趙家寨煤礦生態(tài)保護(hù)及清潔能源綜合利用技術(shù)

張要展 韓明振 楊偉強(qiáng)

（1.河南省鄭煤集團(tuán)新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南 鄭州 451184；2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

建設(shè)綠色礦山是生態(tài)文明建設(shè)在煤礦行業(yè)的具體實(shí)踐，是積極響應(yīng)國家政策的體現(xiàn)[1]。同時，礦產(chǎn)資源綜合利用對于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展都具有十分重要的意義[2-3]。因此，根據(jù)趙家寨煤礦實(shí)際情況，提出并實(shí)施了基于礦區(qū)生態(tài)保護(hù)與清潔能源綜合利用的綠色礦山建設(shè)新模式。

1 礦區(qū)概況

趙家寨礦區(qū)內(nèi)為平原微丘地形，地勢比較平坦，西北部溝谷發(fā)育。該礦區(qū)處于干旱、半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)，地面形態(tài)比較單一，地質(zhì)層組紊亂，地表物質(zhì)混雜，土壤肥力貧瘠，水土流失十分嚴(yán)重，天然植被恢復(fù)非常緩慢。因此，研究趙家寨煤礦生態(tài)保護(hù)及清潔能源綜合利用技術(shù)，對建設(shè)趙家寨綠色礦區(qū)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 生態(tài)保護(hù)技術(shù)

2.1 生態(tài)保護(hù)對策

礦區(qū)開發(fā)產(chǎn)生水環(huán)境污染及地表變形與塌陷等問題[4]。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的對策主要有：

（1）加強(qiáng)宣傳教育，轉(zhuǎn)變思想觀念

人們對生態(tài)資源的不合理利用會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境遭受不同程度的破壞，這與人們環(huán)境保護(hù)意識薄弱有關(guān)。因此，環(huán)保宣傳教育應(yīng)以人為本，提高人們的環(huán)保意識，使人們的行為與環(huán)境和諧發(fā)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(xù)發(fā)展思想等傳播給廣大干部群眾。

（2）礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃

礦區(qū)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(fù)地表植被，除了采取措施防止地表塌陷外，還應(yīng)加強(qiáng)綠化，采取裸地綠化措施，防止水土流失。在排矸場地周圍設(shè)置防護(hù)林帶，以防止塵土飛揚(yáng)。

（3）全過程環(huán)境管理，加大執(zhí)法監(jiān)督力度

環(huán)境管理的全過程要求對煤炭開發(fā)項(xiàng)目立項(xiàng)、規(guī)劃設(shè)計、基建、生產(chǎn)、銷售、運(yùn)輸、使用的全過程進(jìn)行綜合管理。環(huán)境管理不僅要貫穿于產(chǎn)品的整個周期，而且還要對其副產(chǎn)品的回收進(jìn)行管理。

（4）拓寬環(huán)保籌資渠道，加強(qiáng)環(huán)境治理的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和實(shí)際效果

礦區(qū)環(huán)境保護(hù)成本主要包括新建項(xiàng)目的環(huán)境保護(hù)投資、老企業(yè)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際發(fā)生的各種費(fèi)用、進(jìn)行技術(shù)改造的環(huán)境保護(hù)投資。煤礦建設(shè)各環(huán)節(jié)應(yīng)采取不同措施，確保環(huán)保資金到位。

2.2 裂縫充填設(shè)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(cè)，剝離的厚度為表層土壤厚度；接著將裂縫兩側(cè)剝離的表土填入裂縫內(nèi)，夯實(shí)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(jìn)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(shí)方法；對于中度裂縫，填土后需進(jìn)行手動搗實(shí)，搗實(shí)后再進(jìn)行機(jī)械壓實(shí)；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(xì)沙覆蓋，然后壓實(shí)。若裂縫較窄，視具體情況按輕度裂縫、中度裂縫的壓實(shí)方法處理。

2.3 土地平整設(shè)計

（1）宜耕地設(shè)計

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

（2）宜林地設(shè)計

對被破壞土地進(jìn)行開發(fā)最廉價、最簡單的方法之一便是林地復(fù)墾，在生態(tài)環(huán)境恢復(fù)中發(fā)揮著重要作用。如果礦區(qū)的人工造林條件較差，造林密度應(yīng)宜小不宜大，而且隨著時間的推移，需適時進(jìn)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(chǎn)力即趨近飽和。復(fù)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(shè)計

根據(jù)趙家寨煤礦區(qū)地形地貌以及自然條件，田間路斷面圖如圖2，生產(chǎn)路斷面圖如圖3。

圖2 田間路斷面圖（cm）

圖3 生產(chǎn)路斷面圖（cm）

3 清潔能源綜合利用技術(shù)

3.1 第一期清潔能源綜合利用技術(shù)方案

根據(jù)環(huán)保要求，燃煤鍋爐運(yùn)行不確定性較大，燃?xì)忮仩t運(yùn)行成本較高，隨著空壓機(jī)余熱利用、水源熱泵技術(shù)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(jī)余熱利用運(yùn)行成本0.74 元/t，水源熱泵運(yùn)行成本5.48 元/t，遠(yuǎn)低于燃?xì)忮仩t運(yùn)行成本9.81 元/t。該礦工業(yè)廣場的355 kW 兩臺空壓機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)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(diào)研論證，擬定安裝一套空壓機(jī)余熱利用系統(tǒng)，兩套水源熱泵系統(tǒng)，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(shù)方案

根據(jù)現(xiàn)場的場地情況和地形地貌，計劃將三臺余熱回收主機(jī)安裝在空壓機(jī)房內(nèi)空壓機(jī)的一側(cè)，二次熱交換系統(tǒng)及水源熱泵系統(tǒng)設(shè)備等安裝在空壓機(jī)房的后院內(nèi)，保溫水箱安裝在空壓機(jī)房前草坪。

（2）辦公樓制冷/制熱水源熱泵技術(shù)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(jī)組，最大化提高熱源利用率，利用現(xiàn)有辦公樓中央空調(diào)末端設(shè)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(shù)、資金，負(fù)責(zé)運(yùn)行及相關(guān)運(yùn)行費(fèi)用。空壓機(jī)余熱利用、水源熱泵兩套系統(tǒng)共投資889 萬元，每年節(jié)約資金70 萬元，四年節(jié)約資金280 萬元。運(yùn)行四年后，承建方無償將兩套系統(tǒng)交予礦方。四年之中，承建方收回投資及相關(guān)費(fèi)用1 479.9 萬元，礦方獲得三套清潔能源設(shè)備，并節(jié)約資金280 萬元。四年之后，設(shè)備全部交由礦方管理，每年可節(jié)約資金202.32 萬元。

采用五年能源合同期：空壓機(jī)余熱利用、水源熱泵兩套系統(tǒng)共投資956.3 萬元，每年節(jié)約資金95.17 萬元，五年節(jié)約資金475.85 萬元。五年之中，承建方收回投資及相關(guān)費(fèi)用1724 萬元，礦方獲得三套清潔能源設(shè)備，并節(jié)約資金475.85 萬元。五年之后，設(shè)備全部交由礦方管理，每年可節(jié)約資金202.32 萬元。

3.2 第二期清潔能源綜合利用技術(shù)方案

第一期空壓機(jī)余熱利用和水源熱泵系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)四季職工洗浴的不間斷供應(yīng)和辦公樓夏季制冷/冬季采暖，設(shè)備運(yùn)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?xì)忮仩t、電空調(diào)，實(shí)現(xiàn)能源清潔管理、綠色發(fā)展。第二期水源熱泵系統(tǒng)增容方案計劃利用現(xiàn)鍋爐房一樓場地安裝增容系統(tǒng)設(shè)備，此系統(tǒng)夏季供三個公寓樓、多功能廳、聯(lián)合建筑、調(diào)度樓等地點(diǎn)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(tǒng)利用熱泵冷、熱風(fēng)機(jī)組，根據(jù)環(huán)境溫度智能匹配設(shè)備運(yùn)行模式及梯級開啟模式，冬季滿足最低溫度狀態(tài)時的井口采暖防凍要求。夏季向井下輸送冷風(fēng)解決井下高溫問題，該系統(tǒng)設(shè)備分布于井筒旁邊（以不影響井口正常生產(chǎn)為準(zhǔn)）。衣物烘干房亦采用熱泵烘干機(jī)安裝在烘干房旁邊，根據(jù)實(shí)際環(huán)境設(shè)定開啟溫暖與烘干時間。第二期系統(tǒng)增容后取代燃?xì)忮仩t冬季供暖，夏季替代電空調(diào)制冷（原電空調(diào)備用）。現(xiàn)有燃?xì)忮仩t供暖系統(tǒng)不動，作為礦井備用和應(yīng)急供暖系統(tǒng)，既節(jié)約費(fèi)用，又實(shí)現(xiàn)設(shè)備互為備用，提高礦井應(yīng)急和抵御重大自然災(zāi)害能力。

第二期水源熱泵系統(tǒng)增容方案計劃利用現(xiàn)鍋爐房一樓場地安裝增容系統(tǒng)設(shè)備，該增容系統(tǒng)設(shè)備包含6 臺KWS-2500G3R 水源熱泵空調(diào)機(jī)組，供三個公寓樓、多功能廳、聯(lián)合建筑、調(diào)度樓、篩選廠、洗煤廠等地點(diǎn)冬季供暖、夏季制冷。主、副井口防凍系統(tǒng)利用42 臺CAO-100 熱泵冷、熱風(fēng)機(jī)組，根據(jù)環(huán)境溫度智能匹配設(shè)備運(yùn)行模式及梯級開啟模式，冬季滿足最低溫度狀態(tài)時的井口采暖防凍要求。夏季向井下輸送冷風(fēng)解決井下高溫問題，該系統(tǒng)設(shè)備分布于井筒旁邊（以不影響井口正常生產(chǎn)為準(zhǔn)）。衣物烘干房亦采用4 臺熱泵烘干機(jī)組安裝在烘干房旁邊，根據(jù)實(shí)際環(huán)境設(shè)定開啟溫暖與烘干時間。系統(tǒng)增容后取代燃?xì)忮仩t冬季供暖，夏季替代電空調(diào)制冷（原電空調(diào)備用）。現(xiàn)有燃?xì)忮仩t供暖系統(tǒng)不動，作為礦井備用和應(yīng)急供暖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備互為備用，提高礦井應(yīng)急和抵御重大自然災(zāi)害能力。

增容系統(tǒng)投用后冬季制熱時房間溫度不低于（18±2）℃，井口冷、熱風(fēng)機(jī)組根據(jù)環(huán)境溫度開啟制熱模式向井下送熱風(fēng)，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(fēng)機(jī)組根據(jù)環(huán)境溫度開啟制冷模式向井下送冷風(fēng)，井口及巷道溫度低于室外環(huán)境6 ℃左右。

4 結(jié)論

（1）以趙家寨煤礦為研究對象，對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)提出了相應(yīng)的對策，構(gòu)建了基于源頭減損、末端治理的礦區(qū)生態(tài)保護(hù)與土地復(fù)墾技術(shù)體系，成功對趙家寨煤礦實(shí)施了土地復(fù)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(yīng)方式。通過兩期清潔能源綜合利用技術(shù)，充分利用趙家寨煤礦現(xiàn)有熱源，最大化地提高了熱源利用率，并且環(huán)保節(jié)能、能耗低、效率高、投資少、效果顯著。