趙家寨煤礦生態保護及清潔能源綜合利用技術

張要展 韓明振 楊偉強

（1.河南省鄭煤集團新鄭煤電有限責任公司，河南 鄭州 451184；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000）

建設綠色礦山是生態文明建設在煤礦行業的具體實踐，是積極響應國家政策的體現[1]。同時，礦產資源綜合利用對于保護環境、節約資源、促進可持續發展都具有十分重要的意義[2-3]。因此，根據趙家寨煤礦實際情況，提出并實施了基于礦區生態保護與清潔能源綜合利用的綠色礦山建設新模式。

1 礦區概況

趙家寨礦區內為平原微丘地形，地勢比較平坦，西北部溝谷發育。該礦區處于干旱、半干旱的生態脆弱區，地面形態比較單一，地質層組紊亂，地表物質混雜，土壤肥力貧瘠，水土流失十分嚴重，天然植被恢復非常緩慢。因此，研究趙家寨煤礦生態保護及清潔能源綜合利用技術，對建設趙家寨綠色礦區有著十分重要的現實意義。

2 生態保護技術

2.1 生態保護對策

礦區開發產生水環境污染及地表變形與塌陷等問題[4]。礦區生態環境保護的對策主要有：

（1）加強宣傳教育，轉變思想觀念

人們對生態資源的不合理利用會導致生態環境遭受不同程度的破壞，這與人們環境保護意識薄弱有關。因此，環保宣傳教育應以人為本，提高人們的環保意識，使人們的行為與環境和諧發展。要多層次地利用各種宣傳形式和手段，將綠色礦山、可持續發展思想等傳播給廣大干部群眾。

（2）礦區生態環境保護規劃

礦區開采引起的水土流失主要是由于地表塌陷、植被破壞和煤矸石廢棄物的破壞造成的。為了恢復地表植被，除了采取措施防止地表塌陷外，還應加強綠化，采取裸地綠化措施，防止水土流失。在排矸場地周圍設置防護林帶，以防止塵土飛揚。

（3）全過程環境管理，加大執法監督力度

環境管理的全過程要求對煤炭開發項目立項、規劃設計、基建、生產、銷售、運輸、使用的全過程進行綜合管理。環境管理不僅要貫穿于產品的整個周期，而且還要對其副產品的回收進行管理。

（4）拓寬環保籌資渠道，加強環境治理的經濟實力和實際效果

礦區環境保護成本主要包括新建項目的環境保護投資、老企業根據生產實際發生的各種費用、進行技術改造的環境保護投資。煤礦建設各環節應采取不同措施，確保環保資金到位。

2.2 裂縫充填設計

首先，沿著地表裂縫將表層土壤剝離，然后把剝離的土壤堆放在裂縫的兩側，剝離的厚度為表層土壤厚度；接著將裂縫兩側剝離的表土填入裂縫內，夯實至低于原表土；將剝離的土壤覆蓋在整修完成的表土層上，然后進行平整工作，以滿足正常耕作的需要[5]。裂縫充填流程圖如圖1。

圖1 裂縫充填流程圖

地面裂縫按開裂程度分為輕度裂縫、中度裂縫以及重度裂縫[6]。對于輕度裂縫，一般采用填土壓實方法；對于中度裂縫，填土后需進行手動搗實，搗實后再進行機械壓實；對于重度裂縫，若裂縫較寬，需用礫石填充其底部，接著向上用細沙覆蓋，然后壓實。若裂縫較窄，視具體情況按輕度裂縫、中度裂縫的壓實方法處理。

2.3 土地平整設計

（1）宜耕地設計

對于地塊平面設計，地塊的面積應盡量大，但地塊的數目應盡量小；對于平坦的地塊，形狀應盡量為矩形、梯形等；對于地塊平整后的傾斜方向和坡度，應和實際的地形地貌以及耕地保持一致；如果原有的地塊符合設計要求，可不進行改造[7]。

（2）宜林地設計

對被破壞土地進行開發最廉價、最簡單的方法之一便是林地復墾，在生態環境恢復中發揮著重要作用。如果礦區的人工造林條件較差，造林密度應宜小不宜大，而且隨著時間的推移，需適時進行人工間伐。一般來說，任何樹種在完全郁閉后，不論密度大小，林地的生產力即趨近飽和。復墾土地坡度在25°以上的要考慮使種植行的方向與徑流線保持垂直，以利于水土保持[8]。

（3）道路工程設計

根據趙家寨煤礦區地形地貌以及自然條件，田間路斷面圖如圖2，生產路斷面圖如圖3。

圖2 田間路斷面圖（cm）

圖3 生產路斷面圖（cm）

3 清潔能源綜合利用技術

3.1 第一期清潔能源綜合利用技術方案

根據環保要求，燃煤鍋爐運行不確定性較大，燃氣鍋爐運行成本較高，隨著空壓機余熱利用、水源熱泵技術的日臻成熟，清潔能源的利用勢在必行。以制取1 t50 ℃熱水為例，空壓機余熱利用運行成本0.74 元/t，水源熱泵運行成本5.48 元/t，遠低于燃氣鍋爐運行成本9.81 元/t。該礦工業廣場的355 kW 兩臺空壓機滿負荷運行；礦井水凈化后可利用量740 m3/h，水溫四季保持在25 ℃以上。礦井熱資源豐富，可利用價值高。

通過調研論證，擬定安裝一套空壓機余熱利用系統，兩套水源熱泵系統，一套用于制取洗浴用水，一套用于辦公樓制冷制熱。

（1）職工洗浴用水綜合利用技術方案

根據現場的場地情況和地形地貌，計劃將三臺余熱回收主機安裝在空壓機房內空壓機的一側，二次熱交換系統及水源熱泵系統設備等安裝在空壓機房的后院內，保溫水箱安裝在空壓機房前草坪。

（2）辦公樓制冷/制熱水源熱泵技術方案

礦井可利用余熱水量740 m3/h，水溫四季保持在25 ℃以上。辦公樓制冷面積6000 m2。水源熱泵采用雙冷凝器全熱回收熱泵機組，最大化提高熱源利用率，利用現有辦公樓中央空調末端設備（含管道及盤管），滿足辦公樓制熱需求。

采用能源合同管理模式，礦方只提供場地，承建方提供技術、資金，負責運行及相關運行費用。空壓機余熱利用、水源熱泵兩套系統共投資889 萬元，每年節約資金70 萬元，四年節約資金280 萬元。運行四年后，承建方無償將兩套系統交予礦方。四年之中，承建方收回投資及相關費用1 479.9 萬元，礦方獲得三套清潔能源設備，并節約資金280 萬元。四年之后，設備全部交由礦方管理，每年可節約資金202.32 萬元。

采用五年能源合同期：空壓機余熱利用、水源熱泵兩套系統共投資956.3 萬元，每年節約資金95.17 萬元，五年節約資金475.85 萬元。五年之中，承建方收回投資及相關費用1724 萬元，礦方獲得三套清潔能源設備，并節約資金475.85 萬元。五年之后，設備全部交由礦方管理，每年可節約資金202.32 萬元。

3.2 第二期清潔能源綜合利用技術方案

第一期空壓機余熱利用和水源熱泵系統已實現四季職工洗浴的不間斷供應和辦公樓夏季制冷/冬季采暖，設備運行正常，效果良好。

為使井下排至地面的水源最大限度充分利用，取消燃氣鍋爐、電空調，實現能源清潔管理、綠色發展。第二期水源熱泵系統增容方案計劃利用現鍋爐房一樓場地安裝增容系統設備，此系統夏季供三個公寓樓、多功能廳、聯合建筑、調度樓等地點冬季供暖、夏季制冷，并且解決夏季井下高溫問題。井口防凍系統利用熱泵冷、熱風機組，根據環境溫度智能匹配設備運行模式及梯級開啟模式，冬季滿足最低溫度狀態時的井口采暖防凍要求。夏季向井下輸送冷風解決井下高溫問題，該系統設備分布于井筒旁邊（以不影響井口正常生產為準）。衣物烘干房亦采用熱泵烘干機安裝在烘干房旁邊，根據實際環境設定開啟溫暖與烘干時間。第二期系統增容后取代燃氣鍋爐冬季供暖，夏季替代電空調制冷（原電空調備用）。現有燃氣鍋爐供暖系統不動，作為礦井備用和應急供暖系統，既節約費用，又實現設備互為備用，提高礦井應急和抵御重大自然災害能力。

第二期水源熱泵系統增容方案計劃利用現鍋爐房一樓場地安裝增容系統設備，該增容系統設備包含6 臺KWS-2500G3R 水源熱泵空調機組，供三個公寓樓、多功能廳、聯合建筑、調度樓、篩選廠、洗煤廠等地點冬季供暖、夏季制冷。主、副井口防凍系統利用42 臺CAO-100 熱泵冷、熱風機組，根據環境溫度智能匹配設備運行模式及梯級開啟模式，冬季滿足最低溫度狀態時的井口采暖防凍要求。夏季向井下輸送冷風解決井下高溫問題，該系統設備分布于井筒旁邊（以不影響井口正常生產為準）。衣物烘干房亦采用4 臺熱泵烘干機組安裝在烘干房旁邊，根據實際環境設定開啟溫暖與烘干時間。系統增容后取代燃氣鍋爐冬季供暖，夏季替代電空調制冷（原電空調備用）。現有燃氣鍋爐供暖系統不動，作為礦井備用和應急供暖系統，實現設備互為備用，提高礦井應急和抵御重大自然災害能力。

增容系統投用后冬季制熱時房間溫度不低于（18±2）℃，井口冷、熱風機組根據環境溫度開啟制熱模式向井下送熱風，井口及巷道溫度不低于2℃；夏季制冷時房間溫度不高于（25±2）℃，另外井口冷、熱風機組根據環境溫度開啟制冷模式向井下送冷風，井口及巷道溫度低于室外環境6 ℃左右。

4 結論

（1）以趙家寨煤礦為研究對象，對礦區生態環境保護提出了相應的對策，構建了基于源頭減損、末端治理的礦區生態保護與土地復墾技術體系，成功對趙家寨煤礦實施了土地復墾措施。

（2）建立了礦井供熱方式的全壽命周期成本模型，分析研究了合理的礦井熱源供應方式。通過兩期清潔能源綜合利用技術，充分利用趙家寨煤礦現有熱源，最大化地提高了熱源利用率，并且環保節能、能耗低、效率高、投資少、效果顯著。