李夕兵院士：深部有色金属与地热资源协同开发关键技术进展与展望

编者按 我国战略性金属矿开采正向深部迈进，深部矿产与地热资源共采是金属矿深部开采的战略方向，但矿热共采在国际上没有可借鉴的先例，开采面临资源赋存特征复杂、采场热害难调控、矿热资源难回收、协同开采难保障等问题。正值“十四五”收官、“十五五”开局以及《金属矿山》创刊60周年之际，中国工程院李夕兵院士受邀撰文《深部有色金属与地热资源协同开发关键技术进展与展望》。该文立足我国战略性金属矿开采向深部迈进的重大需求，围绕矿山地热资源开发利用和深部热环境调控，以金属矿深部矿产和地热资源协同开采为背景，针对金属矿山深部开采面临的矿井热害和岩体动力灾害共存的问题，基于矿热资源赋存共生特性，论述了深部矿产和矿井地热协同开发的必要性和可行性，指出了深部金属矿在矿热协同开发理论与方法上所面临的主要挑战，展望了从热害控制到热能利用的矿热协同调控系统模式发展，可为深部矿热资源的安全、高效、智能共采提供理论依据与技术保障。

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战略性矿产资源作为国家安全保障、经济高质量发展、科技自主创新与可持续发展的重要物质基础，其稳定供应能力正日益成为国家发展的核心战略内容。国家层面明确指出，要提升战略性资源供应保障能力。随着我国对以稀有金属、有色金属、稀土金属为代表的战略性矿产资源需求不断增长，浅部资源日趋枯竭，深部资源开发已成为保障我国矿产资源可持续供应的主要途径。近年来，我国稳居全球矿产资源生产和消费大国地位，金属矿山正加速向深部迈进，“十三五”期间已有50余座金属矿山开采深度超过1 000 m，预计未来10 a将有超过1/3的金属矿山进入千米开采阶段，部分矿山甚至延伸至2 000~3 000 m的超深部区域。在这一区域中，深部开采面临高应力、高地温、强扰动的复杂开采环境，岩爆、片帮等动力灾害频发，同时热害加剧、通风降温难度大，严重制约了深部金属矿山的安全、高效、绿色开发。

在传统“灾害—治理”式的被动防控模式下，深部灾害治理手段多依赖高能耗、高成本的工程措施，降温通过水冷、冰冷等形式进行，不仅使资源开采效率大幅下降，也显著加重了矿山碳排放与环境负担，且难以适应新时代绿色低碳发展的总体要求。在此背景下，构建“变害为利”的协同利用新路径，将深部高地温、高应力等灾害因子转化为资源要素，探索深部矿产资源与地热能的协同开采路径，成为引领金属矿深部开发方式转型的重要技术策略。通过对矿热资源赋存演化机制的科学认知，攻克高温高应力环境下热能提取与矿体开采的耦合调控机理研究难点，构建智能化、高效化、低碳化的矿热协同开发系统，不仅可实现深地资源的多维高效开发，还可从源头上提升矿山热害防控能力与能源利用效率。然而，目前深部矿热协同开发尚处于理论探索与初始阶段，在资源赋存精细刻画、耦合响应规律揭示、系统调控技术集成与工程示范等方面仍存在诸多技术瓶颈。

本文立足我国战略性金属矿开采向深部迈进的重大需求，从深部矿产与地热资源共采的战略方向入手，阐述深部矿井高地温环境与地热资源化利用的难题以及资源共生特征，分析矿产与地热协同开发的必要性与可行性，剖析当前矿热共采在资源赋存特征复杂、热害调控困难、资源回收率低及协同保障不足等方面面临的系统性挑战，指出“十五五”该领域需要攻克的难点在于深部多场耦合环境下矿热资源赋存机制精细表征、高温高应力条件下热能提取与采矿工艺的协同调控、矿热共采系统智能决策与高效运行的关键技术集成，以及面向绿色低碳目标的全流程工程示范体系构建。

1 深部金属资源与地热资源的共生特征

1.1 深部开采的高地温环境与地热资源化利用

随着矿产资源开采向深部拓展，矿井所处的地质环境发生了显著变化，高地温环境逐渐成为深部矿山普遍面临的重大难题之一。所谓深井高地温环境，通常是指埋深超过800 m、地层温度普遍超过40 ℃，甚至在某些高热异常区井下温度可达60 ℃以上的极端作业环境。矿井高地温环境的主要来源包括：① 地球内部的天然地热传导，这是最基本且不可避免的热源，地温随深度增加而升高，一般地温梯度为20~30  °C/km，而在地热异常区或火成岩分布区，温度梯度可达到40 °C/km甚至更高；② 由于岩体自身的放射性衰变、剪切变形以及地震等地质活动过程中释放热能，进一步加剧深部热环境；③ 矿山生产活动带来的次生热，如硫矿石自燃、采掘机械设备运行、炸药爆破、运输系统、通风摩阻等也会产生大量热量，并叠加于自然热源之上，导致井下局部温度逐步升高。上述因素的叠加作用，使得深部矿井普遍处于高温高湿环境中，成为制约矿山安全生产与资源开发效率的关键因素。

目前，深井高温环境在我国和世界范围内的矿山中已广泛存在。例如南非Mponeng金矿作业深度已超过4 000 m，岩温高达60 °C以上；加拿大Kidd Creek铜矿在近3 000  m深度开采时岩体温度接近50 °C；我国三山岛金矿、焦家金矿、铜官山铜矿、金川镍矿等大型深部金属矿山在1 000 m深度处岩温普遍超过40 °C，部分超过45 °C，井下作业环境温度超过35 °C。根据我国矿井热害分级标准（《金属非金属矿山安全规程》（GB 16423—2020）），当空气干球温度大于30 °C、或湿球温度大于27 °C、或体感温度大于32 °C时，便构成热害环境。大多数深井矿山在夏季或高负荷运转期间长期处于热害状态，成为不可忽视的安全隐患。热害的危害主要体现在：首先，对作业人员而言，高温环境会导致体温调节功能紊乱，易引发中暑、脱水、热射病等职业健康问题，缩短作业时间，增加轮换频次，进而降低劳动效率；其次，高温环境会造成围岩稳定性下降，易诱发岩爆、片帮、热裂等动力灾害，增加支护和维护成本；再次，高温环境显著增加通风与降温系统的能耗和运行负荷，提高矿井运行成本，同时也对设备运行的可靠性提出更高要求，深部热害还将导致信息与控制系统失灵，进而影响整个采矿系统的稳定运行。因此，深井热害对矿山生产的综合影响不仅体现在安全层面，还会对资源回采率、经济效益和环境指标产生深远影响，鉴于深井高温环境所带来的综合性危害，其防范与调控具有重要意义。

矿山地热场的演化是岩浆热源、热传导机制与地下水流动三者耦合作用的结果，表现出显著的非均质性和空间差异性。金属矿大多为热液成因矿床，所处地层具有岩石渗透性低且岩温增长率高的特征，目前，千米级深井金属矿山地热资源以水热型地热为主，地热温度范围为25~80 ℃，属于中低品位热能资源。但随着开采深度由浅部向深部转移，热储温度随之升高，深部地热资源开发潜力愈发显著。在深部矿山日益普遍面临高地温环境的背景下，如何将原本作为“热害”的高温岩体或热水转化为可利用的能源，成为资源综合利用与绿色低碳矿山建设中的关键课题。

1.2 金属矿山矿热赋存特征

地球深部蕴藏着大量的矿产资源，且随着开采深度增加温度持续不断地增大，地热资源也异常丰富。有色金属矿产资源与地热资源在地质空间中呈现出显著的协同赋存特征，两者的形成与分布受控于共同的地质构造背景，具有显著的空间耦合性。以我国为例，相关矿产与地热资源主要分布于特提斯—喜马拉雅构造带和东部环太平洋板块汇聚带，该区域的强烈地壳构造运动为矿体富集和热流聚集提供了有利条件。在深部资源开发过程中，常见的金、铀、稀有金属等矿床常伴随着高温地热异常现象，表明深部热流量的增强不仅驱动了矿物热液成矿过程，也为地热能的形成与富集提供了必要的热源条件。并且岩体裂隙结构作为控制热流体运移和矿体赋存的重要因素，对资源的协同开发潜力具有决定性作用。

我国胶东地区不仅是黄金储量最丰富的区域之一，同时具备良好的地热赋存条件，三山岛金矿地温梯度高达0.042 ℃/m，展现出优越的共采价值。以胶东地区为例，其金矿分布与高地温梯度并存，显示出良好的共采前景。然而，矿热资源协同开发并非对所有矿山具有普适性，其中某些成矿类型如斑岩—浅成低温热液矿床因埋藏浅，缺乏深部热源条件，不具备地热利用优势；此外，某些富含重金属的矿床由于存在环境污染与健康风险，也不宜与地热资源协同开发。未来有必要从地质成因机制、热储特征、工程可行性及环境适应性等方面开展系统研究，为深部矿产与地热资源的高效协同利用提供关键支撑。

因此，推进有色金属矿产与地热资源协同开发，不仅是提升我国深地资源开发效率的重要路径，更是实现“双碳”目标与矿业高质量转型、“十五五”期间推动矿热协同开发实现规模化工程应用、我国深部资源与能源实现自主保障的重要举措。

2 矿热协同开采模式及关键科学问题

2.1 深部开采地热“变害为利”思路

早在2001年第175次香山科学会议上，作者就前瞻性地提出了“变害为利”的深地资源安全高效开采理念，强调应从资源利用与系统优化的角度，重新审视深部开采中面临的高应力、高地温与高井深三大主控因素，如图1所示。传统观点普遍将其视为灾害性约束因素，聚焦于研究如何进行灾害控制与作业优化，例如应对高应力问题的岩爆预测与防控、应对高地温问题的矿井热害抑制、应对高井深问题的深井提排系统设计等。然而，随着对深地工程环境与多场耦合机制认识的不断深化，被认为“有害”的因素亦具备向“有利”条件转化的潜力，体现出“变害为利”的战略价值。

图1 深地资源灾害性因素“变害为利”途径^[6]

三大主控因素中，高地温的资源属性尤为突出，在深部矿体原位溶浸开采过程中，高地温显著加快了矿物与溶浸液之间的物理化学反应速率，提升了溶浸效率与采收率，从而有利于提高低品位难处理矿产的经济可采性，如图2所示。此外，高地温所蕴含的地热能本身也是一种可再生清洁能源，其在井下大量储存，通过井下换热与地面系统联动，不仅可实现热能提取用于地面供暖或地热发电，而且可反向用于井下作业空间的温度调控，实现主动降温。该设想打破了传统热害控制的被动策略的束缚，为井下作业环境改善提供了能效协同的新路径。

（a）高地温促进原地溶浸

（b）高地温促进热、电、资源联合开发

图2 高地温促进溶浸采矿和地热开发利用流程^[6]

2.2 矿热协同共采模式

2.2.1 基于水源热泵技术

随着深部矿山热害问题日益突出，以及矿山地热资源的广泛分布，水源热泵作为地热能开发利用的一种高效手段，在矿山系统中逐渐得到关注与应用。水源热泵（Water Source Heat Pump, WSHP）是一种利用水体（如地下水、地表水、海水、矿井水等）作为冷热源，通过少量高品位电能实现热量从低温区向高温区转移的节能设备。

何满潮院士系统研究了深部矿山热害形成机制，建立了“深部岩体热力学”理论，随后提出高温热害控制HEMS技术。深井HEMS降温系统工作原理如图3所示。HEMS系统是利用矿井各水平现有涌水，通过能量提取系统从中提取冷量，再运用提取出的冷量与工作面高温空气进行换热作用，降低工作面的环境温度及湿度，同时将置换出的热量作为地面供热及洗浴的热源，经济效益与环境效益显著。

图3 HEMS系统工作原理^[35]

2.2.2 基于充填埋管技术

王双明院士提出的充填埋管技术，是指在钻孔或地下采空区、巷道、井筒等空间内铺设换热管，并使用导热性能良好或特定设计的填充材料将其固定，构建稳定的换热系统，如图4所示。张吉雄等提出的深部矿山相变蓄热功能充填采热技术，是利用相变蓄热功能充填材料置换煤炭资源，构造煤系热储开发系统，通过功能充填体相态变化吸收存储热能，实现矿山地热能高效开发，具有单位质量和体积蓄热量大、蓄热和放热过程温度波动小且近似恒温、化学稳定性好及安全性高等特点，技术原理如图5所示。

图4 蓄能/储能功能充填体的矿热协同开采总体方案^[37]

（a）技术原理

（b）系统构成

图5 深部矿山相变蓄热功能充填采热构想及技术体系^[38]

^{2.2.3 基于溶浸法采矿技术}

^{溶浸法采矿（In-situ Leaching, ISL），又称地下注溶采矿或原地浸出法，是一种将溶剂直接注入矿体内部，通过化学反应将目标矿物转化为可溶形态，然后抽出含矿溶液进行分离提取的绿色、低扰动采矿方法。近年来，该技术在环保、安全和经济性等方面的优势受到广泛关注，特别适用于某些不可开采或不宜开采的深部矿体，在铀矿、金矿、铜矿、稀土矿、锂矿等资源的开发中展现出显著潜力。}

^{深地矿产资源和地热能资源赋存具有相同的地理环境，基于原位溶浸开采方法，可实现流态化浸出过程强化与地热资源协同共采。基于溶浸法采矿技术的矿热协同开采思路的核心是构建一个“物质与能量一体化开采”系统。通过共享注入井与生产井网络，使经过设计的多功能流体在地下同时完成两种任务：一是作为溶浸剂溶解目标矿产资源，二是作为携热工质吸收围岩中的地热能。高温富金属离子流体被提至地表后，先通过热交换系统释放热能用于发电或供暖，实现能量提取；降温后的流体再进入金属回收工艺流程提取有价值的矿物。最终，处理后的流体可再生并回注地下，形成一个闭路的循环系统。实现了“一井多用、一液多能”，显著提升了深地资源开发的综合效益与环境友好性，代表了未来深地资源绿色开发的一个重要方向。}

2.2.4 基于构筑崩落层的采矿技术

^{围岩温度增长至100 ℃以上区域的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。唐春安等提出了基于开挖的增强型地热系统（EGS-E），如图6所示。该系统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，为实现资源开采与高温地热能开发并行推进的多能互补、低碳高效开采新模式。}

图6 基于开挖的增强型地热系统（EGS-E）的总体方案^[45]

2.3 岩层降温协同地热开采模式

2.3.1 构想框架

矿山矿产资源赋存方式与开发方式差异大，各矿层的岩层活动和流体迁移等影响彼此的开采，根据矿山开采特点，采用分区协同采理念，将不同矿体在活动空间上分为矿产开采区及伴生地热超前开采区（未来深部矿产开采区），本研究团队提出了矿山超前地热开采协同岩层降温系统，如图7所示。根据矿体分布走向及开采顺序，协调矿区间隔水保护层作为矿热共采的缓冲区，在不影响开采活动的基础上，针对未来待开发矿层（矿体Ⅱ）进行超前抽热降温，主要过程是直接利用上层开拓系统的竖井通道继续钻井至待开发矿域，采用爆破预裂及水力扩缝手段精准控制目标岩层域的缝网范围从而超前取热，在巷道掘进作业前最大化冷却岩层，直到巷道开挖作业开始后停止注冷水，维持热抽采以减少矿山开拓的涌水风险，重复上述步骤继续对下一分区高温岩层进行超前采热降温。

图7 矿山超前地热开采协同岩层降温技术的矿热协同开采总体方案

在矿山超前地热开采协同岩层降温系统运行过程中遵循了全资源、全生命周期协调开采规划理念，形成深部采矿—采热—降温一体化的系统开采模式，保障各能源开采活动同时进行、互不干扰、又互相联系，实现矿产开采、岩层降温和地热利用三环节绿色协调运转。针对深部矿产及伴随的地热资源，仍需进一步探明协同开采多相多场耦合机制与岩层开拓活动叠加的影响规律，实现经济效益最大化和资源开采最优化。

2.3.2 工艺流程

超前矿山地热开采及岩层降温技术隶属于矿热协同开采范畴，可划分为协同前期、中期和后期三大阶段。根据矿产资源开采存在的隐患因素与实际工程多目标约束，各阶段开采协同侧重点分别为前期岩层蓄能与含水层热能提取协同、中期热水抽采与开挖巷道热害治理协同、后期矿产开发与开采层降温保温协同。矿山超前地热开采协同岩层降温系统所涵盖的关键技术如图8所示，具体阐述如下：

（1）岩层致裂工艺：爆破致裂。在矿山开拓工程中，爆破是常用的破岩开挖手段及方式，针对相对致密的岩石，传统爆破手段依旧是矿山开采的主流手段，具有不可控、损伤岩石等不足，研发精准可控致裂技术实现矿岩层诱导裂隙网络的有序生成逐步成为学者们的追求目标。液态CO相变爆破岩层致裂技术更容易在钻孔周围形成体积破裂或丛式破裂，实施简单、成本低廉、整体安全性高，可以有效控制缝网范围，弥补了传统爆破、水力压裂和深孔爆破在致裂增透方面的不足，且不过度破坏岩体骨架的完整性，使其在井下各类岩层增渗中得到了广泛应用。因此，在矿山超前地热开采协同岩层降温系统中使用液态CO相变爆破岩层致裂技术并结合矿山开拓作业顺序，定点定位致裂，致裂区域主要集中于待开采矿区巷道的开拓路径上，远离上下安全隔层，使得矿层破坏范围精准可控，在此基础上进行注水水力扩缝诱导裂隙网络有序生成，增强注入井与生产井的储层渗透性。与此同时，所采用的CO相变爆破岩层致裂技术，不会对热采后的后续开拓空间的作业活动造成影响。

（2）热能提取与利用工艺：热泵技术。热泵是一种通过能量驱动，将低品位热源的热量传递到高品位热源，使低温热源温度降低，同时高温热源温度升高的装置。地热储层开采系统产生的地热水属于低品位热能，从地热水直接回收利用热量的效益不佳，而水源热泵可从地下水获得低品位热能，并将低品位热能转化为可利用的高温热能。因此，为了从地热水中高效回收热量，可将水源热泵与开放式或封闭式地热循环开发系统相结合，开发“地热能+”多能互补新模式。在矿山超前地热开采协同岩层降温系统运行过程中的热能提取与利用方面，设计的矿井地热水和热泵联合供暖系统，主要由地热储层开采系统、板式换热器系统、水源热泵系统、建筑物供暖系统和浴水供暖系统5个部分构成，如图8所示。该系统创新性地将矿井地热水与热泵技术耦合，形成了多级联供的特色模式。其核心功能在于通过梯级利用，实现对中低品位地热能量的高效提取：地热水先经板式换热器系统为建筑供暖和浴水预热，再驱动热泵进一步提升余热品位，最终实现热能的全方位高效利用，兼具节能与经济效益。

图8 矿山超前地热开采协同岩层降温系统的工程结构组成

（3）岩层取热—预冷工艺。低温冷水注入到储层空间上，水作为换热介质，既是热能载体又是冷量载体，水与储层间存在温度梯度会产生热交换，低温水介质被加热而水附带的冷量被储存在储层空间内，换热储冷过程平衡持续时间取决于储层岩性、水流状态、温度梯度、水岩温差等因素，注水储冷是水渗流与裂隙渗流、热传导和热对流相互作用的复杂过程。

（4）岩层降温—取热循环工艺。待开采岩层既是热储空间进行热量提取，又是矿产赋存区间进行采矿作业。在待开采区域进行先取热后采矿的顺序，即先进行注水降温，最大限度置换出岩层的热量，使其在一定区域范围内的岩体温度降低，达到岩层降温效果为采矿作业创造条件，之后持续进行热抽采作业，待开采区进行采矿期间必然会随着岩温回升而导致巷道温度上升。循环下一阶段待采区的采热活动，可以有效阻隔下部岩层的热能传递，同时进行到下一个“先采热—后采矿”的循环作业过程。

2.3.3 多参数协同优化

矿热协同开发中的多参数影响如图9所示。协同开发理念强调在资源开发过程中实现多要素、多目标的协调统一，旨在通过系统整合矿产资源、能源资源（如地热）、环境承载能力与工程技术手段，推动资源高效、低碳与可持续利用。在矿热协同开发模式中，突破传统单一的矿产开采思维，通过耦合地下矿产资源与地热资源的空间分布与开发流程，构建资源互补、功能协同、效益叠加的综合开发系统。该模式不仅提升了资源开发的整体经济性和能源利用效率，同时有助于缓解矿山深部热害、降低碳排放、延长矿区生命周期，是面向绿色矿山建设与深地开发需求的重要发展方向。

图9 矿热协同开采模式下的多因素综合影响作用

2.4 矿热协同开采的关键科学问题

2.4.1 深部矿热迁移机理

深部金属矿山的成矿过程多受到地下热液作用影响，矿产资源与地热资源在空间分布上具有高度的重合性，了解资源赋存状况是实施矿热共采战略的基础。然而，典型金属矿山的水热型地热资源受地质构造、矿岩物性条件等因素影响，矿岩水热渗流传热特征异常复杂，并且采场及各类硐室巷道层层叠叠影响热流的迁移过程，造成开采空间温度场演化难以预测。因此，为有效调控并利用地热资源，必须首先揭示其复杂的矿热迁移机制，实现温度场的精准预测。后续研究应聚焦于：调研深部开采过程中的矿—热赋存特征，在此基础上分析多尺度复杂地质环境下的矿岩层渗流规律，明确复杂热源、导热空间、热能载体之间的矿热迁移机制，构建矿区深部地热三维温度预测模型，建立矿热精准“调控—利用”温度划分判据，揭示深部金属矿山矿岩渗流传热与矿热迁移机理这一关键科学问题。

2.4.2 深部硬岩传热通道形成与增渗机理

深部金属矿床矿热协同开采时，高温高压环境下的硬脆矿岩受到开采扰动的长期作用，在原位真三轴应力环境与动力扰动组合加载条件下，高温硬岩的微观结构演化、宏观力学特性及其动态破裂行为将如何表现？这将显著影响其可钻、可爆、可致裂效果。尤其是，为了达到热储建造的复杂缝网效果，硬岩还将受到气—液两相耦合的动态冲击作用，诱导宏观裂缝起裂、扩展和裂缝网络延伸。高温高压硬岩如何达到临界应力状态起裂扩展，裂纹网络生成后渗流场如何演化，科学机理尚不明晰。因此，需定量评价动态扰动下热—力耦合硬岩的微观结构、宏观力学及破裂演化特征，建立耦合致裂机制下硬岩气体爆破起裂与动态水力诱导扩展准则，获得致裂参量与深部赋存环境联合影响下的裂缝起裂、扩展和渗流演化响应规律，揭示深部热—力耦合环境下的硬岩动态破裂特征与耦合致裂机理这一关键科学问题。

3 挑战与展望

矿热共采战略根植于深部金属资源与地热资源“同源共生”的赋存特征，其协同开采模式的有效构建，则依赖于对多场耦合下矿热迁移机理等关键科学问题的深刻认知。为推动矿热共采技术在“十五五”期间从理论探索到工程应用的跨越，本研究立足矿热资源协同开发与空间演化机理、硬岩致裂机理与矿热利用技术、矿热协同开采模式与减灾机理3个关键难题，研判未来重点攻关方向，为我国深部资源与能源的自主保障提供重要支撑。

3.1 矿热资源协同开发与空间演化机理

（1）面临的挑战。矿热资源空间分布复杂，矿热“调控—利用”温度判据难以建立。深部金属矿山的温度场分布特征及其预测仍是一个挑战，精准预测地温场分布情况，对深部矿山地质温度场勘探及热能利用研究具有重要指导意义。热害调控和地热资源的有效利用，需要准确的温度判据和深入的热力学分析。当前，对于高温矿山的温度场控制、热害预防以及地热资源的综合利用等方面，尚存在诸多问题和挑战。

（2）展望。明晰矿热资源分布特征，揭示矿岩渗流传热与矿热迁移规律。需要通过现场监测、室内实验、理论分析和数值模拟相结合的方法，深入探索裂隙岩石水岩换热系数的渗流传热规律，以及地层应力约束下大尺寸岩层的温度场及渗流场分布特征，并进一步揭示在矿井开采过程中的矿热迁移演化机制，提出矿热“调控—利用”温度划分判据。并且金属矿与地热资源往往在地质构造上具有共存条件，未来应加强地质勘查一体化布局，推动“矿热共探、共采”模式，实现资源的空间协同与集约利用，避免重复投资与地层破坏，提高资源开发效率。

3.2 硬岩致裂机理与矿热利用技术

（1）面临的挑战。在深部金属矿山热害调控治理的同时，变“热害”为“热利”，利用工程技术手段在高温矿岩层进行致裂增透，建造人工热储实现矿热回收利用是实现矿热资源共采的核心方法。然而，由于深部金属矿山岩性多较为坚硬，且赋存于热力耦合的特殊地质环境，硬岩致裂难度极大且其破裂行为表现出高度的非线性与突变特性。因此，深刻认识深部硬岩的热—力耦合状态下的破裂特性，创新矿岩层内精确可控致裂技术，在保证矿岩层稳定的前提下增加高温矿岩热交换裂隙网络，是实现矿热回收利用亟待解决的问题。

（2）展望。面对深部金属矿山采热矿岩可控致裂需求，以某种单一手段开展矿岩致裂可能难以形成影响范围较大的裂缝网络热储，亟需探索高应力高温硬岩气液多相耦合的致裂机理，充分发挥联合致裂技术的优势，形成现实可用的精准可控的致裂方法，如图10所示。

图10 高温矿岩耦合致裂下矿热精准回收方法

3.3 矿热协同开采模式与减灾机理

（1）面临的挑战。围绕战略性矿产资源深地开采需求，不少研究者开始探索深部矿热共采模式。尽管该模式概念被广泛提出，但目前研究聚焦于煤炭开采领域。金属矿山岩石坚硬、热储建造困难，若采用爆破致裂提高储层渗透性进行采热，会使得采矿生产爆破难度急剧增大，甚至无法提供爆破落矿的条件。所以在硬岩金属矿山进行矿热协同开采显得尤为重要，其核心步骤是在空间和时间上先采热后采矿，实现矿热协同开采不仅需要考虑采热工艺和采矿工艺的有效衔接，还应顾及采热后矿房围岩力学性质变化。

（2）展望。从技术、安全及经济角度，构建深部战略性金属矿山矿热协同开采理论和相关工艺体系，实现矿热高效精准开采和减灾增效。未来可在国内典型深井矿山（如三山岛金矿等），结合矿热资源分布特征和生产情况构建矿热协同开采模式，并进行现场工业性试验，建设矿热资源安全高效协同开采示范工程。

4 结 论

（1）深部金属资源与地热资源具有成因与空间上的协同赋存特征，二者共同受地质构造与热液成矿作用控制。高地温环境在构成开采热害的同时，本身即为中低温地热资源，体现出“以热成矿、热矿共存”的天然禀赋，为矿热协同开采奠定了资源基础。

（2）矿热协同开采的本质是构建“矿产与地热能一体化开采”系统，通过共享工程结构（如井巷、充填体）与循环工质，在采出矿产资源的同时提取地热能。根据“变害为利”的指导思想，提出了矿热调控与高温矿热利用的策略，形成矿山超前地热开采协同岩层降温系统，阐明了该系统在岩层致裂工艺、热能提取与利用工艺、岩层预冷工艺以及岩层降温—取热循环工艺等方面的关键技术和工艺流程，以实现矿井地热资源开发与超前岩层降温的双重目标，形成深部金属矿山多位一体矿热协同开采模式。矿热协同开采模式的成功构建与优化，亟需突破两大关键科学问题：一是深部矿热迁移机理，二是深部硬岩传热通道形成与增渗机理。

（3）为推动矿热协同开采从理论走向工程应用，应着力解决三大核心挑战，即矿热资源空间分布复杂导致温度判据建立困难、高温硬岩致裂难度大制约人工热储建造、金属矿协同开采模式中工艺衔接与围岩稳定控制问题突出。“十五五”期间乃至更长一段时间该领域应重点突破的方向在于：揭示深部多场耦合环境下矿热资源赋存机制精细表征、高温高应力条件下热能提取与采矿工艺的协同调控、矿热共采系统智能决策与高效运行的关键技术集成，以及面向绿色低碳目标的全流程工程示范体系构建。

参考文献（略）

学者风采

李夕兵

中国工程院院士，中南大学教授、博士研究生导师

国家杰出青年科学基金获得者（1996），教育部“长江学者奖励计划”特聘教授（2000），湖南省科技领军人才。曾任中国岩石力学与工程学会副理事长、国际岩石力学与岩石工程学会中国国家小组副主席、深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点实验室主任。

李院士带领团队长期扎根教学科研一线，从事金属矿安全高效开采等领域研究，针对金属类资源在空区群、崩落体、海下和深部高应力等复杂环境，提出了岩石动静组合加载破裂理论与方法，创新了金属矿开采高效致裂与诱发灾害精细防控技术，构建了复杂环境下资源安全高效低贫损开采新模式。授权国家发明专利111项，制定国家行业标准6项，出版著作8部，SCI收录论文300余篇，SCI总引用15 000余次，H指数73，连续多次入选“中国高被引学者榜单”与“全球前2%顶尖科学家榜单”。曾获得国家科学技术奖励5项，包括国家自然科学奖二等奖1项（排名第一），国家科技进步奖二等奖4项（3项排名第一、1项排名第二）。获得中国青年科技奖、科学中国人年度人物、全国优秀科技工作者奖暨十佳全国优秀科技工作者提名奖、湖南光召科技奖等荣誉。

成果来源

李夕兵，陈祉颖，陈江湛，黄麟淇.深部有色金属与地热资源协同开发关键技术进展与展望[J/OL].金属矿山，1-18[2025-11-27].

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

编排：余思晨

审核：王小兵

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