導  讀

由于淺表層可開采資源的不斷減少和枯竭，深部開采及拓展深地資源地下理論儲備已經(jīng)成為迫在眉睫的任務。文章以國內(nèi)外深地資源開發(fā)利用成果為基礎，研究深地資源開發(fā)與拓展深地資源地下儲備的理論和技術體系。針對深地資源開發(fā)利用需要解決的相關地質(zhì)問題如高地應力、瓦斯地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、高溫熱害、地質(zhì)構(gòu)造、礦層頂?shù)装鍘r性與力學性質(zhì)、煤層自燃等，從地質(zhì)規(guī)律和勘查開發(fā)狀況等相關方面進行了分析。

本文引用信息

任輝，牛文治，虢鼎錫.深地資源開發(fā)利用相關地質(zhì)問題研究[J].中國國土資源經(jīng)濟,2020,33（7）:13-17.

隨著淺表層可開采資源的逐漸減少和枯竭，向深地資源進軍已成為全球很多國家的必然戰(zhàn)略，深地資源開發(fā)利用是我國資源保障的重要組成部分。今后將有一大批礦山進入深部開采階段，深部開采問題已無法回避。目前世界先進勘探開發(fā)水平已經(jīng)達到2500~4000m，澳大利亞1900m、加拿大3000m、南非實際開采深度達到4000m。目前，我國人類井巷開采深度主要在500～1000m，如果我國固體礦產(chǎn)勘查深度可以達到2000m，那么探明的資源儲量就可以在現(xiàn)有基礎上翻一番。
2016年，繼“深部探測技術與試驗研究”專項后，科技部會同原國土資源部、教育部、中國科學院等部門啟動了國家重點研發(fā)計劃“深地資源勘查開采”重點專項，這是中國深地領域啟動的又一個重大科技攻關任務�！秶�土資源“十三五”科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃》中明確指出國土資源部在未來五年科技創(chuàng)新發(fā)展的主要方向，提出了一個全新的名詞“三深一土”，制定了以向地球深部進軍為統(tǒng)領，集中力量實施深地探測、深海探測、深空對地觀測和土地工程科技“四位一體”的科技創(chuàng)新戰(zhàn)略。新組建的自然資源部又提出了“一核二深三系”的戰(zhàn)略，更加深化了“三深一土”的含義。中國當前能源資源供需矛盾仍然突出，為了實現(xiàn)能源資源的穩(wěn)定供給，保障戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的消費需求，深地資源開發(fā)利用已上升為中國能源資源領域必須要解決的科技問題，我國未來能源資源開發(fā)將全面進入第二深度空間（1000～2000m）范圍內(nèi)的深部開采。據(jù)統(tǒng)計，我國“十三五”期間將有近50余座金屬礦山進入1000m以深開采范疇，在未來10～20年間將有近一半礦山開采深度將達到1500m以深。深部開采及拓展深地資源地下儲備已經(jīng)成為迫在眉睫的任務，需要研究建立深部資源開發(fā)與拓展深地資源地下儲備理論和技術體系。但是，目前相關研究主要是圍繞采礦擾動誘發(fā)的工程災害防治與控制問題，針對影響深地資源開發(fā)利用的相關地質(zhì)問題研究則相形見絀。未來需要對可能造成重大災害的地質(zhì)因素進行深入研究，為礦山高效低成本資源開采及安全可靠地拓展深地資源儲備提供重要的理論支撐。
2.1 世界各國深地資源開發(fā)利用現(xiàn)狀與研究進展
隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，資源的需求量日益增長，各國礦產(chǎn)資源的開發(fā)腳步正在邁向地球深部。據(jù)統(tǒng)計，國外已有百余座金屬礦山開采深度超過1000m，世界上開采深度最深的前10位礦井中有8個在南非，1個在加拿大，1個在印度，南非的Western Deep Level金礦開采深度已經(jīng)達到4800m。此外，德國、美國、澳大利亞、俄羅斯、加拿大等一些國家礦井開采深度也都超過1000m。
南非早在20世紀60年代就成立了南非礦山安全研究咨詢委員會，以探索深部資源開發(fā)與開采問題，并最早開發(fā)出成套的高分辨率微震系統(tǒng)用于監(jiān)測軟弱巖層的變形。在1998年7月啟動“Deep Mine”計劃，以解決3000～5000m深度的礦山經(jīng)濟開采和礦山安全問題。該計劃的研究內(nèi)容包括軟巖支護、巖爆控制、地質(zhì)構(gòu)造、工人安全培訓、降溫與通風、水文地質(zhì)與抽水問題、超深豎井掘進。目前南非正在Far West Rand金礦研究超深部抽水蓄能發(fā)電問題。
加拿大是繼南非之后第二個擁有3000m深井的國家，對評估巖爆潛力和緩解巖爆風險進行了卓有成效的探索，并出版了至今仍被視為經(jīng)典的加拿大巖爆支護手冊（Canadian Rockburst Support Handbook）。
澳大利亞在1992年成立了澳大利亞地質(zhì)力學中心（Australian Centre for Geomechanics，ACG），該中心在1999年針對深部礦山開采中遇到的問題進行了研究，包括礦山地震活動、巖爆風險管理（MSRRM）、礦山回填處理方法、在深部高地應力條件下機械化開采、微震及巖爆風險管理平臺和安全可靠的尾礦回收方法。
歐盟研究了3個具有前瞻性和代表性的問題：①未來智能深部礦山的創(chuàng)新技術及概念（第二階段）；②熱、電、金屬礦物的組合利用（CHPM2030），旨在研發(fā)利用地熱資源冶金和發(fā)電的新技術；③利用細菌從深部礦體中提煉金屬的新礦產(chǎn)理念（IOMOre）。
美國密歇根工業(yè)大學、愛達荷州大學與美國西南研究院合作開展了深井開采研究工作，就巖爆引發(fā)的地震信號與天然地震、核爆信號的差異進行了對比分析研究。近年來，美國已經(jīng)將礦業(yè)重心轉(zhuǎn)移到礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復和治理上（采礦公園）。
2.2 我國深地資源開發(fā)利用現(xiàn)狀與研究進展
雖然我國與世界上采礦大國相比開采深度較淺，但是近年來，我國銅陵冬瓜山銅礦、湖南湘西金礦、吉林樺甸夾皮溝金礦和云南會澤鉛鋅礦等金屬礦開采深度也都超過了1000m。我國深地煤炭開采深度最深的礦井為山東省新汶礦業(yè)集團的孫村煤礦，開采深度達到了1501m。
為了解決深部開采所面臨的關鍵問題，我國先后制定“九五”“十五”“十一五”“十二五”等深地攻關項目和“十三五”重點專項。2001年在香山召開了以“深部高應力下的資源開采與地下工程”為主題的會議；2004年國家自然科學基金設立了“深部巖體力學基礎研究與應用”項目，極大地促進了我國深部巖石力學理論與技術的發(fā)展；2009年國家973項目啟動“深部重大工程災害的孕育演化機制與動態(tài)調(diào)控理論”和“煤炭深部開采中的動力災害機理與防治基礎研究”，對深部開采中動力地質(zhì)災害的“孕育—發(fā)生—演化”機理和預警防治對策進行了相關研究；2016年，我國啟動了“深地資源勘查開采”重點專項（簡稱“深地專項”），“深地專項”旨在破解中國深部資源成礦成藏與預測評價關鍵科學瓶頸，構(gòu)建深部開采相關重大基礎理論，在一系列關鍵技術上有所突破。
 
研究深地資源開發(fā)利用相關地質(zhì)問題，是落實我國深地科技戰(zhàn)略的重要載體，是瞄準資源領域“向地球深部進軍”的戰(zhàn)略方向，因此要緊密圍繞勘查和開采中遇到的相關理論問題、關鍵技術，攻堅克難，統(tǒng)籌部署。深地資源開發(fā)利用已成為未來中國科技發(fā)展的重要方向，本文試圖從以下幾個方面討論深地資源開發(fā)利用的研究發(fā)展趨勢：
(1)加強深地資源開發(fā)利用的動力地質(zhì)災害發(fā)生機理研究。雖然對煤與瓦斯突出機理進行了大量的研究，但是目前仍然處于假設階段。由于沖擊地壓影響因素多樣，動態(tài)現(xiàn)象復雜，目前對沖擊地壓形成演化機理研究尚未有新的突破。進入深部開采后，煤與瓦斯突出和沖擊地壓發(fā)生頻率明顯增加，為保障深地資源安全高效開采，應加強對深地典型動力災害機理的研究。
(2)加強深部礦山多參數(shù)動態(tài)災害監(jiān)測預警機制及相關設備的研究。對動態(tài)災害監(jiān)測的綜合監(jiān)測需要結(jié)合現(xiàn)有的監(jiān)測技術，優(yōu)化預警臨界值及監(jiān)測指標，保障對潛在危險的及時識別。同時，加快相關監(jiān)測設備與相關軟件的研發(fā)，建立典型動態(tài)災害綜合預警系統(tǒng)，把災害消除在萌芽階段。
(3)深部高地應力變害為利的研究。深部高地應力隱含的能量在合理的誘導下可轉(zhuǎn)化為有利于巖石致裂破碎的能量。即通過合理的挖掘誘導工程，將深部高地應力能量轉(zhuǎn)化為堅硬巖石破碎的能量，這樣可以大幅度提高深部巖石的可切割性和開采效率。
(4)深部高地溫變害為利的研究。深部井下儲存著大量的地熱資源，將地熱能送到地面，通過地面的熱交換作用又可實現(xiàn)對井下工作面降溫。當開采到達一定深度，可以利用地熱能發(fā)電供井下電器設備使用，實現(xiàn)高效綠色開采。
(5)深部礦山智能化無人采礦的美好展望。由于深部惡劣的地質(zhì)環(huán)境，使深部礦山必然走向智能化和無人化。實現(xiàn)無人開采很大程度上依賴于采掘裝備的創(chuàng)新，5G遙控鏟運機、鑿巖機器人，無人駕駛汽車在地下礦山運行和成套的無軌設備保障了礦山安全、高效、綠色及可持續(xù)開采。利用計算機信息技術，以人工智能、可視化技術及大數(shù)據(jù)平臺為支撐，通過“互聯(lián)網(wǎng)+”和中國制造2025等國家行動計劃的實施，實現(xiàn)在深部自動化和智能化開采，使礦山從勞動密集型向技術密集型的無人化轉(zhuǎn)變。
 
與淺部相比，深地資源賦存的地質(zhì)環(huán)境發(fā)生了很大變化，影響礦井開采的地質(zhì)因素增多且彼此關系復雜，由此誘發(fā)的工程地質(zhì)災害強度明顯增大。查清影響深地資源開發(fā)利用的相關地質(zhì)問題，研究它們對深地礦井安全高效開采的影響方式和制約程度，將為深地資源開發(fā)利用提供重要的理論支撐。
4.1 高地應力
隨著開采深度的不斷增加，礦井圍巖逐漸進入高地應力環(huán)境。依據(jù)地應力資料，垂直地應力隨采深呈線性增加。在淺部表現(xiàn)為脆性的巖石，到達深部后變成“工程軟巖”。當開挖巷道時，由于其周邊出現(xiàn)應力重新分布，產(chǎn)生應力集中，同時積聚在圍巖中的能量也因此得以釋放，若釋放的能量超過圍巖極限強度后，圍巖進入塑性狀態(tài)，造成深部巷道實際返修比例高達90%以上。同時由于深部巖體中存在構(gòu)造運動所形成的構(gòu)造應力場或殘余構(gòu)造應力場，造成水平地應力大于垂直地應力的現(xiàn)象。以淮南礦區(qū)實測數(shù)據(jù)為例，所測43個測點中，大部分測點的側(cè)壓比介于1.0～1.46，最大側(cè)壓系數(shù)達1.82，在800～1100m的深部地層中，側(cè)壓比接近1。
此外，在高地應力作用下，礦層和圍巖會突然失穩(wěn)破壞形成沖擊地壓。沖擊地壓發(fā)生的頻率和強度也會隨著采深的增加而增加。在淺部開采中，由于礦井所承受的應力荷載主要為自身重力，一般不會產(chǎn)生沖擊地壓，進入深部后地應力成倍增加，使積聚的能量大于礦體失穩(wěn)破壞所需能量，造成沖擊地壓。一般來講，沖擊地壓發(fā)生前沒有明顯前兆，發(fā)生過程也很短，嚴重的沖擊低壓可以監(jiān)測到4.6級地震，嚴重影響礦山系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
4.2 瓦斯地質(zhì)條件
建國以來，我國發(fā)生煤和瓦斯突出次數(shù)超過13000次。我國現(xiàn)有煤礦總數(shù)約為9686座，其中發(fā)生過沖擊地壓的煤礦有177座，占全國煤礦總數(shù)的1.82%；我國有1030座煤礦發(fā)生過瓦斯突出，占全國煤礦總數(shù)的11.19%。瓦斯突出的煤礦數(shù)量約為發(fā)生沖擊地壓煤礦數(shù)量的5.8倍。
隨著開采深度的逐漸增加，煤層內(nèi)瓦斯壓力和含量呈線性增加，礦井瓦斯涌出量迅速增加，許多淺部表現(xiàn)為非突出的礦井進入深部后轉(zhuǎn)化成突出礦井。在深部高地應力作用下，煤體力學強度減弱，瓦斯?jié)舛雀叨染奂�，煤層中積聚了大量氣體能量。由于工程擾動作用，造成瓦斯突然急劇釋放，引發(fā)深部礦井煤與瓦斯突出事故頻發(fā)，突出強度和頻率也明顯增大。據(jù)統(tǒng)計，我國47個千米深的礦井中，有14個礦井發(fā)生過瓦斯突出，這一比例是全國平均水平的2.66倍。另據(jù)通風管理經(jīng)驗，在350m以淺開采時，煤中瓦斯含量相對較少，可以通過現(xiàn)有通風設備來預防瓦斯突出。當開采深度超過500m時，瓦斯易于聚集，瓦斯?jié)舛忍荻让堪倜自黾映�過30%，原有的通風設備難以滿足安全生產(chǎn)需要。因此，摸清瓦斯突出與采深之間關系，探明井田內(nèi)瓦斯富集范圍，尤其是含瓦斯流變煤體的位置和賦存狀態(tài)，研究煤與瓦斯突出的影響因素和機理，是煤與煤層氣協(xié)調(diào)開發(fā)和深部礦井安全生產(chǎn)對地質(zhì)工作的基本要求。
4.3 水文地質(zhì)條件
據(jù)不完全統(tǒng)計，我國在過去20多年里，有34%的礦井受到水害威脅，有近300余座礦井被水淹沒，礦山水害已經(jīng)成為影響我國礦產(chǎn)資源安全開采的最大災害之一。在淺部開采時，第四紀含水層和地表水是礦井水的主要來源，通過巖層裂隙網(wǎng)絡進入巷道和采區(qū)，水壓低，涌水量小，突水問題可通過現(xiàn)有的技術和手段進行預報。然而，進入深部后不僅采場上部承壓水位高，而且隨著礦井采掘深度的增加，礦井底板水害也不斷嚴重。由于深部高地應力、高地溫和高流體壓力使巖體特征發(fā)生變化，加之地層本身斷裂破碎帶發(fā)育和采掘誘發(fā)的導水破碎帶導通不同水源突入礦井，使礦井發(fā)生突水災害。而且華北煤區(qū)煤層底部奧陶系灰?guī)r地層巖溶水對巷道圍巖和頂?shù)装逡仔纬蓢乐氐耐凰疄暮�。因此，查明含水層和隔水層的結(jié)構(gòu)與厚度變化、查明隱伏導水構(gòu)造、突水陷落柱位置與形態(tài)，是預防深井水患、解決承壓水上開采問題的有效途徑。
4.4 高溫熱害
雖然各地的地溫梯度略有差異，但是一般情況下，地溫梯度在2～3℃/百米，最高可達4℃/百米。對于深井溫度升高所謂的“熱源”問題，許多國家的看法基本一致，認為主要是巖石熱（一般占50%左右）、采掘機器釋放的熱、運輸過程礦物釋放的熱和空氣本身壓縮熱。地溫升高容易造成井下工人注意力分散，勞動生產(chǎn)率下降，事故率上升，甚至被迫停產(chǎn)。世界范圍內(nèi)的1000m深井平均地溫為30～40℃，我國新汶礦區(qū)和巨野礦區(qū)采深為1000m時，實測礦井溫度高達35℃；南非M-poneng金礦采深4000m時地溫達到66℃；由于受到裂隙熱水影響，日本豐羽鉛鋅礦在采深500m時溫度就高達80℃。因此，深井熱害問題已嚴重影響到深部礦產(chǎn)資源的安全高效開采。需要測定礦區(qū)地溫梯度的變化規(guī)律、研究礦井原巖地溫和預測深部地溫狀態(tài)，為制定礦井通風設計和治理礦山高溫熱害工作提供重要依據(jù)。
4.5 地質(zhì)構(gòu)造
地質(zhì)構(gòu)造對深地煤礦開采的影響，主要表現(xiàn)為褶皺和斷層對煤層的控制作用。我國5大賦煤區(qū)分別是滇藏、東北、華北、西北和華南地區(qū)。西北和滇藏賦煤區(qū)含煤巖系形成后處于擠壓—匯聚型地球動力學體系，煤田構(gòu)造樣式表現(xiàn)為逆沖推覆構(gòu)造和強烈褶皺。東北賦煤區(qū)自三疊紀以后受到太平洋構(gòu)造體系控制，煤田構(gòu)造樣式為寬緩褶皺、伸展型構(gòu)造和地壘—地塹狀斷層組合。華北賦煤區(qū)受到過三大構(gòu)造體系的共同作用，構(gòu)造組合樣式多樣，一般情況礦田構(gòu)造復雜。華南賦煤區(qū)構(gòu)造變形強度和構(gòu)造復雜程度均超過華北賦煤區(qū)，華南賦煤區(qū)滑脫構(gòu)造和推覆構(gòu)造更廣泛且變形強烈，華南西部表現(xiàn)為緊閉皺褶，華南東部斷層更加發(fā)育。與淺部相比，原始近水平的煤層受到逆沖推覆變深、伸展斷陷變深和褶皺彎曲變深，煤層賦存的地質(zhì)條件比淺部更復雜。此外，由于深部遭受地質(zhì)構(gòu)造的切割更多，包括斷層面、斷層間的擠壓面和節(jié)理的發(fā)育，使礦石和圍巖的穩(wěn)定性也會變差。深地資源的開采需要查明斷層和褶皺位置與形態(tài)、總結(jié)構(gòu)造發(fā)育規(guī)律、重塑礦體改造歷程、評價構(gòu)造對開采活動的影響以及巖漿侵入對礦體的改造程度。
4.6 礦層頂?shù)装鍘r性與力學性質(zhì)
安全和通暢的巷道對深部的安全高效開采至關重要，因此巷道支護是深部安全高效開采的關鍵技術。沉積相變作用和加積作用使得礦層頂?shù)装鍘r性與厚度在橫向和縱向上變化很大，力學性質(zhì)和穩(wěn)定性各向異性明顯。工作面系統(tǒng)不可靠因素主要來自于井巷支護設備和支護方式與頂板地質(zhì)條件適應性差，也是我國礦層頂板事故居高不下的根本原因。研究巖性和深度與礦層頂?shù)装宕嘈?mdash;延性的轉(zhuǎn)化特征及其關聯(lián)性，建立頂?shù)装宸�(wěn)定性評價技術方法及深部礦層頂?shù)装宸诸愊到y(tǒng)，是深部礦層頂板管理的重大需求。
4.7 煤層自燃問題
研究表明，隨著開采深度的增加，地溫升高，增加了煤層自身的儲熱條件，更易導致煤層自燃問題。因此，在進入深部后，煤層自燃問題應更加引起重視。我國煤層自燃問題覆蓋面廣、比例大并且危險性嚴重。根據(jù)統(tǒng)計，原國有重點煤礦中有51.3%的礦井發(fā)生過自燃發(fā)火危險，煤層自燃問題幾乎在所有煤礦區(qū)中都存在。因自燃問題造成的煤炭資源損失每年高達數(shù)十億人民幣。進入深部開采后，煤層較淺部更易自燃而且容易引發(fā)礦井火災和瓦斯爆炸等事故。
 
隨著近幾十年的持續(xù)大規(guī)模開采，淺部資源日益枯竭，開發(fā)深部礦產(chǎn)資源已經(jīng)成為必然。深地資源開發(fā)利用相關地質(zhì)問題，既是一個重大基礎性前瞻科學問題，又是落實我國深地科技戰(zhàn)略的重要研究方向，與國家資源能源供給和經(jīng)濟發(fā)展息息相關。目前對深地資源開發(fā)利用正處于加快深入研究和不斷實踐的實施階段，我們期待多學科多領域全方位共同開展研發(fā)合作與學術交流，發(fā)揮各家之所長，優(yōu)勢互補，及時總結(jié)創(chuàng)新成果，加快科技成果向礦業(yè)一線和地勘行業(yè)轉(zhuǎn)化，切實發(fā)揮科技創(chuàng)新對礦山安全高效綠色低成本開采的支撐作用。

作者信息 

任輝（1964—），男，湖南省汨羅市人，中國煤炭地質(zhì)總局教授級高工，工學博士，長期在地勘地質(zhì)行業(yè)從事經(jīng)營管理工作。

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