深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源協(xié)同開采模式

宋 健 唐春安 亢方超

（1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧大連116023；2.大連理工大學(xué)海洋和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116023；3.大連理工大學(xué)深地工程研究中心，遼寧大連116023）

為了支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，礦產(chǎn)資源開采量急速增加，造成淺部資源迅速減少乃至枯竭，礦產(chǎn)資源開采已由淺部向深部全面推進(jìn)［1］。但是，深部開采過(guò)程中所面臨的“三高一擾動(dòng)”（高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓以及強(qiáng)烈開采擾動(dòng)）［2-3］問(wèn)題嚴(yán)重制約著礦井安全生產(chǎn)。其中，以高溫?zé)岷Φ挠绊懽顬槠毡?，影響范圍最廣［4］。隨著開采深度的增加，巖層溫度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到一定深度時(shí)，整個(gè)開采環(huán)境將長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)。長(zhǎng)時(shí)間的高溫環(huán)境，會(huì)對(duì)工作人員的身體健康造成不利影響［5］，同時(shí)也會(huì)降低井下設(shè)備的使用性能，嚴(yán)重影響開采進(jìn)程并且會(huì)產(chǎn)生重大的安全隱患。因此，為了維持正常開采，必須對(duì)高溫巖體進(jìn)行降溫處理。同時(shí)，隨著開采深度進(jìn)一步增加，圍巖溫度會(huì)迅速增高，飛速增長(zhǎng)的降溫成本會(huì)成為許多礦山深井開采的主要成本，甚至?xí)捎跍囟葐?wèn)題而造成部分礦產(chǎn)無(wú)法開采，進(jìn)一步加劇了資源匱乏。此外，以化石能源為主的消費(fèi)結(jié)構(gòu)也引發(fā)了日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題和國(guó)際減排壓力［6］，尋求可替代的清潔資源成為解決能源和環(huán)境問(wèn)題的重中之重［7］。

地?zé)豳Y源是蘊(yùn)藏在地球內(nèi)部的巨大熱能，因其具有儲(chǔ)量豐富、分布廣泛、持續(xù)穩(wěn)定、安全優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為取代太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源，成為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、填補(bǔ)化石能源空缺的最佳選擇［7-10］。地?zé)豳Y源分為淺部水熱型地?zé)豳Y源和深部干熱巖型地?zé)豳Y源，其中深部（埋深3～10 km）地?zé)豳Y源具有更加明顯的儲(chǔ)量?jī)?yōu)勢(shì)，其開發(fā)潛力是淺層地?zé)豳Y源的100～1 000 倍［11-12］。然而，用于干熱巖開發(fā)的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced Geothermal System，EGS）［13-16］卻始終未能實(shí)現(xiàn)深層地?zé)嵯到y(tǒng)的商業(yè)化應(yīng)用，其原因是水力壓裂技術(shù)對(duì)熱儲(chǔ)地質(zhì)環(huán)境的依懶性所造成的熱儲(chǔ)體積和換熱表面積不穩(wěn)定［17］。截至2018年12月，世界范圍內(nèi) EGS 裝機(jī)容量?jī)H為 17.85 MWe［18］。近年來(lái)，唐春安等［19-21］提出了一種基于開挖技術(shù)的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS-E），為突破傳統(tǒng)干熱巖開發(fā)瓶頸提供了一種全新的解決方案。該系統(tǒng)通過(guò)開挖豎井和鉆爆崩落等技術(shù)取代了傳統(tǒng)的鉆井和水力壓裂等技術(shù)，可以打破傳統(tǒng)EGS 對(duì)熱儲(chǔ)地質(zhì)環(huán)境的依懶性，形成定制的熱儲(chǔ)規(guī)模、充足的裂隙網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)定的工質(zhì)流量、高溫的終端流體，同時(shí)可以大幅減少誘發(fā)地震的風(fēng)險(xiǎn)。但是，該方法需要在深部高溫環(huán)境下開挖大規(guī)模的豎井和大量的巷道工程，因此，開采成本居高不下，成為制約其發(fā)展的重要因素。

傳統(tǒng)礦產(chǎn)開采模式僅考慮對(duì)礦產(chǎn)資源的開采，其開采成本隨著圍巖溫度的升高而增加。在礦產(chǎn)開發(fā)經(jīng)濟(jì)效益固定不變的前提下，當(dāng)圍巖溫度增加所需的開采成本使得企業(yè)無(wú)法承受時(shí)，企業(yè)勢(shì)必會(huì)放棄開采該溫度段的礦產(chǎn)資源。干熱巖開采模式與礦產(chǎn)開采截然相反，其開采經(jīng)濟(jì)效益隨著圍巖溫度的升高而增加，而建造增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)的成本是固定的，因此，圍巖溫度越低，該模式的經(jīng)濟(jì)效益越低。但是當(dāng)開采經(jīng)濟(jì)效益低于礦產(chǎn)地?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)成本投入時(shí)，企業(yè)依然會(huì)放棄開采該溫度段的地?zé)豳Y源。尤其是基于開挖的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，其一次性投資金額往往達(dá)到數(shù)十億人民幣，在很大程度上阻礙了該系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用?；诖?，本研究在“協(xié)同開采”理論［22-25］的基礎(chǔ)上提出了一種礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源協(xié)同開采模式。該模式既有助于消除深部礦產(chǎn)資源開采過(guò)程中的熱害問(wèn)題，保證開采安全，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)深部地?zé)豳Y源的有效利用。

1 地溫分布

受太陽(yáng)輻射和地?zé)岬南嗷プ饔?，地殼形成?個(gè)垂直分布的溫度變化層帶，即恒溫帶、變溫帶和增溫帶［26］。變溫帶受太陽(yáng)輻射的季節(jié)性變化影響，是一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)，恒溫帶的溫度分布比較均勻，厚度較薄，兩者都受大氣影響比較明顯。在恒溫帶下分布著一個(gè)主要受到地球內(nèi)部熱量控制的穩(wěn)定溫度場(chǎng)，即增溫帶［27］。進(jìn)入增溫帶之后，圍巖溫度會(huì)隨著開采深度的增加而增高［28］。增溫帶內(nèi)地溫梯度一般為2～4 ℃/hm，而干熱巖區(qū)域的地溫梯度普遍超過(guò)4 ℃/hm，是正常區(qū)域的2～5 倍，部分導(dǎo)熱率高的異常地區(qū)的地溫梯度可高達(dá)15～20 ℃/hm，如騰沖勘探區(qū)地溫梯度為15 ℃/hm［29］。不同的地溫梯度導(dǎo)致了深部礦井圍巖溫度和地?zé)衢_采溫度分布具有不均衡性。

2 礦井圍巖溫度分布

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于深部開采深度有很多不同的界定標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)將開采深度超過(guò)1 524 m 的視為深部開采，南非學(xué)者認(rèn)為深部開采的深度界限為1 600 m［30］，波蘭和英國(guó)則將深部開采深度界定為750 m［31］。國(guó)內(nèi)大多數(shù)學(xué)者將深部資源開采的深度界定為煤礦800～1 500 m，金屬礦山1 000～2 000 m，即非煤礦山開采深度超過(guò)2 000 m便進(jìn)入了超深部開采階段［32-34］。

圍巖溫度與礦井深度密切相關(guān)，隨著深度的增加，在越過(guò)恒溫帶之后，圍巖溫度與礦井深度成正比例增加。目前國(guó)外深度為1 300～3 000 m 的礦井，其圍巖溫度一般為50～70 ℃。如俄羅斯皮特洛夫煤礦開采深度為1 300 m，圍巖溫度為50 ℃；印度Kolar 金礦開采深度為2 000 m，圍巖溫度約60 ℃；南非West Driefovten 金礦開采深度約2 000 m，圍巖溫度47 ℃左右，而開采深度為3 000 m 的另一座西部深井金礦，圍巖溫度約 80 ℃［4，35］。國(guó)內(nèi)煤礦開采深度普遍在1 300 m 以內(nèi)，少數(shù)金屬礦井達(dá)到了1 600 m 左右，采深超過(guò)1 000 m 的礦井中，圍巖溫度為40～45 ℃［36］。根據(jù)目前的統(tǒng)計(jì)資料［32，35-36］顯示，我國(guó)很多礦井在進(jìn)行深部開挖過(guò)程中均出現(xiàn)了不同程度的高溫問(wèn)題，很多礦井的工作面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了《煤礦安全規(guī)程》“采掘工作面的空氣溫度超過(guò)30 ℃，必須停止作業(yè)”的規(guī)定，影響了設(shè)備的安全運(yùn)行以及工作人員的身心健康。

3 地?zé)豳Y源分布及利用

目前可利用的地?zé)豳Y源主要有淺層地?zé)豳Y源、水熱型地?zé)豳Y源和干熱巖資源三大類［37-40］，不同類型的地?zé)豳Y源有不同的溫度范圍以及用途。

（1）淺層地?zé)豳Y源。淺層地?zé)豳Y源是指蘊(yùn)藏在地表恒溫帶的土壤、砂石以及地下水中在太陽(yáng)能和地球內(nèi)部熱量形成的大地?zé)崃骶C合作用下產(chǎn)生的能夠被開發(fā)利用的一種低溫（一般低于25 ℃）熱能。其特點(diǎn)是分布廣泛、儲(chǔ)量較大、埋藏深度較淺，比較容易被開發(fā)利用。目前主要通過(guò)熱泵系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)利用，在建筑物供暖制冷方面發(fā)揮了重要作用。

（2）水熱型地?zé)豳Y源。水熱型地?zé)豳Y源是蘊(yùn)藏在地下較深的水和蒸汽中的一種常規(guī)地?zé)豳Y源。根據(jù)構(gòu)造成因以及溫度，將其分為高溫巖漿型（一般超過(guò)150 ℃）、中低溫（90～150 ℃為中溫地?zé)豳Y源，90℃以下的為低溫地?zé)豳Y源）隆起斷裂型以及沉降盆地型［40］。目前主要通過(guò)人工鉆井方式對(duì)其進(jìn)行利用，在發(fā)電、采暖、醫(yī)療、旅游以及農(nóng)林牧副漁等方面有著廣泛的應(yīng)用［41-44］，也是目前人類主要開發(fā)利用的地?zé)豳Y源。

（3）干熱巖地?zé)豳Y源。干熱巖是一種分布廣泛、溫度一般高于150 ℃、具有十分廣闊開發(fā)前景的熱巖體［45］。巖石也是干熱巖熱能的載體，因此干熱巖本身也是一種地?zé)豳Y源，目前對(duì)其利用主要是基于EGS系統(tǒng)，通過(guò)開挖深部豎井，利用高壓將溫度較低的水注入，通過(guò)水力壓裂在干熱巖體中形成一個(gè)面狀的人工儲(chǔ)熱層，將熱量提取出來(lái)用于發(fā)電［46］。然而該系統(tǒng)應(yīng)用受到深鉆以及水力壓裂等因素制約，開采成本較高。

我國(guó)地?zé)豳Y源儲(chǔ)量十分豐富，根據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2015年的調(diào)查結(jié)果顯示：淺部地?zé)豳Y源的熱能折合標(biāo)準(zhǔn)煤95 億t，年可利用資源量7 億t；水熱型地?zé)豳Y源的能量相當(dāng)于1.25 萬(wàn)億t 標(biāo)準(zhǔn)煤；干熱巖的資源量更是巨大，相當(dāng)于856萬(wàn)億t標(biāo)準(zhǔn)煤［47］，開發(fā)利用前景廣闊。

4 礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源協(xié)同開采

4.1 協(xié)同開采分區(qū)

隨著開采深度增加，巖層在地溫分布等方面存在較大的差異，不同溫度下的地?zé)豳Y源有不同的用途，《地?zé)豳Y源地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB/T 11615—2010）將地?zé)豳Y源劃分為低溫、中溫、高溫3類（表1）。

在本研究協(xié)同開采模式中，為了對(duì)各溫度段的礦產(chǎn)與地?zé)徇M(jìn)行綜合開發(fā)，以圍巖溫度為標(biāo)尺，將礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源分為低溫資源、中溫資源和高溫資源。通過(guò)表1 可以發(fā)現(xiàn)，溫度超過(guò)90 ℃的中高溫地?zé)豳Y源可用于發(fā)電，地?zé)岚l(fā)電一般是利用蒸汽狀態(tài)的水輸入汽輪機(jī)做功，對(duì)非蒸汽狀態(tài)下的水需要經(jīng)過(guò)閃蒸系統(tǒng)使其對(duì)汽輪機(jī)做功，由于高溫資源中的地?zé)嶂饕糜诎l(fā)電，為了節(jié)約設(shè)備成本，本研究將中溫資源與高溫資源的界限定為100 ℃。另外，為了給開采過(guò)程中人員和設(shè)備提供良好的工作環(huán)境，須對(duì)礦井中的熱害進(jìn)行處理。然而，單純的降溫技術(shù)由于成本上的局限性，僅能經(jīng)濟(jì)有效地保障圍巖溫度50 ℃以下的礦產(chǎn)資源順利開采，當(dāng)溫度超過(guò)50 ℃時(shí)，降溫成本的飛速增長(zhǎng)會(huì)迫使企業(yè)放棄開發(fā)該溫度段的礦產(chǎn)資源。由于低溫資源中以礦產(chǎn)資源為主，為了盡可能協(xié)調(diào)降溫與采熱的關(guān)系，本研究將低溫資源與中溫資源的界限定為50 ℃。綜上分析，不同溫度段的主要開采資源如表2所示。

低溫資源是指圍巖溫度低于50 ℃的地質(zhì)資源，以常規(guī)礦產(chǎn)資源為主；中溫礦產(chǎn)資源是指圍巖溫度為50～100 ℃的地質(zhì)資源，主要包括礦產(chǎn)資源以及溫度較低的地?zé)豳Y源；高溫資源主要是指圍巖溫度超過(guò)100 ℃的地?zé)豳Y源。不同溫度地質(zhì)資源所對(duì)應(yīng)的開采模式分別為低溫礦產(chǎn)開采模式、中溫?zé)岬V共采模式以及高溫地?zé)衢_采模式，3 種開采模式以中央豎井進(jìn)行聯(lián)通，如圖1所示。

4.2 不同溫段的開采模式

4.2.1 低溫礦產(chǎn)開采模式

低溫區(qū)域資源位于地表淺部，圍巖溫度普遍小于50 ℃。該區(qū)域內(nèi)圍巖溫度不高，采用傳統(tǒng)的礦井降溫技術(shù)（如通風(fēng)降溫，制冷降溫等）就可以保證工作面溫度維持在規(guī)定的溫度區(qū)間，從而減少對(duì)人體以及機(jī)械設(shè)備的影響，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的順利開采。同時(shí)，較低的圍巖溫度所帶來(lái)的收益不足以支持地?zé)豳Y源開發(fā)，因此，該區(qū)域開采模式以開采礦產(chǎn)資源為主，開采工藝及技術(shù)均依托于傳統(tǒng)的采礦技術(shù)——大直徑深孔采礦方法［48］。

大直徑深孔采礦方法因其成本低、效率高得到廣泛采用，具有爆破工藝先進(jìn)，出礦連續(xù)、集中，過(guò)程安全等特點(diǎn)，能夠保證在該模式下對(duì)礦產(chǎn)資源的順利開采。在礦產(chǎn)資源開發(fā)過(guò)程中，首先需要進(jìn)行中央豎井開挖，一方面為礦產(chǎn)資源開采及運(yùn)輸提供便利，另一方面在中溫尤其是高溫模式下的熱能開采過(guò)程需要較大直徑的豎井，首先進(jìn)行中央豎井開發(fā)可以避免重復(fù)建設(shè)，節(jié)約建設(shè)成本。同時(shí)，由于中央豎井開挖需要較大的資金支持，通過(guò)開發(fā)該區(qū)域礦產(chǎn)資源，可大幅緩解豎井開挖可能造成的資金緊張狀況，保證工程順利進(jìn)行。

鉆孔施工與爆破作業(yè)是控制爆破質(zhì)量的重要因素，是該模式甚至整個(gè)協(xié)同開采模式的關(guān)鍵工藝。為了提高鉆孔施工質(zhì)量，必須對(duì)場(chǎng)地特征進(jìn)行相關(guān)研究，得到最優(yōu)的采場(chǎng)布孔參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)確保鑿巖硐室施工質(zhì)量、鉆機(jī)施工質(zhì)量以及進(jìn)行合理的施工組織管理來(lái)保證炮孔施工質(zhì)量。通過(guò)爆破參數(shù)優(yōu)化、起爆方式優(yōu)化、爆破施工組織優(yōu)化等方式來(lái)提高爆破作業(yè)質(zhì)量。此外，還需要充分利用高新技術(shù)的研發(fā)成果，不斷提高開采效率。

4.2.2 中溫?zé)岬V共采模式

隨著埋藏深度的增加，圍巖溫度隨之升高。當(dāng)圍巖溫度超過(guò)50 ℃之后，傳統(tǒng)的制冷技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上已經(jīng)無(wú)法滿足工作面的降溫要求；同時(shí)，圍巖溫度已達(dá)到地?zé)豳Y源的閾值，可以通過(guò)熱交換進(jìn)行提取和利用。因此，該區(qū)域需要先進(jìn)行地?zé)豳Y源開采，然后進(jìn)行礦產(chǎn)資源開采。

在熱礦共采過(guò)程中，通過(guò)建立熱能置換系統(tǒng)（如HEMS（High Temperature Exchange Machinery System）系統(tǒng)（圖2）［49］），將溫度較低的液體工質(zhì)（水）注入到高溫巖體中進(jìn)行熱交換，提取蘊(yùn)含在工作面巖體中的熱能，加溫后的熱水通過(guò)回收管道回到工作平臺(tái)中進(jìn)行利用，如此不斷循環(huán)，將工作面圍巖的熱量不斷置換出來(lái)。開采出的地?zé)豳Y源可以用于對(duì)礦區(qū)及周邊地區(qū)供暖制冷、溫泉洗浴、溫室種植等［41-44］。同時(shí)，降溫后的區(qū)域可以采用大直徑深孔采礦方法進(jìn)行礦產(chǎn)資源開采。

在該階段中通過(guò)大直徑深孔采礦法形成了空間較大的巷道，為熱能置換系統(tǒng)的管道鋪設(shè)提供了充足空間。熱能置換系統(tǒng)通過(guò)對(duì)采礦工作面熱能的置換，在輸出能量的同時(shí)降低了工作面溫度，為人員以及機(jī)械設(shè)備創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境，保證了開采工作的順利開展。中溫區(qū)域的熱礦共采模式不僅能夠有效降低圍巖溫度，使得之前由于降溫成本而放棄開采的礦產(chǎn)資源得到利用，不僅可以大規(guī)模增加可采礦產(chǎn)資源量，還能夠?qū)鷰r中的地?zé)豳Y源進(jìn)行有效提取和利用，實(shí)現(xiàn)雙贏。完成該過(guò)程的熱礦共采工作后，管道系統(tǒng)可供后續(xù)高溫地?zé)衢_采工作使用，因此，管道系統(tǒng)須具備耐高溫、易拆卸等特點(diǎn)。

目前，雖然該溫段的熱能采集系統(tǒng)已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，但為了將工作面的溫度控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，模式中熱能置換系統(tǒng)的工作效率有必要進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不斷改進(jìn)。為了充分協(xié)調(diào)礦產(chǎn)資源開采與地?zé)豳Y源利用的關(guān)系，有必要進(jìn)行高效熱能置換系統(tǒng)的相關(guān)研究。

4.2.3 高溫地?zé)衢_采模式

隨著開采深度進(jìn)一步增加，圍巖溫度會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)至100 ℃以上。該區(qū)域已經(jīng)不適合進(jìn)行礦產(chǎn)資源開發(fā)，但是高溫巖體中蘊(yùn)含有大量地?zé)豳Y源，適合進(jìn)行大規(guī)模地?zé)衢_采。因此，該區(qū)域地質(zhì)資源開采應(yīng)以地?zé)釣橹鳎溟_采工藝與干熱巖型地?zé)豳Y源相似，即采用增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）進(jìn)行熱能提取。然而，傳統(tǒng)EGS 所采用的水力化措施受限于熱儲(chǔ)地質(zhì)條件，其熱儲(chǔ)質(zhì)量往往大幅低于預(yù)期效果。絕大多數(shù)的EGS 工程存在熱儲(chǔ)體積小、換熱表面積小、出口溫度低等不足，極大限制了EGS 的大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展。近年來(lái)，亢方超等［50］提出了基于開挖的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS-E）（圖1）。該方法采用開挖豎井和鉆爆崩落等方法取代了傳統(tǒng)EGS 所采用的鉆井和水力壓裂技術(shù)，能夠克服熱儲(chǔ)致裂工藝對(duì)地質(zhì)條件的依賴性，具有充足的熱儲(chǔ)空間，穩(wěn)定的換熱面積和工質(zhì)流量等優(yōu)勢(shì)，為高溫區(qū)域地?zé)豳Y源大規(guī)模開采提供了全新的解決方案。

基于開挖的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)主要分為豎井工程、巷道工程、管道工程和爆破工程。豎井工程是提升、運(yùn)輸、通風(fēng)以及維護(hù)的主要通道，可以在前兩階段（低溫礦產(chǎn)開采模式、中溫?zé)岬V共采模式）中央豎井的基礎(chǔ)上向下延伸；水平巷道是采準(zhǔn)期間井下通風(fēng)和運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ?，生產(chǎn)期間可作為水流通道驅(qū)動(dòng)熱儲(chǔ)裂隙內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)，來(lái)提高水—巖換熱效率；管道工程（可部分沿用中溫?zé)岬V共采模式中熱能置換系統(tǒng)的管道）為輸送干熱巖熱能提供通道；爆破工程可代替水力壓裂等增強(qiáng)技術(shù)在儲(chǔ)熱空間內(nèi)形成穩(wěn)定的裂隙網(wǎng)絡(luò)（圖1 ⑥）。EGS-E 具有獨(dú)特的熱儲(chǔ)致裂系統(tǒng)和熱能交換系統(tǒng)。熱儲(chǔ)致裂系統(tǒng)是將預(yù)定規(guī)模的熱儲(chǔ)劃分為多個(gè)水平，而后采用爆破、崩落等技術(shù)，通過(guò)調(diào)整爆破參數(shù)控制崩落巖體的體積和裂隙密度，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱儲(chǔ)的精準(zhǔn)致裂［51-52］，形成預(yù)定規(guī)模的裂隙網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)豎井及聯(lián)絡(luò)巷道聯(lián)通多個(gè)水平，最終形成一個(gè)具有多水平裂隙網(wǎng)絡(luò)的人工熱儲(chǔ)。熱能交換系統(tǒng)由管道換熱系統(tǒng)和裂隙換熱系統(tǒng)組成，通過(guò)水—巖（裂隙換熱系統(tǒng)）、水—水（管道換熱系統(tǒng)）兩級(jí)熱交換，完成干熱巖熱能的提取。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，干熱巖中的熱能通過(guò)熱儲(chǔ)的裂隙表面?zhèn)鬟f給裂隙工質(zhì)，而后通過(guò)裂隙工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)傳導(dǎo)至換熱池與換熱巷道，再通過(guò)其內(nèi)部的換熱管道傳遞給管道工質(zhì)，最終傳輸至地面發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)崮艿睦谩?/p>

但是，無(wú)論從技術(shù)上還是從經(jīng)濟(jì)上，EGS-E 也面臨許多在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法克服的難題，如超深豎井開挖、高溫高壓巷道作業(yè)、高溫環(huán)境爆破等，需要在后續(xù)研究和實(shí)踐中進(jìn)行深入探索。

4.3 協(xié)同開采模式

為充分協(xié)調(diào)礦產(chǎn)資源開采與地?zé)豳Y源利用之間的關(guān)系，本研究將傳統(tǒng)采礦和采熱相結(jié)合，基于開挖型的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，提出了一種礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源協(xié)同開采模式，將地質(zhì)資源以圍巖溫度為標(biāo)尺分為低溫資源、中溫資源和高溫資源。低溫資源采用傳統(tǒng)開采工藝以對(duì)礦產(chǎn)資源的開采為主。中溫資源采用先采熱后采礦模式，在對(duì)中溫地?zé)豳Y源進(jìn)行利用的同時(shí)，使可采礦產(chǎn)資源量增加。高溫資源采用基于開挖的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源大規(guī)模開采。該模式中3 種資源開發(fā)存在的技術(shù)難點(diǎn)如圖3所示。

5 結(jié)論及展望

在淺部礦產(chǎn)資源日益短缺的情況下，“向地球深部進(jìn)軍”已經(jīng)成為必須解決的戰(zhàn)略科技問(wèn)題。本研究基于開挖的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，提出了一種礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源協(xié)同開采模式。主要結(jié)論如下：

（1）熱礦協(xié)同開采模式以圍巖溫度為依據(jù)，將地質(zhì)資源分為低溫資源（50 ℃以下）、中溫資源（50～100 ℃）和高溫資源（100 ℃以上），對(duì)應(yīng)的開采模式分別為低溫礦產(chǎn)開采模式、中溫?zé)岬V共采模式和高溫地?zé)衢_采模式。

（2）熱礦協(xié)同開采模式將傳統(tǒng)采礦技術(shù)與增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)相結(jié)合。低溫資源以礦產(chǎn)資源開采為主，中溫資源采用先采熱后采礦的熱礦共采模式，高溫資源采用基于開挖的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模地?zé)豳Y源開采。該模式既能消除中高溫區(qū)域的熱害影響，保證礦產(chǎn)資源安全開采，又能實(shí)現(xiàn)中溫區(qū)域地?zé)豳Y源利用以及高溫區(qū)域地?zé)豳Y源大規(guī)模開采。

（3）熱礦協(xié)同開采模式可通過(guò)中高溫地?zé)豳Y源的開采彌補(bǔ)礦產(chǎn)資源因溫度升高帶來(lái)的成本激增，同時(shí)以低溫區(qū)域礦產(chǎn)資源的開發(fā)緩解深部地?zé)豳Y源的巨額投資壓力，為深部地質(zhì)資源開發(fā)提供了一種新的解決方案，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。該模式可推廣應(yīng)用于：對(duì)由于高溫環(huán)境沒(méi)有開采經(jīng)濟(jì)價(jià)值的礦床進(jìn)行礦產(chǎn)資源開發(fā)，以及對(duì)各種資源匱乏的老礦井進(jìn)行以地?zé)豳Y源開采為主的二次開發(fā)。