废弃矿井转型智慧植物工厂的技术应用

曾炜 朱克甲

摘要：为了对废弃矿井进行科学合理的二次利用，依托湖北省大冶市铜矿区废弃矿井再利用项目，通过构建植物工厂智能栽培系统、气候与环境因子智能调控系统、低碳能源供给系统，以WEB服务器、5G物联网等技术为基础，实现了环境因子（光、水、气、肥）的协同控制，进而形成数据化、自动化程度高的农业工厂生产模式，有效推动智慧植物工厂的技术应用化进程。设计研发了自动搬运装置，实现栽培单元搬运的精确定位。在废弃矿井转型智慧植物工厂的同时也促进了相关农业技术的创新。通过选择高附加值的农作物品种进行栽培技术的优化，实现了资源价值最大化。为全国废弃矿井及资源枯竭城市的产业转型升级提供技术基础与实际参考。

关键词：废弃矿井；资源循环利用；智慧植物工厂

中图分类号：S625         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2023）11-0170-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.11.030 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Technical application of abandoned mines transforming into smart plant factory

ZENG Wei， ZHU Ke-jia

（School of Economics and Management， Hubei University of Technology， Wuhan  430068， China）

Abstract：In order to make scientific and reasonable secondary use of abandoned mines， relying on the reuse project of abandoned mines in Daye Copper Mine Area， Hubei Province， the construction was carried out through the intelligent cultivation system of plant factory， the intelligent regulation system of climate and environmental factors， and the low-carbon energy supply system. Based on WEB server， 5G internet of things and other technologies， the collaborative control of environmental factors （light， water， gas， fertilizer） had been realized， thus forming a production mode of agricultural factory with high degree of data and automation， and effectively promoting the technological application process of smart plant factory. An automatic transportation device was designed and developed to achieve precise positioning of the transportation of cultivation units. The transformation of abandoned mines into smart plant factory also promoted the innovation of relevant agricultural technologies. By selecting high value-added crop varieties for optimization of cultivation techniques， the maximization of resource value had been achieved. It provided the technical basis and practical reference for industrial transformation and upgrading of abandoned mines and resource depletion cities in China.

Key words： abandoned mines； resource recycling； smart plant factory

隨着人们对各类矿产资源的持续开采，导致越来越多的矿山几近枯竭，国家不得不针对能源结构进行调整。同时，社会大众对矿业工程开采的安全性要求也愈发强烈，行业萧条形势愈发严峻。以煤矿业为例，据已有文献统计，自20世纪90年代，累计关停的大小型煤矿约7.6万处［1］。此外，中国工程院预测，到21世纪30年代煤矿关闭的数量还将继续增加［2］。

在开采环节完毕后，废弃矿井内形成数量众多的空置区，包括井下巷道、洞室群、工作面采空区等［3］。这些空置区域带来空间浪费、环境污染以及地层不稳定等一系列问题。此外，从经济角度来看，每废弃1处矿山，就需要对矿井封填、水处理、土壤处理、矿工再就业等相关问题进行补贴。因此，在废弃矿井的转型升级和资源综合利用方面，需要对技术创新和模式创新进行充分发掘。显然，面对上述问题，合理解决并对其进行二次开发利用是相关学者进行探究的重要课题［4，5］。

目前，在废弃矿井的二次利用开发领域，已有学者进行了相关探索。一部分学者［6-11］对废弃矿井所含煤层气、地热等能源赋存情况进行总结分析，给出开发该类资源的相关技术措施；另一部分学者［12，13］则从其采空区转型储能空间的角度进行研究，提出压缩气蓄能、抽水蓄能等方案并论证其可行性；此外，也有学者［14-20］从人文环境的角度出发，提出可将该类矿井采空区转型为观光旅游区，从而实现空间资源利用最大化。

虽然上述学者针对该领域提出诸多构想及可行性方案，也丰富了其再利用的可能性，但是并未涉足生态农业方面。从发展史角度来看，中国在实现工业化道路上，也在努力推动农业工业化。然而，事物具备两面性，中国在作物产量与生产效率大幅提高的同时，土壤板结、农药环境污染、水体富营养化等生态问题不断衍生，人与自然的矛盾日益突出［21］。一般而言，矿井内温度恒定且不易受外部影响，可根据矿井温度选择适宜农作物。此外，井下与外界相互隔绝，其CO2浓度也远高于大气中CO2浓度。环境条件非常有利于农作物生长，因此，将其转型为植物工厂，以有效解决矿井再利用与生态环境保护2个方面的问题。

本研究基于上述思路，以湖北省大冶市铜矿区废弃矿井再利用项目为例，系统阐述地下矿井转型植物工厂技术，同时对相关农业技术进行创新，从而为全国废弃矿井及资源枯竭城市的产业转型升级提供技术基础与实际参考。

1 技术研究

1.1 技术背景

本项目所在地为湖北省大冶市铜绿山矿区，该矿区位于大冶湖盆地南部边缘的丘陵残丘区，地形南高北低。矿区内岩层主要包括第四系松散层、三叠系下统大冶群大理岩和岩浆岩［22］。该地区岩体较坚实稳定，可开展规模性地下活动。此外，该地区气候类型属于亚热带季风性气候，年降水量约  1 400 mm，且近60年间降水量无明显增减趋势［23］。该事实表明，该地区降水量丰沛稳定，能够满足地下农作物对于水分的需求。铜绿山矿区全貌见图1。

对矿区内部矿井而言，矿井内气候环境较适合种植农作物。本研究组前期进入铜绿山矿井地下巷道，并勘测其实际空间尺寸等相关数据。该地下巷道位于地下245 m处，其内部空间如图2所示。

地下巷道截面呈拱形，其截面形状近似长方形。地下巷道截面高度为2.50 m，截面宽度为3.10 m，中间车道宽度为0.75 m。显然，从因地制宜的角度考虑，除中间车道外，剩余宽度为2.35 m，则单边宽度为1.18 m，可利用中间车道作设备移动空间，两边空间可放置农作物种植架。本项目种植架共有四层，其纵向截面高度为1.6 m，宽度为0.4 m，符合最大空间尺寸要求。因此，可按上述理念规划，进行项目开展。

地下巷道温度为25～28 ℃，湿度为70%～80%，表明该矿井地下巷道内部温湿条件极佳，气候稳定。由于CO2浓度对农作物生长有重要影響，因此适宜的CO2浓度至关重要。对地下巷道内空气进行CO2浓度检测，CO2浓度为700～800 mg/L，而大气中CO2浓度平均值为385 mg/L［24］，该地下巷道CO2浓度远高于地表平均水平。在高浓度CO2中生长的农作物，自身光合器的光化学活性和能量转化效率得到提高［25］。因此，地下巷道高浓度CO2为植物工厂的高效生产提供了可能。地下巷道天然光照资源匮乏，可通过提供人造光源解决该问题。樊晓雅等［26］认为LED灯源可以提供农作物特定光谱来促进其生长。综上，矿井地下巷道的自然环境配合人造光源可以为地下植物种植工厂的开展奠定坚实基础。

1.2 智慧植物工厂构建

根据前期对铜绿山矿区地下矿井的环境参数（空间、温度、湿度、O2、CO2数据等）与基础设施参数（轨道、电力、水循环及通风数据等）的调研，并结合地下巷道内蔬菜（生菜、芹菜）生长试验数据、立体多层栽培架构和水肥气循环系统设计方案、种植光源系统设计等，构建智慧植物工厂生产系统。

系统模拟测试合格后相关设备、材料进场，并对矿井环境、基础设施的适配性进行改造。由于废旧矿井空间情况复杂多样，必须结合实际空间结构给出专项技术方案，再进行改造设计。从设计选型角度来看，植物工厂具有自动化、集成度高等特点，机电设备的配套是其种植结构体系设计的关键。基本的植物种植设备包括种植架、种植采收、光照、培养液槽等，需对基本设备合理布置，以保障设备的稳定运行。此外，为更好地实现植物工厂高效运行，本研究设计了一套植物种植架苗盘自动搬运装置，其结构如图3所示。

移动载物模块包含超声波传感器、全局激光定位器、驱动电机、万向轮，该装置通过超声波传感器与全局激光定位器对需要搬运的栽培单元进行精确定位；通过电机驱动、万向轮转向相互配合，使移动载物模块到达预定位置。

因此，在保证容纳空间足够的前提下，结合之前废弃矿井留存的相关设施，可将栽培架设置为竖向多层次结构，并沿该结构体系的延伸方向布置LED光源、营养液槽、种植盘等种植配套设备，如需节能减排，则可通过光伏板来提供能源。此外，在另一侧可设置附加提升设备，方便作业人员进行相关检查操作。竖向多层植物工厂结构如图4所示。

1.3 智慧植物工厂运行

根据井下操作规程，完成井下植物工厂安装、蔬菜种植和全系统运行。其整体布局呈模块化、分区化趋势，具体流程如图5所示。

为有效推动地下生态农业进一步发展，更好地奠定未来产业化基础，本研究对机器人辅助管理技术进行相关研究。智慧植物工厂由植物工厂智能栽培系统、气候与环境因子智能调控系统、低碳能源供给系统3个部分组成。

1.3.1 植物工厂智能栽培系统 高效的植物工厂生产系统始终围绕种植农作物进行，建立农作物栽培系统，确保整个生产系统高效运转。一方面，对农作物进行水培适配性优化，保证农作物在水培环境下长期生存需要。另一方面，在种植架自动化设计时对自动种植与采收设施进行相应的建设，确保整个种植采收与种植架的协同作用。

1.3.2 气候与环境因子智能调控系统 该系统主要依赖矿井蔬菜生长模型库，因而需要构建科学合理的模型库。对前期模拟矿井环境下蔬菜的全周期生长试验数据进行分析，并由专业数据库软件对相关资源进行归类、维护和管理，搭建矿井蔬菜生长模型库。

在矿井蔬菜生长模型库搭建完成后，需要对该系统的数据采集与智能感知进行设置。为解决矿井中光照匮乏、温湿环境不稳定等问题，首先，设置充足的蔬菜生长补光灯源，并通过光敏电阻、光强度传感器等设备实时监测光照强度，实现农作物对照明的需求；其次，通过温度传感器获取实时温度，通过控制通风系统调节矿井中农作物生长的适宜温度；最后，通过土壤与空气湿度传感器获取当前种植环境的水分含量，保证农作物生长过程中的最适湿度。

光合作用所需的CO2对农作物后续产出有重要影響，通过CO2传感器实时检测CO2浓度，实现农作物种植过程中的动态气肥补充，提高产量。各类传感器的协同作用由5G物联网技术实现。在农作物播种阶段结束后，需对农作物实施全周期生长的动态跟踪检测。通过WEB服务器连接设置于种植架上的智能传感器，实时了解种植状态和种植参数，并及时进行远程操作。

当周围温湿环境发生变化或水培液缺少养分时，传感器可快速感应到异常，将相关数据传输至计算机或智能手机，及时提醒管理人员。管理人员根据监测数据，通过计算机或智能手机向系统发出远程指令，及时调整温湿环境和增加养分。

智慧植物工厂自动化程度高，使得相关作业效率大幅提高。一方面，由于植物工厂位于地下，基本不受外界环境影响，且工业化管理运营相对传统农业作业方式更洁净，可有效解决农作物病害、虫害问题，进而提高产量。另一方面，从质量控制角度来看，智能传感器全程记录种植数据与图像，传送至服务器并整合。当产品进入市场后被检测出质量问题，则可调取出服务器整合的传感器数据与图像，用于查证校核。基于此，对比传统农产品存在的追溯困难问题，智慧植物工厂能够提供可靠数据与技术保证。

1.3.3 低碳能源供给系统 低碳能源供给系统可以有效降低矿井植物工厂的生产运营成本。以传统地面植物工厂的单位种植模块为例，其设备主要有空调、加热器、加湿器、LED光源、水泵。单位种植模块中各个设备的配置数量及功率如表1所示。

温度控制设备功率占总功率的75.08%，湿度控制设备功率占总功率的10.15%。传统地面植物工厂的温度控制设备总耗能较高，并且有较强依赖性。然而废弃矿井智慧植物工厂在地下环境中进行农作物栽培，地下矿井温度恒定，基本不需要温度控制设备。因此，可较大地减少温度控制设备的耗能。常用的LED光源驱动方式为低压直流恒流驱动，虽然可保证较好的光照稳定性，但是其弊端在于自身在直流低压情况下不可调控电压，因此必须借助高频变压器、大容量电解电容实现，中、小功率的开关电源转换效率仅为65%～80%。本研究采用低压旁路的交流直接驱动技术，为集成电路提供低压电源。

2 效益分析

本研究对铜绿山矿区再利用项目相关实际成果进行分析，并按不同指标进行具体阐述。

2.1 技术效益

本研究中生菜生长周期仅需30 d，相较于传统农田60～90 d的生育期，至少能节省约50%的时间，可明显提高智慧植物工厂生产周转率。相较于常规光源，本项目的新型光源总能耗减少30%。由于项目布置全周期自动种植设备，所以移栽环节、收获环节的生产效率较高，分别为1 200、600株/h。由图6可知，该项目种植的生菜叶片饱满且根茎粗壮，生长迅速。

前期对矿井环境进行相应的适配性改造，但地下矿井环境中仍然存在一定的重金属残留。虽然水源、培养基均来自地表无污染环境，但重金属可能通过空气粉尘吸附于农作物表面。因此为保证食品安全，需对农产品随机取样并送至相关检测机构检测有害物质存量。参考GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品多元素的测定》［27］，采用电感耦合等离体质谱法（ICP-MS）对生菜中的铅、镉、砷、汞、铬含量进行检测分析，检测结果如表2所示。地下植物工厂种植的生菜未检出镉、砷、汞3种重金属，含有少量的铅、铬，但铅、铬检测值均小于限定值。地下矿井智慧植物工厂产出生菜的重金属含量低于国家食品规范给出的限值标准，符合无公害健康食品的要求。

2.2 经济效益

以面积为10 000 m2的地下矿井智慧植物工厂为例，对项目实际情况进行成本概算。实际种植面积计算公式如下。

[S=A×C]        （1）

式中，S为实际种植面积；A为占地面积；C为种植架层数。

本研究中1个种植单元有4层。根据前期调研数据及文献［28］对水培生菜种植情况进行分析，以平均种植密度（27株/m2）、平均单株重量（126 g/株）为计算依据，计算水培生菜实际产量，计算公式如下。

[P=S×M×W]           （2）

式中，P为实际产量；S为实际种植面积；M为平均种植密度；W为平均单株重量。

智慧植物工厂水培生菜产量为2 269.1 kg/667 m2。传统土壤种植方式下生菜产量约1 500 kg/667 m2，因此废弃矿井智慧植物工厂的产量远高于传统土壤种植的产量。

2.3 社会效益

中国的各类中、大型矿山主要由国有企业开发，通过对废弃矿井空间资源的利用，能提高国有企业的资源利用率，减少国有资产流失。除地下矿井智慧植物工厂自动生产、采摘环节外，在适应性农作物品种的选育及地面农产品处理、包装、运输等过程仍然依赖大量劳动力，可提供更多工作岗位，提高矿区人们的收入。

3 小结与讨论

通过对目前国内外废弃矿井转型再利用的现状分析发现，学术界主要对剩余能源、储能及旅游资源开发进行研究，很少有学者对智慧植物工厂进行研究，本研究率先对该理念进行探索，并给出可行性措施。对植物工厂智能栽培系统、气候与环境因子智能调控系统、低碳能源供给系统进行构建，以WEB服务器、5G物联网等技术为基础，实现环境因子（光、水、气、肥）的协同控制，进而形成数据化、自动化程度高的农业工厂生产模式，将智慧植物工厂的理念结合项目实例，有效推动该理念的技术应用化进程。此外，设计研发自动搬运装置，实现栽培单元搬运的精确定位。在利用废弃矿井转型智慧植物工厂的同时也对相关农业技术有所创新，选择高附加值的农作物品种进行栽培技术的优化，实现资源价值最大化。同时该项技术提高了国有资产的再循环利用率及矿区经济发展水平，利国利民。

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