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深部矿产和地热资源共采战略研究
发布时间:2022年05月26日

经过多年的大规模持续开采,我国浅部矿产资源逐年减少、趋于枯竭,矿产资源特别是金属矿产资源的开采逐步向深部全面推进 [1];已有一批金属矿山的开采深度达到或超过 1 km,正在或计划兴建的大中型金属矿山几乎全部为地下深井矿山。未来十年,我国 1/3 以上的金属矿山开采深度将达到或超过 1 km,部分可达 2~3 km [2,3]。由此可见,深部开采是保障我国金属矿产资源可持续开发与供给的最主要途径 [4~6]。

金属矿深部开采会遇到一系列关键难题,突出的是高温环境条件伴生的一系列问题使得深部采矿难以为继 [3,7]。为了维持正常生产必须进行降温处理,常用的降温技术有非人工制冷、人工制冷两大类。矿井通风是主要的非人工制冷降温技术,但井深超过 1 km 后常规通风无法满足降温要求,必须辅以人工制冷降温。人工制冷降温分为水冷却、冰冷却两种类型。水冷却系统实际上是地面空调系统在井下矿山降温中的应用,早在 20 世纪 60 年代南非便开始使用大型矿井集中空调;但随着矿井深度的增加,水冷却系统不可避免存在过高的静水压力和难以解决的冷凝热排放问题。冰冷却降温系统利用冰的融化潜热进行降温,获得相同冷量所需冰量的含水量远低于水冷系统 [8],在 20 世纪 80 年代初期南非等国家开始进行冰冷却降温系统的研究与应用;在井深超过 2~3 km 后,人工制冷降温成本会很高,一般矿山无法承受。也要注意到,现有的降温技术都是被动式降温;必须发展和应用主动式降温技术,才能解决被动式降温造成的采矿高成本问题。

对于发展主动式深井降温技术,具有发展前途的是深部地热开发技术 [9]。事实上,深井高温环境主要由高温岩层“热辐射”引起,是作为天然清洁能源的地热产生的效应。若在深部矿产开采过程中采用热交换技术,对地热资源进行开发利用,即为深井采矿、深部地热的联合开发。开采深部地热资源不仅可以变“热害”为“热利”,为地下采矿空间环境降温创造条件,还能够大幅度降低专门为采矿降温采取一系列被动式措施的成本,有望为深井降温开辟一条具有颠覆性、技术经济性的新途径。已有研究提出了基于开挖技术的增强型地热系统概念模型(EGS-E),从系统原理、工程构想、技术优势等方面对 EGS-E 进行了具体阐述 [10~12]。

本文在全面勘察我国深部高温岩层地热赋存情况、矿产与地热资源共同赋存区域类型及特征的基础上,分析国内外深部地热的开发利用现状,总结我国在相关领域的重要研究进展,提出技术经济可行的深部矿产与地热资源共采双赢战略;分析深部矿产和地热资源共同开发利用面临的关键问题和技术瓶颈,明晰深部矿产和地热资源共采的重点研究任务,针对性提出推进深部矿产与地热资源共采战略实施的发展建议。相关研究成果可为我国资源和能源的中长期可持续发展提供前瞻性路径与战略性启发。