赵家寨煤矿生态保护及清洁能源综合利用技术

张要展 韩明振 杨伟强

（1.河南省郑煤集团新郑煤电有限责任公司，河南 郑州 451184；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454000）

建设绿色矿山是生态文明建设在煤矿行业的具体实践，是积极响应国家政策的体现[1]。同时，矿产资源综合利用对于保护环境、节约资源、促进可持续发展都具有十分重要的意义[2-3]。因此，根据赵家寨煤矿实际情况，提出并实施了基于矿区生态保护与清洁能源综合利用的绿色矿山建设新模式。

1 矿区概况

赵家寨矿区内为平原微丘地形，地势比较平坦，西北部沟谷发育。该矿区处于干旱、半干旱的生态脆弱区，地面形态比较单一，地质层组紊乱，地表物质混杂，土壤肥力贫瘠，水土流失十分严重，天然植被恢复非常缓慢。因此，研究赵家寨煤矿生态保护及清洁能源综合利用技术，对建设赵家寨绿色矿区有着十分重要的现实意义。

2 生态保护技术

2.1 生态保护对策

矿区开发产生水环境污染及地表变形与塌陷等问题[4]。矿区生态环境保护的对策主要有：

（1）加强宣传教育，转变思想观念

人们对生态资源的不合理利用会导致生态环境遭受不同程度的破坏，这与人们环境保护意识薄弱有关。因此，环保宣传教育应以人为本，提高人们的环保意识，使人们的行为与环境和谐发展。要多层次地利用各种宣传形式和手段，将绿色矿山、可持续发展思想等传播给广大干部群众。

（2）矿区生态环境保护规划

矿区开采引起的水土流失主要是由于地表塌陷、植被破坏和煤矸石废弃物的破坏造成的。为了恢复地表植被，除了采取措施防止地表塌陷外，还应加强绿化，采取裸地绿化措施，防止水土流失。在排矸场地周围设置防护林带，以防止尘土飞扬。

（3）全过程环境管理，加大执法监督力度

环境管理的全过程要求对煤炭开发项目立项、规划设计、基建、生产、销售、运输、使用的全过程进行综合管理。环境管理不仅要贯穿于产品的整个周期，而且还要对其副产品的回收进行管理。

（4）拓宽环保筹资渠道，加强环境治理的经济实力和实际效果

矿区环境保护成本主要包括新建项目的环境保护投资、老企业根据生产实际发生的各种费用、进行技术改造的环境保护投资。煤矿建设各环节应采取不同措施，确保环保资金到位。

2.2 裂缝充填设计

首先，沿着地表裂缝将表层土壤剥离，然后把剥离的土壤堆放在裂缝的两侧，剥离的厚度为表层土壤厚度；接着将裂缝两侧剥离的表土填入裂缝内，夯实至低于原表土；将剥离的土壤覆盖在整修完成的表土层上，然后进行平整工作，以满足正常耕作的需要[5]。裂缝充填流程图如图1。

图1 裂缝充填流程图

地面裂缝按开裂程度分为轻度裂缝、中度裂缝以及重度裂缝[6]。对于轻度裂缝，一般采用填土压实方法；对于中度裂缝，填土后需进行手动捣实，捣实后再进行机械压实；对于重度裂缝，若裂缝较宽，需用砾石填充其底部，接着向上用细沙覆盖，然后压实。若裂缝较窄，视具体情况按轻度裂缝、中度裂缝的压实方法处理。

2.3 土地平整设计

（1）宜耕地设计

对于地块平面设计，地块的面积应尽量大，但地块的数目应尽量小；对于平坦的地块，形状应尽量为矩形、梯形等；对于地块平整后的倾斜方向和坡度，应和实际的地形地貌以及耕地保持一致；如果原有的地块符合设计要求，可不进行改造[7]。

（2）宜林地设计

对被破坏土地进行开发最廉价、最简单的方法之一便是林地复垦，在生态环境恢复中发挥着重要作用。如果矿区的人工造林条件较差，造林密度应宜小不宜大，而且随着时间的推移，需适时进行人工间伐。一般来说，任何树种在完全郁闭后，不论密度大小，林地的生产力即趋近饱和。复垦土地坡度在25°以上的要考虑使种植行的方向与径流线保持垂直，以利于水土保持[8]。

（3）道路工程设计

根据赵家寨煤矿区地形地貌以及自然条件，田间路断面图如图2，生产路断面图如图3。

图2 田间路断面图（cm）

图3 生产路断面图（cm）

3 清洁能源综合利用技术

3.1 第一期清洁能源综合利用技术方案

根据环保要求，燃煤锅炉运行不确定性较大，燃气锅炉运行成本较高，随着空压机余热利用、水源热泵技术的日臻成熟，清洁能源的利用势在必行。以制取1 t50 ℃热水为例，空压机余热利用运行成本0.74 元/t，水源热泵运行成本5.48 元/t，远低于燃气锅炉运行成本9.81 元/t。该矿工业广场的355 kW 两台空压机满负荷运行；矿井水净化后可利用量740 m3/h，水温四季保持在25 ℃以上。矿井热资源丰富，可利用价值高。

通过调研论证，拟定安装一套空压机余热利用系统，两套水源热泵系统，一套用于制取洗浴用水，一套用于办公楼制冷制热。

（1）职工洗浴用水综合利用技术方案

根据现场的场地情况和地形地貌，计划将三台余热回收主机安装在空压机房内空压机的一侧，二次热交换系统及水源热泵系统设备等安装在空压机房的后院内，保温水箱安装在空压机房前草坪。

（2）办公楼制冷/制热水源热泵技术方案

矿井可利用余热水量740 m3/h，水温四季保持在25 ℃以上。办公楼制冷面积6000 m2。水源热泵采用双冷凝器全热回收热泵机组，最大化提高热源利用率，利用现有办公楼中央空调末端设备（含管道及盘管），满足办公楼制热需求。

采用能源合同管理模式，矿方只提供场地，承建方提供技术、资金，负责运行及相关运行费用。空压机余热利用、水源热泵两套系统共投资889 万元，每年节约资金70 万元，四年节约资金280 万元。运行四年后，承建方无偿将两套系统交予矿方。四年之中，承建方收回投资及相关费用1 479.9 万元，矿方获得三套清洁能源设备，并节约资金280 万元。四年之后，设备全部交由矿方管理，每年可节约资金202.32 万元。

采用五年能源合同期：空压机余热利用、水源热泵两套系统共投资956.3 万元，每年节约资金95.17 万元，五年节约资金475.85 万元。五年之中，承建方收回投资及相关费用1724 万元，矿方获得三套清洁能源设备，并节约资金475.85 万元。五年之后，设备全部交由矿方管理，每年可节约资金202.32 万元。

3.2 第二期清洁能源综合利用技术方案

第一期空压机余热利用和水源热泵系统已实现四季职工洗浴的不间断供应和办公楼夏季制冷/冬季采暖，设备运行正常，效果良好。

为使井下排至地面的水源最大限度充分利用，取消燃气锅炉、电空调，实现能源清洁管理、绿色发展。第二期水源热泵系统增容方案计划利用现锅炉房一楼场地安装增容系统设备，此系统夏季供三个公寓楼、多功能厅、联合建筑、调度楼等地点冬季供暖、夏季制冷，并且解决夏季井下高温问题。井口防冻系统利用热泵冷、热风机组，根据环境温度智能匹配设备运行模式及梯级开启模式，冬季满足最低温度状态时的井口采暖防冻要求。夏季向井下输送冷风解决井下高温问题，该系统设备分布于井筒旁边（以不影响井口正常生产为准）。衣物烘干房亦采用热泵烘干机安装在烘干房旁边，根据实际环境设定开启温暖与烘干时间。第二期系统增容后取代燃气锅炉冬季供暖，夏季替代电空调制冷（原电空调备用）。现有燃气锅炉供暖系统不动，作为矿井备用和应急供暖系统，既节约费用，又实现设备互为备用，提高矿井应急和抵御重大自然灾害能力。

第二期水源热泵系统增容方案计划利用现锅炉房一楼场地安装增容系统设备，该增容系统设备包含6 台KWS-2500G3R 水源热泵空调机组，供三个公寓楼、多功能厅、联合建筑、调度楼、筛选厂、洗煤厂等地点冬季供暖、夏季制冷。主、副井口防冻系统利用42 台CAO-100 热泵冷、热风机组，根据环境温度智能匹配设备运行模式及梯级开启模式，冬季满足最低温度状态时的井口采暖防冻要求。夏季向井下输送冷风解决井下高温问题，该系统设备分布于井筒旁边（以不影响井口正常生产为准）。衣物烘干房亦采用4 台热泵烘干机组安装在烘干房旁边，根据实际环境设定开启温暖与烘干时间。系统增容后取代燃气锅炉冬季供暖，夏季替代电空调制冷（原电空调备用）。现有燃气锅炉供暖系统不动，作为矿井备用和应急供暖系统，实现设备互为备用，提高矿井应急和抵御重大自然灾害能力。

增容系统投用后冬季制热时房间温度不低于（18±2）℃，井口冷、热风机组根据环境温度开启制热模式向井下送热风，井口及巷道温度不低于2℃；夏季制冷时房间温度不高于（25±2）℃，另外井口冷、热风机组根据环境温度开启制冷模式向井下送冷风，井口及巷道温度低于室外环境6 ℃左右。

4 结论

（1）以赵家寨煤矿为研究对象，对矿区生态环境保护提出了相应的对策，构建了基于源头减损、末端治理的矿区生态保护与土地复垦技术体系，成功对赵家寨煤矿实施了土地复垦措施。

（2）建立了矿井供热方式的全寿命周期成本模型，分析研究了合理的矿井热源供应方式。通过两期清洁能源综合利用技术，充分利用赵家寨煤矿现有热源，最大化地提高了热源利用率，并且环保节能、能耗低、效率高、投资少、效果显著。