深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采戰(zhàn)略研究

蔡美峰 ，多吉，陳湘生，毛景文，唐春安，劉志強(qiáng)，紀(jì)洪廣 ，任奮華 ，郭奇峰 ，李鵬

（1. 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2. 北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3. 西藏自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘察開發(fā)局，拉薩 850032；4. 深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東深圳518061；5. 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；6. 大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧大連 116023；7. 北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013）

一、前言

經(jīng)過多年的大規(guī)模持續(xù)開采，我國淺部礦產(chǎn)資源逐年減少、趨于枯竭，礦產(chǎn)資源特別是金屬礦產(chǎn)資源的開采逐步向深部全面推進(jìn) [1]；已有一批金屬礦山的開采深度達(dá)到或超過1 km，正在或計(jì)劃興建的大中型金屬礦山幾乎全部為地下深井礦山。未來十年，我國1/3以上的金屬礦山開采深度將達(dá)到或超過1 km，部分可達(dá)2~3 km [2,3]。由此可見，深部開采是保障我國金屬礦產(chǎn)資源可持續(xù)開發(fā)與供給的最主要途徑 [4~6]。

金屬礦深部開采會(huì)遇到一系列關(guān)鍵難題，最突出的是高溫環(huán)境條件伴生的一系列問題使得深部采礦難以為繼 [3,7]。為了維持正常生產(chǎn)必須進(jìn)行降溫處理，常用的降溫技術(shù)有非人工制冷、人工制冷兩大類。礦井通風(fēng)是主要的非人工制冷降溫技術(shù)，但井深超過1 km后常規(guī)通風(fēng)無法滿足降溫要求，必須輔以人工制冷降溫。人工制冷降溫分為水冷卻、冰冷卻兩種類型。水冷卻系統(tǒng)實(shí)際上是地面空調(diào)系統(tǒng)在井下礦山降溫中的應(yīng)用，早在20世紀(jì)60年代南非便開始使用大型礦井集中空調(diào)；但隨著礦井深度的增加，水冷卻系統(tǒng)不可避免存在過高的靜水壓力和難以解決的冷凝熱排放問題。冰冷卻降溫系統(tǒng)利用冰的融化潛熱進(jìn)行降溫，獲得相同冷量所需冰量的含水量遠(yuǎn)低于水冷系統(tǒng) [8]，在20世紀(jì)80年代初期南非等國家開始進(jìn)行冰冷卻降溫系統(tǒng)的研究與應(yīng)用；在井深超過2~3 km后，人工制冷降溫成本會(huì)很高，一般礦山無法承受。也要注意到，現(xiàn)有的降溫技術(shù)都是被動(dòng)式降溫；必須發(fā)展和應(yīng)用主動(dòng)式降溫技術(shù)，才能解決被動(dòng)式降溫造成的采礦高成本問題。

對于發(fā)展主動(dòng)式深井降溫技術(shù)，最具發(fā)展前途的是深部地?zé)衢_發(fā)技術(shù) [9]。事實(shí)上，深井高溫環(huán)境主要由高溫巖層“熱輻射”引起，是作為天然清潔能源的地?zé)岙a(chǎn)生的效應(yīng)。若在深部礦產(chǎn)開采過程中采用熱交換技術(shù)，對地?zé)豳Y源進(jìn)行開發(fā)利用，即為深井采礦、深部地?zé)岬穆?lián)合開發(fā)。開采深部地?zé)豳Y源不僅可以變“熱害”為“熱利”，為地下采礦空間環(huán)境降溫創(chuàng)造條件，還能夠大幅度降低專門為采礦降溫采取一系列被動(dòng)式措施的成本，有望為深井降溫開辟一條具有顛覆性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的新途徑。已有研究提出了基于開挖技術(shù)的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)概念模型（EGS-E），從系統(tǒng)原理、工程構(gòu)想、技術(shù)優(yōu)勢等方面對EGS-E進(jìn)行了具體闡述 [10~12]。

本文在全面調(diào)查我國深部高溫巖層地?zé)豳x存情況、礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共同賦存區(qū)域類型及特征的基礎(chǔ)上，分析國內(nèi)外深部地?zé)岬拈_發(fā)利用現(xiàn)狀，總結(jié)我國在相關(guān)領(lǐng)域的重要研究進(jìn)展，提出技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采雙贏戰(zhàn)略；分析深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共同開發(fā)利用面臨的關(guān)鍵問題和技術(shù)瓶頸，明晰深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采的重點(diǎn)研究任務(wù)，針對性提出推進(jìn)深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采戰(zhàn)略實(shí)施的發(fā)展建議。相關(guān)研究成果可為我國資源和能源的中長期可持續(xù)發(fā)展提供前瞻性路徑與戰(zhàn)略性啟發(fā)。

二、深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采的重大意義

（一）深部“礦--熱共采”是自然資源綜合開發(fā)利用的重要趨勢

延續(xù)千年的大規(guī)模自然資源開發(fā)與利用，打破了地球生態(tài)系統(tǒng)平衡，導(dǎo)致氣候變化、極端氣候事件頻發(fā)，給人類生存和發(fā)展帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。全球氣候控制已是世界各國高度關(guān)心并參與行動(dòng)的重大課題。我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，體現(xiàn)了推動(dòng)構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求。盡管為了按時(shí)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，以煤炭為主體的化石能源使用將逐步有序地減少或消退，但經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對能源的需求仍在持續(xù)。地?zé)崮茏鳛榫G色、低碳、無污染的可再生能源，儲(chǔ)存量極大，是取代傳統(tǒng)化石能源、保障不斷增長的能源需求的有力選項(xiàng)。深部礦產(chǎn)資源和地?zé)豳Y源將是推動(dòng)我國能源轉(zhuǎn)型、全球能源與資源供給格局深刻變革的重要因素，有利于國民經(jīng)濟(jì)朝著高效、環(huán)保、清潔、低碳方向發(fā)展，成為人類對美麗生態(tài)環(huán)境和美好生活目標(biāo)需求的重要基礎(chǔ)保障。

從深部采礦可持續(xù)發(fā)展的中觀角度看，采用現(xiàn)有技術(shù)開采2 km及更深部位的礦產(chǎn)資源時(shí)，因降溫成本過高而在經(jīng)濟(jì)上不可行。深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采，不但能夠顯著降低傳統(tǒng)的被動(dòng)式降溫成本，而且可以提升礦產(chǎn)、地?zé)豳Y源的綜合開采效益；為解決傳統(tǒng)采礦模式進(jìn)行深部采礦“成本太高、效益太低”的經(jīng)濟(jì)性問題，保持深部礦產(chǎn)的可持續(xù)、大規(guī)模開發(fā)提供了新模式、新路徑。

（二）“礦--熱共采”為深部高溫巖層地?zé)衢_采提供全新技術(shù)手段

絕大部分地?zé)崮苜x存在3~10 km深處的高熱堅(jiān)硬巖層中，隨著人類對地?zé)衢_發(fā)利用需求的不斷增加，各國對這部分地?zé)崮荛_發(fā)利用的重視與依賴程度也在迅速增加。石油鉆孔等傳統(tǒng)方式開采深部地?zé)豳Y源時(shí)存在難度大、能力小等問題，而增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS）技術(shù)在建造人造熱儲(chǔ)方面面臨諸多難點(diǎn)：①要在地表下3~10 km的深部建造地?zé)衢_發(fā)系統(tǒng)，需要采用特種技術(shù)與裝備（適應(yīng)高熱堅(jiān)硬巖層、高地應(yīng)力條件）來開掘特殊巖石工程、結(jié)構(gòu)、通道并保持其穩(wěn)定，這前所未有、難度極大；②由于深部高地應(yīng)力的作用，水壓致裂制造的裂隙經(jīng)常會(huì)閉合，導(dǎo)致裂隙間不連通或形成短路，無法建成并保持足夠體積的熱儲(chǔ)；③多次高壓激發(fā)已存在的裂隙，可能導(dǎo)致生產(chǎn)井、注入井的直接連通并形成流體短路效應(yīng) [13]，造成換熱效果完全喪失；④利用EGS技術(shù)開發(fā)地?zé)釙r(shí)，注水井、生產(chǎn)井的水循環(huán)過程往往消耗大量的水，可能導(dǎo)致與地下水相關(guān)的環(huán)境問題。迄今為止，在采用EGS技術(shù)開發(fā)深部地?zé)岱矫娌⑽葱纬捎行У慕鉀Q方案，因而相關(guān)工作仍處于研究和試驗(yàn)階段，距離大規(guī)模工業(yè)化開發(fā)仍有相當(dāng)距離 [9]。

將采礦技術(shù)用于地?zé)衢_采可有效解決上述EGS應(yīng)用的難題。當(dāng)前，硬巖礦山的開采深度已超過4 km，深部開挖技術(shù)十分成熟。利用采礦技術(shù)，從地面向深部高溫巖層開挖豎井，在豎井下部開掘多水平分布的水平巷道，再加上通過爆破方式在礦體中形成的破裂網(wǎng)絡(luò)，可大幅度提高熱儲(chǔ)建造能力、增加熱交換面積及地?zé)崮塬@取與輸出的量級，為大規(guī)模地?zé)衢_發(fā)創(chuàng)造有利條件；開挖的豎井和巷道可供采礦作業(yè)、地?zé)衢_采共用，在降低地?zé)衢_發(fā)成本的同時(shí)，最大限度地減少環(huán)境污染。因此，深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采技術(shù)的運(yùn)用，極大可能為未來深部高溫巖層地?zé)衢_采提供全新的技術(shù)手段。

三、深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源開發(fā)利用現(xiàn)狀及我國“礦--熱共采”的科技基礎(chǔ)

（一）國外深部高溫巖層地?zé)豳Y源開發(fā)利用

對于深部高溫巖層地?zé)衢_采，國外在50多年前就開始研究EGS技術(shù)，即采用石油勘探鉆孔的方法向深部高熱地層打鉆孔，應(yīng)用水力壓裂等井下作業(yè)措施在鉆孔底部的干熱巖體中造成具有高滲透性的裂縫體系，由此“人造”出一個(gè)地?zé)醿?chǔ)層（熱儲(chǔ)）；然后在地面上從注入井（一口或數(shù)口）中將冷水注入熱儲(chǔ)，經(jīng)裂縫換熱后再從生產(chǎn)井（另外數(shù)口）中抽出至地面，利用產(chǎn)生的地?zé)嵴羝M(jìn)行發(fā)電等熱能應(yīng)用。

20世紀(jì)70—90年代是EGS地?zé)衢_發(fā)研究的興起階段，美國、英國、日本、法國先后開展了6個(gè)現(xiàn)場試驗(yàn)項(xiàng)目。1973年，美國最早在墨西哥州芬頓山開始第一次EGS現(xiàn)場試驗(yàn)，隨后在加利福尼亞州蓋塞斯進(jìn)行試驗(yàn)。1991—2000年為干熱巖研究低潮期，沒有EGS新增項(xiàng)目實(shí)施。2001年以來，有關(guān)干熱巖的研究再度升溫，美國、德國、澳大利亞、韓國啟動(dòng)了多個(gè)EGS研究與現(xiàn)場試驗(yàn)項(xiàng)目。截至2019年，歐洲、北美洲、澳洲、亞洲、中美洲的14個(gè)國家合計(jì)實(shí)施了約41個(gè)深部高熱巖層地?zé)豳Y源勘察開發(fā)項(xiàng)目，其中25個(gè)屬于傳統(tǒng)型地?zé)嵯到y(tǒng)，16個(gè)屬于EGS [14]。法國、德國、英國等聯(lián)合開發(fā)的法國蘇爾茨干熱巖項(xiàng)目，其運(yùn)行時(shí)間超過30年，但裝機(jī)容量不大（1.5 MW）且處于間歇運(yùn)行狀態(tài)。

（二）我國地?zé)豳Y源開發(fā)利用

根據(jù)賦存埋深和溫度，我國地?zé)豳Y源主要?jiǎng)澐譃闇\層地溫型、水熱型、干熱巖型。淺層地溫型（深度＜ 200 m、溫度＜ 90 ℃）地?zé)豳Y源遍布全國，淺部地?zé)崮芰考s為9.5×109tce，可利用資源量為7×108t/a。水熱型（中、深層中溫，深度為200~3000 m、溫度為90~150 ℃））地?zé)豳Y源主要集中在大型沉積盆地區(qū)，能量約為1.25×1012tce，已經(jīng)或正在開發(fā)利用的主要是200 m以淺的水熱型地?zé)豳Y源。干熱巖型（深度為3~10 km、溫度為150~650 ℃）地?zé)豳Y源的開發(fā)潛力是淺層地?zé)豳Y源的100~1000倍，我國深部高溫巖層中的地?zé)崮苜Y源量約為8.6×1014tce [4]。干熱巖型地?zé)豳Y源被視為未來最佳的替代能源類型之一，世界各國都致力于對其實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)利用。

在我國，開發(fā)利用地?zé)釡厝Y源已有上千年的歷史，但規(guī)?；貙?shí)施地?zé)峥辈殚_發(fā)利用主要在近幾十年。20世紀(jì)50年代，規(guī)?；脺厝鸩?，隨后以溫泉洗浴、康養(yǎng)、供暖、發(fā)電為代表的地?zé)崮苜Y源開發(fā)利用多樣化格局逐漸形成，2000年后，在國家扶持和市場需求的驅(qū)動(dòng)下步入發(fā)展快車道 [15]。水熱型地?zé)崮艿闹苯永靡阅昃?0%的速度持續(xù)增長，連續(xù)多年居世界首位；在相關(guān)發(fā)電裝機(jī)容量方面，截至2017年年底為27.28 MW，2018年增至44.98 MW，2019年增至49.1 MW [15,16]。對于淺層地?zé)崮?，截?017年年底地源熱泵裝機(jī)容量為2×104MW，供暖建筑面積為5×108m2[16]。

也要注意到，盡管我國的中淺層地?zé)豳Y源開發(fā)利用得到快速發(fā)展，但在全國一次能源消費(fèi)中的占比很低（約0.5%），因此需要在深部高溫巖層地?zé)衢_采方向繼續(xù)加強(qiáng)。目前，我國深部高熱巖層地?zé)崮荛_發(fā)研究處于起步階段，從21世紀(jì)初才開始相關(guān)勘查研究；2017年，在青海共和盆地3705 m深度鉆取到了高溫干熱巖體（溫度為236 ℃），但沒有進(jìn)行EGS地?zé)崮荛_發(fā)現(xiàn)場試驗(yàn)。整體來看，我國深部高溫巖層地?zé)崮艿拈_發(fā)仍處于現(xiàn)場試驗(yàn)階段，從勘探到開發(fā)較多沿用了石油工程開發(fā)中的經(jīng)驗(yàn)；在地質(zhì)篩選模型、高溫鉆完井工藝方向面臨許多亟待攻克的技術(shù)瓶頸，尚未形成完善的EGS開發(fā)評價(jià)體系 [17]。

（三）我國深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采研究進(jìn)展

1. 資源戰(zhàn)略及勘探摸底

通過調(diào)查研究，總結(jié)得出了我國處于全球成礦相關(guān)的大地構(gòu)造有利位置的結(jié)論。我國位于歐亞板塊、印度板塊、太平洋板塊交匯地帶，由于三大板塊與中國大陸板塊的俯沖和碰撞，形成了一系列大型、超大型礦床。我國成礦條件優(yōu)越，礦種齊全，具有明顯的分帶、分群以及有規(guī)律的分布。

提出了我國深部地?zé)豳Y源勘探摸底的4種地質(zhì)類型：高放射性產(chǎn)熱型（東南沿海地區(qū)）、沉積盆地型（關(guān)中、咸陽、貴德、共和、東北等白堊系形成的盆地下部）、近代火山型（騰沖、長白山、五大連池等）、板內(nèi)活動(dòng)構(gòu)造帶型（青藏高原）。

在勘查研究我國大型-超大型金屬礦床與地?zé)豳Y源分布后，認(rèn)定膠東、長江中下游、秦嶺東部、滇西北地區(qū)是地?zé)崤c礦產(chǎn)資源的共同賦存區(qū)，共采潛力巨大。考慮到地形、開發(fā)成本、實(shí)際需求等因素，宜率先在膠東地區(qū)試行能源與資源共采，三山島、新城、金青頂、玲瓏金礦等作為可試采區(qū)。

2. 高溫地下工程技術(shù)體系

研究了高溫條件下的巖石特性、圍巖變形機(jī)理與控制技術(shù)、工作面降溫技術(shù)、地層改性材料與技術(shù)、掘進(jìn)裝備的適用性與發(fā)展方向、地?zé)?礦產(chǎn)資源共采的井巷建造模式，提出了地下礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采的開發(fā)途徑。研究了高溫巖石特性及其可鉆性，提出了機(jī)械破巖鉆進(jìn)井巷可行性和高溫地層隔熱、巖體改性工藝及材料。

形成了涵蓋“基礎(chǔ)理論-關(guān)鍵技術(shù)-掘進(jìn)裝備-工程材料-建造工藝”的地下高溫堅(jiān)硬巖層井巷與硐室掘進(jìn)與建造的技術(shù)體系。提出了機(jī)械破巖的井巷施工裝備體系、無人化“機(jī)器人”建造模式，發(fā)展了深井高溫地層井巷圍巖支護(hù)工藝、結(jié)構(gòu)與材料以及深井工程“圍巖支護(hù)-地層改性-應(yīng)力調(diào)控-斷面優(yōu)化”穩(wěn)定控制技術(shù)，構(gòu)建了“豎井+斜井”提升、豎井“U”形結(jié)構(gòu)流體提升、斜坡螺旋分級提升3種工程開拓與提升模式以及U/L/Q型+360°鉆孔式的“井-巷-孔”聯(lián)合布置地?zé)衢_采模式。

3. “礦-熱共采”基礎(chǔ)理論與技術(shù)

提出了適用于礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采的崩落法、充填法、原位溶浸開采3種“共建-共存-共用”的開采設(shè)施、工程布置及開發(fā)順序；開展了溫度和化學(xué)場變化對花崗巖力學(xué)特性影響的實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)了礦產(chǎn)和地?zé)峁膊蛇^程中熱提取誘發(fā)的熱損傷和化學(xué)損傷力學(xué)特性。

調(diào)查了金屬礦、煤礦、鹽礦等開發(fā)對地?zé)豳Y源的開發(fā)利用現(xiàn)狀，通過案例分析梳理了現(xiàn)階段礦產(chǎn)與地?zé)峁膊蓪?shí)踐中采用的方法、技術(shù)。針對共采靶區(qū)環(huán)境識別問題，分析了礦產(chǎn)及地?zé)嵋惑w化勘探技術(shù)和高溫環(huán)境礦產(chǎn)開發(fā)與傳統(tǒng)應(yīng)力、滲流、化學(xué)等多場耦合的影響機(jī)制。

4. 深部地?zé)崮芙粨Q和輸送研究

提出了深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采的高-中-低多溫度層級熱能提取系統(tǒng)；研發(fā)了適用于不同溫度層級的冷熱工質(zhì)熱能交換、提取、輸送系統(tǒng)和中溫區(qū)“礦-熱共采”工藝流程；提出了使用隔熱層和施工優(yōu)化參數(shù)來延長有效通風(fēng)距離、防治井下熱害、降低熱儲(chǔ)能量損耗的措施。

提出了適用于礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采的高溫高壓熱能輸送理論與技術(shù)。建立了高溫、高壓裂隙流與管道流的熱能輸送機(jī)理及配套技術(shù)體系，分析了不同輸送技術(shù)的輸送能力和效率，提出了通過增強(qiáng)技術(shù)在熱儲(chǔ)中生成隨機(jī)裂隙是提升熱能提取效率的有效方法。通過模擬試驗(yàn)獲得了在裂隙換熱區(qū)內(nèi)采用裂隙換熱方式優(yōu)于管道流換熱方式效果的重要結(jié)論。

四、深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采面臨的挑戰(zhàn)、發(fā)展框架及重點(diǎn)任務(wù)

（一）我國深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采面臨的挑戰(zhàn)

1. 金屬礦產(chǎn)資源與地?zé)豳Y源共同賦存區(qū)域勘查程度低

我國金屬礦產(chǎn)資源與地?zé)豳Y源共同賦存區(qū)域勘查評價(jià)工作剛剛起步，對“家底”掌握不清。有關(guān)金屬礦床與地?zé)豳Y源的分布、類型、儲(chǔ)量以及兩類資源之間的關(guān)聯(lián)性的調(diào)查研究還不充分，礦產(chǎn)資源與地?zé)峁膊傻倪h(yuǎn)景區(qū)、有利區(qū)、目標(biāo)區(qū)、開采區(qū)都有待進(jìn)一步精細(xì)化圈定。對于深部高溫地?zé)豳Y源勘查，目前尚未形成可靠的資源評價(jià)技術(shù)與方法體系，亟需拓展高新技術(shù)應(yīng)用并重新優(yōu)化勘查技術(shù)。這些方面成為制約礦產(chǎn)資源與地?zé)峁膊傻钠款i環(huán)節(jié)。

2. 深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共同開發(fā)利用基礎(chǔ)研究薄弱

深部礦產(chǎn)與地?zé)峁膊捎晌覈状翁岢?，在國際上沒有先例，相關(guān)研究與實(shí)施是跨領(lǐng)域、多學(xué)科的系統(tǒng)工程，因而相關(guān)基礎(chǔ)研究極為薄弱，眾多方向仍是空白，需要跨學(xué)科、系統(tǒng)性、持續(xù)性地開展創(chuàng)新研究?；A(chǔ)研究問題主要有：在礦產(chǎn)區(qū)精準(zhǔn)勘探并預(yù)測地?zé)岬馁x存位置、賦集程度、分布特點(diǎn)；利用現(xiàn)有的或開發(fā)創(chuàng)新的地?zé)衢_發(fā)理論和技術(shù)進(jìn)行采礦空間的地?zé)衢_采；在深地高溫堅(jiān)硬巖層中安全有效地開掘豎井、巷道、硐室；在深地高地應(yīng)力巖層中建造礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)和地?zé)衢_發(fā)系統(tǒng)（如熱儲(chǔ)）以實(shí)現(xiàn)兩者“共建-共存-共用”；篩選熱交換系統(tǒng)和技術(shù)，將賦存在深部高溫巖層中的地?zé)崮苜Y源置換出來并安全經(jīng)濟(jì)地輸送到地表及其他適合利用的地方；針對各類地?zé)嵩创_認(rèn)交換系統(tǒng)和技術(shù)的適應(yīng)性。此外，我國深部高溫巖層地?zé)徙@井技術(shù)與世界先進(jìn)水平存有差距，高溫巖層地?zé)峥辈殚_發(fā)、地?zé)豳Y源梯級綜合利用、地?zé)峄毓嗯c防腐防垢等技術(shù)研究未能取得突破性進(jìn)展，不能滿足現(xiàn)實(shí)需求。

3. 行業(yè)規(guī)劃、政策措施有待完善

國家現(xiàn)行的一些財(cái)政、價(jià)格鼓勵(lì)政策在加快地?zé)豳Y源開發(fā)和清潔利用方面發(fā)揮了積極引導(dǎo)作用，但未有針對礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采開發(fā)利用這一新興方向進(jìn)行配套完善，專門的行業(yè)規(guī)劃、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理辦法等有待制定。因政策滯后而導(dǎo)致相關(guān)財(cái)稅法律規(guī)定可操作性差、實(shí)際執(zhí)行不到位，必要的激勵(lì)措施不充分，有針對性的支持政策待加強(qiáng) [18]。值得指出的是，現(xiàn)階段我國油氣等化石能源對外依存度居高不下，著眼中長期來加強(qiáng)替代能源開發(fā)利用并充實(shí)技術(shù)儲(chǔ)備較為迫切；地?zé)崮芾眯枰汾s先進(jìn)國家步伐，而高端復(fù)合型人才不足、專有創(chuàng)新開發(fā)平臺缺失的現(xiàn)狀，直接制約了地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

（二）我國深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采發(fā)展框架

調(diào)查我國深部地?zé)峥碧胶烷_發(fā)利用現(xiàn)狀，分析深部礦產(chǎn)資源與深部地?zé)峁泊鎱^(qū)域的分布及特征，可為國家相關(guān)部門政策制定、相關(guān)領(lǐng)域工程科技研發(fā)提供基礎(chǔ)支撐。在對現(xiàn)有的深部礦產(chǎn)資源開采技術(shù)和深部地?zé)衢_發(fā)利用技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)梳理，多學(xué)科的系統(tǒng)性深入研究，構(gòu)建兼?zhèn)鋵?shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的深部礦產(chǎn)資源與地?zé)豳Y源共采系統(tǒng)工程框架（見圖1），涵蓋地?zé)崤c礦產(chǎn)資源勘查、掘進(jìn)與建造、礦產(chǎn)與地?zé)衢_發(fā)技術(shù)和地?zé)崂玫汝P(guān)鍵技術(shù)。

圖1 深部礦產(chǎn)資源與地?zé)豳Y源共采系統(tǒng)工程框架

為支撐上述系統(tǒng)工程框架的落地實(shí)施，需要著重推動(dòng)三個(gè)方面工作：①繼續(xù)追蹤國際外深部礦產(chǎn)資源、深部地?zé)衢_發(fā)利用技術(shù)進(jìn)展，評估主要技術(shù)路線，提出我國的領(lǐng)域未來技術(shù)發(fā)展路線圖；②立足國內(nèi)深部礦產(chǎn)資源與深部地?zé)豳Y源共采利用的現(xiàn)狀及存在問題，剖析制約我國深部礦產(chǎn)資源與深部地?zé)豳Y源共采利用的技術(shù)、體制、機(jī)制瓶頸，總結(jié)形成適合我國深部礦產(chǎn)資源與深部地?zé)豳Y源共采利用發(fā)展方向的宏觀規(guī)劃；③調(diào)研國內(nèi)外深部礦產(chǎn)資源與深部地?zé)峁膊衫玫南嚓P(guān)政策法規(guī)，論證提出推動(dòng)資源開發(fā)企業(yè)實(shí)施深部礦產(chǎn)資源與深部地?zé)豳Y源共采利用的政策建議，涵蓋工程科技應(yīng)用激勵(lì)、產(chǎn)業(yè)政策、環(huán)保法規(guī)、財(cái)稅政策等。

（三）我國深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采未來重點(diǎn)研究方向

1. 深部地?zé)豳Y源賦存及開發(fā)利用調(diào)查和深部礦產(chǎn)資源與深部地?zé)峁餐_發(fā)利用前景分析

廣泛收集資料信息，掌握國際上深部地?zé)豳Y源方面勘查、開發(fā)、理論研究的新成果和新進(jìn)展。進(jìn)一步調(diào)查研究我國深部地?zé)豳Y源的分布、開發(fā)、技術(shù)發(fā)展態(tài)勢以及核心問題。在全面跟蹤國際進(jìn)展、掌握我國賦存及開發(fā)情況的基礎(chǔ)上，開展國內(nèi)外深部地?zé)豳Y源的比較研究，為我國深部地?zé)豳Y源勘查開發(fā)戰(zhàn)略研究提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

深入開展我國深部地?zé)崤c礦產(chǎn)資源分布的勘查研究，率先調(diào)研金屬礦產(chǎn)資源與地?zé)峁餐x存區(qū)域的地質(zhì)特征。例如，在云南會(huì)澤地區(qū)、河南秦嶺地區(qū)、膠東半島地區(qū)，部分礦山地下500 m深度的巖層溫度就超過了40 ℃，采礦工程需要常年通過人工制冷系統(tǒng)進(jìn)行降溫，是潛在的“礦?熱共采”研究對象。

進(jìn)一步研判礦產(chǎn)資源與地?zé)峁餐_采的技術(shù)效能，探討利用采礦工程中的豎井、斜井、平巷等開采系統(tǒng)同步進(jìn)行地?zé)崮茉撮_采的有效方式，兼顧深部礦井作業(yè)溫度控制和地?zé)崆鍧嵞茉撮_發(fā)。細(xì)化提出我國礦產(chǎn)資源富集省份可實(shí)現(xiàn)“礦?熱共采”的目標(biāo)區(qū)，為進(jìn)一步的技術(shù)研發(fā)明確主攻方向。

2. 高溫堅(jiān)硬巖層地下巷道與硐室掘進(jìn)和建造技術(shù)

開展深部高溫堅(jiān)硬巖石巖的溫度場?應(yīng)力場?滲流場分布規(guī)律及耦合異常特征研究。分析深部高溫巖土材料在長期高溫及溫變條件下巖體結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)特征和變異性，研究相關(guān)物理場的探測技術(shù)。探析深部高溫堅(jiān)硬巖石地層溫度場?應(yīng)力場?滲流場的耦合機(jī)理及反演分析方法，預(yù)測地?zé)衢_采和儲(chǔ)存的安全耐久性。分析不同熱物性（相變溫度、潛熱值、熱容量）的相變儲(chǔ)能材料與深部地?zé)釡囟鹊母咝ヅ潢P(guān)系，闡明熱交換機(jī)制。

開展深部高溫堅(jiān)硬巖石地層中井巷（硐室）工程的整體規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)、工藝適宜性研究。探索深部高溫堅(jiān)硬巖石地層中井巷（硐室）的規(guī)劃/設(shè)計(jì)/工藝，建立科學(xué)表征方法、指標(biāo)體系、決策風(fēng)險(xiǎn)分析模式。發(fā)展深部高溫堅(jiān)硬巖石地層中耐高溫、耐高壓的井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及分級懸浮下沉工藝，深部不穩(wěn)定地層的改性技術(shù)及工藝。

開展深部高溫堅(jiān)硬巖石中井巷（硐室）掘進(jìn)工藝及裝備體系研究。探索深部掘進(jìn)高溫堅(jiān)硬巖石的機(jī)械機(jī)理、破巖方式、降溫及排渣工藝，論證鉆井法、豎井掘進(jìn)機(jī)、巷道掘進(jìn)機(jī)等機(jī)械破巖裝備體系，掘/支一體化的建設(shè)技術(shù)與工藝裝備體系。分析高溫高壓條件對鉆井液介質(zhì)、鉆頭刀齒磨損的影響，給出適應(yīng)高溫工況的固體潤滑滾刀及配套新材料的技術(shù)要求。攻關(guān)長期高溫高壓條件下深部高溫堅(jiān)硬圍巖支護(hù)理論、支護(hù)工藝、支護(hù)材料的系列技術(shù)。

3. 深部礦產(chǎn)資源開采系統(tǒng)和地?zé)衢_發(fā)系統(tǒng)“共建-共存-共用”關(guān)鍵理論與技術(shù)

精準(zhǔn)探測礦區(qū)深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源的賦存特點(diǎn)、賦存狀況、賦存量、準(zhǔn)確位置，尤其是礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共存的詳細(xì)分布狀況，探明礦區(qū)深部的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、巖體物理力學(xué)性能，為“礦?熱共采”系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及安全、高效、精準(zhǔn)開采提供保障。

根據(jù)礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共存的空間分布狀況，結(jié)合深部地?zé)崮芙粨Q和輸送技術(shù)進(jìn)展，力求創(chuàng)造性提出礦產(chǎn)資源開采結(jié)構(gòu)與地?zé)衢_發(fā)結(jié)構(gòu)共建、共用的方式方法，統(tǒng)籌實(shí)現(xiàn)采礦系統(tǒng)為地?zé)衢_發(fā)提供必需的主體通道，地?zé)衢_采為采礦作業(yè)降溫提供有效的節(jié)能手段。

精準(zhǔn)探測礦區(qū)深部巖層、巖體結(jié)構(gòu)的工程地質(zhì)及高地應(yīng)力環(huán)境條件?！暗V?熱共采”系統(tǒng)建造及共采作業(yè)期間的高地應(yīng)力等因素，可導(dǎo)致共采系統(tǒng)及其圍巖體的強(qiáng)烈變形破壞及相應(yīng)的地壓活動(dòng)，闡明相關(guān)過程機(jī)理，對破壞風(fēng)險(xiǎn)開展識別、預(yù)測與控制研究。制定發(fā)展機(jī)制和策略，兼顧開采系統(tǒng)與共采作業(yè)安全、采礦與地?zé)衢_發(fā)協(xié)調(diào)作業(yè)。

研發(fā)適應(yīng)深部高溫地層環(huán)境條件的礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采工藝、遙控智能化作業(yè)方式及技術(shù)裝備，提升深部礦產(chǎn)與地?zé)峁膊上到y(tǒng)的智能化水平。

4. 深部高溫巖層地?zé)崮芙粨Q和輸送理論與技術(shù)

開展高溫高壓巖體物理力學(xué)特性及多物理場耦合理論研究。以巖體損傷演化為主線，研究高溫高壓環(huán)境下巖石的力學(xué)特性、熱傳導(dǎo)特性以及巖石的滲流、損傷、破裂機(jī)理與裂紋擴(kuò)展規(guī)律，開展多物理場耦合的數(shù)值分析。

開展高溫高壓巖體熱交換機(jī)理與熱能提取技術(shù)研究。理論方法與實(shí)驗(yàn)手段相結(jié)合，以裂隙傳熱為主導(dǎo)，研究致裂區(qū)內(nèi)工質(zhì)?巖體換熱機(jī)理，不同裂縫網(wǎng)絡(luò)、不同換熱工質(zhì)下的熱能提取效率，進(jìn)一步開展高溫巖體傳熱通道的分析與優(yōu)化。分析地下熱湖區(qū)內(nèi)的冷?熱工質(zhì)熱交換機(jī)理以及不同工質(zhì)、不同管道布置方式的對流換熱效率。

開展高溫高壓熱能輸送理論及技術(shù)研究。理論推導(dǎo)和數(shù)值模擬相結(jié)合，研究高溫高壓下裂隙流和管道流的熱能輸送機(jī)理及其配套技術(shù)；以封閉循環(huán)系統(tǒng)（U型管）高溫高壓、多相流復(fù)雜工況下的熱能輸送機(jī)理為主要對象，采用數(shù)值模擬方法分析換熱和輸送過程，據(jù)此優(yōu)化系統(tǒng)的熱能輸送效率。

開展多溫度層級的熱能提取系統(tǒng)研發(fā)。針對適應(yīng)不同巖體溫度的熱能提取系統(tǒng)，尤其是“礦?熱共采”區(qū)域的降溫系統(tǒng)開展技術(shù)研發(fā)，為“先采熱后采礦”技術(shù)方案提供依據(jù)。應(yīng)用多介質(zhì)熱交換計(jì)算程序，分析各溫度層級系統(tǒng)的熱能提取效率與綜合產(chǎn)能，為高溫巖層地?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)的容量及服務(wù)年限設(shè)計(jì)提供判斷依據(jù)。

五、對策建議

（一）加強(qiáng)地質(zhì)勘查，為“礦--熱共采”戰(zhàn)略提供信息保障

深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采沒有可借鑒的先例，應(yīng)用推進(jìn)應(yīng)從扎實(shí)的基礎(chǔ)工作做起，而地質(zhì)勘查是最基礎(chǔ)的起步工作。建議開展全國性的深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源調(diào)查評價(jià)，查明資源分布及類型，評價(jià)資源儲(chǔ)量與開采潛力，形成完善的調(diào)查評價(jià)與科學(xué)開發(fā)利用技術(shù)支撐體系，筑牢“礦?熱共采”戰(zhàn)略實(shí)施基礎(chǔ)。對于深部高溫巖層地?zé)豳Y源，選擇未來最具有開發(fā)利用前景、當(dāng)前勘查程度不高的典型高溫地?zé)嵯到y(tǒng)地開展地?zé)豳Y源勘查。對于高放射性產(chǎn)熱型、沉積盆地型、近代火山型、板內(nèi)活動(dòng)構(gòu)造帶型4種“高溫?zé)岬V”，評價(jià)其資源儲(chǔ)量、可開采資源量、開采潛力。對于深部礦山，既要充分勘查礦產(chǎn)資源賦存情況，還要查清相關(guān)區(qū)域地?zé)豳x存情況，確定二者實(shí)施共采的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。推動(dòng)建立行業(yè)共享的公開數(shù)據(jù)庫或平臺，為礦產(chǎn)和地?zé)峁餐_發(fā)利用研究工作提供全面的數(shù)據(jù)信息，最大化發(fā)揮地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)效用。

（二）推進(jìn)科技創(chuàng)新，為“礦--熱共采”戰(zhàn)略提供技術(shù)保障

建議設(shè)立國家科技重大專項(xiàng)，積極布局相關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目。實(shí)施深部礦產(chǎn)與地?zé)峁膊芍卮罂萍脊リP(guān)計(jì)劃，涵蓋深部礦產(chǎn)與地?zé)崮苜Y源勘查與共同開發(fā)利用的基礎(chǔ)研究、深部高溫高應(yīng)力堅(jiān)硬巖層復(fù)雜工程化綜合開發(fā)建造的關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究、深部高溫巖層地?zé)崮芙粨Q、提取、輸送的技術(shù)與設(shè)備研究；加強(qiáng)地?zé)崮軐Ｓ迷O(shè)備和特種技術(shù)研發(fā)，尤其是高溫巖層鉆井、人工壓裂、梯級綜合利用、尾水回灌、防腐防垢、井下回?zé)岬燃夹g(shù)。應(yīng)對礦產(chǎn)資源開發(fā)的智能化趨勢，加強(qiáng)與大數(shù)據(jù)、新型移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)、高性能計(jì)算等技術(shù)的深度融合，提升深部資源能源開發(fā)的智能化水平。聚合多學(xué)科、多領(lǐng)域?qū)I(yè)人才，就礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采面臨的一系列難點(diǎn)和瓶頸問題，集中力量予以突破，推動(dòng)共采關(guān)鍵技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展。

（三）制定法規(guī)與扶持政策，為“礦--熱共采”戰(zhàn)略提供綜合保障

建議盡快制定深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源開發(fā)利用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，適時(shí)出臺相關(guān)管理辦法，規(guī)范和保障勘探、開發(fā)、利用等活動(dòng)。加強(qiáng)對深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采開發(fā)利用的引導(dǎo)與鼓勵(lì)，明確激勵(lì)機(jī)制、產(chǎn)業(yè)政策、環(huán)保法規(guī)、財(cái)稅政策。完善財(cái)政與信貸政策，鼓勵(lì)商業(yè)銀行投資地?zé)岙a(chǎn)業(yè)。發(fā)揮市場調(diào)節(jié)機(jī)制，以減稅、免稅等的作用，合理加大對礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共同開發(fā)利用單位以及相關(guān)設(shè)備、材料制造企業(yè)的支持力度。出臺切實(shí)可行的共同開發(fā)利用稅收優(yōu)惠辦法，落實(shí)地?zé)峁┡鞍l(fā)電的相關(guān)可再生能源補(bǔ)貼政策。

（四）納入國家資源能源頂層規(guī)劃，建立科研示范基地

礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共同勘查與開發(fā)利用是推動(dòng)我國能源轉(zhuǎn)型，落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，可持續(xù)提供清潔能源與綠色礦產(chǎn)品的新途徑。建議將深部礦產(chǎn)資源與地?zé)豳Y源共采納入國家資源能源發(fā)展戰(zhàn)略布局中統(tǒng)籌考慮，做好深部礦產(chǎn)資源與地?zé)豳Y源共采發(fā)展戰(zhàn)略的頂層設(shè)計(jì)；確立中長期內(nèi)煤炭等化石能源清潔化開發(fā)利用與地?zé)岬染G色低碳清潔新能源的并行發(fā)展路線，科學(xué)實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源對國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)供給、地?zé)崮艿刃履茉锤弑壤娲茉础?/p>

建議將遴選出的膠東地區(qū)“焦家式”“玲瓏式”金礦床的三山島、新城、金青頂、玲瓏4個(gè)金礦作為可試采區(qū)，盡快組織論證和實(shí)施。建立典型礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采的科研示范基地，以示范應(yīng)用帶動(dòng)“礦?熱共采”開發(fā)利用，加速形成“產(chǎn)學(xué)研用”一體化的發(fā)展格局。注重和發(fā)揮深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源開發(fā)的品牌效應(yīng)，更好引領(lǐng)礦業(yè)、地?zé)岙a(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

致謝

感謝項(xiàng)目組全體同志的工作與貢獻(xiàn)以及相關(guān)參研單位給予的大力支持。