王雷鳴，羅衍闊，尹升華?，周根茂，廖文勝，李召坤

1) 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 2) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083 3) 新疆中核礦業(yè)科技集團(tuán)有限公司，伊寧 835099 4) 核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149

上世紀(jì)90年代以來，隨著我國工民建筑、交通運(yùn)輸、航空航天等行業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)對(duì)金屬礦產(chǎn)資源的需求量與日俱增[1]. 數(shù)據(jù)顯示：2021年度我國十種有色金屬產(chǎn)量為6454.3萬噸，較2010年前增幅達(dá)206.8%，實(shí)現(xiàn)利潤3644.8億元?jiǎng)?chuàng)歷史新高[2]，為中國這一工業(yè)強(qiáng)國的發(fā)展提供源源不斷的基礎(chǔ)養(yǎng)料[3].

金屬礦產(chǎn)資源的形成需要經(jīng)過漫長的地質(zhì)演變過程，隨著近年來我國對(duì)各類礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)和利用，國內(nèi)淺部資源幾乎消耗殆盡，“向深地進(jìn)軍”已然成為國家政策導(dǎo)向和礦業(yè)科學(xué)屆共識(shí)[4-5]. 目前，由于各個(gè)國家地質(zhì)條件和礦床賦存條件迥異，學(xué)術(shù)界對(duì)深地尚未有統(tǒng)一定義，國內(nèi)大部分研究人員對(duì)于深地的觀點(diǎn)是：根據(jù)不同開采深度下巖爆發(fā)生頻率確定礦山資源開發(fā)由淺部轉(zhuǎn)為深地，目前這一深度普遍被認(rèn)為是800～1000 m，超過該深度則通常視為進(jìn)入深地開采[6–10].

在我國金屬礦山井工開采領(lǐng)域，井筒深度正在以平均每年10 ~ 30 m的速度增加，國內(nèi)開采深度達(dá)到1000 m及以上的金屬礦山已有20余座[11].未來十年，我國1/3以上金屬礦山開采深度都將達(dá)到1000 m，部分礦山將達(dá)到2000～3000 m. 然而，隨著開采深度不斷增加，面對(duì)由高地應(yīng)力、高井深以及高井溫引起的有關(guān)礦井通風(fēng)、運(yùn)輸、給排水、支護(hù)等一系列實(shí)際問題，傳統(tǒng)力學(xué)模型、機(jī)械化設(shè)備、開采工藝等適用于淺部開采的研究成果將難以為繼. 大量研究結(jié)果表明：以當(dāng)前開采模式與方法對(duì)深地礦產(chǎn)資源進(jìn)行規(guī)?；夭?，深地資源回收率與經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)大幅度下降. 面對(duì)眼下嚴(yán)峻的采礦形勢，學(xué)界亟需發(fā)力研究迎合深地開采發(fā)展的回采工藝及體系[11-12]. 在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)水平與裝備水平的制約下，為解決礦井深地固體資源難采的困境，謝和平等針對(duì)煤礦領(lǐng)域首次系統(tǒng)性闡述“深地煤炭資源流態(tài)化開采”學(xué)術(shù)構(gòu)想，標(biāo)志著“流態(tài)化開采”體系在我國礦業(yè)領(lǐng)域初步建立；吳愛祥等針對(duì)金屬礦領(lǐng)域系統(tǒng)性提出“深層金屬礦原位流態(tài)化開采構(gòu)想”，在金屬礦產(chǎn)資源回采層面完善了“流態(tài)化開采”體系；尹升華等[13]系統(tǒng)分析我國銅礦溶浸開采研究進(jìn)展，為金屬礦床原位流態(tài)化浸出開采反應(yīng)參數(shù)控制提供重要理論參考；王家臣等[14]針對(duì)急傾斜煤層賦存條件提出相應(yīng)新型氣化、水力采煤構(gòu)想，在復(fù)雜難采煤炭資源開采層面進(jìn)一步完善“流態(tài)化開采”體系.

深地除了賦存大量的礦產(chǎn)資源，還擁有豐富的、可利用的地?zé)豳Y源[15]. 早在20世紀(jì)70年代，懷俄明州斯多福化學(xué)公司大島礦（Big Island Mine）已開展利用圍巖熱能加熱通風(fēng)風(fēng)流的研究[16]. 地?zé)崮苁且环N賦存于地球內(nèi)部巖土體、流體和巖漿體中的可再生能源，根據(jù)成因和儲(chǔ)存條件可分為淺層地?zé)崮苜Y源、水熱型地?zé)豳Y源和干熱巖資源三種類型，目前主要通過地下熱水抽排或熱能置換的方式進(jìn)行開發(fā)利用[17-18].

為探索實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)與地?zé)崮苜Y源協(xié)同共采，蔡美峰等提出了“深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采戰(zhàn)略”，構(gòu)建起礦產(chǎn)-地?zé)峁膊衫碚摶究蚣?；宋健等[19]針對(duì)不同溫段礦熱資源劃分出相應(yīng)的開采模式，為深地礦產(chǎn)-地?zé)豳Y源開發(fā)提供重要方案參考；陳慶發(fā)等[20]提出通過某種技術(shù)和諧處理采礦環(huán)境的“協(xié)同開采”理念，進(jìn)一步豐富礦產(chǎn)-地?zé)峁膊衫碚? 地?zé)崮茏鳛橐环N取之不盡用之不竭的可再生能源，是推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵[21]. 作為國民經(jīng)濟(jì)支柱性產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)采礦業(yè)為國家高速發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)，但也引發(fā)了矸石山、尾礦庫、重金屬廢水等環(huán)境問題. 隨著“全球變暖”、“百年一遇自然災(zāi)害頻發(fā)”等自然災(zāi)害頻頻發(fā)生，實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生迫在眉睫. 2021年2月，《國務(wù)院關(guān)于加快建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系的指導(dǎo)意見》[22]正式提出“碳中和”、“碳達(dá)峰”的概念，促使一大批“雙超雙有高耗能”企業(yè)順應(yīng)時(shí)代潮流做出及時(shí)轉(zhuǎn)型. 而傳統(tǒng)采礦業(yè)作為高耗能、高固廢、低環(huán)保型產(chǎn)業(yè)，在當(dāng)前政策引導(dǎo)下急需做出表率.實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源流態(tài)化浸出開采，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源與地?zé)豳Y源協(xié)同共采，改變傳統(tǒng)大開大合式的采礦方法是實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型采礦重要的一環(huán).

鑒于此，本文緊扣深地資源開采與地?zé)衢_發(fā)的迫切需求，基于前述有關(guān)“金屬礦山流態(tài)化開采”和“地?zé)崮軈f(xié)同共采”的理念，提出一種適于深地資源流態(tài)化開采-地?zé)岣咝Ю玫纳畈块_采工藝構(gòu)想，探討了理論空白、關(guān)鍵技術(shù)與潛在發(fā)展方向，相關(guān)研究可為推動(dòng)實(shí)現(xiàn)深地金屬礦綠色開采與地?zé)崮芨咝Ю锰峁┬滤悸?、新方?

1 深地金屬礦流態(tài)化浸出技術(shù)

1.1 工藝提出背景

礦山開采由淺部向深地轉(zhuǎn)變的過程中，受限于高地應(yīng)力、高井深、高地溫等地質(zhì)環(huán)境條件，現(xiàn)場人工操控機(jī)器的開采方式會(huì)引起以下三方面的問題：（1）礦山運(yùn)行過程的安全不確定性增加. 由于對(duì)深地力學(xué)體系的研究尚不徹底，理論計(jì)算與工程實(shí)踐反復(fù)表明傳統(tǒng)力學(xué)支護(hù)方式難以維持深地井下空間穩(wěn)定性，生產(chǎn)作業(yè)安全性堪憂；（2）礦山運(yùn)行成本不斷升高. 由于環(huán)境溫度升高、支護(hù)材料屈服、承壓水泄漏、通風(fēng)線路變長等問題出現(xiàn)，勢必要花費(fèi)更多的資金用于控制、防范一系列不利于生產(chǎn)的因素；（3）工作環(huán)境進(jìn)一步惡化. 受限于高井深，礦井通風(fēng)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等都會(huì)面臨巨大挑戰(zhàn)，工人及設(shè)備工作環(huán)境惡化. 圖1表述了地球結(jié)構(gòu)與地溫及地溫梯度之間的關(guān)系，由圖1可知，在礦產(chǎn)資源開采可達(dá)的深度內(nèi)賦存大量可利用的地?zé)崮苜Y源，隨著深度增加，深部環(huán)境溫度顯著升高，在近地表的平均地溫梯度為30 K·km-1，進(jìn)入深部后遞增梯度降低為1 K·km-1. 地?zé)崮芟啾让?、石油等化石能源，具有清潔環(huán)保、可再生等優(yōu)勢；相比太陽能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源具有運(yùn)行過程穩(wěn)定性強(qiáng)（不受天氣等自然因素影響）、資源分布廣且儲(chǔ)量豐富、熱-電轉(zhuǎn)化效率高（是太陽能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率3.5倍以上）等優(yōu)勢. 北京、山東、內(nèi)蒙古、廣東、貴州等省市已先后開展各類型地?zé)崮芸碧接?jì)劃與利用規(guī)劃[23–30]，石油產(chǎn)業(yè)對(duì)地?zé)崮艿膮f(xié)同開發(fā)率先做出嘗試[31-33].

圖1 地球結(jié)構(gòu)與地溫及地溫梯度關(guān)系示意圖[34]Fig.1 Relationships among earth structure, geothermal temperature, and geothermal gradient[34]

石油是一種賦存于地下的液態(tài)資源，常采用鉆鑿豎直井、水平井的方式進(jìn)行開發(fā)，具有超深、超高溫、超高壓的特點(diǎn)[35-36]. 目前，我國已實(shí)現(xiàn)8500 m以深鉆井開發(fā)，標(biāo)志著我國已攻克超深鉆井技術(shù)大部分難題. 受限于深地力學(xué)條件，石油開采的超高井深對(duì)傳統(tǒng)露天式、井筒式采礦方法而言是一個(gè)難以匹及的深度，但是石油的流態(tài)化開采方式為深地金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)提供了一個(gè)很好的思路.

開采賦存于深地的固態(tài)礦物，其最大難點(diǎn)在于礦物運(yùn)輸[37]. 礦物流態(tài)化概念方法的提出可以使人們直接利用溶浸液與礦物的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)，使礦體中的有價(jià)金屬通過生物-化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為溶浸液中的金屬離子，從而只需要將含有金屬離子的溶浸液（常稱為富液）提取至地表進(jìn)行加工處理便可以獲得金屬單質(zhì). 這一方法的優(yōu)勢顯而易見[37-38]：（1）維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡. 該工藝無需將整個(gè)礦體搬運(yùn)至地面，最大程度上避免對(duì)地下原巖結(jié)構(gòu)、地表生態(tài)環(huán)境的破壞；（2）節(jié)省投資與運(yùn)營成本. 該工藝在開拓期間無需剝離大體積覆巖，生產(chǎn)運(yùn)營期間無需運(yùn)用大型生產(chǎn)、運(yùn)輸設(shè)備與大量人力資源，最大程度上減少了投產(chǎn)成本；（3）生產(chǎn)安全性提高. 該工藝作業(yè)生產(chǎn)采用管道運(yùn)輸，工作人員無需進(jìn)入環(huán)境惡劣的深地進(jìn)行采礦作業(yè)，降低了惡性傷人事故發(fā)生的概率.

基于固態(tài)礦物流態(tài)化開采在深地開采條件下的種種優(yōu)勢，這一構(gòu)想引起了眾多專家學(xué)者的深入討論. 趙陽升院士團(tuán)隊(duì)、謝和平院士團(tuán)隊(duì)、吳愛祥教授團(tuán)隊(duì)、王家臣教授團(tuán)隊(duì)等專家學(xué)者先后在不同會(huì)議、期刊上提出和發(fā)表對(duì)煤礦、金屬礦產(chǎn)領(lǐng)域流態(tài)化的看法與理論構(gòu)想. 基于以上所述理論與實(shí)踐成果，筆者認(rèn)為，“深地金屬礦流態(tài)化開采”構(gòu)想作為目前實(shí)現(xiàn)深地固態(tài)金屬礦產(chǎn)資源開采可選方案之一，為實(shí)現(xiàn)金屬礦綠色、高效、智能化開采提供有力的支撐.

1.2 深地金屬流態(tài)化開采技術(shù)定義

吳愛祥等根據(jù)煤礦領(lǐng)域流態(tài)化開采定義，將金屬礦流態(tài)化開采定義闡釋為“改變傳統(tǒng)的原礦散體物料開采模式，將深地金屬礦產(chǎn)資源原位轉(zhuǎn)化為液態(tài)或多態(tài)混合介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)采選冶、采選充一體智能化”. 結(jié)合目前已有采礦工藝，本文重點(diǎn)研究原位流態(tài)化浸出技術(shù).

原位浸出技術(shù)可分為原位破碎堆浸和原位鉆孔溶浸. 兩種方式的區(qū)別在于：原位破碎堆浸需要人工在井下作業(yè)，該方法將礦石從礦體剝離并破碎到一定塊度，再通過傳統(tǒng)堆浸工藝將金屬浸出[39-47]；原位鉆孔溶浸工藝無需人工井下作業(yè)，該方法采用鉆孔打井的方式將化學(xué)溶液如強(qiáng)酸、強(qiáng)堿以及浸礦細(xì)菌輸送至礦體，使礦體中的金屬單質(zhì)或金屬離子溶于溶液，再經(jīng)由生產(chǎn)井至地表進(jìn)行加工處理，如圖2所示.

圖2 原位流態(tài)化開采示意圖Fig.2 Scheme of the in-situ leaching mining method

原位破碎堆浸法在國內(nèi)外的發(fā)展均始于20世紀(jì)60年代，此后在安徽松樹山銅礦、浙江衢州鈾礦、初郴縣鈾礦、柏坊銅礦、東鄉(xiāng)銅礦、美國內(nèi)華達(dá)州畢克邁銅礦、俄羅斯貝克鈾礦等礦山進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用，大部分取得比較理想的成果[47]. 但是隨著開采深度的增加，各種環(huán)境因素制約著人工井下作業(yè)，當(dāng)前，原位破碎堆浸方法對(duì)深地金屬礦床的適用性較差，本文對(duì)此類方法不再考慮，之后所述的原位流態(tài)化浸出開采均為原位鉆孔溶浸法.

1.3 深地金屬礦流態(tài)化開采研究、應(yīng)用現(xiàn)狀

原位溶浸開采技術(shù)于20世紀(jì)60年代初在美國和蘇聯(lián)率先應(yīng)用于鈾礦開采，70年代擴(kuò)展至銅礦開采，隨后逐步衍生應(yīng)用至金、鎳、錸、硒、鉬、稀土等金屬元素的開采[48]. 目前，在美國、澳大利亞、烏茲別克斯坦、哈薩克斯坦、俄羅斯等地分布有鈾、銅、金、鋰、鋅等金屬原位流態(tài)化浸出開采礦山[49-50]. 其中，世界核協(xié)會(huì)（World Nuclear Association）2021年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[51]，采用原位溶浸技術(shù)（In-situleaching）開采的鈾產(chǎn)量占全球鈾總產(chǎn)量的55%，表明該項(xiàng)技術(shù)在鈾礦開采領(lǐng)域已經(jīng)逐漸成為主要開采方式，具有極大的拓展?jié)撃? 圖3所示為全球原位溶浸開采礦山分布情況.

圖3 原位溶浸開采礦山礦石種類及其分布Fig.3 Ore species and in-situ leaching mine distribution

原位流態(tài)化浸出開采技術(shù)實(shí)際作業(yè)流程為：（1）通過注液井將浸礦溶液和浸礦細(xì)菌輸送至可滲礦體；（2）溶浸液沿礦體裂隙移動(dòng)滲透，在與礦物接觸過程中發(fā)生一系列基于生物、化學(xué)原理的浸礦反應(yīng)，將金屬離子置換至溶浸液中，溶浸液在礦體區(qū)域不斷擴(kuò)散；（3）通過生產(chǎn)井將含有目標(biāo)金屬離子的富液提取至地表；（4）將富液運(yùn)送至生產(chǎn)車間進(jìn)行加工，提取金屬離子；（5）不含金屬離子的貧液處理后經(jīng)注液井再次泵送至礦體，水資源得到重復(fù)利用，完成浸礦工藝循環(huán).

雖然該方法在理論上有著更為廣闊的研究價(jià)值與應(yīng)用前景，但眾多的現(xiàn)實(shí)因素仍然阻礙著該方法的廣泛應(yīng)用. 如前所述，該方法是利用溶浸液與礦脈及金屬元素的物理化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行資源開采，在理論研究層面，由于對(duì)深地礦巖孔裂結(jié)構(gòu)、溶液滲流路徑、多場耦合導(dǎo)致的浸礦反應(yīng)體系、微生物增殖行為等機(jī)理研究尚不充分，難以對(duì)工業(yè)生產(chǎn)形成良好指導(dǎo)，因而導(dǎo)致該領(lǐng)域研究和推廣應(yīng)用的進(jìn)展十分緩慢.

由此，攻克深地浸礦體系孔裂結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變、溶液滲流行為不清、浸礦反應(yīng)機(jī)制不明等理論難題[52]，初步構(gòu)建深地原位浸礦理論體系是目前礦業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急. 發(fā)展深地金屬礦原位流態(tài)化浸出技術(shù)、擴(kuò)展原位流態(tài)化浸出技術(shù)的應(yīng)用范圍、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深地礦產(chǎn)資源的綠色高效開發(fā)，是深地金屬礦產(chǎn)資源開采發(fā)展的一條必由之路.

2 深地地?zé)豳x存與開采現(xiàn)狀

2.1 深地地?zé)豳x存情況

根據(jù)世界能源理事會(huì)調(diào)查報(bào)告，地球擁有極為充足的地?zé)崮苜Y源，其能源容量高達(dá)5000 EJ·a-1，該容量儲(chǔ)備接近于太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、水能等可再生能源總量的兩倍[53-54].

據(jù)中國地?zé)崮馨l(fā)展報(bào)告顯示[55]：我國具有儲(chǔ)量豐富的地?zé)豳Y源，涵蓋淺層地?zé)崮苜Y源、水熱型地?zé)豳Y源和干熱巖資源三種類別，其中淺層地?zé)豳Y源（調(diào)查范圍為國內(nèi)336個(gè)地級(jí)以上城市）年開采量相當(dāng)于7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤；水熱型地?zé)豳Y源每年可開采量相當(dāng)于18.65億噸標(biāo)準(zhǔn)煤；干熱巖資源遠(yuǎn)景儲(chǔ)量高達(dá)856萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，作為對(duì)照，2015年國內(nèi)煤炭消耗量為38億噸. 由此可見，地?zé)崮茏鳛橐环N可再生能源在國內(nèi)的應(yīng)用具有極為廣闊的發(fā)展空間.

2.2 深地地?zé)衢_采利用現(xiàn)狀與面臨難題

地?zé)豳Y源具有固態(tài)賦存和流態(tài)賦存兩種形式，在國內(nèi)外具有廣泛的應(yīng)用場景，如溫泉、發(fā)電、農(nóng)產(chǎn)品種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖等行業(yè). 在國際上，地?zé)崮苤苯永脼橹饕猛? 截止到2020年，全球地?zé)崮苤苯永醚b機(jī)容量達(dá)108 GW，其應(yīng)用涉及地?zé)釤岜?、地?zé)峁┡⒌責(zé)徂r(nóng)業(yè)種植、地?zé)崴a(chǎn)養(yǎng)殖、地?zé)峁I(yè)利用、地?zé)釡厝阮I(lǐng)域. 相較之下，2020年世界各國地?zé)崮馨l(fā)電總裝機(jī)容量為16.0 GW，僅為地?zé)崮苤苯永醚b機(jī)容量的七分之一，這是由于地?zé)崮馨l(fā)電對(duì)地?zé)釡囟扔休^高要求，多布置于地殼板塊構(gòu)造帶，使得熱能利用在全球范圍分布不均[55].

我國對(duì)地?zé)崮艿睦米钤缭从跍厝?jīng)過70余年的發(fā)展，我國在地?zé)崮芾梅矫嬉呀?jīng)形成以地?zé)嶂苯永脼橹?、地?zé)岚l(fā)電為重點(diǎn)的產(chǎn)業(yè)布局. 2019年，我國的地?zé)嶂苯友b機(jī)容量連續(xù)多年位于世界首位，高達(dá)40.6 GW；然而，地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量僅為49.1 MW，與美國（3700 MW）、菲律賓（1918 MW）、印度尼西亞（2289 MW）等國相比仍有較大差距[56].

圖4和表1為2015年、2020年、2025年中國與其他各國地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)值和預(yù)測值的對(duì)比圖與數(shù)據(jù). 為大力推動(dòng)地?zé)崮苎芯颗c利用，我國已先后在“十二五”期間查明我國地?zé)豳Y源儲(chǔ)存條件、分布特征與開發(fā)利用現(xiàn)狀，在2017年出臺(tái)《地?zé)崮荛_發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》、《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017~2021年）》以及將地?zé)崮荛_發(fā)統(tǒng)籌納入《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，種種政策的出臺(tái)使地?zé)崮荛_發(fā)利用再次成為研究熱點(diǎn)[56-57]. 我國在藏南、滇西、瓊北、長白山等地區(qū)賦存有豐富的干熱巖資源，但長期以來國際上對(duì)干熱巖資源的利用仍處于探索階段，目前尚未形成完備的干熱巖資源利用技術(shù)[58]. 因此，大力發(fā)展干熱巖資源，促進(jìn)該方面的產(chǎn)學(xué)研究與應(yīng)用，將是我國實(shí)現(xiàn)地?zé)岚l(fā)電領(lǐng)域彎道超車的最佳契機(jī).

圖4 中國與其他十二個(gè)國家地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量對(duì)比Fig.4 Comparison of installed capacity of geothermal power generation about China and 12 other countries

表1 中國與其他十二個(gè)國家地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)容量數(shù)據(jù)Table 1 Data of installed capacity of geothermal power generation about China and 12 other countries

作為一個(gè)以中低溫地?zé)豳Y源為主的國家，地?zé)崮艿闹苯永萌詫⑹俏覈責(zé)豳Y源在未來的一段時(shí)期主要利用方式. 目前，阻礙我國地?zé)崮苜Y源利用的問題有：

（1）地?zé)嵯到y(tǒng)穩(wěn)定性問題. 主要存在于地?zé)崮苤苯永们闆r下，包括管道結(jié)垢、腐蝕對(duì)系統(tǒng)采暖的影響，水質(zhì)變化對(duì)自然環(huán)境的影響，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，鉆井選址對(duì)地區(qū)后續(xù)發(fā)展的影響等；

（2）技術(shù)領(lǐng)域難題. 主要存在于深地地?zé)崮芾脿顩r下，包括地下溫度場刻畫技術(shù)、地質(zhì)篩選模型、高溫定向鉆井技術(shù)、高效換熱技術(shù)、熱泵技術(shù)等領(lǐng)域仍存在許多技術(shù)障礙需要克服，尚未形成一套完善的適合我國國情的增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced geothermal systems，EGS)開發(fā)評(píng)價(jià)體系；

（3）政策扶持問題[59]. 由于地?zé)豳x存勘探與開發(fā)具有極大的不確定性，國內(nèi)目前對(duì)地?zé)崮荛_發(fā)處于政策引導(dǎo)階段，尚未給予實(shí)質(zhì)性扶持，如電價(jià)扶持、建廠扶持、勘探扶持等政策紅利，難以吸引民營資本投入. 促進(jìn)深地地?zé)崮芾孟冗M(jìn)理論突破與技術(shù)裝備發(fā)展，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研一體化協(xié)同創(chuàng)新進(jìn)步，使國內(nèi)儲(chǔ)量豐富的干熱巖地?zé)豳Y源有效利用，將是未來該領(lǐng)域內(nèi)的重要研究課題.

3 流態(tài)化浸出過程強(qiáng)化-地?zé)釁f(xié)同共采工藝構(gòu)想

3.1 構(gòu)想背景

“協(xié)同開采”，即采用某種技術(shù)手段和諧處理環(huán)境與資源開采之間的關(guān)系，將不良因素對(duì)采礦活動(dòng)的影響降至最低，甚至是將不利影響加以利用產(chǎn)生效益[60]. 金屬礦流態(tài)化浸出開采技術(shù)和地?zé)崮荛_采技術(shù)有大同小異之處. 它們的共同點(diǎn)[61]在于：（1）目標(biāo)資源位于地表1000 m以下；（2）目標(biāo)資源具有極高的開采利用價(jià)值；（3）目標(biāo)資源需采用鉆井和流態(tài)化開采方式. 不同點(diǎn)在于：原位溶浸開采需要向礦體注入強(qiáng)酸強(qiáng)堿等腐蝕性溶液，再通過生產(chǎn)井將含有金屬離子的富液提取至地表進(jìn)行進(jìn)一步的加工；地?zé)崮荛_采則是采用熱交換或者直接提取水溶液的方式獲得能量.

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，都是對(duì)國計(jì)民生產(chǎn)生直接和間接影響的重要戰(zhàn)略資源，因此對(duì)這兩者的協(xié)同開采已成為當(dāng)下解決單一開采模式效益不突出、鉆井生產(chǎn)成本高等問題的主要研究論點(diǎn)之一. 此前已有專家學(xué)者對(duì)采礦-地?zé)釁f(xié)同開采提出了多種構(gòu)想[61-62]，本文基于原位溶浸開采方法，提出一種流態(tài)化浸出過程強(qiáng)化-地?zé)釁f(xié)同共采工藝構(gòu)想，期望有助于為此類研究的后續(xù)研究提供新的思路.

3.2 構(gòu)想實(shí)現(xiàn)方式

目前，已有很多學(xué)者對(duì)堆浸條件下浸出過程強(qiáng)化做了大量研究[63]. 結(jié)合深地金屬礦產(chǎn)賦存秉性綜合來看，礦體的孔裂結(jié)構(gòu)不明、溶浸液的選取缺乏獨(dú)特性、溶液滲流參數(shù)難以控制、浸礦菌種的選取、菌種增殖活動(dòng)和菌種之間的協(xié)同作用、pH值變化、反應(yīng)溫度不穩(wěn)定、生物-化學(xué)反應(yīng)氧氣供需失衡、鈍化物的產(chǎn)生與作用機(jī)理，是阻礙當(dāng)下金屬離子浸出反應(yīng)高效進(jìn)行的主要因素. 深地金屬礦流態(tài)化浸出過程強(qiáng)化工藝體現(xiàn)在對(duì)上述因素的控制上. 通過智能化設(shè)備與自動(dòng)化工藝流程，對(duì)反應(yīng)過程中各種高影響因素開展實(shí)時(shí)監(jiān)管，嚴(yán)格管控溶浸液、菌種、反應(yīng)環(huán)境對(duì)礦物浸出的適宜性. 并且為解決此類礦山經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益與環(huán)境效益不突出的問題，該構(gòu)想統(tǒng)籌規(guī)劃工程勘探、工程運(yùn)作、工程復(fù)墾三個(gè)時(shí)間與空間維度，以此構(gòu)建資源賦存知根知底、資源利用節(jié)能高效、資源剝離環(huán)境友好的現(xiàn)代化礦山.

伴隨人們對(duì)深地金屬礦產(chǎn)資源開發(fā)深度的增加，礦體溫度隨之升高，當(dāng)圍巖溫度達(dá)到50 ℃時(shí)已經(jīng)滿足地?zé)崮芾玫淖钚￠撝担藭r(shí)即可采用合適的方式對(duì)地?zé)崮芗右岳? 本構(gòu)想基于原位溶浸開采技術(shù)，提出深地金屬礦流態(tài)化浸出過程強(qiáng)化–地?zé)釁f(xié)同共采工藝. 所述工藝流程如圖5所示.

圖5 深地金屬礦流態(tài)化浸出過程強(qiáng)化-地?zé)釁f(xié)同共采工藝流程圖Fig.5 Flowchart of fluidized leaching process intensification and geothermal co-mining process for deep underground metal ore

生產(chǎn)運(yùn)行過程如圖6，主要工藝環(huán)節(jié)簡述如下：

圖6 金屬礦流態(tài)化浸出過程強(qiáng)化-地?zé)釁f(xié)同共采工藝示意圖Fig.6 Enhanced metal in-situ mining and geothermal energy mining combined technology

(1) 前期勘探、實(shí)驗(yàn).

① 確定礦體區(qū)域，鉆鑿注液井和生產(chǎn)井；

② 注入實(shí)驗(yàn)用溶浸液和浸礦菌種，溶浸液與礦體充分反應(yīng)后，將含有金屬離子與熱能的富液提取至地表，分析浸出與熱能置換效果；

③ 重復(fù)過程②以消除誤差；

④ 根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)獲得可靠結(jié)果，進(jìn)行早期的預(yù)可行性研究和可行性研究，為后期工業(yè)生產(chǎn)制定可靠方案.

(2) 生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)建.

生產(chǎn)系統(tǒng)包含溶浸液與菌種制備系統(tǒng)、鉆井與管路運(yùn)輸系統(tǒng)、地?zé)崂孟到y(tǒng)、金屬析出系統(tǒng)以及生產(chǎn)輔助系統(tǒng).

① 溶浸液與菌種制備系統(tǒng)確保提供充足的浸出液與浸礦細(xì)菌，并回收利用不含金屬離子的貧液；

② 鉆井與管路運(yùn)輸系統(tǒng)確保溶浸液通達(dá)礦體，液體運(yùn)輸過程無泄漏；

③ 地?zé)崂孟到y(tǒng)用來提取溶浸液中的熱能，可通過構(gòu)建高效熱管組件、高效熱泵組件或是二者混合組件實(shí)現(xiàn)；

④ 金屬析出系統(tǒng)用來提取富液中的金屬離子；

⑤ 生產(chǎn)輔助系統(tǒng)用來確保各系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，包括電力系統(tǒng)、水力系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)模塊.

(3) 生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)節(jié).

① 在井內(nèi)使用爆破或是水力壓裂的方式制造孔隙裂隙，擴(kuò)展溶浸液與礦石的接觸面積與路徑，為高效浸出提供預(yù)備環(huán)境；

② 將制備好的溶浸液與菌種通過管路輸送至礦體，通過生產(chǎn)輔助系統(tǒng)溫度監(jiān)測模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測溶浸液溫度、礦物浸出速率等參數(shù)，通過對(duì)一系列浸出參數(shù)調(diào)節(jié)確保浸出過程的良好運(yùn)行；

③ 高溫、高金屬濃度的浸出液通過生產(chǎn)井抽出，首先經(jīng)過地?zé)崂孟到y(tǒng)提取其熱能、再經(jīng)過金屬析出系統(tǒng)提取礦物成分，最后貧液輸送至溶浸液與菌種制備系統(tǒng)，經(jīng)濃縮提純后儲(chǔ)存接續(xù)使用；

④ 重復(fù)循環(huán)②、③環(huán)節(jié).

4 未來機(jī)遇、研究難點(diǎn)與潛在突破

4.1 致密固態(tài)礦產(chǎn)流態(tài)化系統(tǒng)

原位流態(tài)化浸出開采技術(shù)最初用于開發(fā)具有放射性的鈾元素礦床，之后的研究將該技術(shù)擴(kuò)展至金、銅、銀、鉛、鋅等金屬元素的開采. 在過去的70年間，礦石生產(chǎn)多集中于1000 m以淺的區(qū)域，在這個(gè)深度范圍內(nèi)，原位流態(tài)浸出開采相比傳統(tǒng)大開大合式采礦方法具有金屬離子浸出速率低、全工藝生產(chǎn)周期長等劣勢，單位時(shí)間產(chǎn)量效益不明顯，并且該工藝對(duì)礦體滲透性要求較高，因此鮮有礦山采用此類方法進(jìn)行礦物開采，原位金屬礦流態(tài)化技術(shù)理論研究與應(yīng)用研究仍存在較多空白.

但隨著金屬開采由淺入深，淺部高品位礦石消耗殆盡，現(xiàn)有的井工采礦技術(shù)難以綠色、高效、安全、經(jīng)濟(jì)地回采深地礦產(chǎn)資源，因此對(duì)深地高品位礦石抑或是低品位礦石的回收都將進(jìn)入開采瓶頸. 筆者相信，在這種境遇下，原位流態(tài)化開采的研究將會(huì)逐步進(jìn)入廣大地礦工作者的視野，在學(xué)術(shù)與應(yīng)用方面凸顯其極具潛能的價(jià)值. 目前限制金屬礦石流態(tài)化的因素大致有[64]：（1）原位巖體環(huán)境滲透性差. 賦存于深地的金屬礦石在漫長的地質(zhì)演變過程中形成了致密結(jié)構(gòu)，因此在自然圍巖環(huán)境滲透性能差的情況下需要采取人工的方法（如爆破）在礦體內(nèi)制造孔隙，拓展溶浸液與礦石的接觸面積，但是這一技術(shù)在目前還尚未成熟，導(dǎo)致礦石流態(tài)化化學(xué)反應(yīng)難以進(jìn)行；（2）溶浸液滲透不清且礦物溶蝕效率不高. 目前尚未針對(duì)各類物理性質(zhì)各異的礦石制備特定溶浸液，普遍采用強(qiáng)酸強(qiáng)堿溶液腐蝕的方法使金屬礦物溶于溶浸液，并且對(duì)溶浸液在高溫、高滲透壓等特殊環(huán)境下與礦石的多場物理化學(xué)作用機(jī)理液尚不明確；（3）浸礦菌種在深地特殊環(huán)境下的浸礦機(jī)制、生長動(dòng)力學(xué)機(jī)理不明，導(dǎo)致原位流態(tài)化工業(yè)化進(jìn)程較為緩慢. 其中，原位致密巖體環(huán)境是影響該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，使致密固態(tài)礦產(chǎn)顆?；黾尤芙号c礦石接觸面積問題是提高溶浸速率的重中之重，如圖7所示.

圖7 深地致密狀態(tài)礦巖浸出與理想浸礦反應(yīng)狀態(tài)Fig.7 Deep and dense rock leaching and ideal ore leaching

4.2 深地資源智慧感知系統(tǒng)

目前，金屬礦、煤礦領(lǐng)域部分井巷式、露天式開采礦山已實(shí)現(xiàn)全局或局部智能化、透明化運(yùn)行，但受限于經(jīng)濟(jì)成本、安全作業(yè)、生產(chǎn)效率等因素，智能化系統(tǒng)及裝備大面積投產(chǎn)仍有待進(jìn)一步發(fā)展[65-66]. 相比應(yīng)用于井巷式、露天式開采的大型智能化系統(tǒng)及設(shè)備，由于該構(gòu)想工藝無需考慮井下人員安全問題，因而應(yīng)用于該工藝的深地資源智慧感知系統(tǒng)在開發(fā)與工程實(shí)踐方面有著更大的優(yōu)勢. 深地資源智慧感知系統(tǒng)相當(dāng)于礦山的第二大腦，能夠使工作人員對(duì)礦山的運(yùn)轉(zhuǎn)情況熟稔于心，進(jìn)而能夠?qū)ψ鳂I(yè)的任一環(huán)節(jié)做出快速反應(yīng)，提高礦山的工作效率與總體效益[66]. 因此，深地資源智慧感知系統(tǒng)的有無決定著該工藝能否高效運(yùn)轉(zhuǎn).

深地資源智慧感知系統(tǒng)，可分為數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)分析層和決策層，如圖8所示.

圖8 深地智慧感知系統(tǒng)設(shè)想Fig.8 Scheme of intelligent perception system in deep earth

（1）數(shù)據(jù)獲取層在各工藝環(huán)節(jié)配有微型聲納探測儀、溫度傳感器、離子濃度傳感器、pH傳感器等測量元件，可實(shí)時(shí)監(jiān)測溶液在各環(huán)節(jié)中的運(yùn)行狀態(tài)，如在浸礦環(huán)節(jié)中對(duì)浸礦速率、溶液滲流情況、礦體蝕變情況、溶液溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測；

（2）數(shù)據(jù)分析層收集井下傳輸?shù)馁Y料，繪制相關(guān)三維與二維圖像，分析有無異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)，交由決策層進(jìn)行下一步操作；

（3）決策層則根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，通過中央控制平臺(tái)智能調(diào)節(jié)溶液與各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的耦合狀態(tài)，對(duì)溶浸液制備濃度、菌落數(shù)量進(jìn)行智能調(diào)控，監(jiān)測溶液運(yùn)輸和儲(chǔ)存狀態(tài)，監(jiān)測熱交換系統(tǒng)內(nèi)溶液溫度梯度、金屬析出速率等工藝流程參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)礦石浸出速率、熱傳遞速率、循環(huán)速率，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)溶液循環(huán)系統(tǒng)平衡，避免因運(yùn)輸遲滯等原因造成的部分系統(tǒng)怠工狀態(tài)，減少熱能、電能等能源與資源消耗.

4.3 深地礦區(qū)溶浸液滲流控制系統(tǒng)

流態(tài)化浸出開采相比傳統(tǒng)井工、露天式開采，已在很大程度上實(shí)現(xiàn)綠色無污染開采要求，但深地巖土體、水源污染防治仍然是一項(xiàng)不可忽略的重要課題. 由于礦體形狀復(fù)雜多變，圍巖和礦體滲透性、孔隙度、可溶性等理化性質(zhì)難以預(yù)測，這種礦體地質(zhì)賦存各異性可能會(huì)導(dǎo)致溶浸液在參與浸礦反應(yīng)的同時(shí)與圍巖發(fā)生物化反應(yīng)，這不僅會(huì)降低溶浸液浸礦離子濃度，導(dǎo)致浸礦效率下降，也會(huì)對(duì)周遭巖土體甚至水源造成污染. 為防控這種潛在的問題，在以上所述特定浸礦溶劑、菌種的制備、深地資源感知系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出深地礦體內(nèi)溶浸液滲流控制系統(tǒng)，如圖9所示，該系統(tǒng)為構(gòu)建綠色開采提供了強(qiáng)有力的保障.

圖9 深地礦區(qū)溶浸液滲流控制系統(tǒng)Fig.9 Percolation control system of leaching solution in deep mining areas

設(shè)想該系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成：（1）地質(zhì)勘探與生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng). 該系統(tǒng)的構(gòu)建旨在加強(qiáng)礦區(qū)水文地質(zhì)學(xué)研究，摸清礦區(qū)地質(zhì)條件，排查有無需要重點(diǎn)防范污染的對(duì)象，從根源上治理環(huán)境問題，并根據(jù)地質(zhì)環(huán)境為后期搭建監(jiān)測系統(tǒng)提供指導(dǎo)，后期監(jiān)測系統(tǒng)包括構(gòu)建井下全局滲流監(jiān)測系統(tǒng)、深地浸礦作業(yè)三維可視化系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測、防范潛在問題的出現(xiàn)，并對(duì)出現(xiàn)的問題做到及時(shí)處理；（2）生態(tài)復(fù)墾監(jiān)測系統(tǒng). 該系統(tǒng)旨在注重復(fù)墾生態(tài)治理，在深地資源開發(fā)完畢后，為避免對(duì)當(dāng)?shù)貏?dòng)、植物群生態(tài)系統(tǒng)的破壞，復(fù)墾區(qū)需要進(jìn)行長期生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，定期衡量各種環(huán)境指標(biāo)，對(duì)污染源進(jìn)行有針對(duì)性地治理，直至該地區(qū)達(dá)到各種評(píng)審要求，達(dá)成人與自然和諧共生的美好愿景.

4.4 地?zé)?溶浸液能量置換系統(tǒng)

從生產(chǎn)井抽提出的富液具有溫度高、腐蝕性強(qiáng)等特性，為保證工作環(huán)境的安全性，最好是要做到“人不見液，液不見人”的工作狀態(tài). 因此，設(shè)立高效、耐腐蝕的智慧熱能置換系統(tǒng)就成了至為關(guān)鍵的一環(huán). 目前，在耐高溫、耐腐蝕材料的研究較為豐富[67]. 設(shè)想該系統(tǒng)由生產(chǎn)井管道、富液容器、高密度熱管、智慧監(jiān)控平臺(tái)組成，如圖10所示，這里對(duì)系統(tǒng)提出了三點(diǎn)要求：

圖10 智慧熱能置換系統(tǒng)Fig.10 Intelligent thermal energy replacement system

（1）生產(chǎn)井管道和富液容器要確保耐高溫、耐腐蝕、隔熱性能好. 這一要求是確保設(shè)備擁有高耐久度，且防止使高溫富液與空氣發(fā)生大量熱量交換，避免能量損失；

（2）熱管及其中的工作液體要有良好的熱傳導(dǎo)性、耐腐蝕性. 高密度熱管浸泡在高溫富液中，首先要確保熱管材料能夠長期經(jīng)受嚴(yán)苛的工作環(huán)境，其次要保證熱管及其中的工作液體有著良好的熱傳導(dǎo)性，以此來減少熱量傳遞過程中的能量損失，提高熱傳導(dǎo)效率；

（3）智慧監(jiān)控平臺(tái)要對(duì)全局工況有掌控性. 該平臺(tái)包括信息采集、信息處理與反饋兩部分，信息采集部分由植入管道、富液容器中的各類型傳感器構(gòu)成，承擔(dān)著監(jiān)測溶液運(yùn)輸過程熱能損耗、熱能置換效率、氣壓等參數(shù)；信息處理與反饋部分負(fù)責(zé)將監(jiān)測數(shù)據(jù)編碼、記錄，交由中央集成顯示平臺(tái)反饋系統(tǒng)運(yùn)行狀況，自動(dòng)與歷史平均數(shù)據(jù)、預(yù)期效果橫向?qū)Ρ?，分析?shù)據(jù)偏差及其成因，為系統(tǒng)平穩(wěn)、高效運(yùn)行提供參考.

4.5 熱能置換-溶浸液循環(huán)耦聯(lián)系統(tǒng)

由于富液在地?zé)崂孟到y(tǒng)中需要耗費(fèi)大量時(shí)間，使得金屬析出系統(tǒng)、溶浸液與菌種制備系統(tǒng)接收處理富液的時(shí)間被迫推遲，這在時(shí)間效率方面無疑使得總體效益降低. 基于電路“串、并聯(lián)”的思想，筆者猜想能否將原本串聯(lián)的工藝流程轉(zhuǎn)化為并聯(lián)的工藝流程，使地?zé)崂孟到y(tǒng)、金屬析出系統(tǒng)和溶浸液與菌種制備系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)“三位一體”運(yùn)行，使三者在時(shí)間尺度上并行，避免由于單一流程節(jié)點(diǎn)運(yùn)行效率低致使的總體效率低下的局面出現(xiàn)，以此來提高總體效益、降低礦山運(yùn)行成本. 該耦聯(lián)系統(tǒng)以大型富液容器為基底，布置有熱能置換系統(tǒng)、金屬析出系統(tǒng)、溶浸液與菌種制備系統(tǒng).系統(tǒng)智能與自動(dòng)化操控是必不可少的一環(huán)，不同的金屬有著對(duì)應(yīng)的析出工藝，以銅離子析出為例，構(gòu)想實(shí)現(xiàn)方式，如圖11所示.

圖11 熱能置換-溶浸液循環(huán)耦聯(lián)系統(tǒng)Fig.11 Thermal displacement–leaching fluid cycle coupling system

5 結(jié)論與展望

“向地球深部進(jìn)軍”，是習(xí)近平總書記的重要指示，也是金屬礦產(chǎn)開采的“必由之路”. 對(duì)深地金屬礦開展原位流態(tài)化開采，是一類基于溶浸液為介質(zhì)的顛覆性開采技術(shù)，可為深地資源開采提供了新思路. 地?zé)嶙鳛橐环N可再生的清潔能源，具有廣闊的應(yīng)用前景.

對(duì)此，本文立足深地?zé)?液能量轉(zhuǎn)化，創(chuàng)新探討了流態(tài)化浸出過程強(qiáng)化–地?zé)釁f(xié)同共采工藝構(gòu)想，從致密固態(tài)礦產(chǎn)流態(tài)化、深地資源智慧感知、溶浸液滲流控制、深地?zé)?液能量置換等角度，提出了該工藝發(fā)展面臨的難點(diǎn)問題與潛在突破，涉及材料學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科交叉，相關(guān)思路設(shè)想可為深地金屬礦產(chǎn)資源高效、綠色、智能開采提供新技術(shù)、新方案.