蔡美峰，馬明輝，潘繼良，席 迅，郭奇峰?

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) 山東黃金集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250101

隨著礦產(chǎn)資源開采深度的不斷增加，由深層地溫所誘發(fā)的高溫?zé)岷τ訃?yán)重，是制約礦產(chǎn)資源安全高效開采的重要因素之一[1-2]. 深井高溫圍巖是誘發(fā)井下熱害的根本原因，特別是深度超千米的礦山，井下溫度可達(dá)40 ℃以上[3]. 高溫環(huán)境直接影響井下作業(yè)人員的身體健康，也降低了井下設(shè)施和設(shè)備的服役性能和壽命，不僅嚴(yán)重制約開采效率，而且伴有重大的安全隱患. 降溫成本已成為眾多深部開采礦山的主要支出成本，甚至?xí)蚋邷仉y題導(dǎo)致部分礦產(chǎn)無法開采，進(jìn)一步加劇了資源的匱乏和浪費(fèi)[4-6]. 因此，深井熱害治理已成為礦山向深部發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)難題.

深部礦山已有的井巷設(shè)施和巖層內(nèi)部所蘊(yùn)含的豐富熱量能夠?yàn)榈責(zé)崮艿拇笠?guī)模開發(fā)利用提供有利條件[7]. 地?zé)豳Y源作為一種儲(chǔ)量巨大的可再生能源，有助于實(shí)現(xiàn)綠色、清潔、低碳和可持續(xù)的發(fā)展目標(biāo). 早在20世紀(jì)70年代，我國學(xué)者就正式提出把礦山地?zé)嶙鳛榈責(zé)嵫芯款I(lǐng)域的分支，并建議把礦山地?zé)崤c井下熱害治理結(jié)合，指出地?zé)崴偷V井乏風(fēng)可作為地?zé)彷d體直接利用[8-9]. 得益于熱泵技術(shù)的推廣使用，富含低溫地?zé)崮艿牡V井水逐步被應(yīng)用于洗浴、建筑物供暖和井筒防凍等領(lǐng)域.目前，煤礦、金屬礦和油氣資源的開采深度分別已超過1500、4350和7500 m[10]，未來深部資源開采將成為常態(tài)，其中蘊(yùn)含的更高溫度的地?zé)豳Y源擁有巨大開發(fā)潛力. 在深井開采過程中合理利用地?zé)豳Y源，一方面可有效降低井下環(huán)境溫度，在一定程度上為深井降溫產(chǎn)生積極的促進(jìn)作用；另一方面可為礦區(qū)提供清潔、廉價(jià)的熱能，降低礦區(qū)運(yùn)營成本，提高礦業(yè)可持續(xù)性，實(shí)現(xiàn)資源的綠色高效開采[11-13]. 此外，推進(jìn)礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采，對(duì)于我國深部資源開發(fā)和實(shí)現(xiàn)礦業(yè)領(lǐng)域“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)同樣具有重要戰(zhàn)略意義[14-15].

本文聚焦礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采這一關(guān)鍵戰(zhàn)略領(lǐng)域，對(duì)當(dāng)前伴生有地?zé)崮艿牡V產(chǎn)資源進(jìn)行了梳理，對(duì)現(xiàn)有的礦-熱資源共采技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，基于當(dāng)前國內(nèi)外研究前沿分析和展望了未來礦-熱資源共采的新模式，并指出了礦-熱資源共采所面臨的主要挑戰(zhàn)，研究成果可為我國深部礦產(chǎn)資源開采和地?zé)豳Y源規(guī)?；l(fā)展提供參考和借鑒.

1 礦產(chǎn)資源開采工程中的地?zé)豳Y源

1.1 煤礦中的地?zé)豳Y源

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國千米深井煤礦已超過50座，其中采深超過1200 m的煤礦由2015年的5處增加到2020年的22處，且以8～12 m·a-1的延伸速度遞增（東部地區(qū)達(dá)到10～20 m·a-1）[16-17]. 例如，淮南口孜東礦、徐州三河尖礦、菏澤趙樓煤礦、濟(jì)寧唐口煤礦等采深均達(dá)到了1000 m以上，泰安孫村煤礦、徐州孔莊煤礦采深已超過1500 m. 探測資料顯示，我國煤田的地溫梯度一般為0.025～0.030 ℃·m-1，恒溫帶（15～17 ℃）深度約為10～50 m，據(jù)此可推算出煤礦礦井垂深1000 m處的圍巖溫度可達(dá)35～45 ℃. 我國約有26個(gè)主要產(chǎn)煤省份，其中有13個(gè)省份的礦井面臨高溫威脅，且大多數(shù)礦井的開采深度大于800 m，預(yù)計(jì)采掘工作面風(fēng)流溫度超過30 ℃的礦井有140多座[18-19]. 在構(gòu)造發(fā)育地區(qū)，深部高溫環(huán)境下的熱水經(jīng)過導(dǎo)水通道涌入礦井，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前我國受地?zé)崴：Φ牡V井多達(dá)30多座[20]. 因此，對(duì)于具有豐富地?zé)豳Y源的煤炭礦井，若能合理利用現(xiàn)有開采系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)煤與熱（水）共采，將能節(jié)省大量的熱能供給，可帶來顯著的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益.

1.2 金屬礦中的地?zé)豳Y源

受到特殊賦存環(huán)境的影響，熱液型鈾礦、地?zé)嵝弯嚨V等稀有金屬礦床中的地?zé)豳Y源十分豐富.除此之外，隨著開采深度的不斷增加，千米采深的常見金屬礦山（金礦、銅礦、鐵礦、鉛鋅礦等）地溫顯著升高，伴隨有大量的地?zé)豳Y源可以利用.

（1）熱液型鈾礦

研究表明，放射性元素衰變釋放的能量是地球內(nèi)熱和地殼熱流的主要來源，而放射性元素中鈾元素對(duì)生熱率的貢獻(xiàn)最大[19]. 在大部分鈾礦產(chǎn)量豐富的地區(qū)，尤其是伴隨有熱液活動(dòng)和地?zé)岙惓，F(xiàn)象的鈾礦床賦存區(qū)，地層中通常都蘊(yùn)含有較為豐富的地?zé)豳Y源[20]. 作為放射性熱源的一種類型，熱液型鈾礦與地?zé)豳Y源在成礦時(shí)間、空間分布和成因機(jī)制上具有密不可分的關(guān)聯(lián)性[21]. 例如，我國華南地區(qū)熱液型鈾礦分布廣泛、類型多（花崗巖型、火山巖型和碳硅泥巖型），溫泉的分布與鈾礦床（田）、鈾成礦帶分布相一致[22]. 而我國東南沿海隆起型地下熱水的主要分布區(qū)（江西、湖南、廣東等），同樣也是熱液型鈾礦床的主要產(chǎn)區(qū)[23-25]. 因此，開展水文地球化學(xué)研究，揭示地?zé)崤c熱液型鈾礦的時(shí)空關(guān)系和成因聯(lián)系，不僅有助于豐富地?zé)岬刭|(zhì)學(xué)理論，而且也可為深部礦產(chǎn)資源和高溫干熱巖勘探，以及實(shí)現(xiàn)更大范圍的礦-熱資源共采提供理論依據(jù)[26-28].

（2）地?zé)嵝弯嚨V

世界鋰礦資源主要產(chǎn)于第四紀(jì)或現(xiàn)代鹽湖，分布于南美西部安第斯高原、北美西部高原以及中國青藏高原，形成世界三大高原鹵水型鋰礦床成礦區(qū)[29]. 我國80%以上的鋰資源存在于鹽湖鹵水中，主要分布在青海（青海湖）、西藏、湖北等地，少量的固體礦石鋰礦主要分布在江西、湖南、四川、新疆、貴州、河南與內(nèi)蒙古7省. 其中，地?zé)嵝弯嚨V不僅分布范圍較廣，而且潛在資源儲(chǔ)量豐富，有望成為一種可有效開發(fā)利用的鋰礦床新類型—地?zé)嵝弯嚨V床[30-31]. 例如，我國青藏高原南部廣泛發(fā)育的高溫富鋰地?zé)豳Y源是一種非常有價(jià)值、值得開發(fā)利用的地?zé)嵝弯囐Y源. 青藏高原南部西藏地區(qū)受到南北向伸展構(gòu)造和近東西向雅魯藏布江縫合帶的明顯控制，雅魯藏布江兩側(cè)及青藏高原南部地區(qū)火山活動(dòng)發(fā)育較弱，深部上地殼部分熔融引起的巖漿作用對(duì)高溫富鋰地?zé)崴陌l(fā)育起到一定的促進(jìn)作用[32-33]. 隨著地?zé)豳Y源開采和鋰提取工藝的發(fā)展革新，得以使從富鋰地?zé)崴刑崛′囐Y源成為可能. 因此，發(fā)展高溫富鋰鹵水礦與地?zé)豳Y源共同開采的技術(shù)，不僅能夠帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且有利于降低其中有害元素對(duì)環(huán)境的污染.

（3）高溫金屬礦

我國部分金屬礦井原巖溫度測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示. 根據(jù)我國大型-超大型金屬礦床與地?zé)豳Y源分布分析，認(rèn)定膠東、長江中下游、秦嶺東部、滇西北地區(qū)屬于地?zé)崤c礦產(chǎn)資源的共同賦存區(qū)，具有一定的共采潛力[7]. 其中，膠東地區(qū)是由前寒武紀(jì)基底巖石和超高壓變質(zhì)巖塊組成、中生代構(gòu)造-巖漿作用發(fā)育的內(nèi)生熱液金礦集區(qū)，已探明的黃金儲(chǔ)量占全國的25%，其成礦背景-環(huán)境和蝕變-礦化特征在全球造山型金礦中獨(dú)一無二[34-36]. 綜合考量地形、資源儲(chǔ)量、開發(fā)成本、實(shí)際需求等因素，應(yīng)當(dāng)率先在膠東地區(qū)試行礦產(chǎn)資源與地?zé)峁膊? 目前，三山島、新城、金青頂、玲瓏金礦等均已進(jìn)入深部開采，以三山島金礦為例，測量發(fā)現(xiàn)礦區(qū)地溫梯度異常，常溫帶以下平均地溫梯度達(dá)0.042 ℃·m-1，具有明顯的礦-熱資源共采價(jià)值，可作為現(xiàn)階段我國金屬礦與地?zé)豳Y源共采試驗(yàn)區(qū)[7].

表1 我國部分金屬礦井原巖溫度測量結(jié)果Table 1 Original rock temperatures in some metal mines in China

1.3 巖鹽礦中的地?zé)豳Y源

化學(xué)沉積巖形成的含鹽系地層擁有優(yōu)異的封閉性和可溶性，不僅為地?zé)豳Y源開發(fā)利用提供良好的工程條件，而且能夠降低誘發(fā)工程地震的風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)防地下水化學(xué)成分、物理性質(zhì)和生物學(xué)特性發(fā)生改變[37]. 對(duì)于埋深大而礦層厚度較薄的鹽類礦床，單純地開采鹽礦或者簡單地利用鹵水附帶的地?zé)?，很難降低高昂的開采成本. 賦存深度在2000～3000 m附近的地下巖鹽，其地層溫度約在60～90 ℃區(qū)間，且比一般沉積巖的導(dǎo)熱率大2～3倍，具有非常穩(wěn)定的熱能供給，若能結(jié)合鹽類礦床具有的可溶性優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)鹽礦和地?zé)豳Y源共采，將可以產(chǎn)生更高的開發(fā)利用價(jià)值[38-39]. 例如，我國東營墾利巖鹽礦、榆林巖鹽礦、馬頭山地區(qū)碳酸鹽巖礦等均具有豐富的地?zé)豳Y源[40]. 當(dāng)前，鹽類礦床的水平對(duì)接鉆井技術(shù)已經(jīng)較為成熟，超深鉆井技術(shù)也在迅速發(fā)展，使得在超大深埋鹽類礦床中構(gòu)建循環(huán)換熱通道具備了可行基礎(chǔ). 而對(duì)于已完成開采的超大埋深廢棄鹽穴，同樣可以考慮將其改造為地?zé)衢_采和蓄能裝置，拓寬鹽礦開采的用途，促進(jìn)面臨資源枯竭的鹽礦轉(zhuǎn)型發(fā)展.

1.4 油氣田中的地?zé)豳Y源

根據(jù)中國大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)，我國油田分布廣泛的松遼盆地、渤海灣盆地和鄂爾多斯盆地，其地?zé)豳Y源十分豐富，有著極高的開采利用價(jià)值[41-42]. 以勝利油田為例，其大多數(shù)油井井深在1000～3000 m范圍，產(chǎn)出流體溫度可達(dá)60～100 ℃，有些甚至?xí)撸虼司哂胸S富的地?zé)豳Y源可供利用[43]. 而且油氣田地質(zhì)資料豐富、可利用的油氣井?dāng)?shù)量大，充分利用區(qū)內(nèi)油氣勘探資料與廢棄油氣井，可為經(jīng)濟(jì)開發(fā)地?zé)崮芴峁┮粭l有效途徑. 現(xiàn)階段，我國已開展的一批地?zé)崮芾庙?xiàng)目主要集中在大慶、遼河、華北等油田（表2）. 其中，大慶油田實(shí)施了5個(gè)利用采出水余熱的地?zé)崮芾庙?xiàng)目，為生活區(qū)和石油集輸供熱，年替代標(biāo)準(zhǔn)煤7000 t；遼河油田已實(shí)施了12個(gè)地?zé)崮芾霉こ逃糜诮ㄖ膳?，年替代?biāo)準(zhǔn)煤2.44萬噸；華北油田實(shí)施了5個(gè)地?zé)崮芾庙?xiàng)目，每年可節(jié)電18萬立方米天然氣、6800 t石油和600 t煤；此外，華北油田還啟動(dòng)了400 kW的中低溫地?zé)岚l(fā)電試點(diǎn)項(xiàng)目. 因此，將油氣田與伴存地?zé)豳Y源進(jìn)行共采，可有效提高資源和能源利用率[44].

表2 我國部分油田地?zé)崮芾庙?xiàng)目[44]Table 2 Geothermal energy utilization projects of some oilfields in China[44]

2 現(xiàn)有礦-熱資源共采技術(shù)

2.1 礦井水源熱泵抽采系統(tǒng)

熱泵是在高位能的拖動(dòng)下，將熱量從低位熱源流向高位熱源的技術(shù)，可以把不能直接利用的低品位熱能轉(zhuǎn)化為可利用的高品位熱能，能夠充分利用能源、節(jié)約燃料消耗、減輕環(huán)境污染，是一條節(jié)能與環(huán)保并重的途徑[45]. 開挖擾動(dòng)后的地下巖體具有豐富的裂隙網(wǎng)絡(luò)，形成的導(dǎo)水通道使地下水相互連通，而且持續(xù)的地層熱交換作用導(dǎo)致礦井水全年溫度穩(wěn)定，因此礦井水可作為低品位熱能的良好來源. 深部礦井采用基于熱泵的熱能轉(zhuǎn)化技術(shù)，既可以降低工作面的環(huán)境溫度，又可以回收低品位熱能用以建筑物供暖和制冷，提高能源利用率[46-47].

因具有節(jié)能、環(huán)保、高效的優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外許多礦區(qū)采用熱泵技術(shù)將礦井涌水中的熱量品位提高后利用，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益. 如平煤八礦、潘西煤礦、張雙樓煤礦、玲瓏金礦和金渠金礦等煤礦和非煤礦山，均設(shè)計(jì)采用水源熱泵機(jī)組來提取礦井水中所蘊(yùn)涵的熱量，緩解井下高溫高濕的作業(yè)環(huán)境. 玲瓏金礦地下水熱泵冷卻循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，主要由制冷系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)4部分組成[48]. 通過綜合開發(fā)利用地?zé)豳Y源，取代具有污染性的燃煤鍋爐供熱，不僅可以降低含水層高壓溫?zé)崴耐{，改善井下工作條件，而且抽采的地?zé)崴€可用于居民洗浴和醫(yī)療保健，有利于促進(jìn)礦區(qū)和諧、低碳和可持續(xù)發(fā)展.

圖1 玲瓏金礦地下水熱泵冷卻系統(tǒng)示意圖[48]Fig.1 Schematic of a groundwater heat pump cooling system in the Linglong gold mine[48]

2.2 深井HEMS降溫系統(tǒng)

針對(duì)深井開采面臨的高溫?zé)岷栴}，何滿潮等[49-50]與Ping等[51]提出了以礦山涌水作為冷源的深井HEMS（High-temperature exchange machinery system）降溫系統(tǒng). 該系統(tǒng)主要包括礦井涌水系統(tǒng)、制冷工作站（HEMS-I、HEMS-III）、壓力傳輸站（HEMS-PT）和降溫工作站（HEMS-II），如圖2所示[49].

圖2 HEMS冷卻技術(shù)原理[49]Fig.2 Principle of the high-temperature exchange machinery system (HEMS) cooling technology[49]

該系統(tǒng)工作原理基于水源熱泵技術(shù)，從涌入的礦井水中提取冷能，并從工作面的高溫空氣中交換熱量，從而降低工作面的溫度和濕度. 整個(gè)系統(tǒng)封閉循環(huán)，在充分利用礦井水中的地?zé)崮茉吹耐瑫r(shí)，能夠最大限度減少地下水污染和廢氣、固體廢物的排放，有效保障資源的可持續(xù)利用和發(fā)展.HEMS系統(tǒng)在三河尖礦、夾河礦、張雙樓礦等多個(gè)礦區(qū)成功應(yīng)用，結(jié)果表明，井下降溫明顯高效，地面供暖穩(wěn)定可靠. 該技術(shù)不僅有效降低了深井熱害控制系統(tǒng)的運(yùn)行成本，變消耗系統(tǒng)為生產(chǎn)系統(tǒng)，而且對(duì)節(jié)能減排、改善環(huán)境、實(shí)現(xiàn)礦山經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

2.3 深部鹽礦地?zé)崽崛∠到y(tǒng)

水平對(duì)接井技術(shù)目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于鹽礦開采，如圖3所示[52]. 對(duì)于地溫更高的超深鹽礦，可以利用水平對(duì)接井在抽采巖鹽鹵水的同時(shí)利用其攜帶的地?zé)豳Y源. 選擇大埋深鹽礦床，在鹽礦上鉆鑿一對(duì)至多對(duì)水平對(duì)接井，向井內(nèi)注入淡水循環(huán)溶解鹽層，形成一定規(guī)模的通道，以保證通道不會(huì)因鹽層的塑性流動(dòng)而閉合，也不會(huì)因?yàn)橥ǖ揽缍冗^大而造成破壞. 若將通道中的循環(huán)液改為飽和鹽水并不斷循環(huán)，即可長期提取地下熱能，并且可利用飽和鹽水不再溶解鹽的特性，保持通道的穩(wěn)定性[53]. 然而，鹽水作為最基本的攜熱介質(zhì)，其物理化學(xué)性質(zhì)很不穩(wěn)定，會(huì)隨溫度和壓力發(fā)生變化，帶來的溶解結(jié)晶等問題會(huì)對(duì)循環(huán)換熱產(chǎn)生影響.因此，有必要配制一種熱比容高、隨溫度壓力變化而性能穩(wěn)定的循環(huán)介質(zhì)提取地?zé)? 例如，山東黃河三角洲礦鹽化工有限公司對(duì)東營地區(qū)地下豐富的巖鹽資源進(jìn)行開發(fā)，該巖鹽礦鹽層累計(jì)厚度約為200 m，埋深為3700～4000 m，配套了地?zé)崮茺u水濃縮、采暖等利用設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了每年700萬立方米的采輸鹵及地?zé)崮芫C合利用.

圖3 水平鹽巖庫建設(shè)過程示意圖[52]Fig.3 Schematic of the construction process of a horizontal salt rock reservoir[52]

2.4 油氣田地?zé)崮芫C合利用項(xiàng)目

我國在20世紀(jì)70～80年代已開始利用油田地?zé)徇M(jìn)行采暖和花卉種植. 之后，東部地區(qū)多個(gè)油田逐漸實(shí)施更大規(guī)模的油田地?zé)崂庙?xiàng)目，包括原油管道加熱、油管清洗、油水分離、房屋采暖、溫室大棚以及中-低溫地?zé)岚l(fā)電等[54]. 在當(dāng)前實(shí)施的油田地?zé)犴?xiàng)目中，利用的地?zé)崮苊磕瓿^160萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)熱量，項(xiàng)目集中在渤海灣盆地的華北油田、勝利油田、中原油田、遼河油田、冀東油田以及松遼盆地的大慶油田等. 例如，華北油田牛駝鎮(zhèn)古潛山地?zé)醿?chǔ)層為霧迷山組碳酸鹽巖，開采深度淺（1600～1700 m），井口溫度較高（60～70 ℃），單井出水量大（50～70 m3·h-1），已建成的“雄縣模式”成為了目前含油氣盆地水熱型地?zé)峁┡玫牡浞禰55]. 油田開發(fā)利用地?zé)岬姆绞街饕抢貌捎瓦^程中分離出的熱水，將油井或廢棄井改造為地?zé)峋蜚@地?zé)峋?，采用的技術(shù)包括地面直接換熱技術(shù)、井下直接換熱技術(shù)、熱泵技術(shù)和中-低溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù). 開發(fā)利用油氣田地?zé)幔弥懈邷責(zé)崴虻責(zé)岚l(fā)電取代燃煤鍋爐用于居民采暖，對(duì)推動(dòng)燃煤減量替代措施、減少大氣污染和改善環(huán)境質(zhì)量具有重要意義.

3 礦產(chǎn)-地?zé)豳Y源共采新模式

3.1 基于鹵水循環(huán)系統(tǒng)的礦-熱資源共采

鋰資源主要存在于3種主要類型的礦床中，即含鹽地下水（大陸鹵水）、熱液蝕變黏土（沉積礦床）和偉晶巖（結(jié)晶硬巖），其中鹽水礦床占全球鋰產(chǎn)量的50%～75%. 對(duì)于一些高溫富鋰鹵水礦，鹽水從地下流出時(shí)的溫度可超過100 ℃，具有豐富的地?zé)崮芸梢岳? 例如，作為美國加利福尼亞州索爾頓海地?zé)岚l(fā)電的一部分，從地下涌出的熱鹽水含有豐富的礦物質(zhì)，包括鐵、鎂、鈣、鈉和鋰等，正在采用多種技術(shù)手段從鹽水中提取氯化鋰，然后加工成其他形式用于生產(chǎn)電池，如圖4所示[56].美國能源部Lawrence Berkeley國家實(shí)驗(yàn)室研究認(rèn)為，當(dāng)前從地?zé)猁u水中提取和回收鋰在技術(shù)上已成為可能，但在經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)的大規(guī)模開發(fā)工藝方面仍然存在挑戰(zhàn). 此外，從地?zé)釓U水中提取鋰比從鹽水中提取更容易，美國加利福尼亞Simbol Mining公司正在嘗試從地?zé)岚l(fā)電廠產(chǎn)生的熱廢水中回收硅酸鹽和鋰等礦物資源.

圖4 地?zé)崽徜囅到y(tǒng)示意圖[56]Fig.4 Schematic of a geothermal lithium extraction system[56]

3.2 基于開挖技術(shù)的礦-熱資源共采

（1）崩落采礦法共采模式.

崩落采礦法是指在回采過程中，不分礦房礦柱，隨回采工作面推進(jìn)，以強(qiáng)制或自然崩落的圍巖充填采空區(qū)，以實(shí)現(xiàn)采場地壓管理的采礦法. 其在礦體崩落和圍巖塌落階段，均有大量破碎礦巖提供裂隙流熱交換空間，在放礦回收礦產(chǎn)資源的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源的開發(fā)利用. 采礦全流程中，地?zé)豳Y源利用包括3個(gè)核心環(huán)節(jié)，即爆碎礦體裂隙流熱交換降溫、爆碎塌落圍巖長期熱交換以及上部采空區(qū)熱風(fēng)提取熱量，如圖5所示. 礦體和圍巖裂隙流熱交換后流入底部熱儲(chǔ)池，在熱儲(chǔ)池內(nèi)進(jìn)行管道換熱，抽送至地表開發(fā)利用. 共采流程包括：①爆破或者非爆壓裂；②區(qū)域采場封閉隔熱；③封閉采場崩落體內(nèi)裂隙換熱；④采場底部熱儲(chǔ)區(qū)管道換熱；⑤采熱降溫后出礦；⑥空區(qū)內(nèi)熱風(fēng)抽取至地表熱力系統(tǒng)；⑦水平和垂向循環(huán)共采.

圖5 基于崩落采礦法的礦-熱資源共采模式Fig.5 Co-mining model based on the caving mining method

（2）開挖式增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng).

傳統(tǒng)的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced geothermal systems, EGS）在水力增儲(chǔ)期間受到深部復(fù)雜賦存條件的限制，很難形成長期有效的人工裂隙網(wǎng)絡(luò)，在運(yùn)行期間經(jīng)常遇到換熱效率低、循環(huán)介質(zhì)流失嚴(yán)重和誘發(fā)區(qū)域微震活動(dòng)等不良現(xiàn)象[57]. Zhao等[58]、亢方超和唐春安[59]，以及Tang等[60]基于采礦技術(shù)，提出了開挖式增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)（Enhanced geothermal systems based on excavation technology,EGS-E），即采用開挖豎井和鉆爆崩落等方式大范圍開采深部干熱巖，概念模型如圖6所示. 其優(yōu)點(diǎn)在于，通過開挖、爆破、崩落等采礦技術(shù)可形成更大面積的裂隙巖體，可構(gòu)建出“水-巖、水-水”兩級(jí)熱能交換系統(tǒng)，在更大程度上提高干熱巖的滲透率和熱交換面積，并且能夠有效降低以水力壓裂為主建造人工熱儲(chǔ)的失敗率[61].

圖6 EGS-E礦-熱資源共采概念模型[60]Fig.6 Conceptual model of the co-mining of mineral–thermal resources using the enhanced geothermal systems based on excavation technology[60]

3.3 基于充填采礦法的礦-熱資源共采

劉浪等[62]從充填材料性能的角度，將充填采礦技術(shù)的發(fā)展分為3個(gè)階段：體積性充填→結(jié)構(gòu)性充填→功能性充填. 其中，功能性充填是指在滿足傳統(tǒng)充填體結(jié)構(gòu)性和體積性的基礎(chǔ)上，兼顧蓄熱/儲(chǔ)能、載冷/蓄冷、防滲及防輻射等拓展功能的礦山充填采礦方式[63]. 利用充填采礦法實(shí)現(xiàn)地下礦床的回采，同時(shí)形成以功能性充填體為儲(chǔ)熱載體的地?zé)衢_采，即可達(dá)到礦-熱資源共采的目的[64].該技術(shù)有效結(jié)合了礦井分級(jí)開采和地源熱泵埋管換熱器系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)，融合礦井充填開采技術(shù)、裂隙流換熱和管道流采熱技術(shù)，將爆裂礦體和充填體作為熱儲(chǔ)進(jìn)行采熱，概念模型如圖7所示[65].

圖7 蓄熱/儲(chǔ)能功能性充填礦-熱資源共采概念模型[65]Fig.7 Conceptual model of the co-mining of mineral–thermal resources with thermal/energy storage functional filling[65]

具體而言，該方案通過構(gòu)建由蓄熱/儲(chǔ)能功能性充填體組成的分級(jí)換熱單元，即采用分層開采和分層充填的方法，在采空區(qū)進(jìn)行采熱管道的組裝及敷設(shè)，建立特有的礦井充填體耦合熱交換系統(tǒng)形式. 充填料漿經(jīng)過管道輸送到采空區(qū)，使采熱管道與充填材料固化形成熱力學(xué)性能良好的一體性蓄熱/儲(chǔ)能功能性充填體，通過熱傳導(dǎo)和熱交換實(shí)現(xiàn)采場降溫和礦-熱資源共采. 整個(gè)地?zé)衢_采系統(tǒng)為封閉式，通過管道內(nèi)的循環(huán)流體取熱不取水，避免了常規(guī)地?zé)衢_采污染地下水和地面沉降的問題. 該技術(shù)方案除了能夠在礦山運(yùn)營期間解決深部礦井熱害問題和降低采礦成本，而且在礦山開采完畢后，依舊可以繼續(xù)開發(fā)地?zé)豳Y源，延續(xù)礦山的生命周期，提高礦區(qū)的長期可持續(xù)性.

3.4 基于溶浸采礦法的礦-熱資源共采

（1）原位壓裂浸出共采模式.

以金屬礦產(chǎn)資源原位浸出（In-Situ Leaching，ISL）生產(chǎn)方法為基礎(chǔ)，在快速開采金屬礦產(chǎn)資源的同時(shí)，同步提取地?zé)崮茉?，?shí)現(xiàn)礦產(chǎn)和地?zé)岬墓膊?，可提高商業(yè)開發(fā)的經(jīng)濟(jì)可行性. 例如，歐盟“CHPM2030-超深礦體的熱、電和金屬聯(lián)合開采”項(xiàng)目正在研究一種新的技術(shù)解決方案，擬將地?zé)豳Y源開發(fā)、金屬開采和電冶金技術(shù)相結(jié)合，在一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的過程中實(shí)現(xiàn)地?zé)崮芎偷V物的共同開發(fā)，概念模型如圖8所示[66]. CHPM項(xiàng)目旨在將超深金屬礦層轉(zhuǎn)化為“礦體強(qiáng)化地?zé)嵯到y(tǒng)”，把EGS系統(tǒng)建立在3～4 km深的礦化帶上，使用溫和的浸出液或納米顆粒來移動(dòng)礦體中的金屬礦物，然后通過高溫高壓地?zé)崃黧w電解（電沉淀和電還原）以及氣體擴(kuò)散、電沉積和電結(jié)晶來回收金屬，同時(shí)利用地?zé)崃黧w進(jìn)行額外發(fā)電. 潛在的工業(yè)試點(diǎn)包括英格蘭西南部、葡萄牙的Iberian黃鐵礦帶、羅馬尼亞的Banatitic巖漿成礦帶和瑞典的3個(gè)礦區(qū).

圖8 歐洲CHPM2030項(xiàng)目原位壓裂浸出共采示意圖[66]Fig.8 Schematic of in-situ fracturing and leaching from the European CHPM2030 project[66]

（2）采場爆破堆浸共采模式.

除原位壓裂浸出外，依托礦山井巷工程，采用爆破或者非爆壓裂形成采場堆浸體，然后封閉溶浸采場，同步開展化學(xué)溶浸與裂隙熱交換，在堆浸場底部回收高溫浸出液，通過管道換熱提取地?zé)崮茉?，降溫后的浸出液用于提取關(guān)鍵金屬，隨后封閉采區(qū). 主體設(shè)備布置于地下深處的合適礦體，研究內(nèi)容包括開發(fā)用于分離、提取和純化金屬礦物的冶金技術(shù)，以及與水熱流體相關(guān)的熱能提取技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)最大功率的電力輸出以及貴重金屬的開采.

3.5 基于廢棄礦井再利用的礦-熱資源共采

在油氣田或礦區(qū)關(guān)閉后，地下遺留大面積的廢棄井，包括油氣井、鹽井、煤炭礦井和金屬礦井等不同類型. 為了保護(hù)自然環(huán)境，需要根據(jù)廢棄井封井處置規(guī)范的要求，對(duì)長停井、關(guān)停井和暫閉井等采取相應(yīng)處理措施，由此產(chǎn)生更多的開發(fā)成本和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān). 此外，在廢棄井封堵之后，依然存在很大的不確定性因素和風(fēng)險(xiǎn)隱患，例如井控裝置老化、外界干擾或自然地震災(zāi)害等. 此外，深部地?zé)豳Y源開發(fā)面臨的最大成本支出在于深井鉆探，其成本甚至可達(dá)到項(xiàng)目總成本的50%，降低地?zé)徙@井成本可作為推動(dòng)地?zé)崮苌虡I(yè)化利用的有效手段[67-68]. 因此，通過利用廢棄井開發(fā)地?zé)豳Y源有望成為解決封井成本和地?zé)峋_發(fā)成本問題的有效途徑，可作為當(dāng)前技術(shù)攻關(guān)的主要方向.

在全球范圍內(nèi)，廢棄礦山的數(shù)量預(yù)估已超過100萬座，其中已有部分利用廢棄礦山開發(fā)地?zé)崮艿陌咐饕运礋岜瞄_發(fā)利用低品位熱能資源為主[69-71]. 除了可以利用淺層地?zé)崮芡?，?duì)于地?zé)崽荻容^高的油氣田和礦區(qū)，還可以利用廢棄井開發(fā)更加豐富的中高溫地?zé)豳Y源，進(jìn)一步降低礦-熱資源共采成本. 以圖9所示的西班牙Lieres煤礦廢棄礦井為例[72]，該廢棄礦井正在考慮利用礦井水構(gòu)建地?zé)岚l(fā)電、抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能相結(jié)合的綜合利用系統(tǒng). 利用廢棄井進(jìn)行地?zé)峋脑?，不僅可以大幅降低鉆井成本和封井成本，而且可為礦產(chǎn)資源開發(fā)提供附加能源利用，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也有助于減少碳排放，符合我國“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的要求.

圖9 西班牙Lieres煤礦廢棄礦井地?zé)岚l(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)[72]Fig.9 Geothermal power generation and energy storage system of an abandoned mine in the Lieres coal mine[72]

4 結(jié)論與展望

目前，我國深部礦產(chǎn)資源開采已進(jìn)入常態(tài)化，采深達(dá)到千米以下的深部礦山，不僅面臨“三高一擾動(dòng)”的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，而且開采成本急劇上升，災(zāi)害防控與經(jīng)濟(jì)效益面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn). 在進(jìn)入深部開采之后，巖層溫度顯著升高，如何降低井下環(huán)境溫度，促進(jìn)礦產(chǎn)資源的安全高效開采是深部開采必須解決的關(guān)鍵難題. 地?zé)崮茏鳛橐环N可再生清潔能源，在降低礦產(chǎn)資源深部開采成本方面具有顯著優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿? 探索如何實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)與地?zé)豳Y源共采，對(duì)保障礦產(chǎn)安全高效開采和深部資源高水平開發(fā)具有重要戰(zhàn)略意義. 但目前關(guān)于礦-熱資源共采技術(shù)依然面臨很多挑戰(zhàn)，需要開展進(jìn)一步深入地研究.

（1）加強(qiáng)礦-熱共同賦存區(qū)勘探，盡快開展礦-熱資源共采試點(diǎn). 我國地?zé)豳Y源分布較廣，但受地形、構(gòu)造、巖性、地下水等各類因素的影響，同地區(qū)同一深度地下原巖溫度差別較大，并不是所有礦區(qū)都孕育有可利用的地?zé)豳Y源. 建議根據(jù)現(xiàn)有礦山地質(zhì)資料，優(yōu)先開發(fā)已知蘊(yùn)藏中高地溫礦區(qū)的伴生地?zé)豳Y源，如膠東地區(qū)的三山島、新城、金青頂、玲瓏金礦等，探索建立可推廣的礦-熱資源共采新技術(shù).

（2）發(fā)展深部高溫堅(jiān)硬巖層破巖與掘進(jìn)技術(shù).礦-熱資源共采模式下，需要通過鉆井通道進(jìn)入目標(biāo)巖層，高溫環(huán)境下的深豎井和水平井建造可為深部礦-熱資源共采提供重要技術(shù)支撐. 有必要研制新裝備、研發(fā)新材料、探索新工藝，發(fā)展智能鉆井和高效破巖新技術(shù).

（3）加強(qiáng)深部多場耦合環(huán)境巖石力學(xué)理論與試驗(yàn)研究. 礦-熱資源共采地下巖體受到高溫、高滲透壓、高應(yīng)力及復(fù)雜水化學(xué)環(huán)境的影響，熱-水-力-化（T-H-M-C）多場耦合機(jī)理涉及巖石力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、物理化學(xué)等多學(xué)科交叉領(lǐng)域.有必要針對(duì)礦-熱共存共采模式，開展全面系統(tǒng)的多場耦合研究，為礦-熱資源共采工程提供科學(xué)基礎(chǔ).

（4）建立礦-熱資源共采熱能分級(jí)利用體系.對(duì)含中低溫地?zé)岬牡V藏層，可基于可行性分析和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估判斷是否發(fā)展礦-熱資源共采，而對(duì)含高溫地?zé)岬牡V藏層，可優(yōu)先考慮采用礦-熱資源共采模式. 針對(duì)不同區(qū)段地?zé)豳x存情況以及同區(qū)段礦體賦存狀況的分布差異，提出與各區(qū)相適應(yīng)的熱能交換、提取和輸出方式.