CN102041988A - 一种用于盐矿开采的多级驱动溶矿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于盐矿开采的多级驱动溶矿方法。其特征在于：所述的注入矿床的水采用主补水渠加次级补水渠的多级补水渠道阶梯式入渗溶矿的方法。其中所述的补水渠的延展方向垂直于地下水流动方向；所述的各个补水渠间距为100-700m，优选200-600m。另外在所述的各个次级补水渠中放置搅拌船，将溶剂水与从地层中流出的上一级溶矿的含矿卤水混合均匀，形成新的溶剂。本发明整体抬高了水位，增加了可溶矿开采的有益矿产资源总量；溶剂流动速度变慢，增加了与固体矿产的接触时间和溶出率；切断优势通道，有效减低了溶剂的直排浪费。本发明适用于浅层、分散、低品位、可溶固体矿产的水溶开发。

Description

一种用于盐矿开采的多级驱动溶矿方法

技术领域

本发明涉及矿产资源开发领域的一种水溶开采方法，特别是涉及一种用于采集低品位可溶盐的水溶开采方法。

背景技术

水溶开采的对象是盐类矿物，水溶开采就是根据大部分盐类矿物易溶于水的特性，把水作为溶剂注入矿床，将矿床中的盐类矿物就地溶解，转变成流动状态的溶液——卤水，然后进行采集、输送的一种采矿方法。水溶法开采在国内外已得到广泛应用，是一项历史悠久，又是近代新兴的采矿技术，现代，不仅用于开采盐类矿床，而且正应用到开采砂岩型铜矿和铀矿等矿产中。

水溶法开采盐矿主要是钻井水溶开采，国外首先开发出单井对流法，包括油垫对流法、气垫对流法和简易对流法。上世纪50年代，美国地质学家提出压裂连通法开采盐矿，实际上借用了石油压裂开采技术用于盐矿开发。1955年，美国首次在沃金斯格伦卤水区取得压裂连通法试验成功，加拿大卤水公司在安大略省温索尔卤水田用压裂连通法开采，年产卤折盐128万吨。经验表明，压裂连通法开采虽然对压裂裂隙发育方向和计划压裂连通方向不能人为控制，但仍然是在两井间盐层中实施连通最快和最成功的方法。压裂连通法作为水溶采矿新技术在地质构造条件适宜的多层、薄层盐矿中得到推广应用。在钾盐开采方面，加拿大萨斯咯彻温钾矿床用水溶法使其可采钾盐储量增加到686亿吨，荷兰已成功利用水采法回收埋深2400m的光卤石矿。美国西尔斯湖水溶法开采固体钾芒硝，经过人工和自然补给淡水溶解，开采60年以来，硫酸钾品位由5％降至4.5％，由此说明固体钾液化开采是成功的。上世纪60年代以来，国外开发出新的开采方法-井组连通法，加拿大化学公司首先在杜莎尔尼亚盐区布2井，井间距15.24m，单井对流作业溶蚀连通后，该用井组连通法开采；俄罗斯宾什卡达克盐矿，乌克兰新卡尔法根盐矿等，用井组连通法开采，使产量和矿石采收率得到大幅度提高。

我国水溶开采技术在吸收引进国外先进技术的基础上，进一步得到发展，部分已达到国际先进水平，四川盐矿水采盐矿深度已达3000m，江苏开发2200m深的无水芒硝矿，湖北开采盐矿深度达2800m。

总之，上述水溶采矿技术主要针对厚大、深埋、很纯的盐类矿产。其主要不足是：井身结构复杂、建槽期较长，中心管易折断，卤水产量低，生产成本较高和矿石采收率低等。

2006-2008年，针对我国西北某地存在巨量的低品位固体钾盐，申请人通过实验研究与野外溶矿试验相结合，突破了前人多基于实验室研究、或是对自然转化的总结、或是高品位固体钾矿的研究成果，引某湖水作溶剂，在开放条件下实现低品位固体钾矿的驱动液化——即单级驱动，这在国内外尚无先例。参见图5。但是，单级驱动出现了地下卤水优势通道(优势管道流)明显及溶矿距离(溶程)较短的现象，这两个因素制约了水溶开采的速率和溶矿率。

优势通道存在的证据及对溶矿的影响分析：

证据一是在我国西北某盐湖试验区(图1)开展人工放射性同位素测量，S2剖面的渗透流速(图2)均远大于S4相应位置的流速值(图3)，这显示出在S2剖面沿线，溶矿过程已形成明显的优势通道，野外S2T1孔溶塌也证明了人工放射性同位素技术得到的测量结果可靠。证据二为实拍到优势管道流，优势通道存在对溶矿的影响主要为大大降低了溶剂的溶矿率，即溶剂以管道流的形式快速流过地层，与可溶的盐类矿床的接触交换时间大大缩短，开采的目标物未能有效溶出，溶矿的效率降低，矿床开发的成本则相应增加。

溶程短的判断依据及对溶矿的影响：

当溶剂到达某处时，首先驱替原来的晶间卤水，然后与盐层发生溶解平衡反应，表现为在所取得的样品成分上向溶剂的成分靠近，即Na变高，K变低，Mg变低，虽然看上去K的含量变低了，实质上是低钾的溶剂溶出了固体中的钾，由此可见，通过水质变化能够分析溶剂的推进、溶矿过程。对溶矿试验过程采集的616个水样品进行化学组分测试，从试验开始到试验结束，沿溶剂驱动方向，大致可分为三个带(图4)：前部溶矿带(0～150m)，中部扰动带(150～300m)，后部稳定带(300～1000m)，前部溶矿带即在100d内溶剂到达并进行了溶矿的地带，观察到2007年6月8日与9月18日在0～150m的范围内离子浓度有了明显的变化，说明发生了明显的驱动溶解反应，是驱动溶解完全影响到的地带；中部扰动带，溶剂已经到达，但溶矿效果不显著，后部稳定带，基本未发生液化效应。由上分析可见，溶矿试验至100天时，溶剂推进及有效溶矿带宽度仅为150m。

发明内容

针对现有技术单级驱动出现的优势管道流，提出多级驱动技术能有效消减优势通道对溶矿的不利影响，其基本原理是通过增加多级的补水渠切断优势通道，达到均匀入渗、整体溶矿的目的，从而取得溶剂溶矿的最大效益。

针对溶程的较短问题，多级驱动顾名思义即直接增加驱动力、增加溶矿的距离。采用多级驱动技术，可以大大提高溶矿开采的效率。

本发明的一种用于盐矿开采的多级驱动溶矿方法是这样实现的：

本发明的多级驱动溶矿方法包括把水作为溶剂注入矿床，将矿床中的盐类矿物就地溶解后转变成流动状态的溶液——卤水，然后进行采集、输送的步骤，其特征在于：

所述的注入矿床的水采用主补水渠加次级补水渠的多级补水渠道阶梯式入渗溶矿的方法。

在具体实施中，

所述的补水渠的延展方向应当垂直于地下水流动方向。

所述的各个补水渠间距为100-700m；优选200-600m；对于钾盐矿物而言，更优选300m。

为了使多级驱动溶矿方法中矿床中的盐类矿物溶解效果更好，在所述的各个次级补水渠中放置搅拌船，将溶剂水与从地层中流出的上一级溶矿的含矿卤水混合均匀，形成新的溶剂。受补水渠的宽度限制，所述的搅拌船可以为扁圆形，长2米、宽1.5米，采用往返行驶方式搅拌；所述搅拌船的搅拌装置选用船用发动机，安装于船体(橡胶制成)中部；搅拌深度2米。搅拌船设计成扁圆形，长两米，宽一米五。

总而言之，与目前已实施的单级驱动溶矿技术相比，本发明的核心是溶剂的多渠道阶梯式入渗溶矿。

本发明的要点一：系列驱动补水渠的布置模式，包括补水渠布置方向和不同补水渠间的距离。多级驱动技术参见图6。

补水渠方向的确定：根据区域地下水水流场特征，补水渠的延展方向应尽量垂直地下水流动方向；

补水渠间距确定：根据已完成的单级驱动野外溶矿试验成果，最佳溶矿距离300m，有效溶矿距离600m，即溶剂渗入到地层后，与矿层发生物质交换(主要是钾的溶出)，至300m后溶矿能力显著降低，至600m，溶剂中溶出的目标物(钾等矿物质)已接近饱和，失去了液化固体钾矿的能力。由此确定多级补水渠布设的间距为300-500m。

本发明的要点二：搅拌船。在主补水渠之外的次级补水渠中放置搅拌船，主要功能是将溶剂与从地层中流出的含矿卤水(上一级溶矿水)混合均匀，形成新的溶剂，促使溶矿持续有效进行。

对比分析单级驱动和多级驱动模式图(图5、图7)，可以看出本发明取得3个方面的显著效果：

一是整体抬高了水位，增加了可溶矿开采的有益矿产资源总量，图5为单级驱动野外溶矿试验的实测剖面，100天的补水仅抬高潜水位约1m；而采用图7所示的多级驱动溶矿技术，多级的溶剂入渗补给，能有效抬高矿区水位；以图5中水位埋深4米，这样地下水位以上的资源不能利用，而图7模式中潜水位埋深1米计算，地面下1-3米深处的固体矿床能得到液化开发，增加的可采量可观。

二是溶剂流动速度变慢，增加了与固体矿产的接触时间和溶出率。由图5单级驱动可见，自补水渠至排卤渠，水位持续下降，水力坡度相对较大；而采用图7的多级驱动，受D1级、D2级……驱动渠溶剂补给，渠周边水位显著抬升，使得整个溶矿区域的水力坡度显著变缓，由达西定律可知，在同一矿区、地层渗透性相同的情况下，渗透流速(地下水流动速度)与水力坡度成正比，即多级驱动技术能降低水流(溶剂)速度，增加了溶剂与矿层的接触时间，从而提高了单位溶剂的溶矿率。

三是切断优势通道，提高溶剂的溶矿效率。在单级驱动模式下，若补水渠与排水渠之间存在优势通道，则部分溶剂沿通道(管道)直接快速流经地层排泄于排水渠，基本不产生溶矿效果，造成宝贵溶剂的大量浪费和矿层破坏，而采用多级驱动模式，假设同样存在优势通道，则次级的补水渠(D1级、D2级……)切断了优势通道，即沿通道过来的优势流优先流入次级补水渠，并与渠中的溶剂混合，经搅拌船混合均匀后形成新的溶剂，渗入地层开始下一级的溶矿，依次推进，有效减低了溶剂的直排浪费。

由此可见，本发明的用于盐矿开采的多级驱动溶矿方法非常适用于浅层、分散(低品位)、可溶固体矿产的水溶开发。

附图说明

图1试验区人工放射性同位素测试孔分布图

图中：S2T2-钻孔编号(S表示纵剖面、T表示横剖面)；A-浅孔(孔深4.0米)；B-中深孔(孔深8.0米)；C-深孔(孔深14.0米)。

图2S2剖面渗透流速变化规律示意图

图3S4剖面渗透流速变化规律示意图

图2、3中：S4T1-钻孔编号(S表示纵剖面、T表示横剖面)，m-米；d-天

图4试验过程S2剖面卤水离子浓度变化图

图中，K-钾；Mg-镁；Na-钠；Cl-氯；m-米；mg-毫克；g-克。

图5单级驱动技术模式示意图

图中，S2T1说明同图1

图6本发明的多级驱动溶矿技术工程布置示意图

图7本发明的多级驱动技术示意图

具体实施方式

本发明优选的实施方式，详细说明如下。

2007年，在青海别勒滩矿区实施野外溶矿试验(单级驱动)，开挖补水渠道长7km、宽2m、深4m，排水渠为青海盐湖工业集团公司的采卤渠，溶矿试验区面积约0.8km2。在试验区内共布设4个纵向、5个横向长观孔监测剖面、设计各类监测孔总数42个及4个渠道测流断面。为期4个月的驱动溶矿试验，采集各类固体样品490件，采集卤水样品638件，监测水位1011个，样品组分测试733件。溶矿效果表现为溶剂中钾离子含量增加18g/g，计算后得到在试验时间内试验区共溶出KCl5.8万吨，平均每立方米溶剂溶出KCl约46kg。

本次驱动溶矿试验的水动力条件、溶程(溶矿距离)、优势通道等研究成果，为本发明提供了重要依据，也将为深入开展扩大试验及工业化开采提供指导。

Claims (7)

1.一种用于盐矿开采的多级驱动溶矿方法，包括把水作为溶剂注入矿床，将矿床中的盐类矿物就地溶解后转变成流动状态的溶液——卤水，然后进行采集、输送的步骤，其特征在于：

所述的注入矿床的水采用主补水渠加次级补水渠的多级补水渠道阶梯式入渗溶矿的方法。

2.如权利要求1所述的用于盐矿开采的多级驱动溶矿方法，其特征在于：

所述的补水渠的延展方向垂直于地下水流动方向。

3.如权利要求2所述的用于盐矿开采的多级驱动溶矿方法，其特征在于：

所述的各个补水渠间距为100-700m。

4.如权利要求3所述的用于盐矿开采的多级驱动溶矿方法，其特征在于：

所述的各个补水渠间距为200-600m。

5.如权利要求4所述的用于盐矿开采的多级驱动溶矿方法，其特征在于：

所述的盐类矿物为钾盐矿物，所述的各个补水渠间距为300m。

6.如权利要求2或5所述的用于盐矿开采的多级驱动溶矿方法，其特征在于：

在所述的各个次级补水渠中放置搅拌船，将溶剂水与从地层中流出的上一级溶矿的含矿卤水混合均匀，形成新的溶剂。

7.如权利要求6所述的用于盐矿开采的多级驱动溶矿方法，其特征在于：

所述的搅拌船为扁圆形，长2米、宽1.5米，采用往返行驶方式搅拌；

所述搅拌船的搅拌装置选用船用发动机，安装于船体中部；搅拌深度2米。

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