尾礦庫區淺層地源熱泵余熱利用與庫區凍土穩定協同技術研究

摘要

礦山尾礦庫是礦產開采行業遺留的大面積閑置場地，冬季庫區表層土體發生凍土凍脹、夏季融沉軟化，極易誘發尾礦壩邊坡滑移、潰壩等重大地質災害，是礦山地質防災的重點區域。同時尾礦巖體內部常年存在穩定低溫余熱，具備淺層地熱開發潛力。本文提出在尾礦庫區覆土區域鋪設淺層閉式地埋管地源熱泵系統，一方面提取尾礦巖體低溫余熱，為庫區管理用房、附屬生產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定庫區土體全年溫度場，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，實現清潔能源利用與尾礦庫區地質防災雙重目標。通過土體溫度場仿真模擬與庫區小范圍試驗區長期監測，驗證了地源熱泵換熱功率與土體防凍脹之間的匹配關系，建立了換熱系統溫控協同方案，為廢棄尾礦庫區土地資源化、地質災害長效防控開辟了全新技術路徑。

關鍵詞：尾礦庫區；凍土凍脹；淺層地源熱泵；邊坡穩定；土體溫控；尾礦資源化利用

一、引言

我國有色金屬、鐵礦等礦產資源開采形成了數量龐大的尾礦庫區，尾礦堆由開采篩選后的碎石、細砂土堆積而成，土體結構松散、孔隙率高、土體穩定性差。尾礦庫區常年處于無人精細化管控狀態，受四季氣溫波動影響極大：冬季外界低溫向下傳導，庫區表層土體內部水分結冰體積膨脹，擠壓尾礦堆表層結構，出現土體開裂、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，極易引發淺層滑坡、壩體滲漏等災害，特種天氣下會出現尾礦壩潰壩，對下游村鎮、河道造成毀滅性污染與安全威脅。

現階段尾礦庫區凍土災害防控多采用保溫覆蓋層、坡面排水硬化等被動防護方式，保溫材料常年風吹日曬老化失效，排水硬化工程建設成本高，無法從根本上穩定土體內部溫度場，只能短期緩解凍脹病害，長效防災效果較差。大量尾礦庫區處于閑置狀態，土地無法復耕、無法建設項目，造成土地資源嚴重浪費。

尾礦巖體深埋于地表以下，巖土體常年保持恒定溫度，不受外界季節氣溫波動影響，蘊藏著豐富的淺層低溫地熱資源。將淺層地源熱泵換熱管路鋪設在尾礦庫區覆土及淺層尾礦層中，熱泵運行時管路內換熱介質與尾礦巖土持續換熱，既能提取巖土熱量供給庫區建筑供暖，又能夠通過持續換熱抵消外界冬季低溫、夏季高溫帶來的土體溫度劇變，穩定尾礦土體溫度場，把土體溫度維持在冰點以上，杜絕凍土凍脹與融沉災害，實現防災與資源利用協同發展。

二、尾礦庫區凍土災害形成機理與常規防控短板

2.1 凍土凍脹與融沉災害機理

尾礦土體內部含有孔隙水，冬季地表溫度低于0℃時，孔隙水結冰體積膨脹，對周圍尾礦顆粒產生擠壓力，坡面土體出現隆起、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，邊坡極易發生淺層滑坡。反復凍融循環會逐年破壞坡面土體結構，不斷加大壩體安全隱患。

2.2 傳統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，無法解決土體內部凍融問題，屬于治標不治本。傳統方式均無法干預土體內部溫度演化，不能實現長效防災。

三、地源熱泵協同系統總體設計思路

系統包含淺層豎直地埋管換熱網絡、變頻地源熱泵機組、庫區建筑末端冷暖系統、土體溫度監測網絡四大組成部分。

地埋管成組布置在尾礦壩坡面、庫區平臺覆土區域，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，為庫區辦公用房、安防配套建筑供暖，換熱管路持續向表層土體輸送基礎熱量，使表層土體溫度始終維持在冰點之上，避免孔隙水結冰；夏季建筑需要制冷時，熱泵將建筑內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。

庫區全域布設分布式土體溫度傳感器，實時監測不同深度、不同坡面位置的土體溫度，將溫度數據傳輸至熱泵智能調控終端。當某坡面土體溫度接近冰點閾值時，系統自動提升該區域地埋管換熱功率，增加土體供熱量；夏季土體溫度過高時增大排熱功率，動態穩定庫區全域土體溫度場。

四、庫區試驗區仿真與實測結果

選取某廢棄鐵礦尾礦庫一小塊坡面作為試驗區，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換熱功率，確定地埋管管長、管路排布間距、機組功率參數。完成地埋管鋪設與熱泵系統安裝后，進行為期一個完整年度的連續監測。

監測數據表明：未鋪設換熱系統的對照坡面，冬季表層土體溫度達到-7.6℃，出現明顯凍脹開裂；鋪設地埋管換熱系統的試驗坡面，土體全年溫度穩定維持在4℃~9℃區間，沒有出現結冰凍脹與夏季土體軟化現象，坡面結構完整穩定。同時熱泵系統全年滿足庫區管理用房冬季供暖、夏季制冷需求，替代原有燃煤供暖設備，實現庫區建筑清潔供能，每年節約大量化石能源使用成本。從土地利用層面，穩定后的庫區坡面土體結構牢固，后續可開展植被復綠，逐步實現庫區生態修復。

五、系統實施存在問題及優化措施

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

優化措施：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測系統檢查管路完整性，防止介質泄漏腐蝕尾礦土體。對于壩體核心危險區域，加密布設地埋管與溫度傳感器，提高溫控冗余性。

六、結論

尾礦庫區季節性凍融引發的邊坡災害是礦山行業長期的地質難題，傳統被動防護方案耐久性差、綜合運維成本高，難以實現長效防控，同時庫區大面積土地長期閑置浪費。淺層地源熱泵系統通過與尾礦巖體的持續性換熱，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熱資源，為庫區配套建筑提供全年冷暖供應，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，實現地質災害主動長效防控。

庫區試驗區一年周期實測數據驗證了該協同技術方案的可行性，不僅能夠穩定尾礦壩坡面結構、降低礦山地質災害風險，還可以對庫區進行生態植被復綠改造，盤活閑置尾礦土地，兼具防災效益、能源效益、生態土地效益三重價值。隨著我國廢棄礦山生態修復政策不斷推進，地源熱泵土體溫控協同技術能夠為大量尾礦庫區綜合治理提供新型解決方案，推動礦山廢棄場地從災害隱患點轉變為生態可利用場地，助力礦山行業綠色可持續轉型。

地源熱泵、淺層地源熱泵監測系統全分類關鍵詞

一、基礎研究對象（地源熱泵體系）

熱泵系統類型

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、豎直埋管換熱系統、冷暖聯供一體化熱泵、商用綜合體熱泵系統、住宅小區淺層地熱項目、超低能耗/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、土壤導熱系數、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、華北平原粉質黏土、土壤原始基準地溫場、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、地熱循環介質

系統老化失效誘因

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

二、京/滬/津/陜四省市淺層地熱監測地方標準關鍵詞

標準編號全稱

DB11/T 1956-2022《地熱動態監測規范》、DB11/T2412《地埋管地源熱泵監測系統建設技術規范》、DG/TJ08-2324上海《淺層地熱能開發利用監測技術標準》、DB12/T 608-2015天津《淺層地熱能地質環境監測技術規程》、DB61/T 1193-2018陜西《淺層地熱能開發利用地質環境監測規范》、NB/T10278-2019國家淺層地熱監測規范

四大標準統一強制共性條款

三類監測孔標準化布設（換熱監測孔、換熱影響監測孔、常溫背景監測孔）、厚度＞6m土層單獨分層布設測點、測溫傳感器精度±0.2℃、監測孔回填介質與換熱孔一致、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、監測影像/時序數據作為竣工驗收法定檔案、Modbus-RTU標準通訊協議、年度地熱監測報告強制歸檔、監測孔距換熱區邊緣≥10m

各地差異化標準專屬關鍵詞

北京地標：變溫帶2m加密測點、深部地層10m等間距布設、冷熱平衡量化計算、地層溫度時序曲線、數據直連市級地熱監管平臺、大面積埋管群全域熱擾動評估、北方供暖季地層降溫動態預警、管道插入式流量/水溫雙監測

上海地標：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℃高精度數字傳感強制要求、多層軟土滲流耦合監測、市級統一地熱大數據平臺聯網、渾濁地下水定向補光測溫設備、信用懲戒數字化監管

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

陜西地標：黃土裂隙地層防滲封堵工藝、高低溫地層分層保護、淺層/中深層地熱聯合監測、黃土高原地層溫升長期觀測、監測孔多層防滲密封結構、區域采灌均衡管控、黃土塌陷隱患地層溫度預警、地質環境年度核查配套監測資料

上海地標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（大型示范項目標配）

三、淺層地源熱泵監測系統整機（北京鴻鷗成運HO系列）

成套監測主機系統

淺層地溫遠程監測系統、地源熱泵一體化監測控制柜、多參數綜合采集平臺、野外低功耗NB-IoT無線RTU終端、屏幕式工業觸控采集主機、淺層地熱標準化監測成套設備、分布式光纖DTS測溫系統

細分硬件配件

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細徑測溫探頭、316L/鈦合金防腐測溫保護管、DN40鍍鋅/PE監測測井管、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系列淺層地熱監測分析軟件、地層溫度時序存儲系統、360°地層剖面自動生成工具、土壤熱平衡自動測算模塊、AI冷熱失衡智能預警系統、多期地層溫度疊加對比工具、標準化工程驗收報告導出工具、多參數聯動分析平臺、支持二次開發對接地方地熱監管大數據、離線單機數據分析軟件

四、監測系統全流程應用功能關鍵詞

地層溫度常態化監測

分層地層溫度連續采集、變溫帶溫度波動長期跟蹤、深部恒溫地層基準測溫、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）

土壤熱失衡智能預警調控

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

工程施工與竣工驗收配套

監測孔成井施工質量核驗、分層測溫點位深度校準、監測孔回填工藝核驗、新建地源熱泵竣工資料編制、存量老舊熱泵改造復測、節能建筑/超低能耗建筑評審、地熱取水許可年度核查、水資源稅計量數據歸檔

多參數耦合聯動監測

分層地溫采集、循環管路流量監測、熱泵機組用電能耗同步采集、埋管進出水溫一體化采集、地下水水位動態監測、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測、水質pH/電導率在線監測

環保、自然資源合規長效歸檔

淺層地熱資源年度普查、礦山地質環境年度核查、CCER碳減排自動核算、地下水污染風險管控、不可篡改時序數據長期存儲、政府地熱監管平臺實時聯網、閉坑/復墾地質環境評估資料、淺層地熱開發全生命周期數字檔案

五、監測系統技術性能參數關鍵詞

分層測點布設間距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構、500~3000米長線纜數字無損傳輸、無畫面/數據衰減、360°云臺同步定向補光、5級亮度可調光源、0.05mm級細微裂隙清晰識別、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卡循環存儲、斷網數據緩存、單口1000m監測孔30分鐘完成全段掃描、Modbus-RTU標準化通訊協議、數據采集間隔10min/30min/24h分級設置

六、熱平衡修復、老舊熱泵提質改造配套關鍵詞

間歇輪換運行調控、分區分時換熱管控、錯峰負荷調節、太陽能輔助補熱/散熱、空氣源輔助散熱、跨季節巖土儲熱BTES、管路物理清洗（高壓脈沖/機械刮管/氣舉反循環）、化學酸洗緩蝕除垢、新增換熱鉆孔擴容、地層水力壓裂改造、循環水泵變頻節能改造、老舊壓縮機更換、防凍液整體更換、管路內襯防腐修復、存量熱泵加裝監測系統、PLC自控系統智能化升級、淺層地熱一體化監測改造

七、工程落地使用單位、行業價值關鍵詞

地熱開發運維企業、熱力公司、地質勘察設計院、自然資源局地熱監管科室、第三方環境檢測機構、高校巖土實驗室、零碳園區建設單位、鄉村供暖改造項目、淺層地熱資源普查單位

可視化定量監測、摒棄人工間斷測井、削減勘察鉆探工期成本、提前規避地下熱失衡地質隱患、延長地源熱泵穩定運行壽命、降低建筑冷暖能耗、國產化設備替代進口、同等性能采購成本降低40%、24小時全國駐場應急售后、年度免費傳感器校準防腐維護、成套一體化多參數監測解決方案、智慧地熱數字化管控、雙碳目標能耗量化支撐、符合京滬津陜地方地熱監測規范、滿足自然資源廳年度評審歸檔要求