫閉庫工程，完成廢石利用、沉積灘面、壩體整治和排水設施等閉庫工程建設后，計劃建設1座50MWp并網(wǎng)光伏電站，電能就近接入礦區(qū)附近冶煉廠220kV變電站110kV側(cè)。尾礦庫沉積灘面進行尾砂基質(zhì)改良、土地復墾以及先鋒物種種植等方式進行生態(tài)恢復治理。引入智慧管控平臺，實現(xiàn)對整個尾礦庫、光伏、植被等各方面的智能化監(jiān)控，生成大數(shù)據(jù)，并通過快速通訊技術實現(xiàn)實時的數(shù)據(jù)共享，既提高整個系統(tǒng)的管理水平，還為相關部門的監(jiān)管和調(diào)度提供了基礎。

3 尾礦閉庫

針對尾礦庫現(xiàn)狀情況，進行廢石無害化處理，對尾礦壩和排洪系統(tǒng)進行整治，完善相應安全設施，進行閉庫工程建設。

(1)采礦廢石循環(huán)利用。根據(jù)附近鉛鋅礦區(qū)采礦廢石的物理化學特性，進行篩分破碎和篩分處理，根據(jù)不同粒徑大小，從大致小依次分別作為尾礦庫壩體外破整治、排水和防洪溝鋪底及護坡材料、沉積灘面鋪設等閉庫材料使用。

①粒徑大于200mm的廢石，運至尾礦庫壩體，作為壩體外坡整治的干砌石護坡材料使用，護坡厚度為0.3m；

②粒徑100～200mm的廢石，運至尾礦庫沉積灘面、壩體和東側(cè)的防洪溝，作為排水溝、防洪溝和截水溝的鋪底和護坡材料，護坡厚度為0.2m；

③粒徑小于100mm的廢石，經(jīng)進一步破碎為不大于20mm的粒徑，統(tǒng)一運至尾礦庫沉積灘面，作為尾礦庫沉積灘面鋪設材料，厚度為不小于0.3m。

(2)壩體整治。對尾礦壩壩體外坡不規(guī)整區(qū)域進行整治，并采用采場廢石進行干砌石護坡，在尾礦壩壩肩增加壩肩排水溝，在壩面增加縱、橫排水溝。壩肩、壩面排水溝采用C20混凝土形式。

(3)沉積灘面整治。沉積灘面設計成內(nèi)低外高，沉降灘坡度按0.5%控制，從尾礦庫壩頂坡向庫內(nèi)截水區(qū)，截水區(qū)根據(jù)原始放礦形成的條件，設置在溢流堰附近。沉積灘面治理采用先整平，再鋪設0.3m厚經(jīng)破碎后的采場廢石作為沉積灘覆蓋層，最后在灘面上形成縱、橫向截水溝方式。

(4)排洪系統(tǒng)整治。在尾礦庫北側(cè)加設一條截洪溝，截洪溝西高東底，出口通至尾礦庫東側(cè)排水溝內(nèi)。分別在西庫、東庫設置溢流堰，西庫、東庫內(nèi)的洪水通過溢流堰匯集至截洪溝后排往庫外。西庫溢流堰設置在西庫、東庫分隔壩附近，東庫溢流堰設置在東庫東側(cè)壩體附近。在尾礦庫東邊增設一條排洪溝，集中將洪水排出庫外。

4 光伏發(fā)電

根據(jù)尾礦庫地理位置和附近電網(wǎng)架構，沉積灘面和壩體南坡建設光伏電站，采用分散發(fā)電、集中并網(wǎng)、就地消納的設計原則，組件總裝機容量為50MWp，逆變器裝機容量40MWp。

由于尾礦庫特殊的物理化學特性，需解決尾砂的弱酸性、腐蝕性、沉降性等問題，并根據(jù)尾礦庫和壩體各巖土層物理力學性質(zhì)指標和光伏電站主要設備材料載荷，采用理正邊坡穩(wěn)定分析算法等進行壩坡穩(wěn)定計算，確保尾礦庫整體安全可靠。

光伏支架基礎選用單立柱PHC預制混凝土管樁型式，選用耐弱酸腐蝕型C70強度等級混凝土，管樁直徑250mm，樁長3～4m，露出地面300mm，施工時采用履帶式樁機打樁作業(yè)，減少沉積灘面土方開挖，降低對尾砂的擾動。采用10°、25°和55°可調(diào)式固定傾角支架，選用Q235鋼，熱鍍鋅防腐，支架由立柱、檁條、水平拉結(jié)鋼件、縱梁等構成。

選用集中式逆變器方案，升壓站和逆變升壓一體機均采用預裝式方案，均布置在除壩體以外的尾礦庫周圍自然地基上，采用框架性混凝土基礎，光伏陣列區(qū)集電線路采用35kV水泥桿架空線敷設方案，光伏電站新建1座35kV/110kV升壓變電站，110kV設備采用分立元件室外布置方案，升壓站選用110kV架空線路接入附近冶煉廠變電站，電能全部實現(xiàn)自發(fā)自用、就地消納。

電站內(nèi)檢修道路沿沉積灘面排水方向布置，站內(nèi)道路寬4m，路面結(jié)構采用粒徑50mm以下的采礦廢棄石鋪設，路面高于周邊沉積灘面100mm。道路排水利用已有排水溝，路面與排水溝距0.6m作為路肩，自然坡度，單坡向排水。道路與排水溝交叉時，優(yōu)先保證排水暢通，道路采用埋涵管覆土的形式跨越排水溝[1]。

光伏電站估算首年發(fā)電量為8 693.5萬kW·h，25年年均發(fā)電量為7 944.52萬kW·h，相當于每年可節(jié)約標煤25 422.5t(以耗標煤為320g/kW·h計)，減少二氧化硫(SO2)排放量約2 118.5t，二氧化碳(CO2)約7.04萬t，氮氧化物(NO2)約1 060.0t，碳粉塵19 215.9t，折算年均新植樹14 007棵。

5 生態(tài)恢復

根據(jù)尾砂物理化學特性，采用攪拌形式對沉積灘面表層300mm的尾砂添加穩(wěn)定重金屬的鈍化劑、基質(zhì)改良劑、保水劑和肥料。其中，鈍化劑以礦物土和生物炭為主，輔以pH調(diào)節(jié)劑、黏土等成分，添加比例4%～10%(wt)；基質(zhì)改良劑包括黃腐酸、腐植酸等成分，添加比例2%～6%(wt)；保水劑為聚丙烯酸鈉或聚丙烯酰胺，添加比例為0.1%～0.4 %(wt)；肥料主要為有機肥、化肥等，有機肥可為農(nóng)副產(chǎn)品加工副產(chǎn)品、畜牧糞便等加工而成的符合國家標準的產(chǎn)品，添加比例4%～10%(wt)。上述藥劑采用多次旋耕方式，將藥劑與表層尾礦充分混勻?；什捎檬惺蹚秃戏屎湍蛩氐?，一畝地施用15～30kg，一般直接播撒到土壤表面，或溶于水后播撒到尾礦表面。

先鋒植物(pioneer plant)指群落演替中最先出現(xiàn)的植物。生態(tài)修復中播種適應性較強的植物作為先鋒植物，可加速生態(tài)群落的演替過程，進而快速形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。針對項目所在地的氣候條件和尾砂特性，兼顧植物對干旱的耐受特性和陽光的喜好，本項目優(yōu)先選用狗牙根、高羊茅、百喜草、石楠、伴礦景天等植物作為先鋒物種，采用播撒草籽和帶土移植等方式栽培。同時，植物種植與光伏組件布置有機結(jié)合，前后排組件間無遮擋地塊種植黑麥草、狗牙根、百喜草、等，組件下部和后方地塊遮擋情況極嚴重，種植喜陰作物高羊茅。

植被經(jīng)過多年生長后，需進行有害元素監(jiān)測，若有害元素超標，需統(tǒng)一收割和進行專門的集中處置，并在尾礦庫片區(qū)需設立不低于1.8m圍欄，以防大型動物進入。

經(jīng)過一系列的土壤改良和系統(tǒng)管護，鉛鋅尾礦的揚塵和水蝕現(xiàn)象有所緩解，尾礦庫生態(tài)環(huán)境得到明顯恢復。對改良后的土壤進行檢測發(fā)現(xiàn)，改良后的尾礦土壤pH呈中性，有害重金屬的生物有效性顯著降低，尾砂土壤的固結(jié)性、透氣性和保水能力顯著提高，營養(yǎng)結(jié)構顯著改善[2]。

本實驗還發(fā)現(xiàn)，光伏面板的建設對礦區(qū)植被恢復也產(chǎn)生了積極影響。對比監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，光伏電站的建設可改善區(qū)域小氣候，減少土壤水分蒸發(fā)，增加空氣濕度，有利于植被的生長；光伏面板定期清洗排出的清洗水流入面板下方土壤，給地表植被帶來降水之外是補充，也可促進植物生長；另外，光伏面板建設增加了地表粗糙度，一定程度上可起到阻風固沙的作用。

6 智慧管控平臺

全廠設置一套智慧管控平臺，對光伏發(fā)電和尾礦庫等進行實時監(jiān)測，由7個部分組成：尾礦壩安全監(jiān)測系統(tǒng)、水文監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測及氣象預警系統(tǒng)、光伏電站檢測系統(tǒng)、電力接入和調(diào)度系統(tǒng)、植被及生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、視頻及安防系統(tǒng)，各部分通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機網(wǎng)絡組成統(tǒng)一整體。智慧監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)架構分成3個層面：監(jiān)控中心層、監(jiān)控站層、現(xiàn)場設備層。智慧監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容主要包含：

(1)尾礦壩的安全監(jiān)測，包括巡視監(jiān)測、壩體位移、堆積壩外坡比、干灘、庫區(qū)地質(zhì)滑坡體位移等。

(2)水文和防排水系統(tǒng)監(jiān)測，包括浸潤線與滲流、庫水位、降雨量、滲流水質(zhì)、排水設施等。

(3)環(huán)境、氣象等方面的監(jiān)測，以及預警系統(tǒng)。

(4)逆變器、變壓器、匯流箱、電纜、開關柜等主要光伏設備運行監(jiān)測。

(5)送出線路、計量、調(diào)度、保護等電力接入監(jiān)測。

(6)尾礦砂肥力、有機質(zhì)含量、地表植被種類、覆蓋率、生長高度等各項生態(tài)指標監(jiān)控。

(7)攝像頭、圍欄、大門等視頻和安防系統(tǒng)。

(8)與上級管理部門的互連互通，包括省市級應急管理監(jiān)測中心、省市級國網(wǎng)公司、生態(tài)環(huán)保部門、氣象部門以及尾礦庫所屬礦業(yè)公司等相關部門或單位。

7 安全

尾礦設施是礦山的重大危險源，屬安全監(jiān)督的重點單位，保證其安全生產(chǎn)意義重大。項目建設和運行期，須堅持安全第一原則，做好各項審批工作，委托有資質(zhì)和綜合實力的單位來完成。

光伏電站建設在尾礦庫沉積灘面和壩體南坡，尾礦庫的安全穩(wěn)定對光伏電非常重要，同時光伏基礎等以打樁方式深入沉積灘面和壩體，并通過鋼支架、電纜和橋架等方式連成網(wǎng)狀整體，從結(jié)構上分析也進一步提高了尾礦庫表層附著力，提高尾礦庫安全性，兩者相輔相成，互為促進。

在光伏電站建設過程中需優(yōu)先進行防排洪和排水等安全設施的建設，避免出現(xiàn)擁堵或閉塞情況發(fā)生，避免或盡量減少對壩體和干灘面的土方作業(yè)或較大擾動，避免或減少重型施工機械在庫內(nèi)的作業(yè)，加強尾礦庫安全實時監(jiān)測和人員巡檢[3]。尾礦庫閉庫光伏生態(tài)修復結(jié)合流程如圖1所示。

圖1 尾礦庫閉庫光伏生態(tài)修復結(jié)合流程框圖

8 結(jié)論

尾礦庫閉庫和光伏與生態(tài)修復的有機結(jié)合，引入智慧管控平臺，融合了廢石循環(huán)利用、尾礦閉庫、光伏發(fā)電、土壤修復、生態(tài)恢復、智慧管控和大數(shù)據(jù)等新技術，實現(xiàn)資源開發(fā)、安全生產(chǎn)、新能源、環(huán)境保護與智慧管控平臺的同步建設，符合用地政策，保護耕地，充分踐行節(jié)能環(huán)保、綠色發(fā)展、智慧發(fā)展理念，提高效率，具有極好的經(jīng)濟、環(huán)保、生態(tài)和社會效益、是利國利民的好事。該方案高度契合當前技術方案和政策導向，且擁有大量未修復的各類型尾礦庫資源，進行太陽能光伏電站和生態(tài)恢復建設，是一個市場前景廣闊、綜合效益最優(yōu)的方向。