浅谈农业光伏建设项目综合治理荆门石膏矿采空区

祝 军， 陈海波

(湖北省地质局 水文地质工程地质大队,湖北 荆州 434020)

荆门市辖区石膏矿产资源丰富，开采历史较早，长期开采形成大范围的采空区。由于治理工程费用巨大，治理资金短缺，荆门市采空区基本未进行工程治理，土地利用率较低。笔者由山西省大同市沉陷土地建设光伏电站得以启发，利用“农业+光伏”的工程项目(措施)，结合采空塌陷地质灾害治理工程，浅谈荆门石膏矿采空区综合治理方法与应用。

1 自然环境概况

1.1 自然地理与气候

荆门市地处荆山山脉之南东余脉与汉江平原过渡带，属构造剥蚀低丘岗地地貌。区内地层主要由第四系残坡积及下第三系红层组成，由于岩石抗风化能力差，风化剥蚀强烈，残坡积土发育，地形相对平坦，山顶浑圆，坡度5°～10°。地表植被较发育，主要以旱地农作物为主，少量林地及荒草地。

荆门市气候为北亚热带季风气候，四季分明，年平均气温15.9 ℃，雨量充沛，阳光充足，年辐射总量在4 180～5 016 MJ/m2·a之间，全年(2018年)日照时数1 759.2 h，按国家太阳能资源(总辐射)等级划分标准(GB/T 31155—2014)划分，属三类区域。

1.2 工程地质条件

区内含矿岩系为白垩系上统跑马岗组革集亚组，分为石膏山段和桥坡段两个岩性段，主要由泥膏、薄层纤膏、含膏泥岩、泥质粉砂岩及石膏质泥岩等相间组成。岩(矿)层呈层状产出，产状平缓，稳定性、连续性较好，厚度、含矿率变化小。工程地质岩组为层状软质—半坚硬软硬相间碎屑岩组。岩(矿)石抗压强度均低于30 MPa，工程地质条件较复杂[1]。

2 荆门石膏矿采空塌陷特征及发展趋势

2.1 采空区特征

(1) 分布范围。荆门市石膏矿区由北向南，分布在东宝区子陵镇、掇刀区白庙街办革集、掇刀区麻城镇三个矿段，矿区总面积约为42.89 km2，区内矿山开采企业24家。这些矿山企业主要以浅孔房柱法开采，先后于2009—2018年关闭停产。通过几十年的地下开采，形成采空区面积约11.95 km2(图1),其外围预测的塌陷影响范围面积约0.12 km2。

(2) 形态特征。采空区空间形态受区内单斜构造及矿床沉积形态控制，呈层状、似层状产出[2]。由于矿层总厚度及工业矿层累计厚度由北向南变薄，埋深由北向南变深，采空层亦形成相近的立体空间形态。由于采空层埋藏深浅不同，采空区分为北部浅埋采空区和南部深埋采空区。北部的子陵矿段采空层埋深一般在30～50 m,向南延伸至麻城矿段，采空层埋深已达70～140 m。革集—子陵矿段内平均开采厚度较大，一般为6.6～9.0 m[3]，麻城矿段内平均开采厚度较小，一般为0.7～5.25 m。各采空层矿柱尺寸一般在4.3 m×5.9 m～8.1 m×5.6 m，矿柱间距一般在7.5 m×6.0 m～9.0 m×7.0 m，且采空层一般为单层或双层，少量为三层。

图1 中心城区采空区分布图Fig.1 Distribution of goaf in central urban area1.中心城区范围线；2.石膏矿采空区；3.采空区塌陷影响范围。

2.2 采空塌陷特征

截至2018年底，荆门中心城区各矿区累计发生地面塌陷近百次，塌陷总面积约3.854 km2。塌陷集中分布在东宝区的子陵铺镇和掇刀区的白庙街办—麻城铺一带，造成直接经济损失过亿元。

采空区地面塌陷可分为切冒型和拱冒型两类，切冒型形成“深坑式”地面塌陷，拱冒型形成“锅底形”地面塌陷(图2、图3)。在采高相差不大的情况下，子陵铺、白庙街办等北部浅埋区变形比南部麻城区更为突出，形成“深坑式”地面塌陷，而南部麻城埋深较大的采空区地面塌陷面积较大，变形模式相对柔和，呈“锅底形”内倾渐变式发育。

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

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

根据塌陷坑地表变形及形态特征，塌陷区可分为局部变形区和大范围变形区。切冒型变形范围一般较小，属局部变形破坏区，拱冒型变形范围一般较大，地表出现有拉裂、倾斜、跌落等多项变形特征，其变形规模远大于切冒型地面塌陷，地表拉裂缝以弧形、环形为主，外围裂缝在发育长度、宽度及垂直位移量上都明显大于切冒型[4]。

2.3 采空塌陷发展趋势

子陵铺和白庙浅埋区发生地面塌陷变形的可能性较大，但采空区形成规模有限，预测北部矿区采空区域变形将以小面积的地面塌陷为主。

麻城铺深埋采空区随着人类活动的加强，对采空区顶板的外在荷载增加及地下水的渗透，造成石膏矿柱受到侵蚀，其支撑作用大大降低，预测地面塌陷灾害发生的危险性将加剧，发生拱冒型地面塌陷的地质灾害的可能性较高。

3 采空区治理现状

3.1 国内外采空区治理技术

目前国内外采空区治理技术主要有支撑、充填、崩落和封闭四种基本类型，以及其衍生的联合法。

3.1.1支撑法

支撑法是留存永久矿柱或构筑人工石柱支撑采空区的治理方法，适用于缓倾斜薄—中厚以下的矿体，以及用房柱法、全面法回采的矿体，其顶板相当稳固，地表允许冒落。支撑法是处理采空区的临时方法，只能暂时性的减缓地表沉降，并不能永久加固采空区。

3.1.2充填法

充填法指通过车辆运输或管道，输送废石或湿式充填材料充填采空区，对采空区进行加固处理，使整个采空区顶板岩体恢复为接近原始岩体的状态,减小开采后采空区顶板破碎岩体的移动和变形。

3.1.3崩落法

崩落法指对采空区进行放顶处理，利用岩石爆破后发生松动体积扩大的原理，填满采空区，形成对采空区上方顶板岩石支撑作用的缓冲保护垫层，以防止采空区内大量岩石突然冒落所造成的危害。

3.1.4封闭法

封闭隔离法就是用封闭和隔离的手段处理采空场。该方法是一种经济、简便的处理方法，适用于处理孤立小矿体开采后形成的采空场、端部矿体开采后形成的采空场和需继续回采的大矿体上部的采空场。

3.1.5联合法

联合法是在上述几种方法中选取两种或两种以上的方法用于采空区治理。由于各种基本方法均存在着局限性，所以联合法应运而生，目前应用比较广泛的联合法有支撑充填法、支撑片落法、矿房崩落充填法等。

3.2 荆门石膏矿采空区治理现状及方法

3.2.1荆门石膏矿采空区治理方法及案例

近年来，荆门市原国土部门针对采空治理区主要选取3种防治工程方案进行治理——方案一采用地表灌浆封闭法+监测；方案二采用采空区强制崩落+监测；方案三为采空区充填+监测。分别举例如下：

(1) 案例一。2007年荆门龙源石膏矿区地质环境恢复治理工程。该矿山位于子陵铺采空区，矿区建设始于1958年，由于缺乏规范开采管理，矿坑充水，部分采空区已塌陷，无法进入井下开展治理工作，仅能选用地表封闭治理方法。治理方法由农田复垦、裂缝灌浆回填等工程组成，一定程度上改善了矿山地质环境，然而采空区内地面塌陷仍存在残余变形特点，所以该工程采用的地表治理方法，治标不能治本，治理效果不是十分理想。

(2) 案例二。2010年6月17日荆花石膏矿对5 000 m2老采空区成功进行了人工强制放顶，即崩落法处置。荆花石膏矿位于白庙花竹村采空区，1989年5月投入生产。由于该矿进行长期变形监测， 2010年6月4日发现明显顶板来压和沉降前兆，6月17日进行了爆破崩落治理。此方法未造成任何人员伤亡和设备损失，但采空区地表整体下陷，下陷面积2 500 m2，最大下沉深度0.5 m，地表破坏较严重。该方法虽然施工简单，较经济，但仍有其局限性：①损坏了地表设施，破坏了“绿水青山”的原生环境;②采空区的岩土由于受爆破破坏，岩土存在不均匀沉降，其沉降周期较长，暂时不能做城市建设用地使用，土地空置时间过长。

(3) 案例三。2010年10月荆门市委托中国科学院武汉岩土力学研究所，对荆花石膏矿采空区地质灾害治理项目进行可行性分析，经过勘查、综合分析及防治工程方案比选，计划采用充填法和崩落法相结合的方法进行治理，治理费用达4 282万元[6]。终因治理费用过高，该矿区采空区仅局部治理，未能完全治理。

3.2.2荆门采空区治理方法评述

上述3种方案治理费用相差较大，地表灌浆封闭法主要存在施工工艺复杂、施工质量难以控制，但经济快效，治理成本相对较低；强制崩落法主要存在施工安全系数差、爆破造成环境破坏污染以及不利于土地高价值利用等问题，治理成本相对较低；采空区充填法优点是施工相对简单、安全性高、施工工艺成熟、施工易于管理、治理效果较好，缺点是灌浆治理工程量较大、治理成本高。

综上所述，选取一种技术上可行、经济上合理，又能满足项目建设要求的采空区治理方法，是荆门市石膏矿采空区治理的关键。由此，对利用“农业+光伏”工程项目综合治理采空区进行方法探讨。

4 利用农业光伏建设综合治理石膏矿采空区探讨

4.1 子陵镇50 kW光伏治理案例

该项目是荆门市光伏发电扶贫工程，位于荆门子陵石膏矿区北侧缘金榜村(照片1)。光伏电站规划建设容量为50.18 kW，项目共选用193块峰值功率为260 W的多晶硅光伏组件、1台33 kW和1台17 kW并网逆变器，于2016年4月并网发电，参照2007年9月14日由国家气象局审核通过的《太阳能资源评估方法》，荆门全年日照时数1 759.2 h，预估本电站每年发电60 000度，年收益为70 000元，每年减少7 500 kg煤资源使用，工程静态投资40万元，25年总收益约为175万元，预计5- 6年回本。项目投入少、收益大，绿色环保，提高了矿山土地附加值。

照片1 金榜村50 kW光伏发电示范项目Photo 1 50 kW photovoltaic power generation demonstrationproject in Jinbang Village

照片2 麻城镇板庙村牧场Photo 2 Ranch of Banmiao Village Macheng Town

4.2 麻城镇采空区治理案例

荆门华中农业开发有限公司位于荆门市掇刀区麻城镇采空区(照片2)，公司成立于2011年5月，注册资金1 000万元，是一家绿色肉牛养殖及销售、食用菌种植及销售、秸秆饲料加工及销售的省级农业龙头企业。公司投资5 000万元已建成标准化牛舍13栋，建成标准化食用菌种植基地30 000 m2，建成600 m3沼气池，并配套建设了200 hm2的放牧场。目前已形成“秸秆养牛—牛粪种菇(沼气)—菇废料(沼渣、沼液)还田”的生态循环链条。项目区内地形平缓，牧草资源丰富，为天然良好牧场，退耕还牧，减少区内的人工扰动。

4.3 农业光伏治理采空区的启示

山西省大同市作为典型的煤炭资源型城市，存在大面积的采煤沉陷区，并具有丰富的太阳能资源。为此，大同市政府率先在采煤沉陷区上建设光伏示范基地。该基地第一期光伏电站建设规模100万千瓦，并已投产发电，实现了采煤沉陷区产业化综合治理，解决离地农民生活问题与生态环境治理难题。大同市与荆门市有着相似性，同样为能源转型性城市，同样有采空塌陷地质灾害，所以建议在荆门采空区实施“农光结合+监测预警”的综合治理手段，可解决采空区治理和提高土地利用率的问题。

4.4 采空区治理初步方案

以荆花石膏矿采空区为例，进行治理方案探讨。荆花石膏矿采空区距地面垂深70～150 m，约面积20×104m2，已采用崩落法、充填法治理采空区面积约7.32×104m2，未治理的采空区面积约12.68×104m2，引发地质灾害的可能性大，采空区的治理及地质环境恢复治理难度较大。

4.4.1崩落法方案

根据中国科学院武汉岩土力学研究所预算，荆花石膏矿采空区采用崩落法治理采空区，勘察设计、爆破、地面恢复治理、安全监测与维护等治理费用共约1 458万元。

4.4.2充填法方案

充填法是从坑内外通过车辆(或管道)输送充填材料送入采空区，将采空区充填密实得以消除采空区。根据荆花石膏矿采空区特征，拟采用钻孔注砂充填治理。治理工程由勘察设计、钻孔成孔、砂浆充填施工等，工程投资概算共约9 817万元。

4.4.3农业光伏综合治理支撑充填联合法方案

(1) 方案简述。该方案是利用“农业+分布式光伏”建设项目，根据荷载轻(设备质量12～18 kg/m2)、基础处理要求不高等工程特点，专门设计桩式基础，实施支撑充填联合法，具体应用点式灌注法[7]施工，以达到采空区治理的目的。该方法是以桩形式坐于最底层的采空层底板处，地表纵横修建水平格构梁，使覆岩及采空区周围的原始矿体共同构建出一个框架结构，依托此框架结构的稳定，来达到防止地表下沉的目的。

根据农业光伏建筑物荷载和采空层顶板上覆岩层的质量，设计灌注点的密度及强度。灌注孔口径250 ～ 300 mm,灌注材料多为混凝土、砂浆，用泵送法灌入砼后，压入砂浆。浆液扩散半径约5 m左右。遇采空层也可采用预制桩，直接穿过采空层，坐于底板处。

(2) 经济概算。①地表农业光伏费用。根据采空区面积，设定建设总装机容量为5 mW的电站，布置5个光伏发电单元，每个单元设2台500 kW并网逆变器和1台1 000 kW升压变压器，多晶硅光伏组件功率为260 W，以两回35 kV电缆馈线线路送入管理区实施操作与监控。管理区及进站道路用地面积约2 000 m2，可充分利用采空区外围的采空塌陷影响区土地，设计单层生产房屋和综合房屋各一座。项目采用分区发电、集中并网方式，光伏阵列所发电能经过开闭站汇流后，以35 kV电压等级送入荆门市电网。其设备购置费、安装工程费等，地表农业光伏费用概算为5 456.42万元。

②治理费用。荆花石膏矿未治理的采空区面积约为12.68×104m2，若完全充填则所需钻孔量为126 757/78.5=1 615个孔。由于选用了自重轻、跨度大、钢性好的光伏支架，其桩基础间距40 m即可。计算注砂孔钻孔404个，参照全充填法治理方案，所得治理费用概算为2 653万元。

综合上述，农业光伏电站投资概算为5 456.42万元，荆花石膏矿采空区点式灌注治理费用共约2 653万元，总计8 109.42万元。农业光伏项目主要为农业与光伏项目的结合，不仅有优惠的政策支持，还有巨大的资金支持，仅光伏发电站项目只须6-7年即可收回成本。“棚顶发电，棚下种植、养殖”的农业光伏项目新模式，不需要征收大面积土地，节约了土地资源，大大减少了项目建设用地的费用。同时，项目在采空区内的建设，可以充分利用现有的地质资料，节省勘察费，还能充分利用国土部门对采空塌陷治理的资金及成果，解决基础的工程费用。

4.5 采空区治理方案比较

4.5.1成本比较

由上述三种方案的投资概算可以看出：充填方案造价最为昂贵，初步概算为9 817万元；崩落法方案最为经济，初步概算为1 458万元；而结合农业光伏项目所使用的综合治理方法(支撑充填联合方法)，价格处于二者之间，初步概算为8 109.42万元，而实际用于采空区治理的费用仅为2 653万元。综合考虑采空区的治理成本和采空区影响范围内的土地价值，认为综合治理方案在经济上是可行的。

4.5.2施工安全性比较

采用充填法处理不需要进入采空区，施工安全性最高；崩落法的施工则不得不进入年度久远、安全性较差的采空区，其施工安全系数最低；采用支撑充填联合方法处理避免了在危险采空区进行崩落施工的情况，施工安全性较高。由此可知，采用较经济的支撑充填联合方法在安全性上占有较明显的优势。

4.5.3治理效果和效益比较

据以往经验，采用充填法处理采空区以后，采空区上覆岩层的变形较小，对地表地基的损伤较小，处理后的土地用作工业或者建筑用地的地基处理费用较少；采用崩落法处理采空区会引起上覆盖岩层的较大变形，对地表地基的损伤较大，处理后的土地用作工业或者建筑用地的地基处理费用最多；采用综合治理方法(支撑充填联合法)处理费用适中，且农业光伏将产生无限经济价值。农业与光伏项目的国家帮扶力度巨大，农业基本上当年投入当年就有成本回报，而光伏发电站项目只须6-7年即可收回成本，并产生有巨大的经济效益。“棚顶发电，棚下种植、养殖”的“农业光伏+治理”新模式(照片3)，不仅很好的节约、利用了土地资源，还起到综合治理采空区的作用。

综上所述，上述三种采空区处理方案在技术上都是可行的，但是完全采用充填法存在处理费用高的问题，完全采用崩落法又存在施工安全性低等缺点，为了保证施工的安全性、经济性，并考虑到治理效果，认为荆花石膏矿采空区采用综合治理方案下的支撑充填联合法进行处理更符合实际需要。

照片3 农业光伏大棚Photo 3 Agriculture photovoltaic greenhouse

5 结论

荆门市石膏矿采空区地形相对平坦，太阳能资源丰富，自然条件较好。采空区总面积11.95 km2，地面塌陷地质灾害较发育，塌陷面积约3.854 km2。预测北部矿区采空区域变形，将以小面积地面塌陷为主；南部矿区采空区发生拱冒型地面塌陷的地质灾害可能性较高。荆门市采空区治理方法多采用封闭法、崩落法、充填法等方法，总体上来讲，治理工程的费用高、难度大。

利用荆门市良好的自然资源建设“农业+光伏”项目，同时结合该项目进行采空区的综合治理，能起到事半功倍作用。通过相关案例分析及荆花石膏矿采空区的治理方案探讨，认为：根据农业光伏工程建(构)筑物荷载轻、地基条件要求不高之特点，选择支撑充填联合法处理地基，其成本远远小于常规的充填(注浆)法，施工安全性优于崩落法，即经济又可行。“棚顶发电，棚下种植、养殖”的“农业光伏+治理”新模式治理采空区，对于探索采空区生态修复、资源型城市的能源发展方式转变有较大推动作用，可提高土地利用率，使采空区内人民安居乐业，即有经济效益，又有社会效益。