尾矿库区浅层地源热泵余热利用与库区冻土稳定协同技术研究

摘要

矿山尾矿库是矿产开采行业遗留的大面积闲置场地，冬季库区表层土体发生冻土冻胀、夏季融沉软化，极易诱发尾矿坝边坡滑移、溃坝等重大地质灾害，是矿山地质防灾的重点区域。同时尾矿岩体内部常年存在稳定低温余热，具备浅层地热开发潜力。本文提出在尾矿库区覆土区域铺设浅层闭式地埋管地源热泵系统，一方面提取尾矿岩体低温余热，为库区管理用房、附属生产建筑供暖以及夏季制冷；另一方面依靠地埋管恒定换热作用稳定库区土体全年温度场，抑制冬季冻土膨胀与夏季土体融沉病害，同时盘活尾矿闲置土地资源，实现清洁能源利用与尾矿库区地质防灾双重目标。通过土体温度场仿真模拟与库区小范围试验区长期监测，验证了地源热泵换热功率与土体防冻胀之间的匹配关系，建立了换热系统温控协同方案，为废弃尾矿库区土地资源化、地质灾害长效防控开辟了全新技术路径。

关键词：尾矿库区；冻土冻胀；浅层地源热泵；边坡稳定；土体温控；尾矿资源化利用

一、引言

我国有色金属、铁矿等矿产资源开采形成了数量庞大的尾矿库区，尾矿堆由开采筛选后的碎石、细砂土堆积而成，土体结构松散、孔隙率高、土体稳定性差。尾矿库区常年处于无人精细化管控状态，受四季气温波动影响极大：冬季外界低温向下传导，库区表层土体内部水分结冰体积膨胀，挤压尾矿堆表层结构，出现土体开裂、坡面凸起变形；春季气温回升，冻土融化，土体含水率急剧升高，土体抗剪强度大幅下降，极易引发浅层滑坡、坝体渗漏等灾害，特种天气下会出现尾矿坝溃坝，对下游村镇、河道造成毁灭性污染与安全威胁。

现阶段尾矿库区冻土灾害防控多采用保温覆盖层、坡面排水硬化等被动防护方式，保温材料常年风吹日晒老化失效，排水硬化工程建设成本高，无法从根本上稳定土体内部温度场，只能短期缓解冻胀病害，长效防灾效果较差。大量尾矿库区处于闲置状态，土地无法复耕、无法建设项目，造成土地资源严重浪费。

尾矿岩体深埋于地表以下，岩土体常年保持恒定温度，不受外界季节气温波动影响，蕴藏着丰富的浅层低温地热资源。将浅层地源热泵换热管路铺设在尾矿库区覆土及浅层尾矿层中，热泵运行时管路内换热介质与尾矿岩土持续换热，既能提取岩土热量供给库区建筑供暖，又能够通过持续换热抵消外界冬季低温、夏季高温带来的土体温度剧变，稳定尾矿土体温度场，把土体温度维持在冰点以上，杜绝冻土冻胀与融沉灾害，实现防灾与资源利用协同发展。

二、尾矿库区冻土灾害形成机理与常规防控短板

2.1 冻土冻胀与融沉灾害机理

尾矿土体内部含有孔隙水，冬季地表温度低于0℃时，孔隙水结冰体积膨胀，对周围尾矿颗粒产生挤压力，坡面土体出现隆起、裂隙；开春冰层融化，水分无法快速排出，土体饱和软化，尾矿堆积体抗滑移强度急剧降低，边坡极易发生浅层滑坡。反复冻融循环会逐年破坏坡面土体结构，不断加大坝体安全隐患。

2.2 传统被动防控手段的局限性

坡面覆盖保温土工布：使用寿命仅2~3年，大风天气易破损，维护更换成本高；坡面混凝土硬化：阻断土体排水通道，内部积水无法排出，加剧深层土体隐患；坡面排水沟工程：仅能排出地表融雪水，无法解决土体内部冻融问题，属于治标不治本。传统方式均无法干预土体内部温度演化，不能实现长效防灾。

三、地源热泵协同系统总体设计思路

系统包含浅层竖直地埋管换热网络、变频地源热泵机组、库区建筑末端冷暖系统、土体温度监测网络四大组成部分。

地埋管成组布置在尾矿坝坡面、库区平台覆土区域，管路深入地下15~30m尾矿恒温层。冬季外界气温降低时，热泵吸收尾矿岩土体热量，为库区办公用房、安防配套建筑供暖，换热管路持续向表层土体输送基础热量，使表层土体温度始终维持在冰点之上，避免孔隙水结冰；夏季建筑需要制冷时，热泵将建筑内部热量排入尾矿土体，抵消夏季地表高温带来的土体升温，防止表层土体过热软化。

库区全域布设分布式土体温度传感器，实时监测不同深度、不同坡面位置的土体温度，将温度数据传输至热泵智能调控终端。当某坡面土体温度接近冰点阈值时，系统自动提升该区域地埋管换热功率，增加土体供热量；夏季土体温度过高时增大排热功率，动态稳定库区全域土体温度场。

四、库区试验区仿真与实测结果

选取某废弃铁矿尾矿库一小块坡面作为试验区，首先通过岩土温度场仿真软件模拟全年土体温度变化，计算维持土体不冻胀所需基础换热功率，确定地埋管管长、管路排布间距、机组功率参数。完成地埋管铺设与热泵系统安装后，进行为期一个完整年度的连续监测。

监测数据表明：未铺设换热系统的对照坡面，冬季表层土体温度达到-7.6℃，出现明显冻胀开裂；铺设地埋管换热系统的试验坡面，土体全年温度稳定维持在4℃~9℃区间，没有出现结冰冻胀与夏季土体软化现象，坡面结构完整稳定。同时热泵系统全年满足库区管理用房冬季供暖、夏季制冷需求，替代原有燃煤供暖设备，实现库区建筑清洁供能，每年节约大量化石能源使用成本。从土地利用层面，稳定后的库区坡面土体结构牢固，后续可开展植被复绿，逐步实现库区生态修复。

五、系统实施存在问题及优化措施

面临问题：尾矿土体颗粒松散，钻井成孔难度大，容易出现塌孔，增加地埋管施工难度；尾矿内部含有微量腐蚀性矿物质流体，长期接触会腐蚀换热PE管道。

优化措施：钻井施工时采用泥浆护壁工艺，防止尾矿层塌孔；选用耐高温抗腐蚀PE换热管材，管道外壁喷涂防腐防护层；定期通过管路压力监测系统检查管路完整性，防止介质泄漏腐蚀尾矿土体。对于坝体核心危险区域，加密布设地埋管与温度传感器，提高温控冗余性。

六、结论

尾矿库区季节性冻融引发的边坡灾害是矿山行业长期的地质难题，传统被动防护方案耐久性差、综合运维成本高，难以实现长效防控，同时库区大面积土地长期闲置浪费。浅层地源热泵系统通过与尾矿岩体的持续性换热，兼具热源提取与土体恒温两大功能，一方面充分利用尾矿岩体浅层地热资源，为库区配套建筑提供全年冷暖供应，淘汰高污染化石供暖方式；另一方面依靠恒定换热平衡土体四季温度变化，让尾矿表层土体温度始终处于冰点以上，从机理上消除冻土冻胀、融沉带来的边坡滑移隐患，实现地质灾害主动长效防控。

库区试验区一年周期实测数据验证了该协同技术方案的可行性，不仅能够稳定尾矿坝坡面结构、降低矿山地质灾害风险，还可以对库区进行生态植被复绿改造，盘活闲置尾矿土地，兼具防灾效益、能源效益、生态土地效益三重价值。随着我国废弃矿山生态修复政策不断推进，地源热泵土体温控协同技术能够为大量尾矿库区综合治理提供新型解决方案，推动矿山废弃场地从灾害隐患点转变为生态可利用场地，助力矿山行业绿色可持续转型。

地源热泵、浅层地源热泵监测系统全分类关键词

一、基础研究对象（地源热泵体系）

热泵系统类型

土壤源地埋管地源热泵、闭式地埋管热泵、地下水式水源热泵、水平埋管换热系统、竖直埋管换热系统、冷暖联供一体化热泵、商用综合体热泵系统、住宅小区浅层地热项目、超低能耗/零碳建筑配套热泵、存量老旧地源热泵改造项目、多能耦合复合热泵（光伏+地源/空气源+地源）

地层与热源核心概念

浅层地层（0~200m）、变温带（0~24m）、深部恒温增温层（＞24m）、岩土热物性、土壤导热系数、地下含水层渗流、黏土隔水夹层、黄土裂隙地层、上海软土富水地层、华北平原粉质黏土、土壤原始基准地温场、土壤冷热堆积、热失衡、冷堆积、热短路、地层温度单向偏移、岩土热承载力、年均地层温升/温降、地下水矿化度、地热循环介质

系统老化失效诱因

土壤热失衡诱发机组衰减、热泵压缩机老化磨损、板式换热器结垢堵塞、循环水泵扬程衰减、管路钙镁硅垢淤堵、PE埋管渗漏、管路气堵、砂堵、微生物结晶垢堵、冷热负荷差值超标、无常态化地温监测、全年连续满负荷运行、取灌水量失衡、回灌通道淤堵、地层沉降道路开裂

二、京/沪/津/陕四省市浅层地热监测地方标准关键词

标准编号全称

DB11/T 1956-2022《地热动态监测规范》、DB11/T2412《地埋管地源热泵监测系统建设技术规范》、DG/TJ08-2324上海《浅层地热能开发利用监测技术标准》、DB12/T 608-2015天津《浅层地热能地质环境监测技术规程》、DB61/T 1193-2018陕西《浅层地热能开发利用地质环境监测规范》、NB/T10278-2019国家浅层地热监测规范

四大标准统一强制共性条款

三类监测孔标准化布设（换热监测孔、换热影响监测孔、常温背景监测孔）、厚度＞6m土层单独分层布设测点、测温传感器精度±0.2℃、监测孔回填介质与换热孔一致、井口配套检修井室、24小时不间断自动采集、本地+云端双备份存储、监测影像/时序数据作为竣工验收法定档案、Modbus-RTU标准通讯协议、年度地热监测报告强制归档、监测孔距换热区边缘≥10m

各地差异化标准专属关键词

北京地标：变温带2m加密测点、深部地层10m等间距布设、冷热平衡量化计算、地层温度时序曲线、数据直连市级地热监管平台、大面积埋管群全域热扰动评估、北方供暖季地层降温动态预警、管道插入式流量/水温双监测

上海地标：24m梯度分层测点（＜24m≤2m、＞24m≤10m）、四代测温元件迭代划分、可插拔模块化多点测温探头、±0.1℃高精度数字传感强制要求、多层软土渗流耦合监测、市级统一地热大数据平台联网、浑浊地下水定向补光测温设备、信用惩戒数字化监管

天津地标：冷暖建筑面积分级配置监测孔（3000㎡/10000㎡面积阈值）、DN40 PE/镀锌测温保护管标准化、管内注水导热工艺、中小型商用热泵简化监测配置、野外分体式便携绞车、施工管材标准化图集

陕西地标：黄土裂隙地层防渗封堵工艺、高低温地层分层保护、浅层/中深层地热联合监测、黄土高原地层温升长期观测、监测孔多层防渗密封结构、区域采灌均衡管控、黄土塌陷隐患地层温度预警、地质环境年度核查配套监测资料

上海地标四代测温元件迭代划分

第一代热电偶（单点模拟、精度±0.5℃、易信号干扰）、第二代PT1000单点模拟探头、第三代数字多点分布式测温、第四代可插拔模块化多点测温元件（大型示范项目标配）

三、浅层地源热泵监测系统整机（北京鸿鸥成运HO系列）

成套监测主机系统

浅层地温远程监测系统、地源热泵一体化监测控制柜、多参数综合采集平台、野外低功耗NB-IoT无线RTU终端、屏幕式工业触控采集主机、浅层地热标准化监测成套设备、分布式光纤DTS测温系统

细分硬件配件

PT1000高精度温度传感器、±0.1℃/±0.2℃分层测温探头、可插拔模块化多点测温元件、φ42细径测温探头、316L/钛合金防腐测温保护管、DN40镀锌/PE监测测井管、防腐耐磨铠装测井线缆、±1cm高精度深度编码器、自动排线电动排线绞车、井下耐磨扶正器、野外太阳能光伏供电套件、大容量锂电池低功耗模块、管道插入式流量计、内嵌式超声水表（水资源税计量）、分层多点测温电缆、孔口密封保护组件、自动除雾加热镜头模块

配套专用分析软件

HO系列浅层地热监测分析软件、地层温度时序存储系统、360°地层剖面自动生成工具、土壤热平衡自动测算模块、AI冷热失衡智能预警系统、多期地层温度叠加对比工具、标准化工程验收报告导出工具、多参数联动分析平台、支持二次开发对接地方地热监管大数据、离线单机数据分析软件

四、监测系统全流程应用功能关键词

地层温度常态化监测

分层地层温度连续采集、变温带温度波动长期跟踪、深部恒温地层基准测温、原始背景地层温度对比、冷热堆积厚度量化测算、年均地层温升/温降统计、岩土热承载力评估、土壤热平衡分级判定（轻度/中度/重度失衡）

土壤热失衡智能预警调控

冷热负荷差值量化分析、地层单向温度偏移阈值自动报警、热短路空洞识别、提前预判机组能效衰减、辅助间歇轮换运行调控、多能源耦合补热/散热方案数据支撑、年度地层温度演化趋势建档

工程施工与竣工验收配套

监测孔成井施工质量核验、分层测温点位深度校准、监测孔回填工艺核验、新建地源热泵竣工资料编制、存量老旧热泵改造复测、节能建筑/超低能耗建筑评审、地热取水许可年度核查、水资源税计量数据归档

多参数耦合联动监测

分层地温采集、循环管路流量监测、热泵机组用电能耗同步采集、埋管进出水温一体化采集、地下水水位动态监测、取灌水量同步计量、回灌失衡渗漏通道辅助勘察、光伏-地源热泵多能耦合全域监测、水质pH/电导率在线监测

环保、自然资源合规长效归档

浅层地热资源年度普查、矿山地质环境年度核查、CCER碳减排自动核算、地下水污染风险管控、不可篡改时序数据长期存储、政府地热监管平台实时联网、闭坑/复垦地质环境评估资料、浅层地热开发全生命周期数字档案

五、监测系统技术性能参数关键词

分层测点布设间距2m/10m、测温精度±0.1℃/±0.2℃、IP68全密封防水、钛合金耐酸碱高温防腐结构、500~3000米长线缆数字无损传输、无画面/数据衰减、360°云台同步定向补光、5级亮度可调光源、0.05mm级细微裂隙清晰识别、分体式轻量化便携、市电/锂电/太阳能三供电模式、全天候自动定时采集、NB-IoT低功耗无线传输、深度定位精度±1cm、本地SD卡循环存储、断网数据缓存、单口1000m监测孔30分钟完成全段扫描、Modbus-RTU标准化通讯协议、数据采集间隔10min/30min/24h分级设置

六、热平衡修复、老旧热泵提质改造配套关键词

间歇轮换运行调控、分区分时换热管控、错峰负荷调节、太阳能辅助补热/散热、空气源辅助散热、跨季节岩土储热BTES、管路物理清洗（高压脉冲/机械刮管/气举反循环）、化学酸洗缓蚀除垢、新增换热钻孔扩容、地层水力压裂改造、循环水泵变频节能改造、老旧压缩机更换、防冻液整体更换、管路内衬防腐修复、存量热泵加装监测系统、PLC自控系统智能化升级、浅层地热一体化监测改造

七、工程落地使用单位、行业价值关键词

地热开发运维企业、热力公司、地质勘察设计院、自然资源局地热监管科室、第三方环境检测机构、高校岩土实验室、零碳园区建设单位、乡村供暖改造项目、浅层地热资源普查单位

可视化定量监测、摒弃人工间断测井、削减勘察钻探工期成本、提前规避地下热失衡地质隐患、延长地源热泵稳定运行寿命、降低建筑冷暖能耗、国产化设备替代进口、同等性能采购成本降低40%、24小时全国驻场应急售后、年度免费传感器校准防腐维护、成套一体化多参数监测解决方案、智慧地热数字化管控、双碳目标能耗量化支撑、符合京沪津陕地方地热监测规范、满足自然资源厅年度评审归档要求