編者按 我國戰(zhàn)略性金屬礦開采正向深部邁進(jìn)，深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采是金屬礦深部開采的戰(zhàn)略方向，但礦熱共采在國際上沒有可借鑒的先例，開采面臨資源賦存特征復(fù)雜、采場熱害難調(diào)控、礦熱資源難回收、協(xié)同開采難保障等問題。正值“十四五”收官、“十五五”開局以及《金屬礦山》創(chuàng)刊60周年之際，中國工程院李夕兵院士受邀撰文《深部有色金屬與地?zé)豳Y源協(xié)同開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展與展望》。該文立足我國戰(zhàn)略性金屬礦開采向深部邁進(jìn)的重大需求，圍繞礦山地?zé)豳Y源開發(fā)利用和深部熱環(huán)境調(diào)控，以金屬礦深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源協(xié)同開采為背景，針對金屬礦山深部開采面臨的礦井熱害和巖體動力災(zāi)害共存的問題，基于礦熱資源賦存共生特性，論述了深部礦產(chǎn)和礦井地?zé)釁f(xié)同開發(fā)的必要性和可行性，指出了深部金屬礦在礦熱協(xié)同開發(fā)理論與方法上所面臨的主要挑戰(zhàn)，展望了從熱害控制到熱能利用的礦熱協(xié)同調(diào)控系統(tǒng)模式發(fā)展，可為深部礦熱資源的安全、高效、智能共采提供理論依據(jù)與技術(shù)保障。

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戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源作為國家安全保障、經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展、科技自主創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其穩(wěn)定供應(yīng)能力正日益成為國家發(fā)展的核心戰(zhàn)略內(nèi)容。國家層面明確指出，要提升戰(zhàn)略性資源供應(yīng)保障能力。隨著我國對以稀有金屬、有色金屬、稀土金屬為代表的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源需求不斷增長，淺部資源日趨枯竭，深部資源開發(fā)已成為保障我國礦產(chǎn)資源可持續(xù)供應(yīng)的主要途徑。近年來，我國穩(wěn)居全球礦產(chǎn)資源生產(chǎn)和消費(fèi)大國地位，金屬礦山正加速向深部邁進(jìn)，“十三五”期間已有50余座金屬礦山開采深度超過1 000 m，預(yù)計(jì)未來10 a將有超過1/3的金屬礦山進(jìn)入千米開采階段，部分礦山甚至延伸至2 000~3 000 m的超深部區(qū)域。在這一區(qū)域中，深部開采面臨高應(yīng)力、高地溫、強(qiáng)擾動的復(fù)雜開采環(huán)境，巖爆、片幫等動力災(zāi)害頻發(fā)，同時(shí)熱害加劇、通風(fēng)降溫難度大，嚴(yán)重制約了深部金屬礦山的安全、高效、綠色開發(fā)。

在傳統(tǒng)“災(zāi)害—治理”式的被動防控模式下，深部災(zāi)害治理手段多依賴高能耗、高成本的工程措施，降溫通過水冷、冰冷等形式進(jìn)行，不僅使資源開采效率大幅下降，也顯著加重了礦山碳排放與環(huán)境負(fù)擔(dān)，且難以適應(yīng)新時(shí)代綠色低碳發(fā)展的總體要求。在此背景下，構(gòu)建“變害為利”的協(xié)同利用新路徑，將深部高地溫、高應(yīng)力等災(zāi)害因子轉(zhuǎn)化為資源要素，探索深部礦產(chǎn)資源與地?zé)崮艿膮f(xié)同開采路徑，成為引領(lǐng)金屬礦深部開發(fā)方式轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)策略。通過對礦熱資源賦存演化機(jī)制的科學(xué)認(rèn)知，攻克高溫高應(yīng)力環(huán)境下熱能提取與礦體開采的耦合調(diào)控機(jī)理研究難點(diǎn)，構(gòu)建智能化、高效化、低碳化的礦熱協(xié)同開發(fā)系統(tǒng)，不僅可實(shí)現(xiàn)深地資源的多維高效開發(fā)，還可從源頭上提升礦山熱害防控能力與能源利用效率。然而，目前深部礦熱協(xié)同開發(fā)尚處于理論探索與初始階段，在資源賦存精細(xì)刻畫、耦合響應(yīng)規(guī)律揭示、系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)集成與工程示范等方面仍存在諸多技術(shù)瓶頸。

本文立足我國戰(zhàn)略性金屬礦開采向深部邁進(jìn)的重大需求，從深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采的戰(zhàn)略方向入手，闡述深部礦井高地溫環(huán)境與地?zé)豳Y源化利用的難題以及資源共生特征，分析礦產(chǎn)與地?zé)釁f(xié)同開發(fā)的必要性與可行性，剖析當(dāng)前礦熱共采在資源賦存特征復(fù)雜、熱害調(diào)控困難、資源回收率低及協(xié)同保障不足等方面面臨的系統(tǒng)性挑戰(zhàn)，指出“十五五”該領(lǐng)域需要攻克的難點(diǎn)在于深部多場耦合環(huán)境下礦熱資源賦存機(jī)制精細(xì)表征、高溫高應(yīng)力條件下熱能提取與采礦工藝的協(xié)同調(diào)控、礦熱共采系統(tǒng)智能決策與高效運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)集成，以及面向綠色低碳目標(biāo)的全流程工程示范體系構(gòu)建。

1 深部金屬資源與地?zé)豳Y源的共生特征

1.1 深部開采的高地溫環(huán)境與地?zé)豳Y源化利用

隨著礦產(chǎn)資源開采向深部拓展，礦井所處的地質(zhì)環(huán)境發(fā)生了顯著變化，高地溫環(huán)境逐漸成為深部礦山普遍面臨的重大難題之一。所謂深井高地溫環(huán)境，通常是指埋深超過800 m、地層溫度普遍超過40 ℃，甚至在某些高熱異常區(qū)井下溫度可達(dá)60 ℃以上的極端作業(yè)環(huán)境。礦井高地溫環(huán)境的主要來源包括：① 地球內(nèi)部的天然地?zé)醾鲗?dǎo)，這是最基本且不可避免的熱源，地溫隨深度增加而升高，一般地溫梯度為20~30 ?°C/km，而在地?zé)岙惓^(qū)或火成巖分布區(qū)，溫度梯度可達(dá)到40 °C/km甚至更高；② 由于巖體自身的放射性衰變、剪切變形以及地震等地質(zhì)活動過程中釋放熱能，進(jìn)一步加劇深部熱環(huán)境；③ 礦山生產(chǎn)活動帶來的次生熱，如硫礦石自燃、采掘機(jī)械設(shè)備運(yùn)行、炸藥爆破、運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)摩阻等也會產(chǎn)生大量熱量，并疊加于自然熱源之上，導(dǎo)致井下局部溫度逐步升高。上述因素的疊加作用，使得深部礦井普遍處于高溫高濕環(huán)境中，成為制約礦山安全生產(chǎn)與資源開發(fā)效率的關(guān)鍵因素。

目前，深井高溫環(huán)境在我國和世界范圍內(nèi)的礦山中已廣泛存在。例如南非Mponeng金礦作業(yè)深度已超過4 000 m，巖溫高達(dá)60?°C以上；加拿大Kidd Creek銅礦在近3 000 ?m深度開采時(shí)巖體溫度接近50 °C；我國三山島金礦、焦家金礦、銅官山銅礦、金川鎳礦等大型深部金屬礦山在1 000?m深度處巖溫普遍超過40?°C，部分超過45?°C，井下作業(yè)環(huán)境溫度超過35?°C。根據(jù)我國礦井熱害分級標(biāo)準(zhǔn)（《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（GB 16423—2020）），當(dāng)空氣干球溫度大于30?°C、或濕球溫度大于27?°C、或體感溫度大于32?°C時(shí)，便構(gòu)成熱害環(huán)境。大多數(shù)深井礦山在夏季或高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)期間長期處于熱害狀態(tài)，成為不可忽視的安全隱患。熱害的危害主要體現(xiàn)在：首先，對作業(yè)人員而言，高溫環(huán)境會導(dǎo)致體溫調(diào)節(jié)功能紊亂，易引發(fā)中暑、脫水、熱射病等職業(yè)健康問題，縮短作業(yè)時(shí)間，增加輪換頻次，進(jìn)而降低勞動效率；其次，高溫環(huán)境會造成圍巖穩(wěn)定性下降，易誘發(fā)巖爆、片幫、熱裂等動力災(zāi)害，增加支護(hù)和維護(hù)成本；再次，高溫環(huán)境顯著增加通風(fēng)與降溫系統(tǒng)的能耗和運(yùn)行負(fù)荷，提高礦井運(yùn)行成本，同時(shí)也對設(shè)備運(yùn)行的可靠性提出更高要求，深部熱害還將導(dǎo)致信息與控制系統(tǒng)失靈，進(jìn)而影響整個(gè)采礦系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，深井熱害對礦山生產(chǎn)的綜合影響不僅體現(xiàn)在安全層面，還會對資源回采率、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境指標(biāo)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，鑒于深井高溫環(huán)境所帶來的綜合性危害，其防范與調(diào)控具有重要意義。

礦山地?zé)釄龅难莼菐r漿熱源、熱傳導(dǎo)機(jī)制與地下水流動三者耦合作用的結(jié)果，表現(xiàn)出顯著的非均質(zhì)性和空間差異性。金屬礦大多為熱液成因礦床，所處地層具有巖石滲透性低且?guī)r溫增長率高的特征，目前，千米級深井金屬礦山地?zé)豳Y源以水熱型地?zé)釣橹鳎責(zé)釡囟确秶鸀?5~80 ℃，屬于中低品位熱能資源。但隨著開采深度由淺部向深部轉(zhuǎn)移，熱儲溫度隨之升高，深部地?zé)豳Y源開發(fā)潛力愈發(fā)顯著。在深部礦山日益普遍面臨高地溫環(huán)境的背景下，如何將原本作為“熱害”的高溫巖體或熱水轉(zhuǎn)化為可利用的能源，成為資源綜合利用與綠色低碳礦山建設(shè)中的關(guān)鍵課題。

1.2 金屬礦山礦熱賦存特征

地球深部蘊(yùn)藏著大量的礦產(chǎn)資源，且隨著開采深度增加溫度持續(xù)不斷地增大，地?zé)豳Y源也異常豐富。有色金屬礦產(chǎn)資源與地?zé)豳Y源在地質(zhì)空間中呈現(xiàn)出顯著的協(xié)同賦存特征，兩者的形成與分布受控于共同的地質(zhì)構(gòu)造背景，具有顯著的空間耦合性。以我國為例，相關(guān)礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源主要分布于特提斯—喜馬拉雅構(gòu)造帶和東部環(huán)太平洋板塊匯聚帶，該區(qū)域的強(qiáng)烈地殼構(gòu)造運(yùn)動為礦體富集和熱流聚集提供了有利條件。在深部資源開發(fā)過程中，常見的金、鈾、稀有金屬等礦床常伴隨著高溫地?zé)岙惓，F(xiàn)象，表明深部熱流量的增強(qiáng)不僅驅(qū)動了礦物熱液成礦過程，也為地?zé)崮艿男纬膳c富集提供了必要的熱源條件。并且?guī)r體裂隙結(jié)構(gòu)作為控制熱流體運(yùn)移和礦體賦存的重要因素，對資源的協(xié)同開發(fā)潛力具有決定性作用。

我國膠東地區(qū)不僅是黃金儲量最豐富的區(qū)域之一，同時(shí)具備良好的地?zé)豳x存條件，三山島金礦地溫梯度高達(dá)0.042 ℃/m，展現(xiàn)出優(yōu)越的共采價(jià)值。以膠東地區(qū)為例，其金礦分布與高地溫梯度并存，顯示出良好的共采前景。然而，礦熱資源協(xié)同開發(fā)并非對所有礦山具有普適性，其中某些成礦類型如斑巖—淺成低溫?zé)嵋旱V床因埋藏淺，缺乏深部熱源條件，不具備地?zé)崂脙?yōu)勢；此外，某些富含重金屬的礦床由于存在環(huán)境污染與健康風(fēng)險(xiǎn)，也不宜與地?zé)豳Y源協(xié)同開發(fā)。未來有必要從地質(zhì)成因機(jī)制、熱儲特征、工程可行性及環(huán)境適應(yīng)性等方面開展系統(tǒng)研究，為深部礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源的高效協(xié)同利用提供關(guān)鍵支撐。

因此，推進(jìn)有色金屬礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源協(xié)同開發(fā)，不僅是提升我國深地資源開發(fā)效率的重要路徑，更是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)與礦業(yè)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型、“十五五”期間推動礦熱協(xié)同開發(fā)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；こ虘?yīng)用、我國深部資源與能源實(shí)現(xiàn)自主保障的重要舉措。

2 礦熱協(xié)同開采模式及關(guān)鍵科學(xué)問題

2.1 深部開采地?zé)帷白兒槔彼悸?/span>

早在2001年第175次香山科學(xué)會議上，作者就前瞻性地提出了“變害為利”的深地資源安全高效開采理念，強(qiáng)調(diào)應(yīng)從資源利用與系統(tǒng)優(yōu)化的角度，重新審視深部開采中面臨的高應(yīng)力、高地溫與高井深三大主控因素，如圖1所示。傳統(tǒng)觀點(diǎn)普遍將其視為災(zāi)害性約束因素，聚焦于研究如何進(jìn)行災(zāi)害控制與作業(yè)優(yōu)化，例如應(yīng)對高應(yīng)力問題的巖爆預(yù)測與防控、應(yīng)對高地溫問題的礦井熱害抑制、應(yīng)對高井深問題的深井提排系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。然而，隨著對深地工程環(huán)境與多場耦合機(jī)制認(rèn)識的不斷深化，被認(rèn)為“有害”的因素亦具備向“有利”條件轉(zhuǎn)化的潛力，體現(xiàn)出“變害為利”的戰(zhàn)略價(jià)值。

圖1 深地資源災(zāi)害性因素“變害為利”途徑^[6]

三大主控因素中，高地溫的資源屬性尤為突出，在深部礦體原位溶浸開采過程中，高地溫顯著加快了礦物與溶浸液之間的物理化學(xué)反應(yīng)速率，提升了溶浸效率與采收率，從而有利于提高低品位難處理礦產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可采性，如圖2所示。此外，高地溫所蘊(yùn)含的地?zé)崮鼙旧硪彩且环N可再生清潔能源，其在井下大量儲存，通過井下?lián)Q熱與地面系統(tǒng)聯(lián)動，不僅可實(shí)現(xiàn)熱能提取用于地面供暖或地?zé)岚l(fā)電，而且可反向用于井下作業(yè)空間的溫度調(diào)控，實(shí)現(xiàn)主動降溫。該設(shè)想打破了傳統(tǒng)熱害控制的被動策略的束縛，為井下作業(yè)環(huán)境改善提供了能效協(xié)同的新路徑。

（a）高地溫促進(jìn)原地溶浸

（b）高地溫促進(jìn)熱、電、資源聯(lián)合開發(fā)

圖2 高地溫促進(jìn)溶浸采礦和地?zé)衢_發(fā)利用流程^[6]

2.2 礦熱協(xié)同共采模式

2.2.1 基于水源熱泵技術(shù)

隨著深部礦山熱害問題日益突出，以及礦山地?zé)豳Y源的廣泛分布，水源熱泵作為地?zé)崮荛_發(fā)利用的一種高效手段，在礦山系統(tǒng)中逐漸得到關(guān)注與應(yīng)用。水源熱泵（Water Source Heat Pump, WSHP）是一種利用水體（如地下水、地表水、海水、礦井水等）作為冷熱源，通過少量高品位電能實(shí)現(xiàn)熱量從低溫區(qū)向高溫區(qū)轉(zhuǎn)移的節(jié)能設(shè)備。

何滿潮院士系統(tǒng)研究了深部礦山熱害形成機(jī)制，建立了“深部巖體熱力學(xué)”理論，隨后提出高溫?zé)岷刂艸EMS技術(shù)。深井HEMS降溫系統(tǒng)工作原理如圖3所示。HEMS系統(tǒng)是利用礦井各水平現(xiàn)有涌水，通過能量提取系統(tǒng)從中提取冷量，再運(yùn)用提取出的冷量與工作面高溫空氣進(jìn)行換熱作用，降低工作面的環(huán)境溫度及濕度，同時(shí)將置換出的熱量作為地面供熱及洗浴的熱源，經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益顯著。

圖3 HEMS系統(tǒng)工作原理^[35]

2.2.2 基于充填埋管技術(shù)

王雙明院士提出的充填埋管技術(shù)，是指在鉆孔或地下采空區(qū)、巷道、井筒等空間內(nèi)鋪設(shè)換熱管，并使用導(dǎo)熱性能良好或特定設(shè)計(jì)的填充材料將其固定，構(gòu)建穩(wěn)定的換熱系統(tǒng)，如圖4所示。張吉雄等提出的深部礦山相變蓄熱功能充填采熱技術(shù)，是利用相變蓄熱功能充填材料置換煤炭資源，構(gòu)造煤系熱儲開發(fā)系統(tǒng)，通過功能充填體相態(tài)變化吸收存儲熱能，實(shí)現(xiàn)礦山地?zé)崮芨咝ч_發(fā)，具有單位質(zhì)量和體積蓄熱量大、蓄熱和放熱過程溫度波動小且近似恒溫、化學(xué)穩(wěn)定性好及安全性高等特點(diǎn)，技術(shù)原理如圖5所示。

圖4 蓄能/儲能功能充填體的礦熱協(xié)同開采總體方案^[37]

（a）技術(shù)原理

（b）系統(tǒng)構(gòu)成

圖5 深部礦山相變蓄熱功能充填采熱構(gòu)想及技術(shù)體系^[38]

^{2.2.3 基于溶浸法采礦技術(shù)}

^{溶浸法采礦（In-situ Leaching, ISL），又稱地下注溶采礦或原地浸出法，是一種將溶劑直接注入礦體內(nèi)部，通過化學(xué)反應(yīng)將目標(biāo)礦物轉(zhuǎn)化為可溶形態(tài)，然后抽出含礦溶液進(jìn)行分離提取的綠色、低擾動采礦方法。近年來，該技術(shù)在環(huán)保、安全和經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)勢受到廣泛關(guān)注，特別適用于某些不可開采或不宜開采的深部礦體，在鈾礦、金礦、銅礦、稀土礦、鋰礦等資源的開發(fā)中展現(xiàn)出顯著潛力。}

^{深地礦產(chǎn)資源和地?zé)崮苜Y源賦存具有相同的地理環(huán)境，基于原位溶浸開采方法，可實(shí)現(xiàn)流態(tài)化浸出過程強(qiáng)化與地?zé)豳Y源協(xié)同共采?；谌芙ú傻V技術(shù)的礦熱協(xié)同開采思路的核心是構(gòu)建一個(gè)“物質(zhì)與能量一體化開采”系統(tǒng)。通過共享注入井與生產(chǎn)井網(wǎng)絡(luò)，使經(jīng)過設(shè)計(jì)的多功能流體在地下同時(shí)完成兩種任務(wù)：一是作為溶浸劑溶解目標(biāo)礦產(chǎn)資源，二是作為攜熱工質(zhì)吸收圍巖中的地?zé)崮?。高溫富金屬離子流體被提至地表后，先通過熱交換系統(tǒng)釋放熱能用于發(fā)電或供暖，實(shí)現(xiàn)能量提?。唤禍睾蟮牧黧w再進(jìn)入金屬回收工藝流程提取有價(jià)值的礦物。最終，處理后的流體可再生并回注地下，形成一個(gè)閉路的循環(huán)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了“一井多用、一液多能”，顯著提升了深地資源開發(fā)的綜合效益與環(huán)境友好性，代表了未來深地資源綠色開發(fā)的一個(gè)重要方向。}

2.2.4 基于構(gòu)筑崩落層的采礦技術(shù)

^{圍巖溫度增長至100 ℃以上區(qū)域的地質(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。唐春安等提出了基于開挖的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS-E），如圖6所示。該系統(tǒng)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)，能夠克服熱儲致裂工藝對地質(zhì)條件的依賴性，具有充足的熱儲空間、穩(wěn)定的換熱面積和工質(zhì)流量等優(yōu)勢，為實(shí)現(xiàn)資源開采與高溫地?zé)崮荛_發(fā)并行推進(jìn)的多能互補(bǔ)、低碳高效開采新模式。}

圖6 基于開挖的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（EGS-E）的總體方案^[45]

2.3 巖層降溫協(xié)同地?zé)衢_采模式

2.3.1 構(gòu)想框架

礦山礦產(chǎn)資源賦存方式與開發(fā)方式差異大，各礦層的巖層活動和流體遷移等影響彼此的開采，根據(jù)礦山開采特點(diǎn)，采用分區(qū)協(xié)同采理念，將不同礦體在活動空間上分為礦產(chǎn)開采區(qū)及伴生地?zé)岢伴_采區(qū)（未來深部礦產(chǎn)開采區(qū)），本研究團(tuán)隊(duì)提出了礦山超前地?zé)衢_采協(xié)同巖層降溫系統(tǒng)，如圖7所示。根據(jù)礦體分布走向及開采順序，協(xié)調(diào)礦區(qū)間隔水保護(hù)層作為礦熱共采的緩沖區(qū)，在不影響開采活動的基礎(chǔ)上，針對未來待開發(fā)礦層（礦體Ⅱ）進(jìn)行超前抽熱降溫，主要過程是直接利用上層開拓系統(tǒng)的豎井通道繼續(xù)鉆井至待開發(fā)礦域，采用爆破預(yù)裂及水力擴(kuò)縫手段精準(zhǔn)控制目標(biāo)巖層域的縫網(wǎng)范圍從而超前取熱，在巷道掘進(jìn)作業(yè)前最大化冷卻巖層，直到巷道開挖作業(yè)開始后停止注冷水，維持熱抽采以減少礦山開拓的涌水風(fēng)險(xiǎn)，重復(fù)上述步驟繼續(xù)對下一分區(qū)高溫巖層進(jìn)行超前采熱降溫。

圖7 礦山超前地?zé)衢_采協(xié)同巖層降溫技術(shù)的礦熱協(xié)同開采總體方案

在礦山超前地?zé)衢_采協(xié)同巖層降溫系統(tǒng)運(yùn)行過程中遵循了全資源、全生命周期協(xié)調(diào)開采規(guī)劃理念，形成深部采礦—采熱—降溫一體化的系統(tǒng)開采模式，保障各能源開采活動同時(shí)進(jìn)行、互不干擾、又互相聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)開采、巖層降溫和地?zé)崂萌h(huán)節(jié)綠色協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。針對深部礦產(chǎn)及伴隨的地?zé)豳Y源，仍需進(jìn)一步探明協(xié)同開采多相多場耦合機(jī)制與巖層開拓活動疊加的影響規(guī)律，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化和資源開采最優(yōu)化。

2.3.2 工藝流程

超前礦山地?zé)衢_采及巖層降溫技術(shù)隸屬于礦熱協(xié)同開采范疇，可劃分為協(xié)同前期、中期和后期三大階段。根據(jù)礦產(chǎn)資源開采存在的隱患因素與實(shí)際工程多目標(biāo)約束，各階段開采協(xié)同側(cè)重點(diǎn)分別為前期巖層蓄能與含水層熱能提取協(xié)同、中期熱水抽采與開挖巷道熱害治理協(xié)同、后期礦產(chǎn)開發(fā)與開采層降溫保溫協(xié)同。礦山超前地?zé)衢_采協(xié)同巖層降溫系統(tǒng)所涵蓋的關(guān)鍵技術(shù)如圖8所示，具體闡述如下：

（1）巖層致裂工藝：爆破致裂。在礦山開拓工程中，爆破是常用的破巖開挖手段及方式，針對相對致密的巖石，傳統(tǒng)爆破手段依舊是礦山開采的主流手段，具有不可控、損傷巖石等不足，研發(fā)精準(zhǔn)可控致裂技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦巖層誘導(dǎo)裂隙網(wǎng)絡(luò)的有序生成逐步成為學(xué)者們的追求目標(biāo)。液態(tài)CO相變爆破巖層致裂技術(shù)更容易在鉆孔周圍形成體積破裂或叢式破裂，實(shí)施簡單、成本低廉、整體安全性高，可以有效控制縫網(wǎng)范圍，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)爆破、水力壓裂和深孔爆破在致裂增透方面的不足，且不過度破壞巖體骨架的完整性，使其在井下各類巖層增滲中得到了廣泛應(yīng)用。因此，在礦山超前地?zé)衢_采協(xié)同巖層降溫系統(tǒng)中使用液態(tài)CO相變爆破巖層致裂技術(shù)并結(jié)合礦山開拓作業(yè)順序，定點(diǎn)定位致裂，致裂區(qū)域主要集中于待開采礦區(qū)巷道的開拓路徑上，遠(yuǎn)離上下安全隔層，使得礦層破壞范圍精準(zhǔn)可控，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行注水水力擴(kuò)縫誘導(dǎo)裂隙網(wǎng)絡(luò)有序生成，增強(qiáng)注入井與生產(chǎn)井的儲層滲透性。與此同時(shí)，所采用的CO相變爆破巖層致裂技術(shù)，不會對熱采后的后續(xù)開拓空間的作業(yè)活動造成影響。

（2）熱能提取與利用工藝：熱泵技術(shù)。熱泵是一種通過能量驅(qū)動，將低品位熱源的熱量傳遞到高品位熱源，使低溫?zé)嵩礈囟冉档?，同時(shí)高溫?zé)嵩礈囟壬叩难b置。地?zé)醿娱_采系統(tǒng)產(chǎn)生的地?zé)崴畬儆诘推肺粺崮埽瑥牡責(zé)崴苯踊厥绽脽崃康男б娌患?，而水源熱泵可從地下水獲得低品位熱能，并將低品位熱能轉(zhuǎn)化為可利用的高溫?zé)崮?。因此，為了從地?zé)崴懈咝Щ厥諢崃?，可將水源熱泵與開放式或封閉式地?zé)嵫h(huán)開發(fā)系統(tǒng)相結(jié)合，開發(fā)“地?zé)崮?”多能互補(bǔ)新模式。在礦山超前地?zé)衢_采協(xié)同巖層降溫系統(tǒng)運(yùn)行過程中的熱能提取與利用方面，設(shè)計(jì)的礦井地?zé)崴蜔岜寐?lián)合供暖系統(tǒng)，主要由地?zé)醿娱_采系統(tǒng)、板式換熱器系統(tǒng)、水源熱泵系統(tǒng)、建筑物供暖系統(tǒng)和浴水供暖系統(tǒng)5個(gè)部分構(gòu)成，如圖8所示。該系統(tǒng)創(chuàng)新性地將礦井地?zé)崴c熱泵技術(shù)耦合，形成了多級聯(lián)供的特色模式。其核心功能在于通過梯級利用，實(shí)現(xiàn)對中低品位地?zé)崮芰康母咝崛。旱責(zé)崴冉?jīng)板式換熱器系統(tǒng)為建筑供暖和浴水預(yù)熱，再驅(qū)動熱泵進(jìn)一步提升余熱品位，最終實(shí)現(xiàn)熱能的全方位高效利用，兼具節(jié)能與經(jīng)濟(jì)效益。

圖8 礦山超前地?zé)衢_采協(xié)同巖層降溫系統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)組成

（3）巖層取熱—預(yù)冷工藝。低溫冷水注入到儲層空間上，水作為換熱介質(zhì)，既是熱能載體又是冷量載體，水與儲層間存在溫度梯度會產(chǎn)生熱交換，低溫水介質(zhì)被加熱而水附帶的冷量被儲存在儲層空間內(nèi)，換熱儲冷過程平衡持續(xù)時(shí)間取決于儲層巖性、水流狀態(tài)、溫度梯度、水巖溫差等因素，注水儲冷是水滲流與裂隙滲流、熱傳導(dǎo)和熱對流相互作用的復(fù)雜過程。

（4）巖層降溫—取熱循環(huán)工藝。待開采巖層既是熱儲空間進(jìn)行熱量提取，又是礦產(chǎn)賦存區(qū)間進(jìn)行采礦作業(yè)。在待開采區(qū)域進(jìn)行先取熱后采礦的順序，即先進(jìn)行注水降溫，最大限度置換出巖層的熱量，使其在一定區(qū)域范圍內(nèi)的巖體溫度降低，達(dá)到巖層降溫效果為采礦作業(yè)創(chuàng)造條件，之后持續(xù)進(jìn)行熱抽采作業(yè)，待開采區(qū)進(jìn)行采礦期間必然會隨著巖溫回升而導(dǎo)致巷道溫度上升。循環(huán)下一階段待采區(qū)的采熱活動，可以有效阻隔下部巖層的熱能傳遞，同時(shí)進(jìn)行到下一個(gè)“先采熱—后采礦”的循環(huán)作業(yè)過程。

2.3.3 多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化

礦熱協(xié)同開發(fā)中的多參數(shù)影響如圖9所示。協(xié)同開發(fā)理念強(qiáng)調(diào)在資源開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)多要素、多目標(biāo)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，旨在通過系統(tǒng)整合礦產(chǎn)資源、能源資源（如地?zé)幔?、環(huán)境承載能力與工程技術(shù)手段，推動資源高效、低碳與可持續(xù)利用。在礦熱協(xié)同開發(fā)模式中，突破傳統(tǒng)單一的礦產(chǎn)開采思維，通過耦合地下礦產(chǎn)資源與地?zé)豳Y源的空間分布與開發(fā)流程，構(gòu)建資源互補(bǔ)、功能協(xié)同、效益疊加的綜合開發(fā)系統(tǒng)。該模式不僅提升了資源開發(fā)的整體經(jīng)濟(jì)性和能源利用效率，同時(shí)有助于緩解礦山深部熱害、降低碳排放、延長礦區(qū)生命周期，是面向綠色礦山建設(shè)與深地開發(fā)需求的重要發(fā)展方向。

圖9 礦熱協(xié)同開采模式下的多因素綜合影響作用

2.4 礦熱協(xié)同開采的關(guān)鍵科學(xué)問題

2.4.1 深部礦熱遷移機(jī)理

深部金屬礦山的成礦過程多受到地下熱液作用影響，礦產(chǎn)資源與地?zé)豳Y源在空間分布上具有高度的重合性，了解資源賦存狀況是實(shí)施礦熱共采戰(zhàn)略的基礎(chǔ)。然而，典型金屬礦山的水熱型地?zé)豳Y源受地質(zhì)構(gòu)造、礦巖物性條件等因素影響，礦巖水熱滲流傳熱特征異常復(fù)雜，并且采場及各類硐室巷道層層疊疊影響熱流的遷移過程，造成開采空間溫度場演化難以預(yù)測。因此，為有效調(diào)控并利用地?zé)豳Y源，必須首先揭示其復(fù)雜的礦熱遷移機(jī)制，實(shí)現(xiàn)溫度場的精準(zhǔn)預(yù)測。后續(xù)研究應(yīng)聚焦于：調(diào)研深部開采過程中的礦—熱賦存特征，在此基礎(chǔ)上分析多尺度復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的礦巖層滲流規(guī)律，明確復(fù)雜熱源、導(dǎo)熱空間、熱能載體之間的礦熱遷移機(jī)制，構(gòu)建礦區(qū)深部地?zé)崛S溫度預(yù)測模型，建立礦熱精準(zhǔn)“調(diào)控—利用”溫度劃分判據(jù)，揭示深部金屬礦山礦巖滲流傳熱與礦熱遷移機(jī)理這一關(guān)鍵科學(xué)問題。

2.4.2 深部硬巖傳熱通道形成與增滲機(jī)理

深部金屬礦床礦熱協(xié)同開采時(shí)，高溫高壓環(huán)境下的硬脆礦巖受到開采擾動的長期作用，在原位真三軸應(yīng)力環(huán)境與動力擾動組合加載條件下，高溫硬巖的微觀結(jié)構(gòu)演化、宏觀力學(xué)特性及其動態(tài)破裂行為將如何表現(xiàn)？這將顯著影響其可鉆、可爆、可致裂效果。尤其是，為了達(dá)到熱儲建造的復(fù)雜縫網(wǎng)效果，硬巖還將受到氣—液兩相耦合的動態(tài)沖擊作用，誘導(dǎo)宏觀裂縫起裂、擴(kuò)展和裂縫網(wǎng)絡(luò)延伸。高溫高壓硬巖如何達(dá)到臨界應(yīng)力狀態(tài)起裂擴(kuò)展，裂紋網(wǎng)絡(luò)生成后滲流場如何演化，科學(xué)機(jī)理尚不明晰。因此，需定量評價(jià)動態(tài)擾動下熱—力耦合硬巖的微觀結(jié)構(gòu)、宏觀力學(xué)及破裂演化特征，建立耦合致裂機(jī)制下硬巖氣體爆破起裂與動態(tài)水力誘導(dǎo)擴(kuò)展準(zhǔn)則，獲得致裂參量與深部賦存環(huán)境聯(lián)合影響下的裂縫起裂、擴(kuò)展和滲流演化響應(yīng)規(guī)律，揭示深部熱—力耦合環(huán)境下的硬巖動態(tài)破裂特征與耦合致裂機(jī)理這一關(guān)鍵科學(xué)問題。

3 挑戰(zhàn)與展望

礦熱共采戰(zhàn)略根植于深部金屬資源與地?zé)豳Y源“同源共生”的賦存特征，其協(xié)同開采模式的有效構(gòu)建，則依賴于對多場耦合下礦熱遷移機(jī)理等關(guān)鍵科學(xué)問題的深刻認(rèn)知。為推動礦熱共采技術(shù)在“十五五”期間從理論探索到工程應(yīng)用的跨越，本研究立足礦熱資源協(xié)同開發(fā)與空間演化機(jī)理、硬巖致裂機(jī)理與礦熱利用技術(shù)、礦熱協(xié)同開采模式與減災(zāi)機(jī)理3個(gè)關(guān)鍵難題，研判未來重點(diǎn)攻關(guān)方向，為我國深部資源與能源的自主保障提供重要支撐。

3.1 礦熱資源協(xié)同開發(fā)與空間演化機(jī)理

（1）面臨的挑戰(zhàn)。礦熱資源空間分布復(fù)雜，礦熱“調(diào)控—利用”溫度判據(jù)難以建立。深部金屬礦山的溫度場分布特征及其預(yù)測仍是一個(gè)挑戰(zhàn)，精準(zhǔn)預(yù)測地溫場分布情況，對深部礦山地質(zhì)溫度場勘探及熱能利用研究具有重要指導(dǎo)意義。熱害調(diào)控和地?zé)豳Y源的有效利用，需要準(zhǔn)確的溫度判據(jù)和深入的熱力學(xué)分析。當(dāng)前，對于高溫礦山的溫度場控制、熱害預(yù)防以及地?zé)豳Y源的綜合利用等方面，尚存在諸多問題和挑戰(zhàn)。

（2）展望。明晰礦熱資源分布特征，揭示礦巖滲流傳熱與礦熱遷移規(guī)律。需要通過現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入探索裂隙巖石水巖換熱系數(shù)的滲流傳熱規(guī)律，以及地層應(yīng)力約束下大尺寸巖層的溫度場及滲流場分布特征，并進(jìn)一步揭示在礦井開采過程中的礦熱遷移演化機(jī)制，提出礦熱“調(diào)控—利用”溫度劃分判據(jù)。并且金屬礦與地?zé)豳Y源往往在地質(zhì)構(gòu)造上具有共存條件，未來應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘查一體化布局，推動“礦熱共探、共采”模式，實(shí)現(xiàn)資源的空間協(xié)同與集約利用，避免重復(fù)投資與地層破壞，提高資源開發(fā)效率。

3.2 硬巖致裂機(jī)理與礦熱利用技術(shù)

（1）面臨的挑戰(zhàn)。在深部金屬礦山熱害調(diào)控治理的同時(shí)，變“熱害”為“熱利”，利用工程技術(shù)手段在高溫礦巖層進(jìn)行致裂增透，建造人工熱儲實(shí)現(xiàn)礦熱回收利用是實(shí)現(xiàn)礦熱資源共采的核心方法。然而，由于深部金屬礦山巖性多較為堅(jiān)硬，且賦存于熱力耦合的特殊地質(zhì)環(huán)境，硬巖致裂難度極大且其破裂行為表現(xiàn)出高度的非線性與突變特性。因此，深刻認(rèn)識深部硬巖的熱—力耦合狀態(tài)下的破裂特性，創(chuàng)新礦巖層內(nèi)精確可控致裂技術(shù)，在保證礦巖層穩(wěn)定的前提下增加高溫礦巖熱交換裂隙網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)礦熱回收利用亟待解決的問題。

（2）展望。面對深部金屬礦山采熱礦巖可控致裂需求，以某種單一手段開展礦巖致裂可能難以形成影響范圍較大的裂縫網(wǎng)絡(luò)熱儲，亟需探索高應(yīng)力高溫硬巖氣液多相耦合的致裂機(jī)理，充分發(fā)揮聯(lián)合致裂技術(shù)的優(yōu)勢，形成現(xiàn)實(shí)可用的精準(zhǔn)可控的致裂方法，如圖10所示。

圖10 高溫礦巖耦合致裂下礦熱精準(zhǔn)回收方法

3.3 礦熱協(xié)同開采模式與減災(zāi)機(jī)理

（1）面臨的挑戰(zhàn)。圍繞戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源深地開采需求，不少研究者開始探索深部礦熱共采模式。盡管該模式概念被廣泛提出，但目前研究聚焦于煤炭開采領(lǐng)域。金屬礦山巖石堅(jiān)硬、熱儲建造困難，若采用爆破致裂提高儲層滲透性進(jìn)行采熱，會使得采礦生產(chǎn)爆破難度急劇增大，甚至無法提供爆破落礦的條件。所以在硬巖金屬礦山進(jìn)行礦熱協(xié)同開采顯得尤為重要，其核心步驟是在空間和時(shí)間上先采熱后采礦，實(shí)現(xiàn)礦熱協(xié)同開采不僅需要考慮采熱工藝和采礦工藝的有效銜接，還應(yīng)顧及采熱后礦房圍巖力學(xué)性質(zhì)變化。

（2）展望。從技術(shù)、安全及經(jīng)濟(jì)角度，構(gòu)建深部戰(zhàn)略性金屬礦山礦熱協(xié)同開采理論和相關(guān)工藝體系，實(shí)現(xiàn)礦熱高效精準(zhǔn)開采和減災(zāi)增效。未來可在國內(nèi)典型深井礦山（如三山島金礦等），結(jié)合礦熱資源分布特征和生產(chǎn)情況構(gòu)建礦熱協(xié)同開采模式，并進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)，建設(shè)礦熱資源安全高效協(xié)同開采示范工程。

4 結(jié) 論

（1）深部金屬資源與地?zé)豳Y源具有成因與空間上的協(xié)同賦存特征，二者共同受地質(zhì)構(gòu)造與熱液成礦作用控制。高地溫環(huán)境在構(gòu)成開采熱害的同時(shí)，本身即為中低溫地?zé)豳Y源，體現(xiàn)出“以熱成礦、熱礦共存”的天然稟賦，為礦熱協(xié)同開采奠定了資源基礎(chǔ)。

（2）礦熱協(xié)同開采的本質(zhì)是構(gòu)建“礦產(chǎn)與地?zé)崮芤惑w化開采”系統(tǒng)，通過共享工程結(jié)構(gòu)（如井巷、充填體）與循環(huán)工質(zhì)，在采出礦產(chǎn)資源的同時(shí)提取地?zé)崮堋８鶕?jù)“變害為利”的指導(dǎo)思想，提出了礦熱調(diào)控與高溫礦熱利用的策略，形成礦山超前地?zé)衢_采協(xié)同巖層降溫系統(tǒng)，闡明了該系統(tǒng)在巖層致裂工藝、熱能提取與利用工藝、巖層預(yù)冷工藝以及巖層降溫—取熱循環(huán)工藝等方面的關(guān)鍵技術(shù)和工藝流程，以實(shí)現(xiàn)礦井地?zé)豳Y源開發(fā)與超前巖層降溫的雙重目標(biāo)，形成深部金屬礦山多位一體礦熱協(xié)同開采模式。礦熱協(xié)同開采模式的成功構(gòu)建與優(yōu)化，亟需突破兩大關(guān)鍵科學(xué)問題：一是深部礦熱遷移機(jī)理，二是深部硬巖傳熱通道形成與增滲機(jī)理。

（3）為推動礦熱協(xié)同開采從理論走向工程應(yīng)用，應(yīng)著力解決三大核心挑戰(zhàn)，即礦熱資源空間分布復(fù)雜導(dǎo)致溫度判據(jù)建立困難、高溫硬巖致裂難度大制約人工熱儲建造、金屬礦協(xié)同開采模式中工藝銜接與圍巖穩(wěn)定控制問題突出?！笆逦濉逼陂g乃至更長一段時(shí)間該領(lǐng)域應(yīng)重點(diǎn)突破的方向在于：揭示深部多場耦合環(huán)境下礦熱資源賦存機(jī)制精細(xì)表征、高溫高應(yīng)力條件下熱能提取與采礦工藝的協(xié)同調(diào)控、礦熱共采系統(tǒng)智能決策與高效運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)集成，以及面向綠色低碳目標(biāo)的全流程工程示范體系構(gòu)建。

參考文獻(xiàn)（略）

學(xué)者風(fēng)采

李夕兵

中國工程院院士，中南大學(xué)教授、博士研究生導(dǎo)師

國家杰出青年科學(xué)基金獲得者（1996），教育部“長江學(xué)者獎勵計(jì)劃”特聘教授（2000），湖南省科技領(lǐng)軍人才。曾任中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會副理事長、國際巖石力學(xué)與巖石工程學(xué)會中國國家小組副主席、深部金屬礦產(chǎn)開發(fā)與災(zāi)害控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。

李院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)長期扎根教學(xué)科研一線，從事金屬礦安全高效開采等領(lǐng)域研究，針對金屬類資源在空區(qū)群、崩落體、海下和深部高應(yīng)力等復(fù)雜環(huán)境，提出了巖石動靜組合加載破裂理論與方法，創(chuàng)新了金屬礦開采高效致裂與誘發(fā)災(zāi)害精細(xì)防控技術(shù)，構(gòu)建了復(fù)雜環(huán)境下資源安全高效低貧損開采新模式。授權(quán)國家發(fā)明專利111項(xiàng)，制定國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)6項(xiàng)，出版著作8部，SCI收錄論文300余篇，SCI總引用15 000余次，H指數(shù)73，連續(xù)多次入選“中國高被引學(xué)者榜單”與“全球前2%頂尖科學(xué)家榜單”。曾獲得國家科學(xué)技術(shù)獎勵5項(xiàng)，包括國家自然科學(xué)獎二等獎1項(xiàng)（排名第一），國家科技進(jìn)步獎二等獎4項(xiàng)（3項(xiàng)排名第一、1項(xiàng)排名第二）。獲得中國青年科技獎、科學(xué)中國人年度人物、全國優(yōu)秀科技工作者獎暨十佳全國優(yōu)秀科技工作者提名獎、湖南光召科技獎等榮譽(yù)。

成果來源

李夕兵，陳祉穎，陳江湛，黃麟淇.深部有色金屬與地?zé)豳Y源協(xié)同開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展與展望[J/OL].金屬礦山，1-18[2025-11-27].

《金屬礦山》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學(xué)會主辦，主編為中國工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來源期刊）、中國百強(qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國化學(xué)文摘（CA）、美國劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動化、安全環(huán)保、礦山測量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國科技信息研究所發(fā)布的《2024中國科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國知網(wǎng)發(fā)布的《中國學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

編排：余思晨

審核：王小兵

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