《矿业与冶金学科发展战略研究报告（2021～2025）》（北京：科学出版社，2023.4）是国家自然科学基金项目“矿业与冶金学科发展战略与‘十四五’规划”的研究成果。通过广泛调研和系统分析矿业与冶金学科国内外发展趋势，就“十四五”期间矿业与冶金学科发展战略进行了深入研究和顶层设计。书中对矿业与冶金学科所涵盖的矿业工程、石油工程、安全科学与工程、矿物分离、冶金工程、材料工程及交叉前沿七个学科领域分别进行了研究和阐述。主要包括学科战略地位、学科发展规律和发展态势、学科发展现状与发展布局、学科交叉发展与国际合作前沿等内容。根据矿业与冶金学科发展的自身特点和未来我国经济社会发展的需求，提出了“十四五”期间矿业与冶金学科的发展目标，梳理出各分支学科应加强的优势方向、需培育的发展方向、应促进的前沿方向和鼓励交叉的研究方向，并凝练出“十四五”(2025 年)优先发展领域和“中长期”(2035 年)优先发展领域。最后，从政策层面和学科层面提出了促进矿业与冶金学科发展的若干举措和建议。
本书是国家自然科学基金委员会“十四五”发展战略研究系列报告的组成部分。经过本学科领域数十位两院院士、数百名中青年专家历时近两年的研究、讨论和反复修改完成，它将是矿业与冶金学科“十四五”期间乃至2035 年前遴选优先资助领域的重要参考依据，
本文节选“第2 章 学科交叉的优先领域”中“2.1深部资源采选(冶)一体化及原位转化”以飨读者。
深部资源采选(冶)一体化
及原位转化
▋科学意义与国家战略需求
地球深部蕴藏的资源和能源是维系万物生存的物质和能量基础。地球浅部煤炭资源已逐渐趋向枯竭，煤炭资源开发不断走向地球深部，千米级深部开采已是常态。目前，世界上煤炭开采深度已达1500m，地热开采深度已超3000m，有色金属矿开采深度超过4350m，油气资源开采深度达7500m。学者研究预测：如果我国固体矿产勘查深度达到2000m，探明的资源储量可以在现有基础上翻一番。然而，地球资源开采领域所面临的共性问题是：人类深部岩体工程活动大大超前于基础理论研究，传统的采矿学、固体力学等理论面对深部开采活动出现理论失效，导致深部资源开采活动普遍存在着相当程度的盲目性、低效性和不确定性，灾害事故频发，难以预测预报和控制。面对深部地层环境与极限开采深度的限制，传统采矿学与固体力学等理论难以解决深部煤炭开采出现的技术难题，深部煤炭绿色安全高效生产面临严峻挑战。
深部矿产资源开采难度加大、生产成本增加，传统资源开发方法不再适用，要使我国成为地球深部探测领域的“领跑者”，特别是要在深地煤炭资源绿色安全开发领域成为国际上的“领跑者”，就必须颠覆现有的矿产资源开发理论与技术，通过研究新的深部资源开发方式，提升我国深部资源获取能力。
深部矿产资源采选(冶)一体化及原位转化是一种颠覆性的深部资源开发模式，将传统的地下采矿、地面分选、地面冶金三个相对独立的生产链紧密衔接为地下采选(冶)一体化生产系统，仅提取有用矿物及电热气，将分离出的废弃物就地充填，实现固体废弃物无害化处理，推进矿区生态文明建设，实现绿色矿业、智能矿山、循环经济和可持续发展。同时，在此过程中出现的新理论与技术难题也是人类走向地球深部必须面对和优先探索的基础性科学问题。
▋国际发展态势与我国发展优势
20 世纪中期，美国、南非、乌克兰、亚美尼亚等国家就开始将部分金属矿山的选矿厂建于地下，原矿经井下运输到井下选矿厂进行分选，分选后的尾矿脱水后用管道输送到采空区进行充填。我国针对井下原煤采选一体化技术开展了大量研究，并在20 世纪90 年代实现了煤矿井下动筛跳汰法分选的工业化应用，随后又开展了多种地下分选工艺的研究和实施。近几年，国内针对金属矿山也提出了地下采选一体化的理念，并对铁矿、铅锌矿等进行了地下采选系统的设计。在此基础上，我国还率先提出了地下采选(冶)一体化及原位流态化开采资源的构想，为提升我国深部资源获取能力提供了切实可行的途径。
▋发展目标
通过建立基于流态化开采的深部资源原位采选(冶)一体化理论与技术体系，实现对深地固态资源采、选、充、冶的原位、实时和一体化开发，提高深地煤炭资源的开发效率、运输效率和利用转换效率，转变传统的煤炭资源的开发模式和运输模式，实现“地上无煤、井下无人”的绿色环保开采终极目标，开辟新型采矿工业模式，引领矿产资源开采技术革命，实现固态矿产资源开采深度上的突破及深地矿产资源清洁高效和生态友好开发利用，为我国可采资源总量翻一番提供技术支撑。
▋主要研究方向
研究深部煤矿、金属矿无人化、智能化开采、分选、充填、冶金等过程的一体化，建立固体资源原位流态化开采理论与方法，形成传统的地面分选、冶炼等过程全部在井下原位实现的模式，提出仅提取有用矿物及电热气，废弃物不出地面留在井下用于充填的方法。主要研究方向如下。
1. 地质构造探测及地质保障技术
地质构造探测及地质保障技术是地下矿产资源开采的重要基础，主要有三维地震、地球物理测井等地面物探技术，井下电磁法勘探、瑞利波、直流电法技术，深井钻探探测技术与装备等。可查明矿产赋存状态、矿区(井田)资源条件及矿井大中型地质构造、岩浆侵入体，以及采空区、小构造及陷落柱等超前探测和预报等。深入研究热力破碎、激光钻进、中子束钻进等新型岩石破碎机理和方法，研发深部取心钻进工艺和装备，为研究地球深部基本科学规律提供技术、装备手段。在地质构造探测及地质保障技术的基础上加强信息获取和融合处理，建立详细、准确的三维地理信息模型及全信息可视化平台，为智能化开采提供地质信息基础。
2. 基于复杂地形空间导航定位的深部矿产资源智能化开采
精确描述井下设备的位置及方向是建立自动化、智能化开采系统的核心技术。矿井内部封闭复杂空间没有GPS 卫星信号，无法建立类似于地面的导航系统；并且井下环境复杂，围岩粗糙表面漫反射、大功率设备干扰、松散岩体吸收等都使得无线信号衰减非常严重。目前，井下可采用激光雷达定位导航系统、惯性导航系统、超宽带定位及无线Mesh 网络导航系统等，重点研究各种定位技术的定位算法、滤波技术及其误差分析修正算法，以确保信号传输的可靠性，定位的及时性、准确性。深部矿产资源智能化开采需在上述基础上，进一步建立不随时间、环境条件变化而漂移的井下独立导航系统，以高精度的井下空间多维、多尺度高性能导航原型系统为保障，确保截割装备在地下三维空间精准前行，从而支撑深部矿产资源智能化开采。
3. 深部原位采选(冶)一体化技术与装备研制前沿探索
开展深部原位采选(冶)一体化技术与装备研制前沿探索，将固体资源转变为液态、气态和电能进行开发，实现地下矿产资源无人智能开采和就地能量转化；研究盾构掘进、矿物分离、就地冶金与利用等创新性技术，利用多维、多尺度深地空间分布式导航原型系统进行矿产资源精准开采，研究井下小型化破碎选矿及冶炼装备，在井下破碎、分选或冶炼出有用矿物成分。研究就地充填工艺与装备，将转化后的矿渣进行混合加工，形成充填材料回填采空区，用以控制岩层运动与地表沉陷，实现安全、绿色开采。
▋核心科学问题
核心科学问题：建立深部开采岩体结构参数的透明化表征方法，构建矿产资源流态化开采的储层评价理论与方法；构建固体资源流态化开采的原位岩体力学理论；发展多场多相耦合条件下近场围岩稳定性、多相反应、介质输运、原位充填的理论与方法，揭示原位固体资源流态化开采扰动下近场围岩温度场-渗流场-应力场-裂隙场-化学场耦合作用机制；构建深部资源多组分、多相介质原位多元转化的冶金动力学原理与方法，创新发展深部资源的原位智能化分选与有用矿物提取方法，建立深部资源原位流态化开采的冶金动力学与分选理论。
1. 深部开采岩体结构参数的透明化表征方法
针对深部开采扰动下深部岩体破裂结构、原位应力以及开采扰动下的岩体应力场-裂隙场-渗流场演化的特征，借助分形重构、3D打印、应力冻结等物理实验方法和技术，研究探索流态化开采下“三场”的透明化及可视化表征方法，包括：建立深部岩体非连续结构的分形重构算法；研制与深部岩层基本力学性能相一致的三维应力可视化材料，借助3D打印技术，构建高清透明并具有良好光折射能力的深部岩体的三维物理模型，直观地显示天然岩体内部复杂的裂隙结构与空间形态，建立深部岩层非连续结构可视化物理模型；同时，发展三维应力冻结技术与提取方法，建立深部岩体开采扰动下的应力场、裂隙场和渗流场的定量表征方法与可视化理论，直观地再现深部煤炭开采过程中的非连续结构演化、应力场重分布、应力场和渗流场相互作用机制，以及岩体灾变全过程等各种物理现象的发生机理、时空演化规律。利用建立的深部岩体应力场-裂隙场-渗流场的可视化理论，预先对深部资源开采进行“透明推演”，直观、定量地显示整个开采过程中矿体破碎，应力与能量转移，灾害发生的形式、位置、时间、量级，从而达到预判、预警、预解的目标，改变目前矿山开采随采随治的作业模式和被动局面。在“透明推演”的基础上，实现深地矿产资源流态化、智能化与无人化开采，为最终实现消除或避免深地资源开采灾害以及有效防治灾害提供基础理论与技术支撑。
2. 固体资源流态化开采的原位岩体力学理论
深部固体资源在开采过程中，工程扰动作用下岩石受力应遵循实际开采活动的应力空间变化路径，基于开采扰动应力路径的岩石力学理论是深部资源开采活动的重要理论基础。作为颠覆常规方式的流态化开采方法，地下岩体在智能化无人盾构机的作用下发生破碎，建立矿产资源开采、就地转化和运输的通道，首先在岩体破碎方式和方法上与常规采矿方式具有本质差异。此外，流态化开采中固体资源还需要进行就地气化、液化、电气化，流态化转化过程所产生的一系列扰动都会影响原位岩体的损伤、变形和破坏规律。由此可见，在流态化开采条件下，深部岩体将会出现一系列不同于常规开采方式的力学行为，传统的岩体力学及采动岩体力学理论或许难以适用甚至被颠覆，急需突破现有的采动岩体力学框架，构建基于流态化开采扰动的原位岩体力学理论。
发展固体资源流态化开采的原位岩体力学理论，核心是要探索不同深度下的岩体物理力学行为的差异与变化规律，关键是要突破深部原位高保真取心与测试的理论与技术，系统研究保真(保压、保温、保湿、保光、保质)取心的原理与方法，发展原位、移位、原位恢复保真取心核心技术与装备和保真岩体力学测试的新标准体系。探索深部岩体在原位状态和流态化开采全过程下的应力重分布特征及演化规律，提炼基于流态化开采的工程扰动应力路径的加卸载试验原理，在实验尺度下还原流态化开采全过程的原位岩体破坏规律、弹塑性状态转化条件，以及岩体非线性力学行为的响应机制。从能量角度分析流态开采扰动作用下岩体稳定与破裂扩展演化的关联性，揭示流态开采中原位岩体本构行为的力学本质特征，构建不同流态化开采方式下原位岩体力学灾变准则，从而建立流态化开采扰动下岩体动力灾害致灾判据。
3. 固体资源流态化开采扰动下的多物理场耦合理论与近场围岩温度场-渗流场-应力场-裂隙场-化学场耦合作用机制
深部固体资源流态化开采的核心是原位转化，它是一个多相介质(固、液、气)共存，多物理场(温度场、渗流场、应力场、损伤场、裂隙场)相互耦合的过程。借助一系列的力学、化学和微生物手段将固态的矿产资源进行原位气化、液化及电气化，这与常规的采矿方式具有本质的不同。深部岩体除了受到应力-温度-渗透的耦合作用外，还需要进一步考虑固态资源相变转化的化学反应以及微生物转化反应等因素的影响。需要在充分考虑流态化开采扰动下的固、液、气、电多相并存的开采环境，揭示固态资源流态化转化过程的化学及微生物作用对深部岩体微观结构和原位应力的影响机制，建立包含微-细-宏观跨尺度的裂隙结构，固、液、气、电等并存的多相环境，以及应力-温度-渗流-化学-微生物多种作用机制的多物理场耦合模型，揭示不同流态化开采方式下岩体本构行为、渗流机制、变形破坏规律，最终形成深部矿产资源流态化开采扰动下的多物理场耦合理论。
4. 深部资源多组分、多相介质原位多元转化的冶金动力学原理与方法
固体资源的流态化转化是实现深部矿产资源流态化开采的关键，直接关系到流态化开采技术能否成功实施和工业化应用。流态化开采的关键在于：一是矿产资源是否具有足够高的流态化效率(液化、气化、流态化冶金过程等)，从而满足工业化开采的需求；二是矿产资源中的有用组分是否能够最大限度地转化或者萃取出来，从而大幅度提高深部矿产资源的开采效率，达到经济高效的开采目标。因此，需要进一步发展和建立固态资源流态化转化理论，揭示固态资源流态化转化的化学及生物机制。
研究高温高压环境下矿产资源快速液化机理以及催化剂的催化机制，揭示温度、压力及反应时间对固态资源液化速率的影响机理，建立深部矿产资源快速液化的调控方法。研究深部地质环境下流态化冶金过程中有用组分高效浸出的热力学和动力学机理。研究矿物的化学组分在新型超临界萃取溶剂中的溶解和扩展机理，分析溶解后的矿物组分在超临界萃取溶剂中的运移规律，探索利用原位高温干热岩调控超临界萃取溶剂的溶解矿产资源的化学机制。探索深部原位外源高效菌种的培养和激活技术，揭示菌群与矿产资源相互作用机制，研究菌液和菌气转化原理及其控制机理，形成深部矿产资源微生物原位开采的理论与技术体系。通过上述方式，探索固体资源流态化转化过程，掌握流态化转化机理与控制方法，构建深部矿产资源流态化开采的转化理论体系，从而为实现深部矿产资源流态化开采提供理论指导。
5. 深部资源的原位智能化分选与有用矿物提取方法
目前，矿物分离研究主要是针对常规的地面生产系统，聚焦于宏观层面矿石的解离、分级和分选过程强化机理与调控机制，而针对深部资源原位分选、从微观尺度揭示矿物分离过程的动力学机制的研究较少。开展深部资源原位分选过程基础研究，不仅有利于指导工程实践，还有利于衍生新的适应特殊环境与分选要求的矿物分离理论与技术，从而为构建深部资源采选(冶)一体化体系提供理论与技术支撑。为此，针对深部井下高地温、高地应力、强扰动、强流变等特点，研究适应深部特殊环境的高效率、短流程、智能化、洁净化、安全可靠的矿物分选、提取理论与技术。
研究深部资源流态化开采的原矿形貌特征，揭示不同矿物组分嵌布规律与内部结构缺陷失效机理；研究矿物的超细粉碎过程能量作用规律与颗粒形貌成因，阐明与不同矿物组分物性相匹配的精准解离与精确筛分/分级机理。
研究(超)重力场、磁重复合力场、摩擦静电、光电效应等条件下矿物流态化分选过程，探索复合力场下具有不同特征的气固、气液固流态化分选环境的演变规律与形成机理，阐释外加激励下矿物与分离环境在不同尺度(微观、介观、宏观)上的能量输配机制和跨尺度响应行为，揭示多相、多尺度复杂矿物颗粒群在复合力场流态化体系中的扩散、分离机制。
研究矿物不同组分的微观理化特性、介观力学特性与复杂组分识别方法，提出矿物界面微结构的精准调控策略，揭示微细杂质组分脱除过程的量子/分子动力学基础；基于微波辐射、助剂溶解、生物降解、超临界萃取等多种手段强化深部资源有用矿物富集过程，揭示矿物中有用矿物、微量元素的选择性提取与固化封存机制。
研究深部资源原位分选与有用矿物提取过程的全尺度-全流程精确表征、实时检测与稳态调控方法，建立矿物加工跨媒体感知计算、人机混合智能融合、自主协同与决策计算模型，构建深部资源原位分选和有用矿物提取的全过程智能化体系。
本文摘编自《矿业与冶金学科发展战略研究报告（2021～2025）》（国家自然科学基金委员会工程与材料科学部编著. 北京：科学出版社，2023.4）一书“第2 章 学科交叉的优先领域”，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-074936-9
责任编辑：李 雪 李亚佩
（本文编辑：刘四旦）
