一、前言
經過多年的大規(guī)模持續(xù)開采，我國淺部礦產資源逐年減少、趨于枯竭，礦產資源特別是金屬礦產資源的開采逐步向深部全面推進 [1]；已有一批金屬礦山的開采深度達到或超過 1 km，正在或計劃興建的大中型金屬礦山幾乎全部為地下深井礦山。未來十年，我國 1/3 以上的金屬礦山開采深度將達到或超過 1 km，部分可達 2~3 km [2,3]。由此可見，深部開采是保障我國金屬礦產資源可持續(xù)開發(fā)與供給的最主要途徑 [4~6]。
金屬礦深部開采會遇到一系列關鍵難題，最突出的是高溫環(huán)境條件伴生的一系列問題使得深部采礦難以為繼 [3,7]。為了維持正常生產必須進行降溫處理，常用的降溫技術有非人工制冷、人工制冷兩大類。礦井通風是主要的非人工制冷降溫技術，但井深超過 1 km 后常規(guī)通風無法滿足降溫要求，必須輔以人工制冷降溫。人工制冷降溫分為水冷卻、冰冷卻兩種類型。水冷卻系統(tǒng)實際上是地面空調系統(tǒng)在井下礦山降溫中的應用，早在 20 世紀 60 年代南非便開始使用大型礦井集中空調；但隨著礦井深度的增加，水冷卻系統(tǒng)不可避免存在過高的靜水壓力和難以解決的冷凝熱排放問題。冰冷卻降溫系統(tǒng)利用冰的融化潛熱進行降溫，獲得相同冷量所需冰量的含水量遠低于水冷系統(tǒng) [8]，在 20 世紀 80 年代初期南非等國家開始進行冰冷卻降溫系統(tǒng)的研究與應用；在井深超過 2~3 km 后，人工制冷降溫成本會很高，一般礦山無法承受。也要注意到，現有的降溫技術都是被動式降溫；必須發(fā)展和應用主動式降溫技術，才能解決被動式降溫造成的采礦高成本問題。
對于發(fā)展主動式深井降溫技術，最具發(fā)展前途的是深部地熱開發(fā)技術 [9]。事實上，深井高溫環(huán)境主要由高溫巖層“熱輻射”引起，是作為天然清潔能源的地熱產生的效應。若在深部礦產開采過程中采用熱交換技術，對地熱資源進行開發(fā)利用，即為深井采礦、深部地熱的聯合開發(fā)。開采深部地熱資源不僅可以變“熱害”為“熱利”，為地下采礦空間環(huán)境降溫創(chuàng)造條件，還能夠大幅度降低專門為采礦降溫采取一系列被動式措施的成本，有望為深井降溫開辟一條具有顛覆性、技術經濟性的新途徑。已有研究提出了基于開挖技術的增強型地熱系統(tǒng)概念模型（EGS-E），從系統(tǒng)原理、工程構想、技術優(yōu)勢等方面對 EGS-E 進行了具體闡述 [10~12]。
本文在全面調查我國深部高溫巖層地熱賦存情況、礦產與地熱資源共同賦存區(qū)域類型及特征的基礎上，分析國內外深部地熱的開發(fā)利用現狀，總結我國在相關領域的重要研究進展，提出技術經濟可行的深部礦產與地熱資源共采雙贏戰(zhàn)略；分析深部礦產和地熱資源共同開發(fā)利用面臨的關鍵問題和技術瓶頸，明晰深部礦產和地熱資源共采的重點研究任務，針對性提出推進深部礦產與地熱資源共采戰(zhàn)略實施的發(fā)展建議。相關研究成果可為我國資源和能源的中長期可持續(xù)發(fā)展提供前瞻性路徑與戰(zhàn)略性啟發(fā)。
二、深部礦產和地熱資源共采的重大意義
（一）深部“礦 – 熱共采”是自然資源綜合開發(fā)利用的重要趨勢
延續(xù)千年的大規(guī)模自然資源開發(fā)與利用，打破了地球生態(tài)系統(tǒng)平衡，導致氣候變化、極端氣候事件頻發(fā)，給人類生存和發(fā)展帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。全球氣候控制已是世界各國高度關心并參與行動的重大課題。我國碳達峰、碳中和目標的提出，體現了推動構建人類命運共同體的責任擔當，也是實現可持續(xù)、高質量發(fā)展的內在要求。盡管為了按時實現碳達峰、碳中和目標，以煤炭為主體的化石能源使用將逐步有序地減少或消退，但經濟社會發(fā)展對能源的需求仍在持續(xù)。地熱能作為綠色、低碳、無污染的可再生能源，儲存量極大，是取代傳統(tǒng)化石能源、保障不斷增長的能源需求的有力選項。深部礦產資源和地熱資源將是推動我國能源轉型、全球能源與資源供給格局深刻變革的重要因素，有利于國民經濟朝著高效、環(huán)保、清潔、低碳方向發(fā)展，成為人類對美麗生態(tài)環(huán)境和美好生活目標需求的重要基礎保障。
從深部采礦可持續(xù)發(fā)展的中觀角度看，采用現有技術開采 2 km 及更深部位的礦產資源時，因降溫成本過高而在經濟上不可行。深部礦產與地熱資源共采，不但能夠顯著降低傳統(tǒng)的被動式降溫成本，而且可以提升礦產、地熱資源的綜合開采效益；為解決傳統(tǒng)采礦模式進行深部采礦“成本太高、效益太低”的經濟性問題，保持深部礦產的可持續(xù)、大規(guī)模開發(fā)提供了新模式、新路徑。
（二）“礦 – 熱共采”為深部高溫巖層地熱開采提供全新技術手段
絕大部分地熱能賦存在 3~10 km 深處的高熱堅硬巖層中，隨著人類對地熱開發(fā)利用需求的不斷增加，各國對這部分地熱能開發(fā)利用的重視與依賴程度也在迅速增加。石油鉆孔等傳統(tǒng)方式開采深部地熱資源時存在難度大、能力小等問題，而增強型地熱系統(tǒng)（EGS）技術在建造人造熱儲方面面臨諸多難點：①要在地表下 3~10 km 的深部建造地熱開發(fā)系統(tǒng)，需要采用特種技術與裝備（適應高熱堅硬巖層、高地應力條件）來開掘特殊巖石工程、結構、通道并保持其穩(wěn)定，這前所未有、難度極大；②由于深部高地應力的作用，水壓致裂制造的裂隙經常會閉合，導致裂隙間不連通或形成短路，無法建成并保持足夠體積的熱儲；③多次高壓激發(fā)已存在的裂隙，可能導致生產井、注入井的直接連通并形成流體短路效應 [13]，造成換熱效果完全喪失；④利用 EGS 技術開發(fā)地熱時，注水井、生產井的水循環(huán)過程往往消耗大量的水，可能導致與地下水相關的環(huán)境問題。迄今為止，在采用 EGS 技術開發(fā)深部地熱方面并未形成有效的解決方案，因而相關工作仍處于研究和試驗階段，距離大規(guī)模工業(yè)化開發(fā)仍有相當距離 [9]。
將采礦技術用于地熱開采可有效解決上述 EGS 應用的難題。當前，硬巖礦山的開采深度已超過 4 km，深部開挖技術十分成熟。利用采礦技術，從地面向深部高溫巖層開挖豎井，在豎井下部開掘多水平分布的水平巷道，再加上通過爆破方式在礦體中形成的破裂網絡，可大幅度提高熱儲建造能力、增加熱交換面積及地熱能獲取與輸出的量級，為大規(guī)模地熱開發(fā)創(chuàng)造有利條件；開挖的豎井和巷道可供采礦作業(yè)、地熱開采共用，在降低地熱開發(fā)成本的同時，最大限度地減少環(huán)境污染。因此，深部礦產和地熱資源共采技術的運用，極大可能為未來深部高溫巖層地熱開采提供全新的技術手段。
三、深部礦產和地熱資源開發(fā)利用現狀及我國“礦 – 熱共采”的科技基礎
（一）國外深部高溫巖層地熱資源開發(fā)利用
對于深部高溫巖層地熱開采，國外在 50 多年前就開始研究 EGS 技術，即采用石油勘探鉆孔的方法向深部高熱地層打鉆孔，應用水力壓裂等井下作業(yè)措施在鉆孔底部的干熱巖體中造成具有高滲透性的裂縫體系，由此“人造”出一個地熱儲層（熱儲）；然后在地面上從注入井（一口或數口）中將冷水注入熱儲，經裂縫換熱后再從生產井（另外數口）中抽出至地面，利用產生的地熱蒸汽進行發(fā)電等熱能應用。
20 世紀 70—90 年代是 EGS 地熱開發(fā)研究的興起階段，美國、英國、日本、法國先后開展了 6 個現場試驗項目。1973 年，美國最早在墨西哥州芬頓山開始第一次 EGS 現場試驗，隨后在加利福尼亞州蓋塞斯進行試驗。1991—2000 年為干熱巖研究低潮期，沒有 EGS 新增項目實施。2001 年以來，有關干熱巖的研究再度升溫，美國、德國、澳大利亞、韓國啟動了多個 EGS 研究與現場試驗項目。截至 2019 年，歐洲、北美洲、澳洲、亞洲、中美洲的 14 個國家合計實施了約 41 個深部高熱巖層地熱資源勘察開發(fā)項目，其中 25 個屬于傳統(tǒng)型地熱系統(tǒng)， 16 個屬于 EGS [14]。法國、德國、英國等聯合開發(fā)的法國蘇爾茨干熱巖項目，其運行時間超過 30 年，但裝機容量不大（1.5 MW）且處于間歇運行狀態(tài)。
（二）我國地熱資源開發(fā)利用
根據賦存埋深和溫度，我國地熱資源主要劃分為淺層地溫型、水熱型、干熱巖型。淺層地溫型（深度 < 200 m、溫度 < 90 ℃）地熱資源遍布全國，淺部地熱能量約為 9.5×109 tce，可利用資源量為 7×108 t/a。水熱型（中、深層中溫，深度為 200~3000 m、溫度為 90~150 ℃））地熱資源主要集中在大型沉積盆地區(qū)，能量約為 1.25×1012 tce，已經或正在開發(fā)利用的主要是 200 m 以淺的水熱型地熱資源。干熱巖型（深度為 3~10 km、溫度為 150~650 ℃）地熱資源的開發(fā)潛力是淺層地熱資源的 100~1000 倍，我國深部高溫巖層中的地熱能資源量約為 8.6×1014 tce [4]。干熱巖型地熱資源被視為未來最佳的替代能源類型之一，世界各國都致力于對其實現高效開發(fā)利用。
在我國，開發(fā)利用地熱溫泉資源已有上千年的歷史，但規(guī)模化地實施地熱勘查開發(fā)利用主要在近幾十年。20 世紀 50 年代，規(guī)模化利用溫泉起步，隨后以溫泉洗浴、康養(yǎng)、供暖、發(fā)電為代表的地熱能資源開發(fā)利用多樣化格局逐漸形成，2000 年后，在國家扶持和市場需求的驅動下步入發(fā)展快車道 [15]。水熱型地熱能的直接利用以年均 10% 的速度持續(xù)增長，連續(xù)多年居世界首位；在相關發(fā)電裝機容量方面，截至 2017 年年底為 27.28 MW，2018 年增至 44.98 MW，2019 年增至 49.1 MW [15,16]。對于淺層地熱能，截至 2017 年年底地源熱泵裝機容量為 2×104 MW，供暖建筑面積為 5×108 m2 [16]。
也要注意到，盡管我國的中淺層地熱資源開發(fā)利用得到快速發(fā)展，但在全國一次能源消費中的占比很低（約 0.5%），因此需要在深部高溫巖層地熱開采方向繼續(xù)加強。目前，我國深部高熱巖層地熱能開發(fā)研究處于起步階段，從 21 世紀初才開始相關勘查研究；2017 年，在青海共和盆地 3705 m 深度鉆取到了高溫干熱巖體（溫度為 236 ℃），但沒有進行 EGS 地熱能開發(fā)現場試驗。整體來看，我國深部高溫巖層地熱能的開發(fā)仍處于現場試驗階段，從勘探到開發(fā)較多沿用了石油工程開發(fā)中的經驗；在地質篩選模型、高溫鉆完井工藝方向面臨許多亟待攻克的技術瓶頸，尚未形成完善的 EGS 開發(fā)評價體系 [17]。
（三）我國深部礦產和地熱資源共采研究進展
1. 資源戰(zhàn)略及勘探摸底
通過調查研究，總結得出了我國處于全球成礦相關的大地構造有利位置的結論。我國位于歐亞板塊、印度板塊、太平洋板塊交匯地帶，由于三大板塊與中國大陸板塊的俯沖和碰撞，形成了一系列大型、超大型礦床。我國成礦條件優(yōu)越，礦種齊全，具有明顯的分帶、分群以及有規(guī)律的分布。
提出了我國深部地熱資源勘探摸底的 4 種地質類型：高放射性產熱型（東南沿海地區(qū)）、沉積盆地型（關中、咸陽、貴德、共和、東北等白堊系形成的盆地下部）、近代火山型（騰沖、長白山、五大連池等）、板內活動構造帶型（青藏高原）。
在勘查研究我國大型 – 超大型金屬礦床與地熱資源分布后，認定膠東、長江中下游、秦嶺東部、滇西北地區(qū)是地熱與礦產資源的共同賦存區(qū)，共采潛力巨大。考慮到地形、開發(fā)成本、實際需求等因素，宜率先在膠東地區(qū)試行能源與資源共采，三山島、新城、金青頂、玲瓏金礦等作為可試采區(qū)。
2. 高溫地下工程技術體系
研究了高溫條件下的巖石特性、圍巖變形機理與控制技術、工作面降溫技術、地層改性材料與技術、掘進裝備的適用性與發(fā)展方向、地熱 – 礦產資源共采的井巷建造模式，提出了地下礦產與地熱資源共采的開發(fā)途徑。研究了高溫巖石特性及其可鉆性，提出了機械破巖鉆進井巷可行性和高溫地層隔熱、巖體改性工藝及材料。
形成了涵蓋“基礎理論 – 關鍵技術 – 掘進裝備 – 工程材料 – 建造工藝”的地下高溫堅硬巖層井巷與硐室掘進與建造的技術體系。提出了機械破巖的井巷施工裝備體系、無人化“機器人”建造模式，發(fā)展了深井高溫地層井巷圍巖支護工藝、結構與材料以及深井工程“圍巖支護 – 地層改性 – 應力調控 – 斷面優(yōu)化”穩(wěn)定控制技術，構建了“豎井 +斜井”提升、豎井“U”形結構流體提升、斜坡螺旋分級提升 3 種工程開拓與提升模式以及 U/L/Q 型 +360°鉆孔式的“井 – 巷 – 孔”聯合布置地熱開采模式。
3. “礦 – 熱共采”基礎理論與技術
提出了適用于礦產和地熱資源共采的崩落法、充填法、原位溶浸開采 3 種“共建 – 共存 – 共用” 的開采設施、工程布置及開發(fā)順序；開展了溫度和化學場變化對花崗巖力學特性影響的實驗研究，總結了礦產和地熱共采過程中熱提取誘發(fā)的熱損傷和化學損傷力學特性。
調查了金屬礦、煤礦、鹽礦等開發(fā)對地熱資源的開發(fā)利用現狀，通過案例分析梳理了現階段礦產與地熱共采實踐中采用的方法、技術。針對共采靶區(qū)環(huán)境識別問題，分析了礦產及地熱一體化勘探技術和高溫環(huán)境礦產開發(fā)與傳統(tǒng)應力、滲流、化學等多場耦合的影響機制。
4. 深部地熱能交換和輸送研究
提出了深部礦產與地熱資源共采的高 – 中 – 低多溫度層級熱能提取系統(tǒng)；研發(fā)了適用于不同溫度層級的冷熱工質熱能交換、提取、輸送系統(tǒng)和中溫區(qū)“礦 – 熱共采”工藝流程；提出了使用隔熱層和施工優(yōu)化參數來延長有效通風距離、防治井下熱害、降低熱儲能量損耗的措施。
提出了適用于礦產與地熱資源共采的高溫高壓熱能輸送理論與技術。建立了高溫、高壓裂隙流與管道流的熱能輸送機理及配套技術體系，分析了不同輸送技術的輸送能力和效率，提出了通過增強技術在熱儲中生成隨機裂隙是提升熱能提取效率的有效方法。通過模擬試驗獲得了在裂隙換熱區(qū)內采用裂隙換熱方式優(yōu)于管道流換熱方式效果的重要結論。
四、深部礦產和地熱資源共采面臨的挑戰(zhàn)、發(fā)展框架及重點任務
（一）我國深部礦產和地熱資源共采面臨的挑戰(zhàn)
1. 金屬礦產資源與地熱資源共同賦存區(qū)域勘查程度低
我國金屬礦產資源與地熱資源共同賦存區(qū)域勘查評價工作剛剛起步，對“家底”掌握不清。有關金屬礦床與地熱資源的分布、類型、儲量以及兩類資源之間的關聯性的調查研究還不充分，礦產資源與地熱共采的遠景區(qū)、有利區(qū)、目標區(qū)、開采區(qū)都有待進一步精細化圈定。對于深部高溫地熱資源勘查，目前尚未形成可靠的資源評價技術與方法體系，亟需拓展高新技術應用并重新優(yōu)化勘查技術。這些方面成為制約礦產資源與地熱共采的瓶頸環(huán)節(jié)。
2. 深部礦產和地熱資源共同開發(fā)利用基礎研究薄弱
深部礦產與地熱共采由我國首次提出，在國際上沒有先例，相關研究與實施是跨領域、多學科的系統(tǒng)工程，因而相關基礎研究極為薄弱，眾多方向仍是空白，需要跨學科、系統(tǒng)性、持續(xù)性地開展創(chuàng)新研究。基礎研究問題主要有：在礦產區(qū)精準勘探并預測地熱的賦存位置、賦集程度、分布特點；利用現有的或開發(fā)創(chuàng)新的地熱開發(fā)理論和技術進行采礦空間的地熱開采；在深地高溫堅硬巖層中安全有效地開掘豎井、巷道、硐室；在深地高地應力巖層中建造礦產資源開采系統(tǒng)和地熱開發(fā)系統(tǒng)（如熱儲）以實現兩者“共建 – 共存 – 共用”；篩選熱交換系統(tǒng)和技術，將賦存在深部高溫巖層中的地熱能資源置換出來并安全經濟地輸送到地表及其他適合利用的地方；針對各類地熱源確認交換系統(tǒng)和技術的適應性。此外，我國深部高溫巖層地熱鉆井技術與世界先進水平存有差距，高溫巖層地熱勘查開發(fā)、地熱資源梯級綜合利用、地熱回灌與防腐防垢等技術研究未能取得突破性進展，不能滿足現實需求。
3. 行業(yè)規(guī)劃、政策措施有待完善
國家現行的一些財政、價格鼓勵政策在加快地熱資源開發(fā)和清潔利用方面發(fā)揮了積極引導作用，但未有針對礦產與地熱資源共采開發(fā)利用這一新興方向進行配套完善，專門的行業(yè)規(guī)劃、技術標準、管理辦法等有待制定。因政策滯后而導致相關財稅法律規(guī)定可操作性差、實際執(zhí)行不到位，必要的激勵措施不充分，有針對性的支持政策待加強 [18]。值得指出的是，現階段我國油氣等化石能源對外依存度居高不下，著眼中長期來加強替代能源開發(fā)利用并充實技術儲備較為迫切；地熱能利用需要追趕先進國家步伐，而高端復合型人才不足、專有創(chuàng)新開發(fā)平臺缺失的現狀，直接制約了地熱產業(yè)的高質量發(fā)展。
（二）我國深部礦產和地熱資源共采發(fā)展框架
調查我國深部地熱勘探和開發(fā)利用現狀，分析深部礦產資源與深部地熱共存區(qū)域的分布及特征，可為國家相關部門政策制定、相關領域工程科技研發(fā)提供基礎支撐。在對現有的深部礦產資源開采技術和深部地熱開發(fā)利用技術進行系統(tǒng)梳理，多學科的系統(tǒng)性深入研究，構建兼?zhèn)鋵嵱眯院徒洕缘纳畈康V產資源與地熱資源共采系統(tǒng)工程框架（見圖 1），涵蓋地熱與礦產資源勘查、掘進與建造、礦產與地熱開發(fā)技術和地熱利用等關鍵技術。
圖 1 深部礦產資源與地熱資源共采系統(tǒng)工程框架
為支撐上述系統(tǒng)工程框架的落地實施，需要著重推動三個方面工作：①繼續(xù)追蹤國際外深部礦產資源、深部地熱開發(fā)利用技術進展，評估主要技術路線，提出我國的領域未來技術發(fā)展路線圖；②立足國內深部礦產資源與深部地熱資源共采利用的現狀及存在問題，剖析制約我國深部礦產資源與深部地熱資源共采利用的技術、體制、機制瓶頸，總結形成適合我國深部礦產資源與深部地熱資源共采利用發(fā)展方向的宏觀規(guī)劃；③調研國內外深部礦產資源與深部地熱共采利用的相關政策法規(guī)，論證提出推動資源開發(fā)企業(yè)實施深部礦產資源與深部地熱資源共采利用的政策建議，涵蓋工程科技應用激勵、產業(yè)政策、環(huán)保法規(guī)、財稅政策等。
（三）我國深部礦產和地熱資源共采未來重點研究方向
1. 深部地熱資源賦存及開發(fā)利用調查和深部礦產資源與深部地熱共同開發(fā)利用前景分析
廣泛收集資料信息，掌握國際上深部地熱資源方面勘查、開發(fā)、理論研究的新成果和新進展。進一步調查研究我國深部地熱資源的分布、開發(fā)、技術發(fā)展態(tài)勢以及核心問題。在全面跟蹤國際進展、掌握我國賦存及開發(fā)情況的基礎上，開展國內外深部地熱資源的比較研究，為我國深部地熱資源勘查開發(fā)戰(zhàn)略研究提供堅實基礎。
深入開展我國深部地熱與礦產資源分布的勘查研究，率先調研金屬礦產資源與地熱共同賦存區(qū)域的地質特征。例如，在云南會澤地區(qū)、河南秦嶺地區(qū)、膠東半島地區(qū)，部分礦山地下 500 m 深度的巖層溫度就超過了 40 ℃，采礦工程需要常年通過人工制冷系統(tǒng)進行降溫，是潛在的“礦 − 熱共采”研究對象。
進一步研判礦產資源與地熱共同開采的技術效能，探討利用采礦工程中的豎井、斜井、平巷等開采系統(tǒng)同步進行地熱能源開采的有效方式，兼顧深部礦井作業(yè)溫度控制和地熱清潔能源開發(fā)。細化提出我國礦產資源富集省份可實現“礦 − 熱共采”的目標區(qū)，為進一步的技術研發(fā)明確主攻方向。
2. 高溫堅硬巖層地下巷道與硐室掘進和建造技術
開展深部高溫堅硬巖石巖的溫度場 − 應力場 − 滲流場分布規(guī)律及耦合異常特征研究。分析深部高溫巖土材料在長期高溫及溫變條件下巖體結構、熱力學特征和變異性，研究相關物理場的探測技術。探析深部高溫堅硬巖石地層溫度場 − 應力場 − 滲流場的耦合機理及反演分析方法，預測地熱開采和儲存的安全耐久性。分析不同熱物性（相變溫度、潛熱值、熱容量）的相變儲能材料與深部地熱溫度的高效匹配關系，闡明熱交換機制。
開展深部高溫堅硬巖石地層中井巷（硐室）工程的整體規(guī)劃、工程設計、工藝適宜性研究。探索深部高溫堅硬巖石地層中井巷（硐室）的規(guī)劃 / 設計 / 工藝，建立科學表征方法、指標體系、決策風險分析模式。發(fā)展深部高溫堅硬巖石地層中耐高溫、耐高壓的井壁結構設計方法及分級懸浮下沉工藝，深部不穩(wěn)定地層的改性技術及工藝。
開展深部高溫堅硬巖石中井巷（硐室）掘進工藝及裝備體系研究。探索深部掘進高溫堅硬巖石的機械機理、破巖方式、降溫及排渣工藝，論證鉆井法、豎井掘進機、巷道掘進機等機械破巖裝備體系，掘 / 支一體化的建設技術與工藝裝備體系。分析高溫高壓條件對鉆井液介質、鉆頭刀齒磨損的影響，給出適應高溫工況的固體潤滑滾刀及配套新材料的技術要求。攻關長期高溫高壓條件下深部高溫堅硬圍巖支護理論、支護工藝、支護材料的系列技術。
3. 深部礦產資源開采系統(tǒng)和地熱開發(fā)系統(tǒng)“共建 – 共存 – 共用”關鍵理論與技術
精準探測礦區(qū)深部礦產和地熱資源的賦存特點、賦存狀況、賦存量、準確位置，尤其是礦產與地熱資源共存的詳細分布狀況，探明礦區(qū)深部的工程地質、水文地質條件、巖體物理力學性能，為“礦 − 熱共采”系統(tǒng)的優(yōu)化設計以及安全、高效、精準開采提供保障。
根據礦產與地熱資源共存的空間分布狀況，結合深部地熱能交換和輸送技術進展，力求創(chuàng)造性提出礦產資源開采結構與地熱開發(fā)結構共建、共用的方式方法，統(tǒng)籌實現采礦系統(tǒng)為地熱開發(fā)提供必需的主體通道，地熱開采為采礦作業(yè)降溫提供有效的節(jié)能手段。
精準探測礦區(qū)深部巖層、巖體結構的工程地質及高地應力環(huán)境條件。“礦 − 熱共采”系統(tǒng)建造及共采作業(yè)期間的高地應力等因素，可導致共采系統(tǒng)及其圍巖體的強烈變形破壞及相應的地壓活動，闡明相關過程機理，對破壞風險開展識別、預測與控制研究。制定發(fā)展機制和策略，兼顧開采系統(tǒng)與共采作業(yè)安全、采礦與地熱開發(fā)協調作業(yè)。
研發(fā)適應深部高溫地層環(huán)境條件的礦產與地熱資源共采工藝、遙控智能化作業(yè)方式及技術裝備，提升深部礦產與地熱共采系統(tǒng)的智能化水平。
4. 深部高溫巖層地熱能交換和輸送理論與技術
開展高溫高壓巖體物理力學特性及多物理場耦合理論研究。以巖體損傷演化為主線，研究高溫高壓環(huán)境下巖石的力學特性、熱傳導特性以及巖石的滲流、損傷、破裂機理與裂紋擴展規(guī)律，開展多物理場耦合的數值分析。
開展高溫高壓巖體熱交換機理與熱能提取技術研究。理論方法與實驗手段相結合，以裂隙傳熱為主導，研究致裂區(qū)內工質 − 巖體換熱機理，不同裂縫網絡、不同換熱工質下的熱能提取效率，進一步開展高溫巖體傳熱通道的分析與優(yōu)化。分析地下熱湖區(qū)內的冷 − 熱工質熱交換機理以及不同工質、不同管道布置方式的對流換熱效率。
開展高溫高壓熱能輸送理論及技術研究。理論推導和數值模擬相結合，研究高溫高壓下裂隙流和管道流的熱能輸送機理及其配套技術；以封閉循環(huán)系統(tǒng)（U 型管）高溫高壓、多相流復雜工況下的熱能輸送機理為主要對象，采用數值模擬方法分析換熱和輸送過程，據此優(yōu)化系統(tǒng)的熱能輸送效率。
開展多溫度層級的熱能提取系統(tǒng)研發(fā)。針對適應不同巖體溫度的熱能提取系統(tǒng)，尤其是“礦 − 熱共采”區(qū)域的降溫系統(tǒng)開展技術研發(fā)，為“先采熱后采礦”技術方案提供依據。應用多介質熱交換計算程序，分析各溫度層級系統(tǒng)的熱能提取效率與綜合產能，為高溫巖層地熱發(fā)電系統(tǒng)的容量及服務年限設計提供判斷依據。
五、對策建議
（一）加強地質勘查，為“礦 – 熱共采”戰(zhàn)略提供信息保障
深部礦產與地熱資源共采沒有可借鑒的先例，應用推進應從扎實的基礎工作做起，而地質勘查是最基礎的起步工作。建議開展全國性的深部礦產與地熱資源調查評價，查明資源分布及類型，評價資源儲量與開采潛力，形成完善的調查評價與科學開發(fā)利用技術支撐體系，筑牢“礦 − 熱共采”戰(zhàn)略實施基礎。對于深部高溫巖層地熱資源，選擇未來最具有開發(fā)利用前景、當前勘查程度不高的典型高溫地熱系統(tǒng)地開展地熱資源勘查。對于高放射性產熱型、沉積盆地型、近代火山型、板內活動構造帶型 4 種“高溫熱礦”，評價其資源儲量、可開采資源量、開采潛力。對于深部礦山，既要充分勘查礦產資源賦存情況，還要查清相關區(qū)域地熱賦存情況，確定二者實施共采的技術和經濟可行性。推動建立行業(yè)共享的公開數據庫或平臺，為礦產和地熱共同開發(fā)利用研究工作提供全面的數據信息，最大化發(fā)揮地質勘查數據效用。
（二）推進科技創(chuàng)新，為“礦 – 熱共采”戰(zhàn)略提供技術保障
建議設立國家科技重大專項，積極布局相關重點項目。實施深部礦產與地熱共采重大科技攻關計劃，涵蓋深部礦產與地熱能資源勘查與共同開發(fā)利用的基礎研究、深部高溫高應力堅硬巖層復雜工程化綜合開發(fā)建造的關鍵技術與裝備研究、深部高溫巖層地熱能交換、提取、輸送的技術與設備研究；加強地熱能專用設備和特種技術研發(fā)，尤其是高溫巖層鉆井、人工壓裂、梯級綜合利用、尾水回灌、防腐防垢、井下回熱等技術。應對礦產資源開發(fā)的智能化趨勢，加強與大數據、新型移動通信、物聯網、高性能計算等技術的深度融合，提升深部資源能源開發(fā)的智能化水平。聚合多學科、多領域專業(yè)人才，就礦產與地熱資源共采面臨的一系列難點和瓶頸問題，集中力量予以突破，推動共采關鍵技術、前沿引領技術、現代工程技術的協同創(chuàng)新發(fā)展。
（三）制定法規(guī)與扶持政策，為“礦 – 熱共采”戰(zhàn)略提供綜合保障
建議盡快制定深部礦產與地熱資源開發(fā)利用的技術標準，適時出臺相關管理辦法，規(guī)范和保障勘探、開發(fā)、利用等活動。加強對深部礦產與地熱資源共采開發(fā)利用的引導與鼓勵，明確激勵機制、產業(yè)政策、環(huán)保法規(guī)、財稅政策。完善財政與信貸政策，鼓勵商業(yè)銀行投資地熱產業(yè)。發(fā)揮市場調節(jié)機制，以減稅、免稅等的作用，合理加大對礦產和地熱資源共同開發(fā)利用單位以及相關設備、材料制造企業(yè)的支持力度。出臺切實可行的共同開發(fā)利用稅收優(yōu)惠辦法，落實地熱供暖及發(fā)電的相關可再生能源補貼政策。
（四）納入國家資源能源頂層規(guī)劃，建立科研示范基地
礦產與地熱資源共同勘查與開發(fā)利用是推動我國能源轉型，落實碳達峰、碳中和目標，可持續(xù)提供清潔能源與綠色礦產品的新途徑。建議將深部礦產資源與地熱資源共采納入國家資源能源發(fā)展戰(zhàn)略布局中統(tǒng)籌考慮，做好深部礦產資源與地熱資源共采發(fā)展戰(zhàn)略的頂層設計；確立中長期內煤炭等化石能源清潔化開發(fā)利用與地熱等綠色低碳清潔新能源的并行發(fā)展路線，科學實現礦產資源對國民經濟的可持續(xù)供給、地熱能等新能源更高比例替代化石能源。
建議將遴選出的膠東地區(qū)“焦家式”“玲瓏式” 金礦床的三山島、新城、金青頂、玲瓏 4 個金礦作為可試采區(qū)，盡快組織論證和實施。建立典型礦產與地熱資源共采的科研示范基地，以示范應用帶動 “礦 − 熱共采”開發(fā)利用，加速形成“產學研用” 一體化的發(fā)展格局。注重和發(fā)揮深部礦產與地熱資源開發(fā)的品牌效應，更好引領礦業(yè)、地熱產業(yè)的高質量發(fā)展。