关于尾矿库闭库和光伏及生态修复相结合的研究

陈 贶，王 旭，宋会彬

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

1 前言

我国存在大量废弃尾矿库、排土场、采空区等，而金属尾矿库综合利用难度大、牵涉面广、经济性差。目前，我国金属尾矿的综合利用率平均不到10%。光伏发电发展迅速，由于太阳能能量密度低，需占用大量土地面积，发展与用地紧张的矛盾日期突出。尾矿库的环境治理和生态修复是践行“绿水青山”，建设绿色矿山，发展生态文明的要求。

本文结合某铅锌矿尾矿库进行分析研究，将尾矿库闭库和光伏与生态修复有机结合，并融入智慧化管控平台，助力传统矿山企业转型升级和绿色化、智慧化发展。

2 项目概况

本项目尾矿库已于2018年初达到设计容量，具备闭库条件。海拔2 900m，库容面积80万m2，整个库区内场地平整，几乎没有高差。依托尾矿库闭库工程，完成废石利用、沉积滩面、坝体整治和排水设施等闭库工程建设后，计划建设1座50MWp并网光伏电站，电能就近接入矿区附近冶炼厂220kV变电站110kV侧。尾矿库沉积滩面进行尾砂基质改良、土地复垦以及先锋物种种植等方式进行生态恢复治理。引入智慧管控平台，实现对整个尾矿库、光伏、植被等各方面的智能化监控，生成大数据，并通过快速通讯技术实现实时的数据共享，既提高整个系统的管理水平，还为相关部门的监管和调度提供了基础。

3 尾矿闭库

针对尾矿库现状情况，进行废石无害化处理，对尾矿坝和排洪系统进行整治，完善相应安全设施，进行闭库工程建设。

(1)采矿废石循环利用。根据附近铅锌矿区采矿废石的物理化学特性，进行筛分破碎和筛分处理，根据不同粒径大小，从大致小依次分别作为尾矿库坝体外破整治、排水和防洪沟铺底及护坡材料、沉积滩面铺设等闭库材料使用。

①粒径大于200mm的废石，运至尾矿库坝体，作为坝体外坡整治的干砌石护坡材料使用，护坡厚度为0.3m；

②粒径100～200mm的废石，运至尾矿库沉积滩面、坝体和东侧的防洪沟，作为排水沟、防洪沟和截水沟的铺底和护坡材料，护坡厚度为0.2m；

③粒径小于100mm的废石，经进一步破碎为不大于20mm的粒径，统一运至尾矿库沉积滩面，作为尾矿库沉积滩面铺设材料，厚度为不小于0.3m。

(2)坝体整治。对尾矿坝坝体外坡不规整区域进行整治，并采用采场废石进行干砌石护坡，在尾矿坝坝肩增加坝肩排水沟，在坝面增加纵、横排水沟。坝肩、坝面排水沟采用C20混凝土形式。

(3)沉积滩面整治。沉积滩面设计成内低外高，沉降滩坡度按0.5%控制，从尾矿库坝顶坡向库内截水区，截水区根据原始放矿形成的条件，设置在溢流堰附近。沉积滩面治理采用先整平，再铺设0.3m厚经破碎后的采场废石作为沉积滩覆盖层，最后在滩面上形成纵、横向截水沟方式。

(4)排洪系统整治。在尾矿库北侧加设一条截洪沟，截洪沟西高东底，出口通至尾矿库东侧排水沟内。分别在西库、东库设置溢流堰，西库、东库内的洪水通过溢流堰汇集至截洪沟后排往库外。西库溢流堰设置在西库、东库分隔坝附近，东库溢流堰设置在东库东侧坝体附近。在尾矿库东边增设一条排洪沟，集中将洪水排出库外。

4 光伏发电

根据尾矿库地理位置和附近电网架构，沉积滩面和坝体南坡建设光伏电站，采用分散发电、集中并网、就地消纳的设计原则，组件总装机容量为50MWp，逆变器装机容量40MWp。

由于尾矿库特殊的物理化学特性，需解决尾砂的弱酸性、腐蚀性、沉降性等问题，并根据尾矿库和坝体各岩土层物理力学性质指标和光伏电站主要设备材料载荷，采用理正边坡稳定分析算法等进行坝坡稳定计算，确保尾矿库整体安全可靠。

光伏支架基础选用单立柱PHC预制混凝土管桩型式，选用耐弱酸腐蚀型C70强度等级混凝土，管桩直径250mm，桩长3～4m，露出地面300mm，施工时采用履带式桩机打桩作业，减少沉积滩面土方开挖，降低对尾砂的扰动。采用10°、25°和55°可调式固定倾角支架，选用Q235钢，热镀锌防腐，支架由立柱、檩条、水平拉结钢件、纵梁等构成。

选用集中式逆变器方案，升压站和逆变升压一体机均采用预装式方案，均布置在除坝体以外的尾矿库周围自然地基上，采用框架性混凝土基础，光伏阵列区集电线路采用35kV水泥杆架空线敷设方案，光伏电站新建1座35kV/110kV升压变电站，110kV设备采用分立元件室外布置方案，升压站选用110kV架空线路接入附近冶炼厂变电站，电能全部实现自发自用、就地消纳。

电站内检修道路沿沉积滩面排水方向布置，站内道路宽4m，路面结构采用粒径50mm以下的采矿废弃石铺设，路面高于周边沉积滩面100mm。道路排水利用已有排水沟，路面与排水沟距0.6m作为路肩，自然坡度，单坡向排水。道路与排水沟交叉时，优先保证排水畅通，道路采用埋涵管覆土的形式跨越排水沟[1]。

光伏电站估算首年发电量为8 693.5万kW·h，25年年均发电量为7 944.52万kW·h，相当于每年可节约标煤25 422.5t(以耗标煤为320g/kW·h计)，减少二氧化硫(SO2)排放量约2 118.5t，二氧化碳(CO2)约7.04万t，氮氧化物(NO2)约1 060.0t，碳粉尘19 215.9t，折算年均新植树14 007棵。

5 生态恢复

根据尾砂物理化学特性，采用搅拌形式对沉积滩面表层300mm的尾砂添加稳定重金属的钝化剂、基质改良剂、保水剂和肥料。其中，钝化剂以矿物土和生物炭为主，辅以pH调节剂、黏土等成分，添加比例4%～10%(wt)；基质改良剂包括黄腐酸、腐植酸等成分，添加比例2%～6%(wt)；保水剂为聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺，添加比例为0.1%～0.4 %(wt)；肥料主要为有机肥、化肥等，有机肥可为农副产品加工副产品、畜牧粪便等加工而成的符合国家标准的产品，添加比例4%～10%(wt)。上述药剂采用多次旋耕方式，将药剂与表层尾矿充分混匀。化肥采用市售复合肥和尿素等，一亩地施用15～30kg，一般直接播撒到土壤表面，或溶于水后播撒到尾矿表面。

先锋植物(pioneer plant)指群落演替中最先出现的植物。生态修复中播种适应性较强的植物作为先锋植物，可加速生态群落的演替过程，进而快速形成稳定的生态系统。针对项目所在地的气候条件和尾砂特性，兼顾植物对干旱的耐受特性和阳光的喜好，本项目优先选用狗牙根、高羊茅、百喜草、石楠、伴矿景天等植物作为先锋物种，采用播撒草籽和带土移植等方式栽培。同时，植物种植与光伏组件布置有机结合，前后排组件间无遮挡地块种植黑麦草、狗牙根、百喜草、等，组件下部和后方地块遮挡情况极严重，种植喜阴作物高羊茅。

植被经过多年生长后，需进行有害元素监测，若有害元素超标，需统一收割和进行专门的集中处置，并在尾矿库片区需设立不低于1.8m围栏，以防大型动物进入。

经过一系列的土壤改良和系统管护，铅锌尾矿的扬尘和水蚀现象有所缓解，尾矿库生态环境得到明显恢复。对改良后的土壤进行检测发现，改良后的尾矿土壤pH呈中性，有害重金属的生物有效性显著降低，尾砂土壤的固结性、透气性和保水能力显著提高，营养结构显著改善[2]。

本实验还发现，光伏面板的建设对矿区植被恢复也产生了积极影响。对比监测发现，光伏电站的建设可改善区域小气候，减少土壤水分蒸发，增加空气湿度，有利于植被的生长；光伏面板定期清洗排出的清洗水流入面板下方土壤，给地表植被带来降水之外是补充，也可促进植物生长；另外，光伏面板建设增加了地表粗糙度，一定程度上可起到阻风固沙的作用。

6 智慧管控平台

全厂设置一套智慧管控平台，对光伏发电和尾矿库等进行实时监测，由7个部分组成：尾矿坝安全监测系统、水文监测系统、环境监测及气象预警系统、光伏电站检测系统、电力接入和调度系统、植被及生态监测系统、视频及安防系统，各部分通过工业以太网交换机网络组成统一整体。智慧监控系统系统架构分成3个层面：监控中心层、监控站层、现场设备层。智慧监控系统监测内容主要包含：

(1)尾矿坝的安全监测，包括巡视监测、坝体位移、堆积坝外坡比、干滩、库区地质滑坡体位移等。

(2)水文和防排水系统监测，包括浸润线与渗流、库水位、降雨量、渗流水质、排水设施等。

(3)环境、气象等方面的监测，以及预警系统。

(4)逆变器、变压器、汇流箱、电缆、开关柜等主要光伏设备运行监测。

(5)送出线路、计量、调度、保护等电力接入监测。

(6)尾矿砂肥力、有机质含量、地表植被种类、覆盖率、生长高度等各项生态指标监控。

(7)摄像头、围栏、大门等视频和安防系统。

(8)与上级管理部门的互连互通，包括省市级应急管理监测中心、省市级国网公司、生态环保部门、气象部门以及尾矿库所属矿业公司等相关部门或单位。

7 安全

尾矿设施是矿山的重大危险源，属安全监督的重点单位，保证其安全生产意义重大。项目建设和运行期，须坚持安全第一原则，做好各项审批工作，委托有资质和综合实力的单位来完成。

光伏电站建设在尾矿库沉积滩面和坝体南坡，尾矿库的安全稳定对光伏电非常重要，同时光伏基础等以打桩方式深入沉积滩面和坝体，并通过钢支架、电缆和桥架等方式连成网状整体，从结构上分析也进一步提高了尾矿库表层附着力，提高尾矿库安全性，两者相辅相成，互为促进。

在光伏电站建设过程中需优先进行防排洪和排水等安全设施的建设，避免出现拥堵或闭塞情况发生，避免或尽量减少对坝体和干滩面的土方作业或较大扰动，避免或减少重型施工机械在库内的作业，加强尾矿库安全实时监测和人员巡检[3]。尾矿库闭库光伏生态修复结合流程如图1所示。

图1 尾矿库闭库光伏生态修复结合流程框图

8 结论

尾矿库闭库和光伏与生态修复的有机结合，引入智慧管控平台，融合了废石循环利用、尾矿闭库、光伏发电、土壤修复、生态恢复、智慧管控和大数据等新技术，实现资源开发、安全生产、新能源、环境保护与智慧管控平台的同步建设，符合用地政策，保护耕地，充分践行节能环保、绿色发展、智慧发展理念，提高效率，具有极好的经济、环保、生态和社会效益、是利国利民的好事。该方案高度契合当前技术方案和政策导向，且拥有大量未修复的各类型尾矿库资源，进行太阳能光伏电站和生态恢复建设，是一个市场前景广阔、综合效益最优的方向。