中国国土资源经济：深地资源开发利用相关地质问题研究

导  读

由于浅表层可开采资源的不断减少和枯竭，深部开采及拓展深地资源地下理论储备已经成为迫在眉睫的任务。文章以国内外深地资源开发利用成果为基础，研究深地资源开发与拓展深地资源地下储备的理论和技术体系。针对深地资源开发利用需要解决的相关地质问题如高地应力、瓦斯地质条件、水文地质条件、高温热害、地质构造、矿层顶底板岩性与力学性质、煤层自燃等，从地质规律和勘查开发状况等相关方面进行了分析。

本文引用信息

任辉，牛文治，虢鼎锡.深地资源开发利用相关地质问题研究[J].中国国土资源经济,2020,33（7）:13-17.

随着浅表层可开采资源的逐渐减少和枯竭，向深地资源进军已成为全球很多国家的必然战略，深地资源开发利用是我国资源保障的重要组成部分。今后将有一大批矿山进入深部开采阶段，深部开采问题已无法回避。目前世界先进勘探开发水平已经达到2500~4000m，澳大利亚1900m、加拿大3000m、南非实际开采深度达到4000m。目前，我国人类井巷开采深度主要在500～1000m，如果我国固体矿产勘查深度可以达到2000m，那么探明的资源储量就可以在现有基础上翻一番。
2016年，继“深部探测技术与试验研究”专项后，科技部会同原国土资源部、教育部、中国科学院等部门启动了国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项，这是中国深地领域启动的又一个重大科技攻关任务。《国土资源“十三五”科技创新发展规划》中明确指出国土资源部在未来五年科技创新发展的主要方向，提出了一个全新的名词“三深一土”，制定了以向地球深部进军为统领，集中力量实施深地探测、深海探测、深空对地观测和土地工程科技“四位一体”的科技创新战略。新组建的自然资源部又提出了“一核二深三系”的战略，更加深化了“三深一土”的含义。中国当前能源资源供需矛盾仍然突出，为了实现能源资源的稳定供给，保障战略新兴产业的消费需求，深地资源开发利用已上升为中国能源资源领域必须要解决的科技问题，我国未来能源资源开发将全面进入第二深度空间（1000～2000m）范围内的深部开采。据统计，我国“十三五”期间将有近50余座金属矿山进入1000m以深开采范畴，在未来10～20年间将有近一半矿山开采深度将达到1500m以深。深部开采及拓展深地资源地下储备已经成为迫在眉睫的任务，需要研究建立深部资源开发与拓展深地资源地下储备理论和技术体系。但是，目前相关研究主要是围绕采矿扰动诱发的工程灾害防治与控制问题，针对影响深地资源开发利用的相关地质问题研究则相形见绌。未来需要对可能造成重大灾害的地质因素进行深入研究，为矿山高效低成本资源开采及安全可靠地拓展深地资源储备提供重要的理论支撑。
2.1 世界各国深地资源开发利用现状与研究进展
随着世界经济的飞速发展，资源的需求量日益增长，各国矿产资源的开发脚步正在迈向地球深部。据统计，国外已有百余座金属矿山开采深度超过1000m，世界上开采深度最深的前10位矿井中有8个在南非，1个在加拿大，1个在印度，南非的Western Deep Level金矿开采深度已经达到4800m。此外，德国、美国、澳大利亚、俄罗斯、加拿大等一些国家矿井开采深度也都超过1000m。
南非早在20世纪60年代就成立了南非矿山安全研究咨询委员会，以探索深部资源开发与开采问题，并最早开发出成套的高分辨率微震系统用于监测软弱岩层的变形。在1998年7月启动“Deep Mine”计划，以解决3000～5000m深度的矿山经济开采和矿山安全问题。该计划的研究内容包括软岩支护、岩爆控制、地质构造、工人安全培训、降温与通风、水文地质与抽水问题、超深竖井掘进。目前南非正在Far West Rand金矿研究超深部抽水蓄能发电问题。
加拿大是继南非之后第二个拥有3000m深井的国家，对评估岩爆潜力和缓解岩爆风险进行了卓有成效的探索，并出版了至今仍被视为经典的加拿大岩爆支护手册（Canadian Rockburst Support Handbook）。
澳大利亚在1992年成立了澳大利亚地质力学中心（Australian Centre for Geomechanics，ACG），该中心在1999年针对深部矿山开采中遇到的问题进行了研究，包括矿山地震活动、岩爆风险管理（MSRRM）、矿山回填处理方法、在深部高地应力条件下机械化开采、微震及岩爆风险管理平台和安全可靠的尾矿回收方法。
欧盟研究了3个具有前瞻性和代表性的问题：①未来智能深部矿山的创新技术及概念（第二阶段）；②热、电、金属矿物的组合利用（CHPM2030），旨在研发利用地热资源冶金和发电的新技术；③利用细菌从深部矿体中提炼金属的新矿产理念（IOMOre）。
美国密歇根工业大学、爱达荷州大学与美国西南研究院合作开展了深井开采研究工作，就岩爆引发的地震信号与天然地震、核爆信号的差异进行了对比分析研究。近年来，美国已经将矿业重心转移到矿区生态环境恢复和治理上（采矿公园）。
2.2 我国深地资源开发利用现状与研究进展
虽然我国与世界上采矿大国相比开采深度较浅，但是近年来，我国铜陵冬瓜山铜矿、湖南湘西金矿、吉林桦甸夹皮沟金矿和云南会泽铅锌矿等金属矿开采深度也都超过了1000m。我国深地煤炭开采深度最深的矿井为山东省新汶矿业集团的孙村煤矿，开采深度达到了1501m。
为了解决深部开采所面临的关键问题，我国先后制定“九五”“十五”“十一五”“十二五”等深地攻关项目和“十三五”重点专项。2001年在香山召开了以“深部高应力下的资源开采与地下工程”为主题的会议；2004年国家自然科学基金设立了“深部岩体力学基础研究与应用”项目，极大地促进了我国深部岩石力学理论与技术的发展；2009年国家973项目启动“深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论”和“煤炭深部开采中的动力灾害机理与防治基础研究”，对深部开采中动力地质灾害的“孕育—发生—演化”机理和预警防治对策进行了相关研究；2016年，我国启动了“深地资源勘查开采”重点专项（简称“深地专项”），“深地专项”旨在破解中国深部资源成矿成藏与预测评价关键科学瓶颈，构建深部开采相关重大基础理论，在一系列关键技术上有所突破。
 
研究深地资源开发利用相关地质问题，是落实我国深地科技战略的重要载体，是瞄准资源领域“向地球深部进军”的战略方向，因此要紧密围绕勘查和开采中遇到的相关理论问题、关键技术，攻坚克难，统筹部署。深地资源开发利用已成为未来中国科技发展的重要方向，本文试图从以下几个方面讨论深地资源开发利用的研究发展趋势：
(1)加强深地资源开发利用的动力地质灾害发生机理研究。虽然对煤与瓦斯突出机理进行了大量的研究，但是目前仍然处于假设阶段。由于冲击地压影响因素多样，动态现象复杂，目前对冲击地压形成演化机理研究尚未有新的突破。进入深部开采后，煤与瓦斯突出和冲击地压发生频率明显增加，为保障深地资源安全高效开采，应加强对深地典型动力灾害机理的研究。
(2)加强深部矿山多参数动态灾害监测预警机制及相关设备的研究。对动态灾害监测的综合监测需要结合现有的监测技术，优化预警临界值及监测指标，保障对潜在危险的及时识别。同时，加快相关监测设备与相关软件的研发，建立典型动态灾害综合预警系统，把灾害消除在萌芽阶段。
(3)深部高地应力变害为利的研究。深部高地应力隐含的能量在合理的诱导下可转化为有利于岩石致裂破碎的能量。即通过合理的挖掘诱导工程，将深部高地应力能量转化为坚硬岩石破碎的能量，这样可以大幅度提高深部岩石的可切割性和开采效率。
(4)深部高地温变害为利的研究。深部井下储存着大量的地热资源，将地热能送到地面，通过地面的热交换作用又可实现对井下工作面降温。当开采到达一定深度，可以利用地热能发电供井下电器设备使用，实现高效绿色开采。
(5)深部矿山智能化无人采矿的美好展望。由于深部恶劣的地质环境，使深部矿山必然走向智能化和无人化。实现无人开采很大程度上依赖于采掘装备的创新，5G遥控铲运机、凿岩机器人，无人驾驶汽车在地下矿山运行和成套的无轨设备保障了矿山安全、高效、绿色及可持续开采。利用计算机信息技术，以人工智能、可视化技术及大数据平台为支撑，通过“互联网+”和中国制造2025等国家行动计划的实施，实现在深部自动化和智能化开采，使矿山从劳动密集型向技术密集型的无人化转变。
 
与浅部相比，深地资源赋存的地质环境发生了很大变化，影响矿井开采的地质因素增多且彼此关系复杂，由此诱发的工程地质灾害强度明显增大。查清影响深地资源开发利用的相关地质问题，研究它们对深地矿井安全高效开采的影响方式和制约程度，将为深地资源开发利用提供重要的理论支撑。
4.1 高地应力
随着开采深度的不断增加，矿井围岩逐渐进入高地应力环境。依据地应力资料，垂直地应力随采深呈线性增加。在浅部表现为脆性的岩石，到达深部后变成“工程软岩”。当开挖巷道时，由于其周边出现应力重新分布，产生应力集中，同时积聚在围岩中的能量也因此得以释放，若释放的能量超过围岩极限强度后，围岩进入塑性状态，造成深部巷道实际返修比例高达90%以上。同时由于深部岩体中存在构造运动所形成的构造应力场或残余构造应力场，造成水平地应力大于垂直地应力的现象。以淮南矿区实测数据为例，所测43个测点中，大部分测点的侧压比介于1.0～1.46，最大侧压系数达1.82，在800～1100m的深部地层中，侧压比接近1。
此外，在高地应力作用下，矿层和围岩会突然失稳破坏形成冲击地压。冲击地压发生的频率和强度也会随着采深的增加而增加。在浅部开采中，由于矿井所承受的应力荷载主要为自身重力，一般不会产生冲击地压，进入深部后地应力成倍增加，使积聚的能量大于矿体失稳破坏所需能量，造成冲击地压。一般来讲，冲击地压发生前没有明显前兆，发生过程也很短，严重的冲击低压可以监测到4.6级地震，严重影响矿山系统结构稳定性。
4.2 瓦斯地质条件
建国以来，我国发生煤和瓦斯突出次数超过13000次。我国现有煤矿总数约为9686座，其中发生过冲击地压的煤矿有177座，占全国煤矿总数的1.82%；我国有1030座煤矿发生过瓦斯突出，占全国煤矿总数的11.19%。瓦斯突出的煤矿数量约为发生冲击地压煤矿数量的5.8倍。
随着开采深度的逐渐增加，煤层内瓦斯压力和含量呈线性增加，矿井瓦斯涌出量迅速增加，许多浅部表现为非突出的矿井进入深部后转化成突出矿井。在深部高地应力作用下，煤体力学强度减弱，瓦斯浓度高度聚集，煤层中积聚了大量气体能量。由于工程扰动作用，造成瓦斯突然急剧释放，引发深部矿井煤与瓦斯突出事故频发，突出强度和频率也明显增大。据统计，我国47个千米深的矿井中，有14个矿井发生过瓦斯突出，这一比例是全国平均水平的2.66倍。另据通风管理经验，在350m以浅开采时，煤中瓦斯含量相对较少，可以通过现有通风设备来预防瓦斯突出。当开采深度超过500m时，瓦斯易于聚集，瓦斯浓度梯度每百米增加超过30%，原有的通风设备难以满足安全生产需要。因此，摸清瓦斯突出与采深之间关系，探明井田内瓦斯富集范围，尤其是含瓦斯流变煤体的位置和赋存状态，研究煤与瓦斯突出的影响因素和机理，是煤与煤层气协调开发和深部矿井安全生产对地质工作的基本要求。
4.3 水文地质条件
据不完全统计，我国在过去20多年里，有34%的矿井受到水害威胁，有近300余座矿井被水淹没，矿山水害已经成为影响我国矿产资源安全开采的最大灾害之一。在浅部开采时，第四纪含水层和地表水是矿井水的主要来源，通过岩层裂隙网络进入巷道和采区，水压低，涌水量小，突水问题可通过现有的技术和手段进行预报。然而，进入深部后不仅采场上部承压水位高，而且随着矿井采掘深度的增加，矿井底板水害也不断严重。由于深部高地应力、高地温和高流体压力使岩体特征发生变化，加之地层本身断裂破碎带发育和采掘诱发的导水破碎带导通不同水源突入矿井，使矿井发生突水灾害。而且华北煤区煤层底部奥陶系灰岩地层岩溶水对巷道围岩和顶底板易形成严重的突水灾害。因此，查明含水层和隔水层的结构与厚度变化、查明隐伏导水构造、突水陷落柱位置与形态，是预防深井水患、解决承压水上开采问题的有效途径。
4.4 高温热害
虽然各地的地温梯度略有差异，但是一般情况下，地温梯度在2～3℃/百米，最高可达4℃/百米。对于深井温度升高所谓的“热源”问题，许多国家的看法基本一致，认为主要是岩石热（一般占50%左右）、采掘机器释放的热、运输过程矿物释放的热和空气本身压缩热。地温升高容易造成井下工人注意力分散，劳动生产率下降，事故率上升，甚至被迫停产。世界范围内的1000m深井平均地温为30～40℃，我国新汶矿区和巨野矿区采深为1000m时，实测矿井温度高达35℃；南非M-poneng金矿采深4000m时地温达到66℃；由于受到裂隙热水影响，日本丰羽铅锌矿在采深500m时温度就高达80℃。因此，深井热害问题已严重影响到深部矿产资源的安全高效开采。需要测定矿区地温梯度的变化规律、研究矿井原岩地温和预测深部地温状态，为制定矿井通风设计和治理矿山高温热害工作提供重要依据。
4.5 地质构造
地质构造对深地煤矿开采的影响，主要表现为褶皱和断层对煤层的控制作用。我国5大赋煤区分别是滇藏、东北、华北、西北和华南地区。西北和滇藏赋煤区含煤岩系形成后处于挤压—汇聚型地球动力学体系，煤田构造样式表现为逆冲推覆构造和强烈褶皱。东北赋煤区自三叠纪以后受到太平洋构造体系控制，煤田构造样式为宽缓褶皱、伸展型构造和地垒—地堑状断层组合。华北赋煤区受到过三大构造体系的共同作用，构造组合样式多样，一般情况矿田构造复杂。华南赋煤区构造变形强度和构造复杂程度均超过华北赋煤区，华南赋煤区滑脱构造和推覆构造更广泛且变形强烈，华南西部表现为紧闭皱褶，华南东部断层更加发育。与浅部相比，原始近水平的煤层受到逆冲推覆变深、伸展断陷变深和褶皱弯曲变深，煤层赋存的地质条件比浅部更复杂。此外，由于深部遭受地质构造的切割更多，包括断层面、断层间的挤压面和节理的发育，使矿石和围岩的稳定性也会变差。深地资源的开采需要查明断层和褶皱位置与形态、总结构造发育规律、重塑矿体改造历程、评价构造对开采活动的影响以及岩浆侵入对矿体的改造程度。
4.6 矿层顶底板岩性与力学性质
安全和通畅的巷道对深部的安全高效开采至关重要，因此巷道支护是深部安全高效开采的关键技术。沉积相变作用和加积作用使得矿层顶底板岩性与厚度在横向和纵向上变化很大，力学性质和稳定性各向异性明显。工作面系统不可靠因素主要来自于井巷支护设备和支护方式与顶板地质条件适应性差，也是我国矿层顶板事故居高不下的根本原因。研究岩性和深度与矿层顶底板脆性—延性的转化特征及其关联性，建立顶底板稳定性评价技术方法及深部矿层顶底板分类系统，是深部矿层顶板管理的重大需求。
4.7 煤层自燃问题
研究表明，随着开采深度的增加，地温升高，增加了煤层自身的储热条件，更易导致煤层自燃问题。因此，在进入深部后，煤层自燃问题应更加引起重视。我国煤层自燃问题覆盖面广、比例大并且危险性严重。根据统计，原国有重点煤矿中有51.3%的矿井发生过自燃发火危险，煤层自燃问题几乎在所有煤矿区中都存在。因自燃问题造成的煤炭资源损失每年高达数十亿人民币。进入深部开采后，煤层较浅部更易自燃而且容易引发矿井火灾和瓦斯爆炸等事故。
 
随着近几十年的持续大规模开采，浅部资源日益枯竭，开发深部矿产资源已经成为必然。深地资源开发利用相关地质问题，既是一个重大基础性前瞻科学问题，又是落实我国深地科技战略的重要研究方向，与国家资源能源供给和经济发展息息相关。目前对深地资源开发利用正处于加快深入研究和不断实践的实施阶段，我们期待多学科多领域全方位共同开展研发合作与学术交流，发挥各家之所长，优势互补，及时总结创新成果，加快科技成果向矿业一线和地勘行业转化，切实发挥科技创新对矿山安全高效绿色低成本开采的支撑作用。

作者信息 

任辉（1964—），男，湖南省汨罗市人，中国煤炭地质总局教授级高工，工学博士，长期在地勘地质行业从事经营管理工作。

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