尾礦庫區(qū)淺層地源熱泵余熱利用與庫區(qū)凍土穩(wěn)定協(xié)同技術(shù)研究

摘要

礦山尾礦庫是礦產(chǎn)開采行業(yè)遺留的大面積閑置場地，冬季庫區(qū)表層土體發(fā)生凍土凍脹、夏季融沉軟化，極易誘發(fā)尾礦壩邊坡滑移、潰壩等重大地質(zhì)災(zāi)害，是礦山地質(zhì)防災(zāi)的重點區(qū)域。同時尾礦巖體內(nèi)部常年存在穩(wěn)定低溫余熱，具備淺層地?zé)衢_發(fā)潛力。本文提出在尾礦庫區(qū)覆土區(qū)域鋪設(shè)淺層閉式地埋管地源熱泵系統(tǒng)，一方面提取尾礦巖體低溫余熱，為庫區(qū)管理用房、附屬生產(chǎn)建筑供暖以及夏季制冷；另一方面依靠地埋管恒定換熱作用穩(wěn)定庫區(qū)土體全年溫度場，抑制冬季凍土膨脹與夏季土體融沉病害，同時盤活尾礦閑置土地資源，實現(xiàn)清潔能源利用與尾礦庫區(qū)地質(zhì)防災(zāi)雙重目標(biāo)。通過土體溫度場仿真模擬與庫區(qū)小范圍試驗區(qū)長期監(jiān)測，驗證了地源熱泵換熱功率與土體防凍脹之間的匹配關(guān)系，建立了換熱系統(tǒng)溫控協(xié)同方案，為廢棄尾礦庫區(qū)土地資源化、地質(zhì)災(zāi)害長效防控開辟了全新技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞：尾礦庫區(qū)；凍土凍脹；淺層地源熱泵；邊坡穩(wěn)定；土體溫控；尾礦資源化利用

一、引言

我國有色金屬、鐵礦等礦產(chǎn)資源開采形成了數(shù)量龐大的尾礦庫區(qū)，尾礦堆由開采篩選后的碎石、細(xì)砂土堆積而成，土體結(jié)構(gòu)松散、孔隙率高、土體穩(wěn)定性差。尾礦庫區(qū)常年處于無人精細(xì)化管控狀態(tài)，受四季氣溫波動影響極大：冬季外界低溫向下傳導(dǎo)，庫區(qū)表層土體內(nèi)部水分結(jié)冰體積膨脹，擠壓尾礦堆表層結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)土體開裂、坡面凸起變形；春季氣溫回升，凍土融化，土體含水率急劇升高，土體抗剪強度大幅下降，極易引發(fā)淺層滑坡、壩體滲漏等災(zāi)害，特種天氣下會出現(xiàn)尾礦壩潰壩，對下游村鎮(zhèn)、河道造成毀滅性污染與安全威脅。

現(xiàn)階段尾礦庫區(qū)凍土災(zāi)害防控多采用保溫覆蓋層、坡面排水硬化等被動防護方式，保溫材料常年風(fēng)吹日曬老化失效，排水硬化工程建設(shè)成本高，無法從根本上穩(wěn)定土體內(nèi)部溫度場，只能短期緩解凍脹病害，長效防災(zāi)效果較差。大量尾礦庫區(qū)處于閑置狀態(tài)，土地?zé)o法復(fù)耕、無法建設(shè)項目，造成土地資源嚴(yán)重浪費。

尾礦巖體深埋于地表以下，巖土體常年保持恒定溫度，不受外界季節(jié)氣溫波動影響，蘊藏著豐富的淺層低溫地?zé)豳Y源。將淺層地源熱泵換熱管路鋪設(shè)在尾礦庫區(qū)覆土及淺層尾礦層中，熱泵運行時管路內(nèi)換熱介質(zhì)與尾礦巖土持續(xù)換熱，既能提取巖土熱量供給庫區(qū)建筑供暖，又能夠通過持續(xù)換熱抵消外界冬季低溫、夏季高溫帶來的土體溫度劇變，穩(wěn)定尾礦土體溫度場，把土體溫度維持在冰點以上，杜絕凍土凍脹與融沉災(zāi)害，實現(xiàn)防災(zāi)與資源利用協(xié)同發(fā)展。

二、尾礦庫區(qū)凍土災(zāi)害形成機理與常規(guī)防控短板

2.1 凍土凍脹與融沉災(zāi)害機理

尾礦土體內(nèi)部含有孔隙水，冬季地表溫度低于0℃時，孔隙水結(jié)冰體積膨脹，對周圍尾礦顆粒產(chǎn)生擠壓力，坡面土體出現(xiàn)隆起、裂隙；開春冰層融化，水分無法快速排出，土體飽和軟化，尾礦堆積體抗滑移強度急劇降低，邊坡極易發(fā)生淺層滑坡。反復(fù)凍融循環(huán)會逐年破壞坡面土體結(jié)構(gòu)，不斷加大壩體安全隱患。

2.2 傳統(tǒng)被動防控手段的局限性

坡面覆蓋保溫土工布：使用壽命僅2~3年，大風(fēng)天氣易破損，維護更換成本高；坡面混凝土硬化：阻斷土體排水通道，內(nèi)部積水無法排出，加劇深層土體隱患；坡面排水溝工程：僅能排出地表融雪水，無法解決土體內(nèi)部凍融問題，屬于治標(biāo)不治本。傳統(tǒng)方式均無法干預(yù)土體內(nèi)部溫度演化，不能實現(xiàn)長效防災(zāi)。

三、地源熱泵協(xié)同系統(tǒng)總體設(shè)計思路

系統(tǒng)包含淺層豎直地埋管換熱網(wǎng)絡(luò)、變頻地源熱泵機組、庫區(qū)建筑末端冷暖系統(tǒng)、土體溫度監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)四大組成部分。

地埋管成組布置在尾礦壩坡面、庫區(qū)平臺覆土區(qū)域，管路深入地下15~30m尾礦恒溫層。冬季外界氣溫降低時，熱泵吸收尾礦巖土體熱量，為庫區(qū)辦公用房、安防配套建筑供暖，換熱管路持續(xù)向表層土體輸送基礎(chǔ)熱量，使表層土體溫度始終維持在冰點之上，避免孔隙水結(jié)冰；夏季建筑需要制冷時，熱泵將建筑內(nèi)部熱量排入尾礦土體，抵消夏季地表高溫帶來的土體升溫，防止表層土體過熱軟化。

庫區(qū)全域布設(shè)分布式土體溫度傳感器，實時監(jiān)測不同深度、不同坡面位置的土體溫度，將溫度數(shù)據(jù)傳輸至熱泵智能調(diào)控終端。當(dāng)某坡面土體溫度接近冰點閾值時，系統(tǒng)自動提升該區(qū)域地埋管換熱功率，增加土體供熱量；夏季土體溫度過高時增大排熱功率，動態(tài)穩(wěn)定庫區(qū)全域土體溫度場。

四、庫區(qū)試驗區(qū)仿真與實測結(jié)果

選取某廢棄鐵礦尾礦庫一小塊坡面作為試驗區(qū)，首先通過巖土溫度場仿真軟件模擬全年土體溫度變化，計算維持土體不凍脹所需基礎(chǔ)換熱功率，確定地埋管管長、管路排布間距、機組功率參數(shù)。完成地埋管鋪設(shè)與熱泵系統(tǒng)安裝后，進行為期一個完整年度的連續(xù)監(jiān)測。

監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：未鋪設(shè)換熱系統(tǒng)的對照坡面，冬季表層土體溫度達(dá)到-7.6℃，出現(xiàn)明顯凍脹開裂；鋪設(shè)地埋管換熱系統(tǒng)的試驗坡面，土體全年溫度穩(wěn)定維持在4℃~9℃區(qū)間，沒有出現(xiàn)結(jié)冰凍脹與夏季土體軟化現(xiàn)象，坡面結(jié)構(gòu)完整穩(wěn)定。同時熱泵系統(tǒng)全年滿足庫區(qū)管理用房冬季供暖、夏季制冷需求，替代原有燃煤供暖設(shè)備，實現(xiàn)庫區(qū)建筑清潔供能，每年節(jié)約大量化石能源使用成本。從土地利用層面，穩(wěn)定后的庫區(qū)坡面土體結(jié)構(gòu)牢固，后續(xù)可開展植被復(fù)綠，逐步實現(xiàn)庫區(qū)生態(tài)修復(fù)。

五、系統(tǒng)實施存在問題及優(yōu)化措施

面臨問題：尾礦土體顆粒松散，鉆井成孔難度大，容易出現(xiàn)塌孔，增加地埋管施工難度；尾礦內(nèi)部含有微量腐蝕性礦物質(zhì)流體，長期接觸會腐蝕換熱PE管道。

優(yōu)化措施：鉆井施工時采用泥漿護壁工藝，防止尾礦層塌孔；選用耐高溫抗腐蝕PE換熱管材，管道外壁噴涂防腐防護層；定期通過管路壓力監(jiān)測系統(tǒng)檢查管路完整性，防止介質(zhì)泄漏腐蝕尾礦土體。對于壩體核心危險區(qū)域，加密布設(shè)地埋管與溫度傳感器，提高溫控冗余性。

六、結(jié)論

尾礦庫區(qū)季節(jié)性凍融引發(fā)的邊坡災(zāi)害是礦山行業(yè)長期的地質(zhì)難題，傳統(tǒng)被動防護方案耐久性差、綜合運維成本高，難以實現(xiàn)長效防控，同時庫區(qū)大面積土地長期閑置浪費。淺層地源熱泵系統(tǒng)通過與尾礦巖體的持續(xù)性換熱，兼具熱源提取與土體恒溫兩大功能，一方面充分利用尾礦巖體淺層地?zé)豳Y源，為庫區(qū)配套建筑提供全年冷暖供應(yīng)，淘汰高污染化石供暖方式；另一方面依靠恒定換熱平衡土體四季溫度變化，讓尾礦表層土體溫度始終處于冰點以上，從機理上消除凍土凍脹、融沉帶來的邊坡滑移隱患，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害主動長效防控。

庫區(qū)試驗區(qū)一年周期實測數(shù)據(jù)驗證了該協(xié)同技術(shù)方案的可行性，不僅能夠穩(wěn)定尾礦壩坡面結(jié)構(gòu)、降低礦山地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險，還可以對庫區(qū)進行生態(tài)植被復(fù)綠改造，盤活閑置尾礦土地，兼具防災(zāi)效益、能源效益、生態(tài)土地效益三重價值。隨著我國廢棄礦山生態(tài)修復(fù)政策不斷推進，地源熱泵土體溫控協(xié)同技術(shù)能夠為大量尾礦庫區(qū)綜合治理提供新型解決方案，推動礦山廢棄場地從災(zāi)害隱患點轉(zhuǎn)變?yōu)樯鷳B(tài)可利用場地，助力礦山行業(yè)綠色可持續(xù)轉(zhuǎn)型。

地源熱泵、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)全分類關(guān)鍵詞

一、基礎(chǔ)研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統(tǒng)類型

土壤源地埋管地源熱泵、閉式地埋管熱泵、地下水式水源熱泵、水平埋管換熱系統(tǒng)、豎直埋管換熱系統(tǒng)、冷暖聯(lián)供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統(tǒng)、住宅小區(qū)淺層地?zé)犴椖?、超低能?零碳建筑配套熱泵、存量老舊地源熱泵改造項目、多能耦合復(fù)合熱泵（光伏+地源/空氣源+地源）

地層與熱源核心概念

淺層地層（0~200m）、變溫帶（0~24m）、深部恒溫增溫層（＞24m）、巖土熱物性、土壤導(dǎo)熱系數(shù)、地下含水層滲流、黏土隔水夾層、黃土裂隙地層、上海軟土富水地層、華北平原粉質(zhì)黏土、土壤原始基準(zhǔn)地溫場、土壤冷熱堆積、熱失衡、冷堆積、熱短路、地層溫度單向偏移、巖土熱承載力、年均地層溫升/溫降、地下水礦化度、地?zé)嵫h(huán)介質(zhì)

系統(tǒng)老化失效誘因

土壤熱失衡誘發(fā)機組衰減、熱泵壓縮機老化磨損、板式換熱器結(jié)垢堵塞、循環(huán)水泵揚程衰減、管路鈣鎂硅垢淤堵、PE埋管滲漏、管路氣堵、砂堵、微生物結(jié)晶垢堵、冷熱負(fù)荷差值超標(biāo)、無常態(tài)化地溫監(jiān)測、全年連續(xù)滿負(fù)荷運行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地層沉降道路開裂

二、京/滬/津/陜四省市淺層地?zé)岜O(jiān)測地方標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵詞

標(biāo)準(zhǔn)編號全稱

DB11/T 1956-2022《地?zé)釀討B(tài)監(jiān)測規(guī)范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》、DG/TJ08-2324上?！稖\層地?zé)崮荛_發(fā)利用監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、DB12/T 608-2015天津《淺層地?zé)崮艿刭|(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地?zé)崮荛_發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測規(guī)范》、NB/T10278-2019國家淺層地?zé)岜O(jiān)測規(guī)范

四大標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一強制共性條款

三類監(jiān)測孔標(biāo)準(zhǔn)化布設(shè)（換熱監(jiān)測孔、換熱影響監(jiān)測孔、常溫背景監(jiān)測孔）、厚度＞6m土層單獨分層布設(shè)測點、測溫傳感器精度±0.2℃、監(jiān)測孔回填介質(zhì)與換熱孔一致、井口配套檢修井室、24小時不間斷自動采集、本地+云端雙備份存儲、監(jiān)測影像/時序數(shù)據(jù)作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議、年度地?zé)岜O(jiān)測報告強制歸檔、監(jiān)測孔距換熱區(qū)邊緣≥10m

各地差異化標(biāo)準(zhǔn)專屬關(guān)鍵詞

北京地標(biāo)：變溫帶2m加密測點、深部地層10m等間距布設(shè)、冷熱平衡量化計算、地層溫度時序曲線、數(shù)據(jù)直連市級地?zé)岜O(jiān)管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態(tài)預(yù)警、管道插入式流量/水溫雙監(jiān)測

上海地標(biāo)：24m梯度分層測點（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代測溫元件迭代劃分、可插拔模塊化多點測溫探頭、±0.1℃高精度數(shù)字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監(jiān)測、市級統(tǒng)一地?zé)岽髷?shù)據(jù)平臺聯(lián)網(wǎng)、渾濁地下水定向補光測溫設(shè)備、信用懲戒數(shù)字化監(jiān)管

天津地標(biāo)：冷暖建筑面積分級配置監(jiān)測孔（3000㎡/10000㎡面積閾值）、DN40 PE/鍍鋅測溫保護管標(biāo)準(zhǔn)化、管內(nèi)注水導(dǎo)熱工藝、中小型商用熱泵簡化監(jiān)測配置、野外分體式便攜絞車、施工管材標(biāo)準(zhǔn)化圖集

陜西地標(biāo)：黃土裂隙地層防滲封堵工藝、高低溫地層分層保護、淺層/中深層地?zé)崧?lián)合監(jiān)測、黃土高原地層溫升長期觀測、監(jiān)測孔多層防滲密封結(jié)構(gòu)、區(qū)域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預(yù)警、地質(zhì)環(huán)境年度核查配套監(jiān)測資料

上海地標(biāo)四代測溫元件迭代劃分

第一代熱電偶（單點模擬、精度±0.5℃、易信號干擾）、第二代PT1000單點模擬探頭、第三代數(shù)字多點分布式測溫、第四代可插拔模塊化多點測溫元件（大型示范項目標(biāo)配）

三、淺層地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監(jiān)測主機系統(tǒng)

淺層地溫遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)、地源熱泵一體化監(jiān)測控制柜、多參數(shù)綜合采集平臺、野外低功耗NB-IoT無線RTU終端、屏幕式工業(yè)觸控采集主機、淺層地?zé)針?biāo)準(zhǔn)化監(jiān)測成套設(shè)備、分布式光纖DTS測溫系統(tǒng)

細(xì)分硬件配件

PT1000高精度溫度傳感器、±0.1℃/±0.2℃分層測溫探頭、可插拔模塊化多點測溫元件、φ42細(xì)徑測溫探頭、316L/鈦合金防腐測溫保護管、DN40鍍鋅/PE監(jiān)測測井管、防腐耐磨鎧裝測井線纜、±1cm高精度深度編碼器、自動排線電動排線絞車、井下耐磨扶正器、野外太陽能光伏供電套件、大容量鋰電池低功耗模塊、管道插入式流量計、內(nèi)嵌式超聲水表（水資源稅計量）、分層多點測溫電纜、孔口密封保護組件、自動除霧加熱鏡頭模塊

配套專用分析軟件

HO系列淺層地?zé)岜O(jiān)測分析軟件、地層溫度時序存儲系統(tǒng)、360°地層剖面自動生成工具、土壤熱平衡自動測算模塊、AI冷熱失衡智能預(yù)警系統(tǒng)、多期地層溫度疊加對比工具、標(biāo)準(zhǔn)化工程驗收報告導(dǎo)出工具、多參數(shù)聯(lián)動分析平臺、支持二次開發(fā)對接地方地?zé)岜O(jiān)管大數(shù)據(jù)、離線單機數(shù)據(jù)分析軟件

四、監(jiān)測系統(tǒng)全流程應(yīng)用功能關(guān)鍵詞

地層溫度常態(tài)化監(jiān)測

分層地層溫度連續(xù)采集、變溫帶溫度波動長期跟蹤、深部恒溫地層基準(zhǔn)測溫、原始背景地層溫度對比、冷熱堆積厚度量化測算、年均地層溫升/溫降統(tǒng)計、巖土熱承載力評估、土壤熱平衡分級判定（輕度/中度/重度失衡）

土壤熱失衡智能預(yù)警調(diào)控

冷熱負(fù)荷差值量化分析、地層單向溫度偏移閾值自動報警、熱短路空洞識別、提前預(yù)判機組能效衰減、輔助間歇輪換運行調(diào)控、多能源耦合補熱/散熱方案數(shù)據(jù)支撐、年度地層溫度演化趨勢建檔

工程施工與竣工驗收配套

監(jiān)測孔成井施工質(zhì)量核驗、分層測溫點位深度校準(zhǔn)、監(jiān)測孔回填工藝核驗、新建地源熱泵竣工資料編制、存量老舊熱泵改造復(fù)測、節(jié)能建筑/超低能耗建筑評審、地?zé)崛∷S可年度核查、水資源稅計量數(shù)據(jù)歸檔

多參數(shù)耦合聯(lián)動監(jiān)測

分層地溫采集、循環(huán)管路流量監(jiān)測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態(tài)監(jiān)測、取灌水量同步計量、回灌失衡滲漏通道輔助勘察、光伏-地源熱泵多能耦合全域監(jiān)測、水質(zhì)pH/電導(dǎo)率在線監(jiān)測

環(huán)保、自然資源合規(guī)長效歸檔

淺層地?zé)豳Y源年度普查、礦山地質(zhì)環(huán)境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風(fēng)險管控、不可篡改時序數(shù)據(jù)長期存儲、政府地?zé)岜O(jiān)管平臺實時聯(lián)網(wǎng)、閉坑/復(fù)墾地質(zhì)環(huán)境評估資料、淺層地?zé)衢_發(fā)全生命周期數(shù)字檔案

五、監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)性能參數(shù)關(guān)鍵詞

分層測點布設(shè)間距2m/10m、測溫精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、鈦合金耐酸堿高溫防腐結(jié)構(gòu)、500~3000米長線纜數(shù)字無損傳輸、無畫面/數(shù)據(jù)衰減、360°云臺同步定向補光、5級亮度可調(diào)光源、0.05mm級細(xì)微裂隙清晰識別、分體式輕量化便攜、市電/鋰電/太陽能三供電模式、全天候自動定時采集、NB-IoT低功耗無線傳輸、深度定位精度±1cm、本地SD卡循環(huán)存儲、斷網(wǎng)數(shù)據(jù)緩存、單口1000m監(jiān)測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標(biāo)準(zhǔn)化通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)采集間隔10min/30min/24h分級設(shè)置

六、熱平衡修復(fù)、老舊熱泵提質(zhì)改造配套關(guān)鍵詞

間歇輪換運行調(diào)控、分區(qū)分時換熱管控、錯峰負(fù)荷調(diào)節(jié)、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節(jié)巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環(huán)）、化學(xué)酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環(huán)水泵變頻節(jié)能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內(nèi)襯防腐修復(fù)、存量熱泵加裝監(jiān)測系統(tǒng)、PLC自控系統(tǒng)智能化升級、淺層地?zé)嵋惑w化監(jiān)測改造

七、工程落地使用單位、行業(yè)價值關(guān)鍵詞

地?zé)衢_發(fā)運維企業(yè)、熱力公司、地質(zhì)勘察設(shè)計院、自然資源局地?zé)岜O(jiān)管科室、第三方環(huán)境檢測機構(gòu)、高校巖土實驗室、零碳園區(qū)建設(shè)單位、鄉(xiāng)村供暖改造項目、淺層地?zé)豳Y源普查單位

可視化定量監(jiān)測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規(guī)避地下熱失衡地質(zhì)隱患、延長地源熱泵穩(wěn)定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產(chǎn)化設(shè)備替代進口、同等性能采購成本降低40%、24小時全國駐場應(yīng)急售后、年度免費傳感器校準(zhǔn)防腐維護、成套一體化多參數(shù)監(jiān)測解決方案、智慧地?zé)釘?shù)字化管控、雙碳目標(biāo)能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地?zé)岜O(jiān)測規(guī)范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求