宋 健 唐春安 亢方超

（1.大连理工大学土木工程学院，辽宁大连116023；2.大连理工大学海洋和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116023；3.大连理工大学深地工程研究中心，辽宁大连116023）

为了支撑国民经济快速发展，矿产资源开采量急速增加，造成浅部资源迅速减少乃至枯竭，矿产资源开采已由浅部向深部全面推进［1］。但是，深部开采过程中所面临的“三高一扰动”（高地应力、高地温、高渗透压以及强烈开采扰动）［2-3］问题严重制约着矿井安全生产。其中，以高温热害的影响最为普遍，影响范围最广［4］。随着开采深度的增加，岩层温度逐渐升高，当达到一定深度时，整个开采环境将长期处于高温状态。长时间的高温环境，会对工作人员的身体健康造成不利影响［5］，同时也会降低井下设备的使用性能，严重影响开采进程并且会产生重大的安全隐患。因此，为了维持正常开采，必须对高温岩体进行降温处理。同时，随着开采深度进一步增加，围岩温度会迅速增高，飞速增长的降温成本会成为许多矿山深井开采的主要成本，甚至会由于温度问题而造成部分矿产无法开采，进一步加剧了资源匮乏。此外，以化石能源为主的消费结构也引发了日益严重的环境污染问题和国际减排压力［6］，寻求可替代的清洁资源成为解决能源和环境问题的重中之重［7］。

地热资源是蕴藏在地球内部的巨大热能，因其具有储量丰富、分布广泛、持续稳定、安全优质等优点，逐渐成为取代太阳能、风能等清洁能源，成为能源结构转型、填补化石能源空缺的最佳选择［7-10］。地热资源分为浅部水热型地热资源和深部干热岩型地热资源，其中深部（埋深3～10 km）地热资源具有更加明显的储量优势，其开发潜力是浅层地热资源的100～1 000 倍［11-12］。然而，用于干热岩开发的增强型地热系统（Enhanced Geothermal System，EGS）［13-16］却始终未能实现深层地热系统的商业化应用，其原因是水力压裂技术对热储地质环境的依懒性所造成的热储体积和换热表面积不稳定［17］。截至2018年12月，世界范围内 EGS 装机容量仅为 17.85 MWe［18］。近年来，唐春安等［19-21］提出了一种基于开挖技术的增强型地热系统（EGS-E），为突破传统干热岩开发瓶颈提供了一种全新的解决方案。该系统通过开挖竖井和钻爆崩落等技术取代了传统的钻井和水力压裂等技术，可以打破传统EGS 对热储地质环境的依懒性，形成定制的热储规模、充足的裂隙网络、稳定的工质流量、高温的终端流体，同时可以大幅减少诱发地震的风险。但是，该方法需要在深部高温环境下开挖大规模的竖井和大量的巷道工程，因此，开采成本居高不下，成为制约其发展的重要因素。

传统矿产开采模式仅考虑对矿产资源的开采，其开采成本随着围岩温度的升高而增加。在矿产开发经济效益固定不变的前提下，当围岩温度增加所需的开采成本使得企业无法承受时，企业势必会放弃开采该温度段的矿产资源。干热岩开采模式与矿产开采截然相反，其开采经济效益随着围岩温度的升高而增加，而建造增强型地热系统的成本是固定的，因此，围岩温度越低，该模式的经济效益越低。但是当开采经济效益低于矿产地热循环系统成本投入时，企业依然会放弃开采该温度段的地热资源。尤其是基于开挖的增强型地热系统，其一次性投资金额往往达到数十亿人民币，在很大程度上阻碍了该系统的大规模应用。基于此，本研究在“协同开采”理论［22-25］的基础上提出了一种矿产与地热资源协同开采模式。该模式既有助于消除深部矿产资源开采过程中的热害问题，保证开采安全，又能实现对深部地热资源的有效利用。

1 地温分布

受太阳辐射和地热的相互作用，地壳形成了3个垂直分布的温度变化层带，即恒温带、变温带和增温带［26］。变温带受太阳辐射的季节性变化影响，是一个准稳定温度场，恒温带的温度分布比较均匀，厚度较薄，两者都受大气影响比较明显。在恒温带下分布着一个主要受到地球内部热量控制的稳定温度场，即增温带［27］。进入增温带之后，围岩温度会随着开采深度的增加而增高［28］。增温带内地温梯度一般为2～4 ℃/hm，而干热岩区域的地温梯度普遍超过4 ℃/hm，是正常区域的2～5 倍，部分导热率高的异常地区的地温梯度可高达15～20 ℃/hm，如腾冲勘探区地温梯度为15 ℃/hm［29］。不同的地温梯度导致了深部矿井围岩温度和地热开采温度分布具有不均衡性。

2 矿井围岩温度分布

目前，国内外学者对于深部开采深度有很多不同的界定标准。美国将开采深度超过1 524 m 的视为深部开采，南非学者认为深部开采的深度界限为1 600 m［30］，波兰和英国则将深部开采深度界定为750 m［31］。国内大多数学者将深部资源开采的深度界定为煤矿800～1 500 m，金属矿山1 000～2 000 m，即非煤矿山开采深度超过2 000 m便进入了超深部开采阶段［32-34］。

围岩温度与矿井深度密切相关，随着深度的增加，在越过恒温带之后，围岩温度与矿井深度成正比例增加。目前国外深度为1 300～3 000 m 的矿井，其围岩温度一般为50～70 ℃。如俄罗斯皮特洛夫煤矿开采深度为1 300 m，围岩温度为50 ℃；印度Kolar 金矿开采深度为2 000 m，围岩温度约60 ℃；南非West Driefovten 金矿开采深度约2 000 m，围岩温度47 ℃左右，而开采深度为3 000 m 的另一座西部深井金矿，围岩温度约 80 ℃［4，35］。国内煤矿开采深度普遍在1 300 m 以内，少数金属矿井达到了1 600 m 左右，采深超过1 000 m 的矿井中，围岩温度为40～45 ℃［36］。根据目前的统计资料［32，35-36］显示，我国很多矿井在进行深部开挖过程中均出现了不同程度的高温问题，很多矿井的工作面温度远远超过了《煤矿安全规程》“采掘工作面的空气温度超过30 ℃，必须停止作业”的规定，影响了设备的安全运行以及工作人员的身心健康。

3 地热资源分布及利用

目前可利用的地热资源主要有浅层地热资源、水热型地热资源和干热岩资源三大类［37-40］，不同类型的地热资源有不同的温度范围以及用途。

（1）浅层地热资源。浅层地热资源是指蕴藏在地表恒温带的土壤、砂石以及地下水中在太阳能和地球内部热量形成的大地热流综合作用下产生的能够被开发利用的一种低温（一般低于25 ℃）热能。其特点是分布广泛、储量较大、埋藏深度较浅，比较容易被开发利用。目前主要通过热泵系统进行开发利用，在建筑物供暖制冷方面发挥了重要作用。

（2）水热型地热资源。水热型地热资源是蕴藏在地下较深的水和蒸汽中的一种常规地热资源。根据构造成因以及温度，将其分为高温岩浆型（一般超过150 ℃）、中低温（90～150 ℃为中温地热资源，90℃以下的为低温地热资源）隆起断裂型以及沉降盆地型［40］。目前主要通过人工钻井方式对其进行利用，在发电、采暖、医疗、旅游以及农林牧副渔等方面有着广泛的应用［41-44］，也是目前人类主要开发利用的地热资源。

（3）干热岩地热资源。干热岩是一种分布广泛、温度一般高于150 ℃、具有十分广阔开发前景的热岩体［45］。岩石也是干热岩热能的载体，因此干热岩本身也是一种地热资源，目前对其利用主要是基于EGS系统，通过开挖深部竖井，利用高压将温度较低的水注入，通过水力压裂在干热岩体中形成一个面状的人工储热层，将热量提取出来用于发电［46］。然而该系统应用受到深钻以及水力压裂等因素制约，开采成本较高。

我国地热资源储量十分丰富，根据中国地质调查局2015年的调查结果显示：浅部地热资源的热能折合标准煤95 亿t，年可利用资源量7 亿t；水热型地热资源的能量相当于1.25 万亿t 标准煤；干热岩的资源量更是巨大，相当于856万亿t标准煤［47］，开发利用前景广阔。

4 矿产与地热资源协同开采

4.1 协同开采分区

随着开采深度增加，岩层在地温分布等方面存在较大的差异，不同温度下的地热资源有不同的用途，《地热资源地质勘察规范》（GB/T 11615—2010）将地热资源划分为低温、中温、高温3类（表1）。

在本研究协同开采模式中，为了对各温度段的矿产与地热进行综合开发，以围岩温度为标尺，将矿产和地热资源分为低温资源、中温资源和高温资源。通过表1 可以发现，温度超过90 ℃的中高温地热资源可用于发电，地热发电一般是利用蒸汽状态的水输入汽轮机做功，对非蒸汽状态下的水需要经过闪蒸系统使其对汽轮机做功，由于高温资源中的地热主要用于发电，为了节约设备成本，本研究将中温资源与高温资源的界限定为100 ℃。另外，为了给开采过程中人员和设备提供良好的工作环境，须对矿井中的热害进行处理。然而，单纯的降温技术由于成本上的局限性，仅能经济有效地保障围岩温度50 ℃以下的矿产资源顺利开采，当温度超过50 ℃时，降温成本的飞速增长会迫使企业放弃开发该温度段的矿产资源。由于低温资源中以矿产资源为主，为了尽可能协调降温与采热的关系，本研究将低温资源与中温资源的界限定为50 ℃。综上分析，不同温度段的主要开采资源如表2所示。

低温资源是指围岩温度低于50 ℃的地质资源，以常规矿产资源为主；中温矿产资源是指围岩温度为50～100 ℃的地质资源，主要包括矿产资源以及温度较低的地热资源；高温资源主要是指围岩温度超过100 ℃的地热资源。不同温度地质资源所对应的开采模式分别为低温矿产开采模式、中温热矿共采模式以及高温地热开采模式，3 种开采模式以中央竖井进行联通，如图1所示。

4.2 不同温段的开采模式

4.2.1 低温矿产开采模式

低温区域资源位于地表浅部，围岩温度普遍小于50 ℃。该区域内围岩温度不高，采用传统的矿井降温技术（如通风降温，制冷降温等）就可以保证工作面温度维持在规定的温度区间，从而减少对人体以及机械设备的影响，实现矿产资源的顺利开采。同时，较低的围岩温度所带来的收益不足以支持地热资源开发，因此，该区域开采模式以开采矿产资源为主，开采工艺及技术均依托于传统的采矿技术——大直径深孔采矿方法［48］。

大直径深孔采矿方法因其成本低、效率高得到广泛采用，具有爆破工艺先进，出矿连续、集中，过程安全等特点，能够保证在该模式下对矿产资源的顺利开采。在矿产资源开发过程中，首先需要进行中央竖井开挖，一方面为矿产资源开采及运输提供便利，另一方面在中温尤其是高温模式下的热能开采过程需要较大直径的竖井，首先进行中央竖井开发可以避免重复建设，节约建设成本。同时，由于中央竖井开挖需要较大的资金支持，通过开发该区域矿产资源，可大幅缓解竖井开挖可能造成的资金紧张状况，保证工程顺利进行。

钻孔施工与爆破作业是控制爆破质量的重要因素，是该模式甚至整个协同开采模式的关键工艺。为了提高钻孔施工质量，必须对场地特征进行相关研究，得到最优的采场布孔参数，在此基础上，通过确保凿岩硐室施工质量、钻机施工质量以及进行合理的施工组织管理来保证炮孔施工质量。通过爆破参数优化、起爆方式优化、爆破施工组织优化等方式来提高爆破作业质量。此外，还需要充分利用高新技术的研发成果，不断提高开采效率。

4.2.2 中温热矿共采模式

随着埋藏深度的增加，围岩温度随之升高。当围岩温度超过50 ℃之后，传统的制冷技术在经济上已经无法满足工作面的降温要求；同时，围岩温度已达到地热资源的阈值，可以通过热交换进行提取和利用。因此，该区域需要先进行地热资源开采，然后进行矿产资源开采。

在热矿共采过程中，通过建立热能置换系统（如HEMS（High Temperature Exchange Machinery System）系统（图2）［49］），将温度较低的液体工质（水）注入到高温岩体中进行热交换，提取蕴含在工作面岩体中的热能，加温后的热水通过回收管道回到工作平台中进行利用，如此不断循环，将工作面围岩的热量不断置换出来。开采出的地热资源可以用于对矿区及周边地区供暖制冷、温泉洗浴、温室种植等［41-44］。同时，降温后的区域可以采用大直径深孔采矿方法进行矿产资源开采。

在该阶段中通过大直径深孔采矿法形成了空间较大的巷道，为热能置换系统的管道铺设提供了充足空间。热能置换系统通过对采矿工作面热能的置换，在输出能量的同时降低了工作面温度，为人员以及机械设备创造了良好的工作环境，保证了开采工作的顺利开展。中温区域的热矿共采模式不仅能够有效降低围岩温度，使得之前由于降温成本而放弃开采的矿产资源得到利用，不仅可以大规模增加可采矿产资源量，还能够将围岩中的地热资源进行有效提取和利用，实现双赢。完成该过程的热矿共采工作后，管道系统可供后续高温地热开采工作使用，因此，管道系统须具备耐高温、易拆卸等特点。

目前，虽然该温段的热能采集系统已经得到普遍应用，但为了将工作面的温度控制在规范要求的范围内，模式中热能置换系统的工作效率有必要进行相关的试验来验证并对系统进行不断改进。为了充分协调矿产资源开采与地热资源利用的关系，有必要进行高效热能置换系统的相关研究。

4.2.3 高温地热开采模式

随着开采深度进一步增加，围岩温度会继续增长至100 ℃以上。该区域已经不适合进行矿产资源开发，但是高温岩体中蕴含有大量地热资源，适合进行大规模地热开采。因此，该区域地质资源开采应以地热为主，其开采工艺与干热岩型地热资源相似，即采用增强型地热系统（EGS）进行热能提取。然而，传统EGS 所采用的水力化措施受限于热储地质条件，其热储质量往往大幅低于预期效果。绝大多数的EGS 工程存在热储体积小、换热表面积小、出口温度低等不足，极大限制了EGS 的大规模商业化发展。近年来，亢方超等［50］提出了基于开挖的增强型地热系统（EGS-E）（图1）。该方法采用开挖竖井和钻爆崩落等方法取代了传统EGS 所采用的钻井和水力压裂技术，能够克服热储致裂工艺对地质条件的依赖性，具有充足的热储空间，稳定的换热面积和工质流量等优势，为高温区域地热资源大规模开采提供了全新的解决方案。

基于开挖的增强型地热系统主要分为竖井工程、巷道工程、管道工程和爆破工程。竖井工程是提升、运输、通风以及维护的主要通道，可以在前两阶段（低温矿产开采模式、中温热矿共采模式）中央竖井的基础上向下延伸；水平巷道是采准期间井下通风和运输的主要通道，生产期间可作为水流通道驱动热储裂隙内工质流动，来提高水—岩换热效率；管道工程（可部分沿用中温热矿共采模式中热能置换系统的管道）为输送干热岩热能提供通道；爆破工程可代替水力压裂等增强技术在储热空间内形成稳定的裂隙网络（图1 ⑥）。EGS-E 具有独特的热储致裂系统和热能交换系统。热储致裂系统是将预定规模的热储划分为多个水平，而后采用爆破、崩落等技术，通过调整爆破参数控制崩落岩体的体积和裂隙密度，实现对热储的精准致裂［51-52］，形成预定规模的裂隙网络，再通过竖井及联络巷道联通多个水平，最终形成一个具有多水平裂隙网络的人工热储。热能交换系统由管道换热系统和裂隙换热系统组成，通过水—岩（裂隙换热系统）、水—水（管道换热系统）两级热交换，完成干热岩热能的提取。在系统运行过程中，干热岩中的热能通过热储的裂隙表面传递给裂隙工质，而后通过裂隙工质循环系统传导至换热池与换热巷道，再通过其内部的换热管道传递给管道工质，最终传输至地面发电机组，实现对地热能的利用。

但是，无论从技术上还是从经济上，EGS-E 也面临许多在短时间内无法克服的难题，如超深竖井开挖、高温高压巷道作业、高温环境爆破等，需要在后续研究和实践中进行深入探索。

4.3 协同开采模式

为充分协调矿产资源开采与地热资源利用之间的关系，本研究将传统采矿和采热相结合，基于开挖型的增强型地热系统，提出了一种矿产与地热资源协同开采模式，将地质资源以围岩温度为标尺分为低温资源、中温资源和高温资源。低温资源采用传统开采工艺以对矿产资源的开采为主。中温资源采用先采热后采矿模式，在对中温地热资源进行利用的同时，使可采矿产资源量增加。高温资源采用基于开挖的增强型地热系统，实现地热资源大规模开采。该模式中3 种资源开发存在的技术难点如图3所示。

5 结论及展望

在浅部矿产资源日益短缺的情况下，“向地球深部进军”已经成为必须解决的战略科技问题。本研究基于开挖的增强型地热系统，提出了一种矿产与地热资源协同开采模式。主要结论如下：

（1）热矿协同开采模式以围岩温度为依据，将地质资源分为低温资源（50 ℃以下）、中温资源（50～100 ℃）和高温资源（100 ℃以上），对应的开采模式分别为低温矿产开采模式、中温热矿共采模式和高温地热开采模式。

（2）热矿协同开采模式将传统采矿技术与增强型地热系统相结合。低温资源以矿产资源开采为主，中温资源采用先采热后采矿的热矿共采模式，高温资源采用基于开挖的增强型地热系统实现大规模地热资源开采。该模式既能消除中高温区域的热害影响，保证矿产资源安全开采，又能实现中温区域地热资源利用以及高温区域地热资源大规模开采。

（3）热矿协同开采模式可通过中高温地热资源的开采弥补矿产资源因温度升高带来的成本激增，同时以低温区域矿产资源的开发缓解深部地热资源的巨额投资压力，为深部地质资源开发提供了一种新的解决方案，具有十分重要的战略意义。该模式可推广应用于：对由于高温环境没有开采经济价值的矿床进行矿产资源开发，以及对各种资源匮乏的老矿井进行以地热资源开采为主的二次开发。