我国关闭/废弃矿山土地资源的新能源再开发现状及展望

   摘要

矿山关闭或废弃后会产生大量的土地资源,如露天矿山的矿坑、排土场等,以及井工矿的地面广场和地面塌陷区等。土地资源是我国最重要的自然资源之一,关闭/废弃矿山的土地资源相对较为丰富,然而由于这些土地资源受到了矿山开采的不利影响,其再开发利用问题是关闭/废弃矿山面临的重要难题。针对当前对于此类土地资源开发再利用模式存在的不足,首先分析了国内外关闭/废弃矿山土地资源与风能、光能、林业、农业、养殖业等结合开发利用的发展现状,提出了我国关闭/废弃矿山土地资源开发利用的科学技术体系,即土地资源的“风—林—光”新能源互补再开发模式,并研究了不同条件下的技术性因素评价标准及改造方案体系,总结了我国当前关闭/废弃矿山土地资源再开发利用存在的问题和难题,凝练了在实施过程中需要攻克的5个基础理论和5个待发展技术难点,并提出了相应的政策措施建议和未来发展展望。研究表明:① 关闭/废弃矿山土地资源的新能源再开发,是一个新兴的、潜力无限的、需要多领域交叉合作的新学科,其中地面资源是载体,而该载体受采矿影响后的状态是核心,新能源各个方向的应用是目的;② 关闭/废弃矿山土地资源的新能源再开发一方面是实现我国土地资源可持续利用的重要措施,另一方面也是开发新能源助力我国“双碳”目标实现的重要方向,同时也是实现关闭/废弃矿山转型的重要举措,应在进一步完善该模式的基础上大力推进对关闭/废弃矿山土地资源的新能源综合开发利用。

   作者及单位

郝宪杰^1,2,3， 宋思桐³， 唐宽旭³， 郭勇⁴， 丁志杰⁵

1.中国矿业大学(北京)内蒙古研究院；2.山东能源集团有限公司；3.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院；4.淄博市计量技术研究院；5.大地工程开发(集团)有限公司

   引用格式

   正文

2020年9月22日,我国政府在第75届联合国大会一般性辩论上宣布中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。实现碳达峰、碳中和,是党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策,事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。“双碳”的实现与新能源的发展息息相关。近年来,随着我国新能源产业和应用规模不断发展,新能源成本持续降低,清洁能源逐步取代传统能源的步伐开始加快,发展新能源是“双碳”背景下我国能源发展的重要方向。

我国煤炭资源丰富但油气资源匮乏。在煤炭行业历经数十年的发展之后,部分矿山的开采已逐渐接近设计使用年限,或者是开采成本高造成亏损,或者是矿山生产无法满足现阶段绿色开采要求,均面临关闭/废弃。仅以我国露天煤矿为例,截至2022年底我国共有露天矿357座,其中或因产能落后,或因生产使用年限到期需要关闭或废弃的露天煤矿约40座且大部分分布在辽宁、山西、安徽等我国一些富煤省份。据中国工程院重点咨询项目的研究结果显示,预计到2030年我国关闭或废弃矿井数量将达到15 000处。矿山关闭或废弃使得我国出现了一批因煤而生、因煤而盛又因煤而衰的资源枯竭型城市。

该类关闭/废弃矿山一般占地面积较大,存在大量的、丰富的土地资源,以淮南新庄孜矿为例,其井田平均走向长10.4 km,倾斜宽6.75 km,井田面积70.2 km2,具有丰富的土地资源。土地资源是我国最重要的自然资源之一,是生存和生产的基础,我国人多地少,土地资源供需矛盾日趋突出。因此关闭/废弃土地作为我国后备土地资源的一种特殊类型,其再开发利用是实现我国土地资源可持续利用的有力保障。若直接废弃或关闭此类矿山不仅会造成土地资源浪费,废弃矿山还会对安全、环境及社会造成诸多不良影响。近年来,关闭/废弃矿山土地资源的治理与恢复利用逐渐成为社会各界关注的重要议题。

综上分析可以看出,关闭/废弃矿山土地资源的再利用,尤其是与新能源的互补利用,既是实现我国土地资源可持续利用的重要措施,又是开发新能源助力我国“双碳”目标实现的重要方向,同时也是实现关闭/废弃矿山转型的重要举措,可谓一举多得。实现关闭/废弃矿山土地资源进行新能源的再开发,可以在一定程度上降低对化石燃料的依赖,减少温室气体排放,有助于推动我国“双碳”目标的实现。关闭/废弃矿山的再利用有必要针对不同煤矿做到因地制宜分析,积极探索“风—林—光”综合开发互补的利用模式,实现多种资源协同开发,最大化利用关闭/废弃矿山的土地资源。本研究通过收集国内外典型关闭/废弃矿山土地资源综合利用案例,提出相应的土地资源“风—林—光”评价指标和改造技术体系,构建适合我国自然地质条件的关闭/废弃矿山土地资源“风—林—光”稳定性保障理论与技术,探讨构建“双碳”背景下关闭/废弃矿山地面资源开发利用科学体系并提出相关建议。

1 关闭/废弃矿山土地资源进行新能源再开发典型案例

1.1 国内案例

欧美地区现代采矿技术起步较早,导致了大量关闭/废弃矿山产生,仅美国便有约百万座关闭/废弃矿山,其中以小型矿井数量最多。欧美国家于20世纪90年代相继提出关闭/废弃矿山计划,建立关闭/废弃矿山清单并专设相关管理部门。澳大利亚昆士兰州基德斯顿能源枢纽工程是国际上较早利用矿山矿坑同时发展抽水蓄能和光伏电站的成功案例,该工程白天进行光伏发电并通过抽水蓄能方式将电量储存起来供城市夜晚用电高峰时使用,该工程可让28万户以上家庭用上可持续清洁电力能源。韩国Sinseong、Hamtae矿的矿井废水处理设施配备了光伏系统和微型水力发电系统,50 kW光伏系统的阵列安装在连续碱度产生系统(SAPS)的水面上。光伏系统产生的电力被提供给附近的设施,用于处理酸性矿山排水,如图3所示。加拿大Sullivan矿的废弃矿山光伏电站项目则于2014年正式启动,该太阳能发电场位于俯瞰Rocky山脉的山脊上,该站点将容纳4 000个太阳能电池模块,安装在96个太阳能跟踪支架上,在发电时可跟踪太阳的运动。

美国宾夕法尼亚州萨默塞特的废弃矿山上,建造了一个34.5 MW风电场;美国怀俄明州Dave Johnston矿的废弃矿坑建造了包含158台1.5 MW风力涡轮机的风电场;美国新墨西哥州的Chevron Questa矿山发电系统规模为1 MW,包含175个聚光光伏(CPV)模块(图4);田纳西流域管理局在美国田纳西州安德森县布法罗山的废弃矿山安装了3台660 kW的风力发电机。

通过上述案例分析可以看出,关闭/废弃矿山拥有丰富的土地资源,具备开发利用林业资源、风能和太阳能等可再生资源的优势。因此,提炼开发利用方法,形成相应的科学技术体系势在必行。

“双碳”目标的实现将促进煤炭消费减量,也为煤炭行业留出了暂缓发展速度、补足发展质量的时间和空间。关闭/废弃矿山包括露天矿山和井工矿井,露天矿山的废弃土地资源包含露天矿井的废弃矿坑、排土场和排矸场等,井工矿的废弃土地资源包含地面工业广场用地、地面塌陷区和搬迁区域等,首先应当对关闭/废弃矿山土地资源进行综合调研,对地质条件、土壤状态、地面面积等方面进行现场勘探和资料收集分析,同时编制关闭/废弃矿山地质和土壤资料报告,规划关闭/废弃矿山土地资源开发目标,为后续开发利用提供科学依据。

如图5所示,对于关闭/废弃井工矿中没有受到井下采煤活动影响的土地,如企业办公楼、仓库、厂房等建筑稳定的区域,该区域废弃的土地资源可直接进行二次建设;对于开采造成的地表塌陷区、废弃矿坑,在进行综合调研后,适宜进行生态修复的,因地制宜进行生态修复,对适宜发展旅游业且风能、太阳能资源不丰富的地区,可改造形成废弃矿山生态旅游区、矿山公园等。对于一些地表积水范围较多、坡度较陡区域和偏远地区,不适宜发展旅游业,但如果风能、太阳能资源丰富,可以小规模进行光伏板铺设、风电机组安装,因地制宜进行林木种植,在光伏、风力发电的空地上种植耐干旱、耐日晒型林木植物,同时可以在光伏电池板阴面种植耐半阴、不耐干热和强烈日晒型林木植物,形成“风—林—光”综合开发互补模式。该模式不仅可以扩大林地资源,充分利用风、光等可再生能源,有利于带动当地经济发展,还具有修复当地生态环境和防止当地水土流失等优点。

3 关闭/废弃矿山土地资源进行新能源再利用的评价指标及改造方案

3.1 评价指标

如上所述,尽管关闭/废弃矿山具备开展利用林业资源、风能和太阳能等可再生资源的优势,但是关闭/废弃矿山土地资源不可盲目发展新能源,新能源的发展不仅要考虑矿山废闭情况、所处地理环境、自然环境等因素影响,最重要的是需要考虑关闭/废弃矿山土地资源再利用的社会效益。因此关闭/废弃矿山所处环境不同,可改造利用的新能源类型也不同。本研究针对关闭/废弃矿山新能源改造综合利用提出了技术性因素评价标准,见表1。表1中的评价指标可根据当地自然条件、经济发展水平、社会需求等因素进行适当修改或完善。

影响风能的评估因素有当地气象状况、地形地貌、风速年3 m/s累计小时数、年有效风功率密度、单位GDP二氧化碳减排量等,矿山所处地区的地形地貌与气象状况直接影响风速与其有效时长从而间接影响年有效风功率密度,进而影响风能的发电效率。矿山所处地区如果气候温和多风且地形开阔相对平坦、年风速3 m/s累计小时数可达4 000 h以上、年有效风功率密度可达150 W/m2以上时,可以有效支持关闭/废闭矿山的电能使用量;若矿区处于山区及背风面或常有台风、低温、积冰、雷暴、沙尘暴等气候则不宜在该地区建造风能设备。

影响树木与农作物生长因素有很多,如土壤结构、理化性质及土壤生物等。关闭/废弃矿山由于先前的多次开采对矿区地面和土壤环境有所破坏,树木生长需要持续的水分供应,而土壤太干会影响树木的生长和发育,导致在关闭/废闭矿区发展林业相对困难。

现阶段,我国最常见的关闭/废弃矿山土地与新能源相结合的方式为太阳能,太阳能的可利用方式有许多种,目前主要有光伏发电与聚光光热发电2种方式。2种发电方式都对环境要求极为苛刻,光照强度与空气尘土沉积面积会影响太阳能发电站有效发电时数、发电效率及设备运行可靠性。此外,土地坡度会影响太阳能板安装角度,进而影响电站建造成本。

对于关闭/废弃矿山土地资源,有必要结合表1所示各类指标针对性开展“风—林—光”改造,以实现资源的高效开发利用。如图6所示,废弃露天矿坑一般为椭球形深坑且坑内包含工作台阶平面及底面,工作台阶包含台面和坡面,可于矿坑台面与正南坡面安装太阳能板进行光伏发电,矿坑底面用于碟式太阳能热发电,2种发电方式互不影响,可以充分有效地利用废弃露天矿坑的土地资源。

本研究以某关闭/废弃露天坑为例对具体改造方法进行分析。该矿坑深约100 m,占地面积约2.5 km2,坡角30°～35°。矿坑内有12个台阶,台阶平均高度为8.3 m。根据矿坑地形特点,可在该矿坑中应用光伏发电技术(PV),其中光伏发电设备的光伏组件一般选择双玻组件,双玻组件相较其他普通组件具有衰减率低、耗材少、环保、不易积雪且生命周期长等特点,逆变器可以选择50 kW组串式逆变器,变压器采用10～35 kV电压等级的双绕组欧式箱变。采用上述设备可以通过逆变器将光伏发电产生的直流电转换为交流电,再经变压器将转换后的交流电并入电网中。在废弃矿坑台阶工作面安装的光伏电池板阵列前后间距保持约1.2 m。根据《光伏发电站设计规范》(GB 50797—2012),经计算该案例年平均发电量可以达到3 500万kW·h左右,发电量相对充足,可以将发电站并入电网。

改造方案的核心不仅限于光伏发电设备安装,更要充分结合露天矿的地理特征和环境状况,进行因地制宜的优化调整,根据地理特征制定光伏发电设备的安装方案。在确保安全、可靠、高效的前提下,结合矿区地形地貌,合理选择光伏发电设备的类型、规模和布局。同时,确保改造后的光伏发电系统具备持续性、安全性和稳定性,并在费效比方面达到合理均衡。上述改造方案对于类似关闭/废弃露天坑具有一定的借鉴价值,但具体实践中可因地域差异进行相应调整。

通过上述改造,使先前已经无法继续创造经济价值的废弃矿山重新焕发生机,不仅能推动当地基础设施建设和新兴产业发展,还可以实现人才培养和再就业,为我国社会经济发展注入新的活力。

关闭/废弃矿山土地资源开发利用,作为一个新兴的、潜力无限的学科,涉及到多领域交叉协作,包括地表沉陷、地面防渗、地基安全、边坡稳定、生态修复、养殖业、光伏技术、风电技术、旅游设计等多个方向,其中地面资源是载体,各个方向的应用都是基于该载体进行。该载体受采矿影响后的状态是关键因素,决定了后续进行的具体应用方向,其地表沉陷程度、边坡稳定性、地面水资源状态等也是重要影响因素。各个方向的应用实现关闭/废弃矿山土地资源开发高效利用是根本目的,通过多学科交叉融合发展,推动该领域学科建设与理论、技术进步。