CN102112699A - 行进式底部掏槽溶解采矿系统和方法 - Google Patents

Abstract

矿床、特别是含有天然碱的矿床的原位溶解采矿方法，该方法包括将矿石中钻出的井孔内部的一个矿石区暴露于一种溶剂中、并且将该暴露区内的一种希望的溶质进行溶解以提供一种液体并创造一个掏空的“底部掏槽”，这样的下切割使得该矿石易受重力加载及粉碎。未暴露的矿石通过重力落入该底部掏槽中而不破坏该矿石顶，从而导致新鲜矿石暴露于该溶剂中并且防止溶剂暴露于矿顶附近的污染性材料中。该希望的溶质在整个矿床中从其底板上至其顶板完全被溶解掉。溶剂注入可以通过一个定位在该井孔内部的导管进行输送，并且可以通过撤回该导管或对其进行穿孔来移动。该方法可以采用从上倾开始并下倾地行进的一种前进式底部掏槽或者从下倾开始并上倾地行进的一种后退式底部掏槽。

Description

行进式底部掏槽溶解采矿系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2008年8月1日提交的美国临时申请号61/085,735以及于2009年4月24日提交的美国临时申请号61/172,538的权益，为所有目的将这些申请的内容通过引用结合在此。

关于联邦资助的研究或开发的陈述

不适用。

发明的技术领域

本发明涉及用于对含有所希望的溶质的矿石进行原位溶解开采的系统和方法，特别用于天然碱矿床的原位溶解开采。

发明背景

从1940年代末已经开始对Green River Basin附近的西南怀俄明州的矿物天然碱的大量沉积物进行机械地开采，并且经这段中介的时间已经通过五种单独的采矿作业进行了开发。这些采矿作业在地表以下的额定深度的范围是从约800英尺至2000英尺。所有作业都使用由煤矿开采行业适配的技术实施了某种形式的地下矿石提取。

天然碱矿石是包含约90％-95％的碳酸氢三钠(Na₂CO₃·NaHCO₃·2H₂O)的一种矿物。在天然碱矿石中发现的碳酸氢三钠溶解在水中产生了约5重量份的碳酸钠(Na₂CO₃)以及4份的碳酸氢钠(NaHCO₃)。

正常地将粗的天然碱在其有价值的钠成分可以商售之前进行纯化来去除或减少杂质(主要是页岩和其他不溶物质)，该有价值的钠成分是作为以下物质出售：苏打灰(Na₂CO₃)、碳酸氢钠(NaHCO₃)、苛性钠(NaOH)、碳酸氢三钠(Na₂CO₃·NaHCO₃·2H₂O)、一种磷酸钠(Na₅P₃O₁₀)或其他含钠的化学物。

苏打灰是在美国制造的最大量的碱类商品的其中一种。苏打灰的主要用途是在玻璃制造工业中并且用于生产小苏打、洗涤剂以及纸制品。

为了回收这些有价值的碱类产品，通常使用所谓的“一水合物”商业方法来由天然碱生产苏打灰。将粉碎的天然碱矿石进行煅烧(即，加热)来将碳酸氢钠转化成碳酸钠、去除结晶水并形成粗的苏打灰。然后将该粗的苏打灰溶解在水中并从得到的溶液中分离出不溶的物质。将碳酸钠的澄清溶液进料到一台蒸发结晶器中，在此一些水被蒸发掉，并且一些碳酸钠形成一水合碳酸钠晶体(Na₂CO₃·H₂O)。将这些一水合物晶体从其母液中去除并且随后干燥来将其转化为细密的苏打灰。将该母液再循环回到蒸发器的回路中，用于进一步加工成一水合碳酸钠晶体。

在这些方法中使用的矿石可以是干法开采的天然碱，是通过沉入大约800-2000英尺(或约240-610米)的竖井并且利用开矿机和机械在地下挖掘并将矿石传送至地表而得到的。由于矿井深度以及需要有采矿机和机械，采矿的成本是生产最终产品的成本的重要部分。此外，天然碱矿床，也称为天然碱矿层，经常含有厚的页岩带，这在机械采矿过程中也是必须去除的。然后必须将该页岩与该矿石一起运输到地面精炼厂、从产品流中去除、并且运回矿井中或地面废物池。这些不溶性污染物不仅耗费了大量金钱来开采、去除、以及处置，它们向操作者回馈了非常小的价值。

被开发来避免在地下持有开矿机和机械的高成本的一种采矿技术是原位溶解采矿。以其最简单的形式，溶解采矿是通过使一种含钠矿石如天然碱与一种溶剂(如水)进行接触来溶解该矿石并形成一种含有溶解的钠价值物的一种液体(也称为“盐水”)而进行。然后回收该液体并且将其用作进料来将其处理成一种或多种钠盐。天然碱溶解采矿的困难在于天然碱是一种非全等溶解的重盐，它具有相对慢的溶解速率并且要求高温来实现最大溶解度和产生在目前的处理厂中对于高效能而要求的高度浓缩的溶液。此外，溶解采矿还可以随时间过去而产生具有不同强度的液体溶液，这是处理厂必须适应的。

在怀俄明州对未开采的天然碱进行原位溶解开采的尝试达到了低于有限的成功，并且在1990年代初终于被废弃。目前发展中的原位天然碱溶解采矿方法总体上涉及穿过一个未开采的天然碱矿床水平地定向钻探某个距离(一种溶剂(水)穿过该开放井孔的通道)的井孔图案、并且收集得到的天然碱液体，将其进一步处理用于回收产品。然而，认为这些方法具有本质上有限的生产力，因为在其中井孔周围的天然碱矿层已被足够溶解到暴露出不溶的顶板和底板材料的这一点达到了可用于溶解的最大表面积。一旦达到了这一点，可供该溶剂与之反应的仅有的天然碱表面积是该扩大的井孔的壁(肋)。因此，有意义的溶液体积仅可以通过采用非常大数目的非常昂贵的井孔来实现。

由于用于溶剂作用于其上的“新鲜”天然碱表面积的有限可得性，这些方法还可能易遭受一种也称为“小苏打遮挡(bicarb blinding)”的理论化现象。确实，因为碳酸钠比碳酸氢钠更可溶，存在着天然碱体的碳酸盐比碳酸氢盐部分更易进入溶液中的趋势。因此，暴露的天然碱可以沥滤而变成可溶程度更低的碳酸氢盐并由此“遮挡”未暴露的天然碱。

原位溶解采矿方法现在正用于开采残余的机械开采过的天然碱矿床。最近的商业天然碱采矿技术(申请人称为“混杂”溶解开采法)利用了机械开采所留下的残余空隙来沉积不溶性材料以及其他污染物两者(统称为尾矿(tailings)或尾份(tails))并且从用来携带尾份的水溶液中回收钠价值物。当时称为Tenneco Minerals的Solvay Chemicals，Inc.(SCI)率先开始沉积尾份，是在正常的部分提取作业的过程中从精炼过程返回到机械开采的空隙中。

因此混杂溶解采矿方法必须依赖于机械采矿所提供的表面积和开口来使得它们经济上可行并且是多产的。若现有机械采矿没有以部分提取模式的必要性，则这些“混杂”采矿方法不能以其目前形式存在。留下的相关的“残余天然碱”提供了对有意义的生产体积而言必要的暴露天然碱的体积，而留下的开口提供了对溶剂保留和液体运输而言所需要的体积。

即使残余的机械开采过的天然碱的溶解采矿就安全性和生产力两者而言是优选的采矿方法之一，但也存在有待着手解决的若干问题，其中仍很重要的是资源本身。确实，在任何给定的机械采矿作业中，只有有限量的天然碱之前已被机械开采过。在当前的天然碱目标矿床将被完全机械开采时，操作者将不得不开始开采其他产出程度更低的并且更危险的矿床。

同样，因为天然碱在水中具有相对较低的溶解度，所以原位的混杂溶解采矿系统通过在较长的时间段将大体积的水引入大体积的暴露天然碱中来对这种低溶解度进行补偿。另外地或者可替代地，采矿操作者可以使用更加侵蚀性的溶剂，如苛性钠，来增大天然碱的溶解度，但是普遍认为生产成本在必须提供有意义的生产体积的规模上有可能变得起阻止作用。

同样从另一个方面来看，可以将可经济性机械开采的矿石看作是一种有价值的资源。在当前的混杂采矿系统中，机械开采的矿石主要用来提高该“矿井回水(MRW)”溶液的总碱度(TA)。MRW典型地含有从12％至20％的TA。经过煅烧且沥滤的机械开采的矿石主要被用来将MRW的碱度提高到足够高的浓度(+30％)使之成为向一水合物方法进料的一种经济的蒸发器。在环境温度下，MRW在20％TA左右变得完全饱和。如果将这种液体直接引入一个蒸发器中，则必须将大量的水煮沸掉以便将浓度(并提高温度)带到高达+30％TA，此时开始发生苏打灰晶体的沉淀。通过采用MRW以及机械矿石的常规煅烧和沥滤，在TA方面增大了MRW，因此使得经济的、机械开采的矿石成为具有甚至更大价值的一种资源。

因此，对于天然碱开采操作者存在一种困境。为了保持有竞争性，鼓励操作者容忍在优选的目标矿床中尽可能长的操作，但是通过这样做，最终将迫使操作者将这种操作的一个重要的并且甚至增长的部分移到具有较低质量的更薄的矿床中并且使用更严苛的开采条件，同时该优选的矿床正被耗尽并最终变得耗竭。在这种情景下，在全球的苏打灰市场上今天的天然碱作业所享有的竞争性优势将开始随时间的过去而减少并且将有可能随着矿井的关闭而结束，而还有待开采的可供使用的天然碱资源仍然留在土地上。当前的混杂溶解采矿系统以及机械采矿系统(如长壁开采)有助于显著地推动矿物资源的回收，但是它们仅仅是在在这种不可避免的状况之前。

除了对大量溶剂的需要、有限的生产力以及对于原位溶解开采天然碱矿床而受到的“碳酸氢盐遮挡”的可能的限制之外，意识到了原位溶解开采天然碱矿床进一步遭受了降低的液体品质。确实，该液体可能被氯化物、硫酸盐及类似物所污染，在将该液体处理成为含钠化学物时这些是难以去除的。不仅氯化物污染对溶解采矿提出了问题，它还在用于精炼该饱和的溶液(液体)的下游方法中引起了多种严重的问题。

这种污染可以如下进行解释。虽然天然碱在水中具有相对较低的溶解度，但在天然碱上方的顶板页岩中一些天然存在的矿物的氯化物盐(值得注意地是氯化钠)是高度可溶的。事实上，氯化钠将在显著程度上代替碳酸钠和碳酸氢钠的溶解度。由于氯化物的高溶解度，一旦氯化物溶解在该液体中，将它与所希望的溶质分离是经济上不可行的。使这种或这些氯化物盐离开该处理系统的唯一方式是要么通过清洗到废物流(随之也携带了有价值的母液溶液)中的液体要么通过最终的产品，在此处氯化物即使处于非常小的水平对消费者也是一种可观的污染物。简言之，采矿过程中富含钠的液体的氯化物污染物(也称为“氯化物中毒”)必须加以避免。

避免氯化物污染的这一需要对所有的原位天然碱溶解采矿方法都提出了一项重要挑战，因为“氯化物中毒”问题是从天然碱矿床的沉积的环境中得来的。在怀俄明州的天然碱矿床17的例子中，该矿床以地层中一个相对不渗透的油页岩层为界，并且在天然碱自身的顶板和上部区域内是更软、更脆的“绿色页岩”层。对溶解开采液体的氯化物中毒提出最大可能性的就是这些上部页岩。由于这些天然碱矿床沉积的复杂过程，顶板页岩趋于包含显著量的负载有氯化物的矿物、连同其他水溶性污染物。如果允许这些顶板页岩与该液体大体积地接触(结合有破碎和连接)，它们很有可能使该液体“中毒”并致使它不适合用于精炼。因此，所希望的是原位溶解采矿是以这样一种方式进行，该方式避免使大体积的这些不希望的可溶性矿物与该溶剂相接触。

此外，这些原位溶解采矿方法和系统可能导致宽跨度的暴露于该溶剂液体的无支持的顶板岩石。当这些“开放的顶板跨度”超过一个临界距离(范围从几英尺高达也许二十英尺)时，该顶板将掉落并沿着其整个长度落入充满溶液的空隙中。在这些情形下，这些顶板页岩在该井孔的几乎整个生命中严格地说浸渍在该溶剂中。因此，氯化物、无机物以及其他可溶性矿物将有可能从这些页岩中沥滤出并污染该液体，从而致使它无用。

在残余矿柱(pillars)的目前的混杂溶解开采中，这个问题在多数情况下可以避免，因为该顶板并不典型地断裂和凹陷的并且被允许浸渍在该溶剂中。在这种开采方法中采用的残余矿柱在该顶板被缓慢溶解掉时保持它们向上离开该液体。加入不溶性尾矿材料有助于稳定一个矿柱并避免溶解过程中在该矿柱变得更弱并且在过度负担的荷载下崩溃时的完全矿柱失效。然而最终，这些矿柱残余物周围的空隙区域填充的不溶性材料到达了一个点，此时可供用于该溶剂的天然碱的表面变成无价值的并且生产下降，直到采矿最后终止。

因此希望的是该采矿作业进行的方式为使得保存适合用于机械采矿的更希望的天然碱资源，而同时从较不希望的矿床中提取天然碱而没有增大的采矿危险以及增大的成本的负面影响。

理想地，应该以这样一种方式来提取天然碱，从而使得对在天然碱矿床中、尤其是在这些浅的天然碱矿床(它们目前是较不经济可行的并且因此是较不希望的)中的机械采矿的需要最小化或甚至消除。

发明概述

本发明着手解决关于之前的原位溶解采矿系统和方法的这些问题中的一项或多项，这些系统和方法具体是用于对天然碱矿床进行原位溶解开采、更具体是用于对未开采的天然碱矿床进行原位溶解开采。

根据本发明的系统和方法涉及对一种含所希望的溶质的矿床进行原位溶解开采，其方式是有效地将该希望的溶质溶解在一种溶剂中同时防止或限制该矿石顶板与该溶剂接触、并由此消除通过顶板材料的溶解由不希望的(无机的和/或有机的)溶质带来的潜在污染。例如，在天然碱开采的情况下，该方法由此减小或甚至消除了由不希望的氯化物和/或溶剂可溶的有机化合物带来的潜在污染。

在开采天然碱矿床的情况下，根据本发明的用于天然碱开采的原位溶解采矿方法总体上在位于一个非常大的天然碱矿床内的一个或多个无内衬的井孔部分中使用了一种溶剂，以溶解此种天然碱矿床的基底，其方式为有效地系统性地下切割该天然碱矿床，从而使它易受重力加载和粉碎。该溶剂溶解了粉碎的天然碱并将溶解的天然碱送走，这进而创造了一个掏空的空间(底部掏槽(undercut))用于将更多天然碱材料移动到该掏空空间内并暴露于该溶剂中以便溶解。这个过程创造了对于有意义的生产水平所需的大量的天然碱表面积而不要求初始的机械采矿。通过以一种精确的方式控制溶剂的流动，整个天然碱块体从底板向上至顶板或顶板附近被完全溶解掉。申请人由此将此种方法定义为原位“底部掏槽”溶解采矿方法。底部掏槽的形成在矿床中可以随着采矿作业的进行而带有一个倾斜梯度行进，例如以一种后退模式，像该底部掏槽在矿床的基底处初始地形成为向下倾并在继续在向上倾的方向上形成，或者是以一种前进模式，像该底部掏槽在矿床的基底处初始地形成为向上倾并在继续在向下倾的方向上形成。因为存在着底部掏槽形成随时间的过去沿着初始的无内衬井孔或其多个部分的迁移，因此申请人将这种方法称为一种“行进式”底部掏槽溶解采矿方法。

对于天然碱矿床的开采，该底部掏槽溶解采矿方法不仅使得能够在天然碱矿床中形成一个“自由面”并允许重力辅助开发出大量的天然碱矿床表面积用于溶解，而且还防止或最小化了通过与顶板岩石接触而可能发生的该液体的氯化物污染。

根据本发明的一个第一实施方案涉及用于对一个地下矿床进行原位底部掏槽溶解采矿的方法，该矿床包括选自下组的一种所希望的溶质，该组的组成为：碳酸氢三钠、碳酸钠和碳酸氢钠，所述矿床具有一个底板和一个顶板，该方法包括以下步骤：

通过一个无内衬井孔部分来注入一种包括水的溶剂，所述无内衬井孔部分包括一个定位在所述矿床内且在所述矿床底板上方的井下末端，所述无内衬井孔部分是水平的或被倾斜为使得被倾斜为使得其末端之一比另一个末端处于更高的海拔，以便将所述无内衬井孔部分内的或邻近所述无内衬井孔部分的所述井下末端的一个矿石区域暴露于该溶剂中；

从所述暴露于溶剂的矿石区域溶解该所希望溶质的至少一部分，其方式为有效地形成一种含有所述溶解的天然碱的液体并且进一步在该矿床底板上方形成一个底部掏槽，所述底部掏槽包括所述无内衬井孔部分的已经通过溶解被侵蚀的至少一个区段；

重复该溶剂注入来从该矿石中溶解另外的所希望的溶质，由此使该液体富含所希望的溶质，并且进一步以一种有效的方式来扩宽该底部掏槽并触发被布置在所述底部掏槽上方的未暴露矿石的断裂以及断裂矿石碎石通过重力向下运动至该底部掏槽中，同时允许该矿石顶板下陷而不破裂并且防止所述溶剂暴露于位于矿石顶板处或其上方的含氯化物的材料中以便将该液体的氯化物污染最小化；并且

使该液体朝向一个地下收集区流动以便将所述液体递送到一个地上位置。

根据本发明的一个第二实施方案涉及用于一个地下矿床的原位底部掏槽溶解采矿的方法，该矿床包含一种所希望的溶质，该矿床包括一个底板，该方法包括以下步骤：

a)使一种溶剂穿过定位于一个无内衬井孔部分中的一个导管，该无内衬井孔部分具有一个位于该矿床内的井下末端，该导管在距离该井孔井下末端一个预定距离处具有一个位于该无内衬井孔部分中的井下注入区；

b)通过该井下注入区来注入该溶剂以便将邻近该井下注入区的一个矿石区暴露于该溶剂中；

c)从该暴露矿石区中溶解所希望的溶质，其方式为有效地形成一种包括溶解的所希望溶质的液体，该溶解对于在矿床底板上方形成一个底部掏槽是有效的；

d)重复步骤(a)-(c)来通过从溶剂保留的矿石中更多地溶解所希望的溶质而扩大该底部掏槽并且触发位于该底部掏槽上方的未暴露矿石的断裂以及断裂的矿石碎石通过重力向下运动到该底部掏槽中；并且

e)使该液体通过重力向下倾斜地朝向一个地下收集区流动以便将所述液体递送到一个地上位置。

断裂的矿石碎石通过重力向下运动到该底部掏槽中将允许该矿石顶板下陷而不破碎，由此防止溶剂暴露于位于矿石顶板处或其上方的含氯化物的材料中，从而将溶解的氯化物对该液体的污染最小化。

该无内衬井孔部分可以是水平的或被倾斜为使得其末端之一比另一个末端处于更高的海拔。该无内衬井孔部分优选是非垂直的。

根据本发明的一个第三实施方案涉及用于对一个地下矿床进行原位底部掏槽溶解采矿的方法，该矿床包含一种所希望的溶质，该矿床包括一个底板、一个顶板、两个彼此水平相对的横向边缘，该方法包括以下步骤：

a)使一种溶剂穿过定位于一个无内衬井孔部分中的一个导管，该无内衬井孔部分具有一个位于该矿床内的并且进一步位于一个矿床横向边缘处或其附近的井下末端，该导管在距离该井孔井下末端一个预定距离处具有一个位于该无内衬井孔部分中的井下注入区；

b)通过该井下注入区来注入该溶剂以便将邻近该井下注入区的一个矿石区暴露于该溶剂中；

c)从暴露的矿石区中溶解所希望的溶质，其方式为有效地形成一种包括溶解的所希望溶质的液体、并且进一步在该矿床底板上方形成一个底部掏槽、并且进一步允许位于该底部掏槽上方的未暴露矿石的断裂以及断裂的矿石碎石通过重力向下运动到该底部掏槽中；并且

d)将形成的液体收集在一个地下收集室中；并且

e)将所收集的液体从该地下收集室递送至地面。

根据本发明的一个第四实施方案涉及用于对一个地下矿床进行原位底部掏槽溶解采矿的方法，其中该矿床包含一种所希望的溶质(例如，天然碱)并且还包括一个底板、一个顶板、两个水平地彼此相对的横向边缘。该方法包括以下步骤：

a)使一种溶剂穿过定位于一个无内衬井孔部分中的一个导管，该无内衬井孔部分具有一个位于该矿床内的井下末端，该导管在距离该井孔井下末端的一个预定距离处具有一个位于该无内衬井孔部分中的井下注入区；

b)通过该井下注入区来注入该溶剂以便将邻近该井下注入区的一个矿石区暴露于该溶剂中；

c)从暴露的矿石区中溶解所希望的溶质，其方式为有效地形成一种包括溶解的所希望溶质的液体、并且进一步在该矿床底板上方形成一个底部掏槽、并且进一步允许位于该底部掏槽上方的未暴露矿石的断裂以及断裂的矿石碎石通过重力向下运动到该底部掏槽中；并且

d)将形成的液体收集在一个地下收集区中。

根据本发明的一个第五实施方案涉及用于一个地下矿床的原位底部掏槽溶解采矿的系统，该矿床包含一种所希望的溶质，该矿床包括一个底板，该系统包括：

-多个无内衬井孔(或其部分)，这些井孔是穿过该矿床从一个第一井孔末端向一个第二井孔末端钻孔的，其中这些无内衬井孔与该矿床底板在矿床底板上方的一个海拔处是纵向对准的；

-一个溶剂进料系统；

-定位在每个无内衬井孔内的至少一个导管，其中该导管具有一个与该溶剂进料系统流体连通的溶剂注入区，其中该导管溶剂注入区是定位在距离该第二井孔末端的一个预定距离处，其中该导管溶剂注入区被设计为将一种溶剂注入到邻近该导管溶剂注入区的一个矿石区(例如，这些井孔壁的至少一部分)中，其中该导管还包括用于沿着该无内衬井孔移动该溶剂注入区的一种装置；

-与这些无内衬井孔的第二末端流体连通的一个地下收集区，其中该地下收集区被配置为收集由来自邻近每个导管溶剂注入区的每个暴露于溶剂中的矿石区的所希望溶质的溶解而产生的一种液体；以及

-与该地下收集区的至少一部分处于流体连通的一个泵送系统，其中该泵送系统被设计为将所收集液体的至少一部分移动至一个地上位置。

根据本发明的一个第六实施方案涉及用于对一种含所希望溶质(即，矿物价值物)的矿床进行原位溶解采矿的方法，该方法使用了在以上并且在详细说明中描述的该系统或其不同实施方案的任何一个。使用此种系统用于一种含所希望溶质(例如，天然碱)的地下矿床的原位溶解采矿的方法的一个实施方案(其中该第二井孔末端可以被定位在该矿床的一个下倾区域或一个上倾区域内)可以包括以下步骤：

a)通过所述导管将一种溶剂从该溶剂进料系统递送至每个导管注入区；

b)通过每个注入区来注入该溶剂以便将邻近这些导管注入区的矿石区暴露于该溶剂中；

c)从所述暴露矿石区中溶解所希望的溶质，其方式为有效地形成一种包括所溶解的溶质的液体、并且进一步在该矿床底板上方形成一个底部掏槽、并且进一步允许位于所述底部掏槽上方的未暴露矿石的断裂以及断裂的矿石碎石通过重力向下运动到该底部掏槽中；

e)将形成的液体收集在该收集区中；并且

f)将所收集的液体移动到地面。

本发明的不同的替代的或另外的实施方案如下。

该注入步骤可以包括横向地注入该溶剂以便将垂直方向上的溶剂注入最小化。

该方法可以还包括：将所收集的液体从该地下收集区递送至地面，例如通过泵送。

该方法可以还包括：在低于静水头压力的一个压力下进行所希望溶质的溶解。所希望溶质的溶解可以在形成该底部掏槽之后在静水头压力下进行。

该方法可以还包括：在形成该底部掏槽时向其中注入一种压缩气体。

该方法可以进一步以一种分批模式进行，其中注入该溶剂来填满该无内衬井孔部分以及所形成的底部掏槽，并然后停止溶剂流动，这样不移动的流体溶剂溶解所希望的溶质直到该溶剂对于所希望的溶质是饱和的，在这一点将该液体从该地下收集区移除送到地表；并且其中一旦对该底部掏槽空腔进行排水，则重新开始溶剂注入以便重复这种溶解。

该方法可以还包括：将不溶性材料注入该底部掏槽中以形成一种不溶性沉积物，从而改变该溶剂的流动路径和/或防止溶剂在该底部掏槽的至少一个区域中流动。

该方法可以还包括：f)当满足以下条件中的至少一项时终止至少该注入步骤以及任选地该溶解步骤：

i)所收集的液体具有的所希望溶质的含量低于一个最小可接受的值；

ii)所收集的液体具有的不希望的溶质的含量超过了一个最大阈值。

该不希望的溶质可能是氯化钠，并且所收集的液体可能包含5％或更少的氯化钠成分。

该方法可以还包括：g)在进行步骤(f)之后将该导管的注入区移动到该井孔内的另一个位置。当满足以下条件(i)和(ii)中的至少一项时可以进行步骤(g)。可以进行步骤(g)来将新鲜矿石暴露于该溶剂中，直到该导管注入区位于开始进行溶剂注入时的导管注入区的相对的矿床横向边缘处。可以通过以下步骤中的至少一个来进行步骤(g)：g1)将该井孔内的导管撤回，由此增大该导管末端与该井孔的初始井下末端之间的距离；g2)沿着一个预选定的长度从该导管末端向上游移动而对该导管本体进行穿孔。撤回步骤(g1)和穿孔步骤(g2)可以在与溶剂进入导管中的流动路径相对的方向上进行。

该方法可以还包括：h)重新开始该注入步骤或重新开始步骤(b)和(c)。当步骤(g)完成时可以进行步骤(h)。

该方法可以还包括：进行之前所说明的步骤(e)、步骤(f)、步骤(g)、步骤(h)之一或它们的任何组合。

该溶解采矿方法的另外的实施方案可以包括一种“行进式”底部掏槽，该底部掏槽可以是从上倾开始并下倾行进的一种“行进式”底部掏槽或者从下倾开始并上倾行进的一种后退式底部掏槽。因此诸位申请人将这种方法称为一种“行进式”底部掏槽溶解采矿方法，因为在矿石基底处注入该溶剂的位置随时间而移动，这种移动是从下倾到上倾或反之亦然。

对于一种行进式底部掏槽方法，该方法可以还包括进行任何适当的方法用于改变溶剂注入的位置，以便将新鲜矿石暴露于该溶剂中，例如进行之前描述的步骤(g1)和(g2)中的至少一个。步骤(h)可以进行到直至溶剂注入的位置到达该矿床的上倾横向边缘附近或此处的一个矿石区域。

本发明的一个第七实施方案涉及用于在一个含矿物溶质、并且还包括一个顶板及底板的矿床内创造一个大空腔的一种溶解反扩孔方法。这种方法可以包括从地面向下直到该矿床顶板的一个所希望的位置处、优选是在该矿床的一个下倾区域内创造一个井孔的一个内衬部分，并且进一步用一个无内衬部分将该井孔延伸越过该矿床底板以便形成一个收集坑，将一个井下泵安装在该收集坑中。该方法还包括通过从地面定向钻探来钻探一个小的井孔，而在矿石底板上方在矿床的一个区域(优选是一个下倾区域)内更加水平地行进直至到达该收集坑。该方法还包括：将一个导管插入该小井孔内部并且从该导管的井下末端开始在所有方向上喷射高压的不饱和溶剂，以允许溶解矿物溶质，由此增大该井孔的尺寸(例如，增大的截面面积)并形成一个空腔；将被埋在矿床中的无内衬井孔部分内的导管撤回或将其穿孔；并且重复该溶剂通过以及喷射步骤来继续该溶质的溶解并扩大所形成的空腔。这个扩大的空腔可以用作在本发明的行进式底部掏槽溶解采矿方法和系统的一些实施方案中所采用的收集区。该矿床可以是一个未开采的天然碱矿床，并且该溶剂可以包括水，如钠价值物不饱和的一种水溶液，或者可以是水。

本发明的不同的非限制性优点如下。

它使得能够通过原位行进式底部掏槽溶解采矿进行矿物价值、特别是天然碱价值的有效的、安全的且有生产力的提取；

它对于从具有有限垂直范围(不大于30英尺)但是大的横向范围(几千英尺)的矿床中有效生产矿物价值是有用的；

它通过从矿石提取的即时区域中移走人员而改善了地下矿石开采的总体安全；

它以远远优于任何已知机械方法的总提取比率开发了矿物资源；

它可以在非常大的规模上被采用；

它可以用来或者另外被适配为提取具有一种适当特征的任何可溶性矿物沉积物；

它减小或消除了对机械采矿的需要；

它可以远离相同矿床、不同矿床、或地面之处进行操作；

它是足够灵活以致可以适应陡峭的梯度、厚矿床、薄矿床以及低品质的矿床；

它可以被适配为用于相对于该矿床的走向以任何取向进行采矿；

它可以被适配为水平的或起伏的矿床；

它可以用于地面以下多种深度处的矿床，这些深度可能以其他方式被认为是通过已知的机械装置难以进行或不可能进行开采的；和/或

它可以用于多矿层的应用中。

具体地对于天然碱开采，本发明减小或消除了对于在天然碱沉积物中天然存在的不溶性污染物的共同生产。另外地或可替代地，本发明在用于天然碱开采时在防止或降低生成的天然碱液体被不希望的矿物以及在天然碱上方的顶板岩石中经常发现的其他可溶性材料(如氯化物或油页岩组分)以及在天然碱矿床的上部部分中经常发现的页岩层所污染的方面是有效的。

为了可以更好地理解以下本发明的详细说明，以上内容已经相当概括地指出了本发明的特征和技术优点。下文中将对本发明的另外的特征和优点进行说明，这形成了本发明的权利要求的主题。为了实现本发明的相同目的，本领域的普通技术人员应该理解的是，所披露的概念和具体实施方案可以作为基础容易地用于修改或设计其他结构。本领域的普通技术人员还应该意识到此类等效的构造或方法并不偏离如在所附权利要求书中列出的本发明的精神和范围。

附图简要说明

为了对本发明的优选实施方案进行详细说明，现在将参考附图，这些附图是为了举例而非限制而提供的，其中：

图1展示了根据本发明的一种系统的一个第一实施方案，其中该系统包括在矿床中钻出的一个直的无内衬井孔中定位的一个导管；

图2展示了根据本发明的一种系统的一个第二实施方案，其中该系统包括在矿床中钻出的一个倾斜的无内衬井孔中定位的一个导管；

图3展示了根据本发明的一种系统及其操作的一个第三实施方案，其中该系统包括多个平行的井孔，并且其中该操作创造了多个掏空的区域；

图4展示了根据本发明的一种系统及其操作的一个第四实施方案，其中该系统包括多个平行的井孔，并且其中该操作创造了一个掏空的沟槽(底部掏槽)，该沟槽连接该多个掏空区域；

图5a、5b、5c展示了在一种第五实施方案中根据本发明采用一种后退式底部掏槽的原位行进式底部掏槽溶解采矿的不同操作模式，其中在该天然碱矿床的一个下倾区域中创建了一个底部掏槽，如图5a中所示；其中或者通过在该井孔中撤回该溶剂导管(如图5b中所示)和/或通过沿着该溶剂导管的一个预选定长度形成穿孔(如图5c中所示)来移动注入区；

图6展示了用于根据本发明的原位天然碱开采的一种系统及其操作的一个第六实施方案，其中该操作在该天然碱矿床的基底处创造了一个新生的底部掏槽构造；

图7展示了用于根据本发明的原位的后退式底部掏槽溶解天然碱开采的一种系统及其操作的一个第七实施方案，其中该后退式底部掏槽已在该井孔的一个上倾区域中通过将该导管撤回到井孔中而前进；

图8展示了用于根据本发明的原位溶解采矿的一种系统及其操作的一个第八实施方案，其中采用了一种溶解反扩孔技术来在包括一种矿物溶质的矿床中创造一个大的空腔；

图9展示了用于根据本发明采用一种前进式底部掏槽的原位溶解天然碱开采的一种系统及其操作的一个第九实施方案；

图10展示了用于根据本发明采用一种前进式底部掏槽的原位溶解天然碱开采的一种系统及其操作的一个第十实施方案；

图11a和11b展示了根据本发明的一个第十一实施方案的一个立面图及一个平面图，其中在穿过矿床定向钻出的一个井孔的上倾的无内衬部分中形成一个前进式底部掏槽是使用一个定位在井孔中的同心导管以及一种上倾的气体注入开始的；

图12a和12b展示了如图11a-b中所示的使用气体注入的前进式底部掏槽形成的进展的一个立面图以及一个平面图；

图13a和13b展示了在不具有气体注入的该溶解采矿系统的生产阶段(使用如图12a-b中所示形成的底部掏槽)过程中的一个立面图以及一个平面图；

图14a-c展示了用于根据本发明采用一种前进式底部掏槽的原位的溶解天然碱开采的一种系统及其操作的一个第十二实施方案；

图15a-d展示了用于根据本发明采用多个平行底部掏槽的原位的溶解天然碱开采的一种系统及其操作的一个第十三实施方案；

图16a-c展示了用于根据本发明采用一种前进式底部掏槽的原位的溶解天然碱开采的一种系统及其操作的一个第十四实施方案；并且

图17a-g展示了用于根据本发明采用一种前进式底部掏槽的原位的溶解天然碱开采的一种系统及其操作的一个第十五实施方案。

定义及术语

为了本披露的目的，某些术语旨在具有以下含义。

在“天然碱”、“矿石”、“面积”或“区域”之前的术语“暴露于溶剂中的”是指在原位溶解采矿方法的过程中已经与该溶剂接触的任何矿石、天然碱、面积或区域。

在“天然碱”、“矿石”、“面积”或“区域”之前的术语“贫溶质的”是指在原位溶解采矿方法的过程中已经与该溶剂接触的并且更贫乏所希望的溶质的任何矿石、天然碱、面积或区域。

在“天然碱”、“矿石”、“面积”或“区域”之前的术语“未暴露的”或“新鲜的”是指在原位溶解采矿方法的过程中之前未被暴露于该溶剂中的任何矿石、天然碱、面积或区域。

在“天然碱”、“矿石”、“面积”或“区域”之前的术语“未开采的”是指从来未被开采过的任何矿石、天然碱、面积或区域。

在“天然碱”、“矿石”、“面积”或“区域”之前的术语“开采过的”是指之前已通过机械技术进行了开采的任何矿石、天然碱、面积或区域。

如在此使用的术语“TA”或“总碱”是指溶液中的碳酸钠和/或碳酸氢钠(后者常规地是以其当量的碳酸钠含量的方式表示)的重量百分比。例如，含17重量百分比Na₂CO₃以及4重量百分比NaHCO₃的一个溶液将具有19.5％的TA。

术语“液体”代表一种含有溶剂以及溶解的所希望的溶质(如溶解的天然碱)的接近饱和的或饱和的溶液。

术语“富液”表示当溶剂经过矿石时该溶剂携带了溶解的矿物或一种希望的溶质(如天然碱)。该富液可以对所希望的溶质是不饱和的，或者可以是对所希望溶质饱和的一种液体。

优选实施方案的详细说明

本发明的优选实施方案涉及用于原位溶解采矿的系统和方法，其中的每一种将一种溶剂施加至包含一种所希望溶质的地下矿石上，其方式为将该矿石进行下切割，由此允许来自过度负载的重力能将新鲜矿石断裂成碎石并且将这些新鲜矿石的碎石移动到该底部掏槽中。这种底部掏槽原位溶解采矿确实使用了重力能来引发新鲜矿石的断裂、崩落、坍陷、以及粉碎进入该底部掏槽中。通过矿石溶解造成矿石下切割并通过重力能造成崩落的这种技术创造了可供用于暴露于溶剂中的更大表面积的矿石，这在使用之前的原位溶解采矿方法是将不存在。

因此本发明通过在矿床的一个特定区域内局部施加一种溶剂流动来在矿床基底处形成一个底部掏槽而提供了用于消除或减小液体污染、并且由此允许来自这个特定区域上方的新鲜矿石(矿石碎石)通过重力的力量剥落并落入这个底部掏槽中的一种手段。这种溶剂的局部施加使得能够得到新鲜矿石的一种更受控制的剥落/崩落，因为矿石的剥落/崩落被限制在该矿床的一个特定区域内，因此允许顶板下陷而不破碎。

根据本发明的这种底部掏槽采矿方法可以行进到该矿床的一个邻近区域，在此该底部掏槽的行进可以是以一种后退式底部掏槽上倾的或者是以一种前进式底部掏槽下倾的。

在本发明的某些实施方案中，这些无内衬井孔或无内衬井孔部分可以是水平的或者被倾斜为使得它们的第一末端比它们的第二末端处于更高的海拔处。每个无内衬井孔(或其一部分)关于该待开采的矿床的纵轴可以是接近平行的或倾斜的。每个无内衬井孔部分优选是非垂直的。这多个无内衬井孔(或它们的部分)可以在同一个平面上，例如同一个水平面，但不是必须的。这多个无内衬井孔(或它们的部分)优选(尽管非必要地)是处于一种平行的安排中。这多个无内衬井孔(或它们的部分)与该收集区的纵轴可以是垂直的或平行的。这些无内衬井孔或它们的部分可以具有至少从3英寸(7.6cm)或至少4英寸(10.1cm)；和/或最多50英寸(127cm)或最多20英寸(50.8cm)的内部直径。

这些无内衬井孔或它们的部分被定位在矿床内但是优选在矿床底板的上方被钻出以便在矿床底板的上方以某个距离间隔开。这些无内衬井孔或它们的部分优选被定位在该矿床厚度的底部三分之一内。

这些无内衬井孔部分可以通过一种定向钻孔方法来形成。这些无内衬井孔或它们的部分可以包括横向的(定向钻探的)侧面分枝而在溶剂注入和溶解过程中辅助该底部掏槽的横向扩宽。

在本发明的一些实施方案中，平行的无内衬井孔或它们的部分最初不是彼此流体连通的，直到它们的通过溶解而从它们的最初井孔位置创造出的对应底部掏槽合并成一个底部掏槽沟槽，这个沟槽允许了它们之间的流体连通。

在本发明的替代实施方案中，平行的无内衬井孔或它们的部分最初是彼此流体连通的，这或者是通过具有与相邻的一个或多个无内衬井孔部分相交的多个横向侧面分枝、或者是通过具有一个共用的井孔末端而实现的，这个井孔末端通过多个无内衬的弯曲区段被连接至这些平行的无内衬井孔的每一个上。

在本发明的替代的或另外的实施方案中，其中该矿床具有一个第一横向边缘以及一个第二横向边缘，并且其中该第二横向边缘与该第一横向边缘水平地相对，每个第一井孔末端可以位于该矿床的第一横向边缘附近，并且每个第二井孔末端可以位于该矿床的第二横向边缘附近。当该第二横向边缘是该矿床的下倾边缘时，该第二井孔末端优选地是该无内衬井孔或其部分的井下末端。

对于本发明的任何一个以及所有的实施方案，应该理解的是可以定时地将仪器沿这些井孔和/或导管向下传递以便测定该底部掏槽已进展了多远，例如监测地面下沉程度以及下沉速率。可以将包括测量工具的定向杆插入空腔内，并且可以将数据与初始的孔测量值进行比较以便测定底部掏槽的打开尺寸。

该溶剂进料系统可以包括一个岐管、靠近地面的一个地下空腔、或者靠近矿床的一个地下空腔。

当通过一个导管进行溶剂注入时，可以应用以下的另外的或替代的实施方案。定位进入无内衬井孔部分中的导管具有比这些无内衬井孔部分更小的直径，例如像直径是从2至15英寸(5-38cm)或直径是3至10英寸(7.6-25.4cm)或者直径是3至7英寸(7.6-17.8cm)。该溶剂进料系统被水力连接到该导管的一个末端上。该导管注入区可以被设计为横向地注入该溶剂以便以一种基本水平的方式来分散溶剂并且避免在垂直方向上注入溶剂。距离每个导管注入区和每个第二(井下)井孔末端的预定距离可以是至少10英尺(3m)、或至少25英尺(7.6m)、或至少50英尺(15.2m)、和/或可以是最多750英尺(229m)、或最多500英尺(152m)、或最多400英尺(122m)。该井下注入区可以是一个井下导管末端和/或该导管本体上的一系列的穿孔。该井下注入区允许从该导管的内部向该导管外部注入溶剂。该井下注入区可以包括一个导管的的一部分，该部分被定位在埋入矿床底板上方的矿床中的一个无内衬井孔(或它的一个无内衬的部分)中。进一步构思了，当创造一个主动崩落的底部掏槽沟槽时，可以通过该无内衬井孔或它的一部分机械地撤回一个同心导管，或者另外地用一个井下穿孔工具对其进行穿孔以便将该溶剂暴露于新鲜矿石(即，非之前暴露过的矿石)，或者可以使用用于移动该溶剂注入区的任何其他的适当手段或方法。

该系统可以进一步采用用来移动该井下注入区的装置，它允许溶剂注入随时间沿着该井孔移动。用于移动该井下注入区的装置可以包括用于撤回该导管(一般以一种间歇的方式)的一种装置、和/或允许沿着该导管本体的一个预选定长度形成(一般是间歇的)穿孔的一种穿孔工具。

关于本发明的任何一个或所有的实施方案，可以利用低到中等的工作压力来限制溶剂与矿床的顶板接触的能力。该工作压力可以低于存在于该导管注入区(例如，第二(井下)导管末端)位置处的压力水头。在底部掏槽形成过程中使用的低到中等的溶剂工作压力(低于形成该底部掏槽的深度处的静水压力)也可以起作用来防止溶剂在该无内衬井孔或其一部分的内部回流向地面。

该收集区可以包括一个收集坑，该收集坑可以比矿床底板处于更低海拔处。该收集坑可以被配置为收集该液体并且可以水力地连接至一个泵送系统上。该收集区可以通过一种定向钻孔方法来形成。该收集区可以通过机械手段(例如，在钻孔机下)和/或通过化学手段(例如，一种溶解反扩孔技术)来扩大。在一些实施方案中，该收集区可以在形成底部掏槽之前或形成底部掏槽之后创造。该收集区可以被定位在该井下井孔末端附近或被定位在该井孔末端与该垂直的注入点的中间。

关于本发明的任何一个或所有的实施方案，此种原位底部掏槽溶解采矿方法所针对的矿石可能是含有希望的矿物溶质的任何适当的矿石。优选地，该矿石包含未开采的天然碱、开采过的天然碱、或含有碳酸钠的任何沉积物，更优选是未开采的天然碱。当该开采可以包括天然碱、特别是未开采的天然碱时，所希望的溶质可以是钠价值物，如碳酸氢三钠、碳酸钠和/或碳酸氢钠。一个天然碱矿床可以具有从5英尺到30英尺(1.5-9.1m)的厚度，或者可以更浅、具有从5到15英尺(1.5-4.6m)的厚度，并且可以位于地面以下从800到2000英尺(244-610m)的深度处。

在该地下收集区中收集的液体优选对所希望的溶质是饱和的。在天然碱开采的情况下，在该地下收集区中收集的液体优选对碳酸钠和/或碳酸氢钠是饱和的。

在根据本发明的原位溶解采矿方法和系统的任何一个或所有的实施方案中，该溶剂可以是水或含有一种所希望溶质(例如，碱价值物)的一种水溶液。该希望的溶质可以选自下组，其组成为：碳酸氢三钠、碳酸钠、碳酸氢钠、以及它们的混合物。在此种原位底部掏槽溶解采矿方法中采用的溶剂可以包含或可以主要由水或者对所希望溶质不饱和的一种水溶液组成。该溶剂中的水可以源自天然来源的淡水，如来自河流或湖泊；或者可以是处理过的水，如离开废水处理厂的水流。该溶剂可以是苛性碱。该溶剂中的水溶液可以包含一种可溶性混合物，如氢氧化钠、苛性钠、任何其他的碱、一种或多种酸、或它们的两种或多种的任何组合。该溶剂可以被加热至一个预定温度来增大该矿石中存在的一种或多种所希望溶质的溶解度。在天然碱矿床的情况下，该溶剂可以是含有一种碱(如苛性钠)、或可以增强天然碱在该溶剂中的溶解的其他化合物的一种水溶液。该溶剂可以至少部分地包括一种水溶液，该水溶液对该希望的溶质是不饱和的，例如从可能经受底部掏槽形成的同一个溶解开采过的矿床中、和/或从可能经受底部掏槽形成的另一个溶解开采过的矿床中再循环的一种不饱和的溶液。

在一种原位底部掏槽天然碱溶解采矿方法中采用的溶剂可以包括或可以主要由一种弱苛性碱溶液组成，因为此种溶液可能具有以下优点中的一项或多项。用弱的苛性碱溶液来溶解钠价值物是更有效的，因此要求与天然碱矿石接触更少的时间。使用该弱的苛性碱溶液还消除了“碳酸氢盐遮挡”效应，因为它有助于将碳酸氢钠原位转化成碳酸盐(如与在提取之后于地面上异地进行这种转化相反)。它还允许与单独用水所将正常溶解的相比更多地溶解碳酸氢钠，因此提供了生产率的提升。它可能进一步在底部掏槽中留下一种不溶性碳酸盐，如碳酸钙，这在采矿作业中可能是有用的。

应该注意的是该溶剂的组成在该溶解采矿作业的过程中可能被改变。例如，在天然碱开采的情况下，最初可以使用水作为溶剂来开始底部掏槽的形成，而在采矿过程中为了完成例如碳酸氢盐到碳酸盐的转化可以在稍后的时刻加入氢氧化钠，因此导致从该天然碱矿床中更大地提取所希望的碱性价值物。

溶剂的注入可以在定位于该天然碱矿床中的两个或多个平行的无内衬井孔部分中进行，以便允许形成两个或多个平行的底部掏槽。将溶剂注入进两个或多个平行的无内衬井孔部分中可以顺序地或同时地进行。

所注入的溶剂的温度可以从环境温度到220°F(104℃)而变化。该溶剂温度可以在0°F与200°F之间(17.7℃-104℃)。可以使用温度在100°F与220°F(37.8℃-104℃)之间或在100°F与150°F(37.8℃-65.6℃)之间或在60°F与90°F(15.6℃-32.2℃)之间的溶剂。该溶剂温度越高，在溶剂注入点处及附近的溶解速率就越高。该溶剂温度在它被保留于地下矿石时可以从其注入点变化至完全达到该液体(或富液)到达收集区时的矿石温度或与之相匹配。因为从开采区提取出的液体优选是处于饱和的并且具有与该地下矿石平衡的温度，所以受此温度限定的所希望溶质的饱和水平将贯穿该底部掏槽的形成和生产而保持不变，因此提供了具有恒定的所希望溶质(例如，钠价值物)含量的一种液体。以这种方式，该液体的所希望溶质的含量在底部掏槽的形成和操作过程中不随时间波动。

该溶剂可以在一个上倾方向上或在一个下倾方向上注入。

该溶剂注入优选是以一种方式进行的，该方式对于最初辅助底部掏槽的横向扩宽并且此后辅助底部掏槽的向上扩宽是有效的。在某些实施方案中，该溶剂的注入是通过一个同心地定位在该无内衬井孔部分的至少一个区段内部的导管进行的。

该溶剂流动可以依赖于该底部掏槽的尺寸而变化，如它在该底部掏槽内部的流动路径的长度、为了从该矿石的自由面中溶解所希望溶质而与矿石接触的希望时间、连同下切割的阶段(无论它是对正在进行的形成初期的还是对正在进行的生产是成熟的)。例如，对于每个井孔部分的溶剂流速可以从11至228立方米每小时(m³/hr)[50-1000加仑每分钟]；或从13至114m³/hr(60-500GPM)；或从16至45m³/hr(70-200GPM)；或从20至25m³/hr(88-110GPM)而变化。

这种溶解总体上在所形成的底部掏槽的底部留下了一层不溶物，这种不溶物层是在断裂的矿石的上方的并且在该底部掏槽中提供了用于该液体从中流过的一个(多孔的)流动通道。

所希望溶质的溶解可以在低于静水头压力的一个压力下进行、或者在静水头压力下进行。该压力可以依赖于目标矿床的深度而变化。所希望溶质的溶解可以在底部掏槽形成过程中在低于静水头压力(在形成底部掏槽的深度处)的一个压力下进行。所希望溶质的溶解可以在形成该底部掏槽之后、例如在一个生产阶段的过程中(其中含有断裂矿石碎石的所形成的底部掏槽中的掏空空间充满了液体溶剂)在静水头压力下进行。该压力可以是至少0psig(102kPa)、或至少300psig(2170kPa)、或至少700psig(5410kPa)。该压力可以是最多4500psig(31128kPa)、或最多1200psig(8375kPa)、或最多1100psig(7686kPa)。该压力可以是范围从0psig到4500psig(101-31128kPa)；或从0psig到2000psig(101-13890kPa)；或从0psig到1200psig(101-8375kPa)；或从300psig到1200psig(2170-8375kPa)；或甚至从700到1100psig(5410-7686kPa)。

该方法可以还包括在形成该底部掏槽时向其中注入一种压缩气体。该方法可能还包括停止向在矿床底板附近形成的底部掏槽中注入该压缩气体，然后用溶剂填满全部底部掏槽空腔，并产生一种对所希望的溶质饱和的液体。

该方法可以包括一个底部掏槽形成阶段，其中该底部掏槽空腔没有填充液体，之后是一个生产阶段，其中该底部掏槽空腔中填充了液体。

当该掏空的底部掏槽接近或到达该矿石顶板时，可以将溶剂注入移到另一个未开采的矿石区。对移动该溶剂注入的指示可以是在所收集的液体中检测出不可接受水平的一种不希望的溶质(污染物)时，和/或在该液体中的所希望溶质的水平不足以从所收集的液体中生产出精炼产品时。例如在天然碱开采的情况下，当所收集的液体中氯化钠的含量超过5％并且当TA含量低于8％时，可以将溶剂注入区移向新鲜的天然碱。

设想到了可以连续地或间歇地分析多个液体等分部分以得到所希望溶质的含量连同污染物水平。例如，在天然碱溶解采矿的情况下，可以分析多个液体等分部分以得到TA含量和氯化物含量。可以将在顺序的液体等分部分中升高氯化物含量用作底部掏槽接近岩石顶板并且应该移动溶剂注入以便暴露出新鲜天然碱的新区域的一种指示。可以通过创建一个新的注入井孔、通过改变一个同中心导管的井下末端的位置、或者通过对该同中心导管本体的至少一个区段进行穿孔来移动溶剂注入。

该溶解采矿方法可以按一种连续模式进行，其中将溶剂注入并使其通过该无内衬井孔部分并随后通过该底部掏槽空腔，这样移动的溶剂溶解了所希望的溶质，从而进一步切割该矿石的暴露的自由面，而同时将得到的液体从矿床的一个下倾位置移除到地面上。

该溶解采矿方法可以按一种分批模式进行，该模式可以被称为“切割浸渍”采矿方法。开始溶剂注入以填满该无内衬井孔部分和/或该底部掏槽空腔然后停止，这样不移动的溶剂溶解了所希望的溶质，从而进一步切割该矿石的暴露的自由面，直到该溶剂对所希望的溶质达到饱和，在这一点将所得到的液体从矿床的一个下倾位置移除到地面上。一旦对底部掏槽的空腔进行排水，则再次将溶剂注入并重复该分批过程(填充空腔、停止溶剂流动、溶解、收集)。取决于该底部掏槽形成是前进式还是后退式，可能需要将注入点移到另一个矿石位置，如从之前使用的注入点往下或往上的一个位置。以此方式，这种“切割浸渍”采矿方法可以随时间在几个相邻的新鲜矿石区级联地进行操作。这种级联式操作可以上倾地开始，并且将注入点随时间下倾地移动。当该底部掏槽的下倾边缘到达矿床的下倾边缘时，可以终止溶剂注入。

关于本发明的任何一个或所有的实施方案，可以与溶剂同时地进行不溶性材料(例如尾矿)的周期性(或者间歇式或者连续的)注入。不溶性材料的注入可以包括：将指定量值的不溶性材料与该溶剂周期性地混合、并且将合并的混合物直接注入该无内衬井孔部分或一个同心地定位在它内部的导管中；或者通过被插入每个无内衬井孔部分中的一个第二导管(除该第一溶剂导管之外)注入不溶物(例如，尾份或尾矿)。此种不溶性材料的注入可以形成不溶性材料的多个岛，这些岛将使溶剂流动偏移至新鲜矿石(例如，未开采的天然碱)和/或将形成对向下移动的顶板的某种支撑。以此方式，可以构造不溶性材料的一种支撑系统来停止顶板向希望点的移动，而通过在围绕该不溶性材料的矿石区域内的溶质的溶解所创造的流动通道将允许富液穿过这个矿石区域移动。还可以采用不溶性材料(如尾矿)的沉积物来阻塞某些流动路径，尤其是越过(或旁路通过)新鲜矿石可能短路的那些，如稍后描述的“建通道”现象时所观察到的。

必须理解的是，或者由于顶板岩石的性质或者通过这种方法将逐步允许顶板下陷并落下而不大大断裂的这种方式，来自顶板材料的液体污染可能不是主要问题。如果是这种情况，申请人相信该系统就溶剂流速、底部掏槽的后退或前进速率、以及生产中的矿石碎石体积而言可以更加进取性地进行操作。

所相信的是，由于本发明的原位溶解采矿的动态性质，使用该行进式底部掏槽方法对一个天然碱矿床进行溶解采矿将不会受到所谓的“碳酸氢盐遮挡”效应所阻碍，因为在底部掏槽中存在新鲜矿石的连续补给，用于钠价值物的溶解和液体的产生。

对于本发明的任何一个或所有的实施方案，当易受重力加载和粉碎的过度负载的一部分破裂并落入底部掏槽中时可能释放出一些地下气体。所释放的地下气体可能含有甲烷。确实，在天然碱开采的情况下，即使天然碱本身含有非常少的含碳材料并且因此释放非常少的甲烷，但天然碱矿床一般是位于一种载有甲烷的油页岩之下，该油页岩在开采过程中释放甲烷。当在底部掏槽扩展过程中发生此种地下气体释放，可以周期性地进行对该释放气体的吹扫以去除该气体并解除压力，从而防止压力积累和/或将安全问题最小化。推荐的是在此种气体吹扫过程中停止井下的溶剂流动。释放气体的吹扫可以通过经由已经形成的用于溶剂注入的井孔通到地面上而完成，优选是通过上倾定位的一个注入井孔(因为气体向上运动)。可替代地，释放气体的吹扫可以通过一个或多个二级吹扫井完成。这一个或多个二级吹扫井的井下区段优选地与该底部掏槽的上部部分是流体连通的，因此允许与被开采的矿石以及吹扫井流体连通。为了实现这样的连通，该吹扫井的井下区段可以穿过该页岩层以及矿石顶板而钻探。

现在将参考附图对本发明进行说明。

图1是用于进行矿床5(如天然碱矿床)的原位溶解开采的一种系统1的示意形式的截面视图。矿床5包括一个底板11、一个第一横向边缘12、一个第二横向边缘13、以及一个顶板14。底板11与顶板14垂直相对。第二横向边缘12与第一横向边缘13水平相对。

为了构建系统1，在定向井孔钻探开始之前，向矿床底板11上方的一个预定海拔钻探一个第一定向井孔9。第一定向井孔9可以是倾斜的(如图1中所示)或者可以基本上垂直地延伸(如图2中所示)。在一个不同的方向上继续钻探以在矿床5内并且基本上与矿床底板11水平地形成一个第二定向井孔10。该第二定向井孔10总体上被下倾地钻探到例如其中可能已经存在了或创造了一个收集区20的一个区域。

第二定向井孔10优选与矿床顶板11在矿床底板11上方但紧邻它的一个深度处是纵向对齐的。总体上，井孔10的定位是在矿床5的厚度的底部三分之一内(定义为沿着整个矿床长度在顶板14与顶板11之间的平均垂直距离)。第二定向井孔10可以基本上水平地延伸(如图1中所示)或者可以是倾斜的(如图2中所示)。第二定向井孔10具有一个位于矿床5的第一横向边缘12附近或此处的第一末端。第二定向井孔10具有一个可能位于矿床的第二横向边缘13附近或此处(尽管不是必须的)的第二末端19。第二末端19优选地是该井孔的井下末端。第二定向井孔10通过它的第二末端19被水力地连接到收集区20上。井孔10与收集区20的流体连通可能允许流体经由第二末端19离开井孔10并直接进入收集区20之中。

为了维持井孔10在它穿过矿床处的整体性，在钻探过程中应该使用完全饱和的液体的一个溶液来从井孔10中去除切屑。在天然碱的情况下，不推荐使用不饱和的水性钻探流体，因为一种不饱和的溶液将在井孔10被钻探时侵蚀它，从而造成不稳定性以及井孔10的可能的空腔，这将致使这个井孔是无效的。

尽管以上描述了一系列的孔用于通过半径15完成井孔9和10，但该钻探步骤总体上是以一个连续的钻探操作进行的。照这样，井孔9和10在实践中可以代表一个连续钻孔的两个部分，它的一个部分具有一种更加垂直的对齐，并且它的另一个部分具有一种更加水平的对齐。

还应理解的是，如果该矿石的长度超过了用定向钻探技术可行的长度，则可以钻探另一个垂直井孔并然后将其水平上倾地定向钻探来与井孔10的第二末端19相遇，以便将该井孔的长度延伸超过用初始钻探的井孔10可行的长度。

尽管图1通过半径15展示了井孔9和10的一个单一连续串，但应该理解的是从地面18的几个位置到邻近或靠近矿床5的第一横向边缘12的一个或多个地下位置的多个钻探操作可以产生多个这些井孔。例如图3示出了多个井孔10的一种安排的平面视图，这些井孔是基本上彼此平行的并且垂直于收集区20的纵轴。优选地但非必须地，这多个井孔从矿床5的一个横向边缘到相对的横向边缘从中跨过了该矿床。

再参见图1，从地面18到一个预定的地下位置钻探了一个第三定向井孔25，总体上是在矿床5中。可能希望的是该预定的地下位置是邻近矿床5的第二横向边缘13的或在其附近。第三定向井孔25可以按一种基本垂直的方式(如所示的)或带有一个斜面(未示出)地从地面18向这个地下位置延伸。

可以将该第一定向井孔9和第三定向井孔25加内衬或使其处于裸露状态，但是优选地衬有套管以防止这些更加垂直对齐的井孔的侵蚀。该第二定向井孔10是无内衬的，因为这个井孔10的大部分被埋在矿石中，并且打算在原位溶解采矿过程中将这个井孔通过溶解进行侵蚀。

第三定向井孔25延伸到的这个地下位置可以是一个已经存在的空腔，例如在天然碱矿床可能位于一个已经开采过的区域旁边的情况下，在该已经开采过的区域中已经由机械采矿形成了空腔。

然而总体而言，创造了收集区20来将第三定向井孔25的地下末端连接到井孔10的第二末端19上。收集区20的形成可以通过机械手段(如定向钻探)并且任选地通过化学手段(如在矿床内使用一种渐进的并且局部的溶剂施加进行溶解采矿)。

对于通过机械手段创造收集区20，设想到可以朝向井孔10的第二末端19钻探一个延伸第三定向井孔25的第四定向井孔(未示出)，优选地但非必须地是基本上水平的，直到遇到井孔10的末端19。一旦第四定向井孔遇到井孔10，该定向钻探可以继续，优选是在矿石5的第二横向边缘13的旁边并且在其紧密附近，这样该第四定向井孔是基本上水平的并且平行于矿床5的横向边缘13。此种钻探优选是在矿床5内进行的。可以将该第四定向井孔扩大以创造一个长形空腔，由此创造出在总体上紧邻或低于矿床底板11的一个深度处与矿石5的横向边缘13的至少一部分(或优选是全部)纵向对齐的收集区20。如图1中所示，设想到了收集区20的顶板可以向上垂直延伸至矿石5的顶板。可替代地，具有较大直径的一个单一空腔可以用几个较小的并且互连的水平井孔来代替以用作该收集区。

收集区20可以通过多个互连的井孔或者通过一个单一的大井孔形成。

可以采用一个机械的下扩孔器或一种化学反扩孔技术来形成这样一个扩大的空腔。例如，为了扩大收集区20，设想到了该化学反扩孔技术可以包括从定位在一个小井孔(已经在该矿床的一个下倾区域内钻探出)内的一个导管的末端喷射高压的不饱和溶剂，这种喷射允许溶解被喷射的矿石内的溶质，由此增大该井孔的尺寸(例如，增大的截面面积)、并且然后撤回该导管以继续这个溶解过程，直到形成了足够大的空腔并且该空腔可以用作收集区20。图8展示了来执行这种技术的一种反向扩孔系统，并将在后面更详细地描述。

收集区20的一个区域可以具有比矿床底板11更低的海拔(更大的深度)。例如，收集区20可以是含有如图1中所示的一个收集坑28(或如稍后描述的图8中所示的收集坑128)，具有较低海拔的一个地下空腔，在此可以收集离开井孔10的流体。

收集区20还可以越过矿床5的横向边缘13延伸某个距离，这样收集区20的这个凹陷部分可以设置在矿床5之外。这个凹陷部分可以包含该收集坑28，该收集坑比收集区20的剩余部分位于更大的深度(即，更低海拔)处，从而允许液体汇集。

该收集区20可以具有一种隧道形状(如形式上是基本上圆柱形的)或任何卵形形状。收集区20总体上具有比第三定向井孔25更大的截面面积。

安装了一个泵送系统30，这样可以将液体55泵送至地面以便回收这些碱价值物。可以将适当的泵送系统30安装在一个回水管35的任一端，该回水管被定位在该第三井孔25的内部。这个泵送系统30可以是从地面开始的一个“地上”系统(如图1中所示)或在矿床水平处的一个“井中”系统(如图2中所示)。

可以将该回水管35延伸进收集区20之中。可以将回水管35延伸进收集区20的凹陷区域(例如，收集坑28)之中。可以将该泵送系统30与回水管35连接以便允许将液体55(例如，富含总碱价值物的一种溶剂)泵送至地面18用于回收所希望的溶质(例如，一种或多种碱价值物)。

将一个导管40插入井孔9和10内部。可以在钻探井孔9和10之时插入导管40、或者可以在完成钻探之后将其插入。导管40可以包括一个管线，其中多个管道以某种程度上无缝的方式头尾相接地彼此串联连接。导管40可以包括一个盘绕的管道或者由其组成，其中管道40是一个无缝的柔性的单一管状单元。该管道40可以由任何适当的材料制成，例如像钢或任何适当的聚合物材料(例如高密度聚乙烯)。

导管40具有一个第一导管末端，该末端被水力连接到一个溶剂进料系统或区域45上，如图1中所示。如果该溶剂进料系统或区域45位于地面处，则该第一导管末端可以被定位在井孔9的地上末端附近。

导管40可以包括与溶剂进料系统(或区域)45流体连通的一个溶剂注入区。该导管溶剂注入区被定位在距离该第二井孔末端19一个预定距离处，并且该导管溶剂注入区被设计为将一种溶剂注入到邻近该导管溶剂注入区的一个井孔区域。该导管溶剂注入区优选地(虽然并非必须地)被设计为横向地注入该溶剂以便避免垂直方向上的溶剂注入。可以利用低到中等的工作压力来限制该溶剂接触矿床顶板的能力，即，该工作压力低于在该导管注入区的位置处存在的压力水头。低到中等的工作压力还将起到防止溶剂在井孔内部回流向地面的作用。

该井下注入区可以是一个井下导管末端(如末端50)和/或该导管本体上的一系列的穿孔。该井下注入区允许从该导管的内部向该导管外部注入溶剂。该井下注入区可以包括一个导管的被定位在埋入矿床底板上方的矿床中的一个井孔(或它的一个无内衬的部分)内部的一部分。

在图1中，导管40具有一个第二末端50，该第二末端充当或包含该溶剂注入区，并且被定位在距离第二井孔末端19的一个预定距离处、并且被设计为将一种溶剂注入到该第二导管末端50附近的矿石区域。该第二导管末端50与井孔10的第二(井下)末端19之间的预定距离可以是至少10英尺、或至少25英尺、或至少50英尺。该预定距离可以是最多750英尺、或最多500英尺、或最多400英尺。

该系统1可以采用用于移动该井下注入区的装置，它允许溶剂注入随时间沿着该井孔10移动。用于移动该井下注入区的装置可以包括用于撤回该导管的一种装置、和/或允许在系统处于操作中时沿着该导管本体的一个预选定长度形成多个穿孔的一种穿孔工具。无论何时对移动溶剂注入的位置存在需要时，该用于撤回的装置以及穿孔工具一般是以一种间歇的方式使用的。

该第二导管末端50可能具有任何种类的用于注入溶剂的装置，如开放的管道末端、喷嘴、具有不同形状的开孔如狭长的水平裂缝等等。应该注意的是，可以对该第二导管末端50进行定向穿孔、或以其他方式将其改变而引导该溶剂，其方式为横向地(以水平的方式)增强溶解并且避免垂直方式的溶解。导管40的第二末端50可以具有任何适当的注入系统，该系统被设计为横向地注入该溶剂以便避免垂直方向上的溶剂施加。

在本发明的一些实施方案中，导管40具有在井孔10内(并且还在井孔9内)被撤回或后退的能力，以便增大该第二导管末端50与该井孔10的第二末端19之间的距离。这种撤回可以通过机械装置进行。

在本发明的另外的或替代的实施方案中，该导管40具有在从第二导管末端50开始一路朝其第一末端返回的一个预选定长度上沿着该导管本体被穿孔的能力。可以进行该穿孔步骤以便暴露现在邻近被穿孔的导管本体的区域中的新鲜矿石。导管40的穿孔允许溶剂从导管40的内部通向导管40的外部。

导管40的穿孔可以通过在导管的内部定位一个穿孔工具、并且操作该穿孔工具以在一个预选定长度上对该导管本体进行穿孔而进行。可以将该穿孔工具移回(即，朝向该第一导管末端)到该导管40内部，从而允许在采矿作业的过程中发生几次穿孔事件。该穿孔工具可以被水力地启动以将该导管本体穿孔。导管40的穿孔还可以仅仅在导管本体的横向侧面上进行，从而在这些导管横向侧面上沿着一个或多个水平的平面创造穿孔。进行这个横向穿孔步骤来允许溶剂以一种优先的横向方式通过这些形成的穿孔。

应该理解的是本发明中考虑到了用于改变溶剂注入位置的任何适当的装置，并且不被限制为使用可撤回的导管或井下穿孔工具。

该溶剂进料系统45可以是一种位于矿床水平附近的“井中”或地下的溶剂进料系统或区域(未示出)或位于井孔9的地上末端附近的一种“地上”溶剂进料系统或区域(如图1中所示)。对于一种地下位置，该溶剂进料系统或区域45可以是被水力连接到导管40的第一末端上的一个地下空腔。可替代地，对于一种地下的或者地上的位置，该溶剂进料系统或区域45可以是被水力连接到导管40的第一末端上的一个泵(在图1中的地上位置示出)。

关于图1中的系统1的操作，该注入和溶解采矿过程是开始于通过溶剂进料系统45将溶剂注入进导管40之中以使该溶剂在一个预定的低到中等的工作压力(例如，低于第二导管末端50处的压力水头的一个工作压力)下从中穿过流向第二导管末端50。一旦该溶剂经由第二导管末端50离开导管40并进入无内衬井孔10之中，则在暴露于该溶剂中的这个井孔区域中的矿石(例如，天然碱)中存在的所希望溶质开始溶解。随着该溶剂被溶解的材料所浸渍时，该溶液变重，这样该富液通过重力穿过井孔10的剩余部分流向它的第二末端19。在富液向井孔(井下)末端19行进时，这个井孔区域内的更多的所希望溶质开始暴露于该溶剂中并因此溶解，从而进一步使该富液饱和而形成了对所希望溶质饱和的或接近饱和的(例如，在天然碱矿石情况下对总碱饱和的或接近饱和的)一种液体。一旦该富液饱和，则不再溶解所希望的溶质。

经由井孔末端19离开井孔10的液体55流入收集区20中，在此处它被合并(例如在收集坑28中)并且接着通过泵送系统30经由回水管35被泵送至地面。或者饱和的或者接近饱和的液体55离开该矿井用于进一步处理，如在天然碱的情况下对其TA值进行处理。

由于在导管40的第二导管末端50附近一路向下至井孔末端19发生了矿物溶解(例如，天然碱)，所以矿床5的这个暴露于溶剂中的区域将在界面面积上增大。从该暴露于溶剂中的矿石区中的矿物(例如，天然碱)溶解不仅在形成一种接近饱和的或饱和的液体方面是有效的，而且还在形成例如图3的平面视图中所示的一个掏空区域60(也称为“底部掏槽”或“自由面”)方面是有效的。在重力的作用力下，在底部掏槽上方可以发生更高海拔的未利用矿石的断裂，并且这种断裂的未暴露矿石可以通过重力向下移动到这个底部掏槽中。当在该底部掏槽中发生矿石崩落，该富含溶质的不饱和溶液可以溶解更多的在该崩落的未利用矿石中存在的所希望溶质(例如，天然碱)。

图2展示了用于进行矿床5的原位溶解开采的一种系统1a(在设计和操作上大部分与图1中的系统1类似)的示意形式的另一个截面视图。系统1a的区别之一如下：在将第一定向井孔9垂直钻探到矿床底板11a上方的一个预定的地下位置后，开始进行第二定向井孔的钻探，但不是在一个水平的平面中。第二定向井孔10相比之下为被钻探得与起伏的矿石底板11a(从一个上倾位置到一个下倾位置)基本上对齐。该矿床可以倾斜约0.4％至10％的坡度。在天然碱矿床的情况下，该矿床可以倾斜例如从约0.4％至2％或从约1％至2％的坡度。在这个系统1a中，由于矿石5的第一横向边缘12是上倾的(总体上比矿石5的第二横向边缘13在更高海拔上)，所以井孔10的第一末端也是上倾的(例如，比井孔10的第二末端19在更高海拔上)。

此外，系统1a不同于图1中的系统1之处在于泵送系统30a被定位在紧密邻近收集区20或在其之内的一个地下空腔中。例如，泵送系统30a的吸水管线可以浸没在收集坑28之中，并且泵送系统30a的离开管线被水力连接到用于将液体55返回到地面的管道35上。

然而，应该注意这些泵送系统30、30a中任何一个在本发明的任何一个以及所有实施方案中可以互换地或组合地使用。对泵送系统的选择在很大程度上与矿床构型及维修问题相关；例如，这个选择可能取决于可供采矿操作者使用的地下空腔的尺寸。

图2的系统1a的操作总体上以与之前关于图1的系统1所描述的相同的方式进行，除了之前指出的泵送步骤上的区别，该泵送步骤发生在收集区20附近或之中而不是图1中所描述的在地面处。

在本发明的背景下设想到可以使用矿床中的定向钻探、之后是周围矿石的受控制的溶解，来“开采”为协助液体流动、泵送、以及操作所必须的其他应用所要求的大的空腔。这将允许从该溶解采矿区域本身远远移开的一个位置来发展并操作该系统，(也许是该目标溶解矿床上方的一个机械开采过的矿层、或者甚至是地面)。这对于采矿人员的安全和操作成本两者都具有重大优点。此外，远距离操作还可以减小由于在大规模溶解采矿的应力下与岩石质量响应的机械学相关的不确定性所带来的影响。

图3展示了根据本发明的一种系统的一个平面视图，其中该系统包括多个井孔10以及定位在井孔10中的一个导管40。每个导管具有一个井下注入区(第二末端50)，能够将溶剂52注入每个井孔的一个井下的无内衬部分中。井孔10的无内衬部分是以一种平行的安排定位的。在图3中，井孔10的这些井下的无内衬部分从一个横向边缘到相对的横向边缘沿着矿床的整个长度是基本上平行地对齐的，并且基本上垂直于收集区20的纵轴(未示出)。术语“基本上”用于井孔的定位，因为它意在包括这些井孔的实际方向的某种变化(在10％以内)。确实，即使对钻探的空间确定可以是相当精确的，但预期可能发生空间变化，并且照这样，预期在井孔的某些部分的对齐中有高达10度或更小的变化。然而总体上，优选的是这些井孔10的整个纵轴线是彼此平行的。

这些井孔的间距可以是从10至1000英尺或者任何适当的距离隔开的，这个距离可以通过本领域技术人员已知的任何技术进行确定，包括实验、测试和数字模型。对这些井孔间距的选择将至少部分地取决于以下各项中的至少一项或多项：矿石的组成、溶剂组成及温度、溶解速率、矿床倾斜、或在顶板材料中不希望的溶质的存在(与否)。

井孔10的井下无内衬部分优选在靠近在距离矿石底板的一个预选定距离(例如，1至20英尺或1至10英尺)内在矿床的第二边缘附近或此处的收集区20中终止。这些井孔10的每个井下末端19被水力连接至收集区20，并且允许液体55离开每个井孔10。液体55被合并在收集区20中并接着被泵送系统30泵送至地面。如之前说明的，该泵送系统30可以是一个地上的或地下的系统。

这些井孔10可以具有直径范围从3至50英寸的直径。

定位在这些井孔10中的导管40具有比这些井孔10更小的直径，例如像直径是从2至15英寸或直径是从3至10英寸或者直径是从3至7英寸。这些导管40的末端50被定位在不及这些井孔末端19的某个预定距离D处。在采矿作业开始时这个距离D可以从10到750英尺、或从50到400英尺而变化。

一个溶剂进料系统(图3中未示出)可以包括一个岐管来将溶剂递送到每个单独的导管40中，这样可以对每个单独导管40中的溶剂的流动和压力进行控制。

该溶剂52，例如像水或对于所希望溶质不饱和的一种水溶液(如含有碳酸钠、碳酸氢钠和/或氢氧化钠)，然后穿过导管40。以一种优选的方式，可以控制导管40中的溶剂52的压力，其方式为有效地允许该溶剂在相当低的压力水头下离开这些导管。大家应该控制穿过导管40的流速和压力以确保离开这些井孔10进入收集区20的液体55是完全饱和的。所注入的溶剂52的温度可以从环境温度到104℃(120°F)而变化。该溶剂温度越高，在溶剂注入点处及其附近的溶解速率就越高。

例如，在天然碱矿的情况下，最初可以使用例如接近100°F(37.8℃)的热水或者一种苛性钠水溶液作为溶剂来确保饱和。确实，被加热到环境温度以上(例如大约100°F-110°F(38.8℃-43.3℃))在暴露于天然碱时将相对快速地达到饱和。可替代地，可以使用苛性钠水溶液来确保饱和。随着该富液通过与天然碱接触而冷却，十水合物将沉淀并将因此确保该富液在环境温度下是完全饱和的。这将进一步保证该溶液将不起作用来溶解或另外地损坏该天然碱矿床中开发的固定结构。在这种情景下，大家可以保护收集区20以及泵送系统60。

再参见图3，在这种系统的操作中，溶剂52流经导管40(优选是在低的水头压力下)而在末端50处完全离开这些导管40。该溶剂立即与邻近每个末端50及其附近的井孔区域中的矿石(例如，天然碱)相接触，在这一点所希望溶质在该溶剂中的溶解开始发生。可想象的是这些导管40可以被定向穿孔、或以其他方式改变，以引导该溶剂，其方式为朝向附近的导管40横向地增强溶解。随着在这些导管40的每个末端50附近的所希望溶质或矿物(例如，天然碱)被溶解，该富液达到饱和而形成液体55。应该控制溶剂52的流速和温度以保证液体55在区域20中收集之前的饱和。在该底部掏槽方法的替代实施方案中，其中该底部掏槽可以在不使用或使用一个收集区时直接进料到一个收集坑(图3中未示出)中，仍然不希望的是将不饱和的溶剂递送到该收集坑中。

另外，随着溶解发生，通过在每个导管末端50周围的溶解而创造了几个掏空区域60(也称为“新生的”底部掏槽)。优选的是这些新生底部掏槽60在垂直范围中保持是浅的(不大于1至2英尺)，但在横向范围内应是相当广的(例如，宽度几百英尺且长度几千英尺)。

在其中矿床上方的顶板材料并不包含高度可溶性矿物污染物或仅仅包含具有远低于所希望溶质的溶解度的矿物的情况下，该方法可以在远远更高的压力(例如静水头压力)以及高的溶剂流速下操作。

该溶解采矿过程持续进行直至每个导管末端50周围的新生底部掏槽60在圆周上增大到足以使这些新生底部掏槽60相连接。在一些实施方案中，如图4中所示，其中这些井孔被定位在最佳距离处，这些溶解的掏空区60相连接而在矿床底板附近或此处形成了一个具有足够的水平跨度的浅的底部掏槽“沟槽”70使得位于头顶的未暴露的矿石开始脱落进入底部掏槽沟槽70之中。另外，该顶板也将最终垂下，但是下陷的顶板不能比顶板下方的矿石碎石将允许的进行任何更进一步地向下行进。

当该掏空的底部掏槽接近或到达该矿石顶板时，可能有必要移动该溶剂注入区。在实践中，这可能发生在当所收集的液体55中检测出了不可接受的水平的一种不希望的溶质(污染物)时，和/或在该液体中的所希望溶质的水平不足以从所收集的液体中生产出精炼产品时，例如像在天然碱开采的情况下，是当氯化钠含量超过5％和/或在TA含量小于8％时。

图5a-c展示了用于移动溶剂注入位置的适当装置的非限制性实例；然而在本发明中考虑到了用于改变溶剂注入位置的任何适当的装置。在图5a中，如之前在图4中说明的，在矿床5的基底处的一个下倾区域中创造了一个底部掏槽沟槽70，该切口沟槽在体积上横向地并且垂直地扩展，一般是直到它到达该矿床的顶板。为了移动该溶剂注入区，可以将这些导管撤回该井孔的内部直到从第二末端50到井孔末端19的距离从D1增大至D2(如图5b中所示的)，和/或可以沿着其本体的一个预选定长度进行穿孔(如图中5c所示)。这种导管部分撤回和/或导管局部穿孔允许将溶剂暴露于新鲜矿石这样底部掏槽形成的过程得以重复。

图6展示了一种后退式底部掏槽系统以及它在溶解天然碱开采中的操作。在该天然碱矿床的基底处存在着一个通过溶解天然碱矿石而创造的底部掏槽的新生形成。高的流动压力将趋于垂直地侵蚀该掏空的底部掏槽沟槽，具有以一种不希望的方式潜在暴露该顶板岩石、以及还有允许不饱和的液体达到收集区的负面影响。优选的是不饱和的溶剂不到达收集区。

图7展示了在天然碱矿石的基底的一个有进展的后退式底部掏槽形成。经一段特定的时间，形成了显著地大的掏空区域(底部掏槽沟槽)，它被垂直地定位在天然碱矿床的上方并且到达了(但优选并不碰到)该顶板岩石和/或该页岩油层。将导管从其初始井下位置撤回到一个更上游的位置(即，在与导管中的溶剂流动路径相对的方向上)，由此增大第二导管末端与收集区之间的距离，以便在这个更上游的位置沿着该井孔将新鲜天然碱暴露于该溶剂中用于重复该底部掏槽技术。

这种撤回可以在满足以下条件中的至少一项时发生：(i)所收集的液体包含一个阈值以下的一个量值的所希望溶质(即，该底部掏槽沟槽非常贫乏或耗尽了天然碱)；和/或(ii)所收集的液体包含一个阈值以上的一个量值的不希望的溶质(即，该底部掏槽沟槽已与该顶板岩石和/或页岩油层相接触)。对于天然碱采矿的例子，所收集的液体可以具有的TA阈值是从8％至21％，并且可以包含的作为不希望的溶质的氯化钠的量值是0至5％，其中5％是阈值。在所收集的液体中NaCl多于5％的氯化钠含量将表明该溶剂与顶板附近的受污染的材料进行了接触，并且应该将该导管移动到未开采的天然碱的一个区域。对于底部掏槽的进展的评估，可以对于在某个时间段上间歇获取的多个顺序的液体等分部分进行分析以得到污染物含量和/或所希望溶质的含量。可以将这些顺序的液体等分部分中递增的污染物(例如，氯化物)含量和/或所希望溶质(例如，TA)的递减含量单独地或组合地用作一种指示物，表明应该将递送溶剂的这些导管撤回到新鲜的天然碱之中。在优选实施方案中，当液体中的氯化物含量超过了为确保恰当的下游处理而给出的这种污染物的最大允许量(例如，对于氯化钠，阈值是5％)时，则将溶剂注入位置移到另一个(一般是附近的)未开采的矿石区。在替代的或另外的实施方案中，当该液体中的TA含量落在为确保经济和/或有效的下游处理而给出的这种所希望溶质的最小允许量(例如，阈值是8％TA)时，则将溶剂注入位置移到另一个未开采的矿石区(一般是邻近刚刚开采的这一个)以便暴露出该矿床基底处的新鲜矿石。

根据本发明的进一步的实施方案，设想到将源自一个附近水平井孔的扩大的空腔在本发明中用作一个收集区将是令人希望的。进一步设想这可以在一个可溶性矿物床中通过使用以设计和受控的方式采用的高压溶剂而实现。

例如，图8展示了一种系统2的一个立面图，该系统可用于在天然碱矿床105内形成并扩大一个井孔110的水平的无内衬部分，该部分可以用作收集区20(如上面在图1至7的背景下描述的)。

钻探了一个垂直井孔125来在一个希望的位置穿透天然碱矿床105。该希望的位置优选是在天然碱矿床105的一个下倾区域内，例如像紧邻天然碱矿床105的该下倾横向边缘的一个天然碱区域(例如，这个区域的一面可能碰到该下倾横向边缘的一部分、或者可能距离这个边缘几英尺)。井孔125的一部分126从套管122下至天然碱矿床105的顶部114是被包覆的或内衬的。进一步将井孔125用一个无内衬部分127延伸越过该天然碱矿床底板111而形成了一个收集坑128，在该收集坑中安装了一个井下水泵。将一个导管135定位在井孔125内并在井孔125的底部将该导管水力连接到收集坑区域128中的井下水泵130上。

从地面开始或者垂直地或者倾斜地(未示出)钻出了一个定向钻探的井孔108并然后在更水平的路径中定向钻探，以穿过天然碱矿床105在希望有一个大空腔(例如，收集区20)的一个位置处形成井孔部分110。该井孔部分110在井下水泵130所在的收集坑128处终止。井孔108优选从地面下至天然碱矿床105的顶部114被内衬，但是沿着其长度从这个位置一路至收集坑128使它在井孔部分110中是无内衬的。一旦完成井孔108，则撤出钻柱。

在钻柱的井下末端上安装一个溶剂反扩孔工具(未示出)。然后将该反向的扩孔工具以及钻柱沿井孔108向下重新插入直到该工具紧邻井孔108靠近收集坑128的末端。然后将溶剂以所希望的流速和压力沿该钻柱向下泵送，其方式为将离开该工具的溶剂以一种希望的模式喷射到井孔108中。该溶剂喷射从该工具周围的区域中溶解掉了矿物。得到的富液流入收集坑128中并通过泵130被泵送至地面。

在矿物被离开该反向的扩孔工具的溶剂喷射所溶解时，对泵送至地面的溶液的量和矿物溶质的浓度进行监测。使用这一信息，有可能计算出已经溶解掉了多少体积的矿物。

当已经从该工具周围溶解了所希望量值的矿物时，可以将钻柱140撤回一个预定距离并且重复该溶剂泵送和喷射步骤，直到该操作沿着井孔部分110创造了具有充分增大的截面的一个扩大的空腔，该空腔从收集坑128上至它不再被埋入矿床105中的一点被埋入矿床105中。

可替代地，在已经从初始的溶剂喷射周围溶解了所希望量值的矿物时，代替使用这种后退式反溶剂的扩孔工具，可以沿着一个预选定长度通过一个井下穿孔工具对钻柱140进行穿孔以便创造更多的喷射孔洞来沿着井孔108的部分110将溶剂喷射在天然碱上并且重复这种溶解来侵蚀并扩大井孔108的部分110，以便创建一个大的空腔，该空腔可以充当如图1-7中所示的收集区20。

图9、10、11a-b、12a-b、13a-b、14a-c、15a-d、16a-c、以及17a-g  展示了用于溶解开采一个矿床(例如，天然碱矿床)的采用了一种前进式底部掏槽形成的不同系统和方法。

图9是一种系统3a的一个平面图，该系统包括一个矿床205、一个带有无内衬部分215及井下末端220的井孔210、一种溶剂225、带有一个部分238的返回钻孔235、一个泵230、带有多个开孔245的一个导管240、以及一个底部掏槽260。对井孔210进行了垂直钻探以在一个希望的位置穿透该天然碱矿床205。该希望的位置优选是在天然碱矿床205的一个上倾区域内，例如像紧邻天然碱矿床205的该上倾横向边缘的一个天然碱区域。井孔210的一部分从地面下至天然碱矿床205的顶部是被包覆的或适当内衬的。进一步将井孔210延伸了在矿床底板上方的天然碱矿床中定向钻探出的水平无内衬部分215，优选是沿着该矿床的上倾横向边缘。井孔210的部分215优选是水平的，但也可以与井孔末端220(优选是下坡的)具有一个坡度。

将该返回钻孔235进行垂直钻探以便在一个希望的位置穿透天然碱矿床205，该希望的位置优选是在天然碱矿床205的一个下倾区域内，例如像紧邻天然碱矿床205的下倾横向边缘的一个天然碱区域。钻孔235的一部分从地面下至天然碱矿床205的顶部是被包覆的或适当内衬的。进一步越过该天然碱矿床底板将钻孔235垂直延伸了一个无内衬部分而形成了一个收集坑，在该收集坑中安装了一个井下水泵230。然后将钻孔235的另一个部分238穿过矿床205定向钻探到一个更加水平的通路之中直到它遇到井孔210的井下末端220而将井孔末端220与返回泵230所在的收集坑区域水力地连接起来。钻孔部分238优选是无内衬的。

将一个导管240定位在井孔210内。导管240沿其长度的被井孔210的无内衬部分215围绕的部分包括多个开孔245，这些开孔被配置为用于喷射一种溶剂，优选是在横向的且下倾的方向上。这些开孔245确定尺寸的方式是将该溶剂沿着导管240的被插入井孔部分215中的长度均匀地分配该溶剂。

然后将溶剂以所希望的流速和压力沿导管240向下泵送，其方式为将离开这些开孔的溶剂以一种希望的模式喷射到无内衬井孔部分215中。该溶剂喷射从这些开孔周围的这个暴露的矿石区中溶解掉了所希望的溶质(天然碱)，其方式为有效地形成一种包含了所溶解溶质的液体，该液体然后流向井孔末端220、穿过该钻孔部分238并汇集到该收集坑中，在此处它可以通过泵送系统230被泵送至地面。

这种溶解对于在矿床205的底板的井孔部分215的底壁处形成底部掏槽260也是有效的。由于这个掏空的底部掏槽的形成以及来自过度负载的压力，发生了位于这个底部掏槽上方的未暴露矿石的断裂并且如此创造的矿石碎石通过重力向下移动到底部掏槽260中。落入该底部掏槽中的矿石碎石中的溶质被暴露于该溶剂中并且溶解掉。在底部掏槽260随着溶解进行而下倾地行进时，这个溶解采矿过程继续进行，并且直到掏空的区域到达矿石顶板为止。

图10是一种系统3b的一个平面图，该系统包括一个天然碱矿床305、带有一个无内衬部分315及井下末端320的井孔210、一种溶剂325、带有一个无内衬部分338的返回钻孔335、一个泵330、以及一个底部掏槽360。与图9相比，该系统3b不包括一个用于将溶剂递送到矿床的导管。

将井孔310进行垂直钻探以在一个希望的位置312穿透该天然碱矿床305。该希望的位置优选是在天然碱矿床305的一个上倾区域内，例如像紧邻天然碱矿床305的该上倾横向边缘的一个天然碱区域。该希望的位置312是在该矿床内，但是略在该矿床底板上方。井孔310从地面下至天然碱矿床205的顶部是被包覆的或适当内衬的。进一步将井孔310延伸了在矿床底板上方的天然碱矿床中定向钻探出的水平无内衬部分315。井孔310的无内衬部分315优选是水平的，但也可以与其井下末端320(优选是下坡的)具有一个坡度。

垂直钻探该返回钻孔335以便在一个希望的位置穿透天然碱矿床305，该希望的位置优选是在天然碱矿床305的一个下倾区域内，例如像紧邻天然碱矿床305的该下倾横向边缘的一个天然碱区域。钻孔335的一部分从地面下至天然碱矿床305的顶部是被包覆的或适当内衬的。进一步越过该天然碱矿床底板将钻孔335垂直延伸了一个无内衬部分而形成了一个收集坑，在该收集坑中安装了一个井下水泵330。然后将钻孔335的一个部分338从该收集坑区域定向钻探到一个水平的通路之中，直到它遇到井孔310的井下位置312而将井孔310的这个位置312与该收集坑区域水力地连接起来。将钻孔335的另一个部分339从该收集坑区域定向钻探到一个水平的通路之中，直到它遇到井孔210的井下末端220而将井孔末端320与该收集坑区域水力地连接起来。钻探到该矿石中的部分338和399优选是无内衬的以便允许它们被溶解侵蚀。

在井孔310内没有定位导管。然后将溶剂以所希望的流速和压力沿井孔310向下泵送，其方式为使得在位置312离开的溶剂接触到矿石。该溶剂从位置312周围的这个暴露的矿石区中溶解掉了溶质(钠价值物)，其方式为有效地形成了一种含有所溶解的希望溶质(钠价值物)的液体，该液体然后经由无内衬的井孔部分315和339、和/或经由无内衬的部分338流向该收集坑区域。所收集的液体通过泵送系统330被泵送至地面。

这种溶解对于在矿床305的底板的井孔位置312的底壁处形成底部掏槽360也是有效的。由于这个掏空的底部掏槽的形成以及来自过度负载的压力，发生了位于这个底部掏槽上方的未暴露矿石的断裂并且如此创造的矿石碎石通过重力向下移动到底部掏槽360中。落入该底部掏槽中的矿石碎石中的所希望溶质被暴露于该溶剂中并且溶解掉。在底部掏槽360随着溶解进行而下倾地行进时，这个溶解采矿过程继续进行，并且直到掏空的区域到达矿石顶板为止，并且由无内衬井孔部分315、338和339界定的矿床区域中的所希望溶质被完全溶解掉。

图11a-b、12a-b和13a-b是一种系统4的立面和平面图，该系统包括带有一个倾斜梯度的天然碱矿床405、具有同心套管的多个第一井孔435和多个第二井孔410、以及与矿床底板对齐的一个无内衬部分415。这种系统4的操作具有几个主要的发展阶段：钻探阶段、在静水头压力下从上倾开始而下倾行进的一个底部掏槽的形成(如关于图11a-b和12a-b所描述的)、之后是一个生产阶段(如关于图13a-b所描述的)，其中一种溶液流经横跨了目标矿床的整个长度的这个大的底部掏槽并且创造了一种液体，该液体被收集并移到地面。

参见图11a-b，这多个第一井孔435是从矿床405的一个上倾区域开始定向钻探的，具有从矿床405的顶部至接近或到达矿床的底板的单一套管。从矿床405的一个下倾部分钻探了相同量的第二定向井孔410，它们具有两个同心的套管(从地面至矿床顶部的一个外部套管以及定位在每个井孔410内部的一个内导管40)，这样井孔410的每个井下末端在天然碱中拦截之前钻探的第一井孔435其中之一。

为了开始形成该前进式底部掏槽，将一种溶剂(水或含有碳酸钠和/或氢氧化钠的一种水溶液)注入同心地定位在定向钻探出的第二井孔410内的每个内导管40中以使注入的溶剂与邻近每个导管40的井下末端50的新鲜天然碱区域进行接触。然后将该溶液收集在该外部套管中并推送至地面。

通过如以上描述的继续注入并收集溶剂，该底部掏槽接着通过从暴露于溶剂中的天然碱区域中溶解天然碱而形成。同时在引发溶剂流动时，将一种压缩气体(例如包括空气、甲烷、氮气、或在采矿条件下是惰性的任何适当的气体)注入每个垂直的第一井孔435中进入新生的底部掏槽空腔中。这种气体注入允许在静水头压力下进行底部掏槽的形成，该压力是在底部掏槽形成的顶部形成一个气垫层时通过目标矿床405的深度测定的。以此方式，该气垫层保护顶板不被溶解并且迫使这种溶解是在水平方向上而非垂直方向上。

为了推进该底部掏槽形成，可以在井孔410的无内衬部分415内在下倾方向上撤回这些同中心的导管40(如图12a和12b中所示)以便该底部掏槽朝向矿床405的下倾边缘生长。维持该气垫层以便保护顶板，而同时允许该底部掏槽进一步下倾地发展。

如果在矿床中存在甲烷并且被释放出，则所释放的甲烷将与该气垫层混合。在井下注入空气的情况下，可以进行该气体混合物的周期性吹扫来去除甲烷。推荐在甲烷吹扫过程中停止井下的溶剂流动。一旦将这些同中心的导管40一路拉到井孔410的无内衬部分415的下倾末端，则认为该底部掏槽完成。然而，应该存在一些剩余的天然碱以便钻探一个收集井420(图13a中所示)。当在天然碱矿床405的基底处完全形成底部掏槽空间时终止通过导管40的溶剂注入。

为了开始生产，然后在矿床405的底部或其附近钻探一个定向井来拦截(一般是但并非必须是周期性地)井孔410在其井下末端的水平部分415形成收集井420。钻探一个垂直收集坑井来拦截收集井420的水平部分以形成一个收集坑428，优选是在矿床405的最低的下倾位置。在收集坑428的底部安装一个收集坑排水泵430，如图13a中所示。

在创造了收集井420和收集坑428之后，移动该气垫层，并且在用溶剂填充了底部掏槽中的所有空腔之后，开始通过溶解采矿来生产可溶性矿石。通过多个井孔435来将一种溶液注入矿床405的上前区域，如图13a-b中所示。该溶液优选是水或对所希望溶质(即，钠价值物)不饱和的一种溶液，该溶液可以是从其他正经历底部掏槽形成的系统中循环来的。该溶液在每个单独的底部掏槽形成中向下流动时变得浸渍有溶解的钠价值物、被收集在收集井420中、被导向收集坑排水泵430并且作为一种对碳酸钠/碳酸氢钠饱和的溶液被泵送至地面。这个生产阶段优选是在低压并且不在静水头压力下进行。该生产阶段过程中的溶解将在水平和垂直两个方向上进行，因为该气垫层将不再存在。这种下切割使得矿石易受重力加载和粉碎，这样未暴露的矿石通过重力落入该底部掏槽中，从而导致将新鲜矿石暴露于该溶液中用于溶解并且垂直扩展该底部掏槽。最终所有的单独底部掏槽将连接起来而形成一个底部掏槽沟槽，如之前参考图4所描述的。该生产阶段应该持续到所有的可接近的所希望的溶质都从矿石中被溶解。在离开系统4的溶液很好地处于所希望溶质(例如，碳酸钠/碳酸氢钠)的饱和以下和/或包含过高含量的一种或多种污染物(例如，氯化物)这一点，通过停止溶液流动而终止该溶解采矿。

图14a-c在一个平面视图中展示了一种溶解采矿系统5的发展，该系统包括一个具有倾斜梯度及两个定向井孔510和535的一个天然碱矿床505的未利用区段。一个天然碱矿床的未利用区段将在其生命周期中经受下文中描述的多个不同的发展阶段。因为一个周期的长度可以是可观的，如几年，所以推荐在不同的发展阶段中具有多个矿床区段。

参见图14a，在钻探阶段的过程中，钻探了带有单一套管的两个定向井孔，一个(510)在上倾位置“A”而另一个(535)在下倾位置“B”，首先是垂直地接着以一种更水平的方式，相对于倾斜梯度的方向对井孔510是处于角α而对于井孔535是角β。角α一般是在10与85度之间，并且角度β一般是在95与170度之间。这两个井孔510和535在点C处相连接，该点一般(尽管并非必须)是定位为大约中倾斜的并且与点A和B横向间隔开，这样点A、B、C定义了一种三角形的形状，这个形状具有从约0.5至5平方千米的面积。在下倾井孔535的垂直部分的底部在位置B创造了一个收集坑，并在该收集坑中安装一个收集坑排水泵。将上倾井孔510的某种程度上水平的部分中的套管516从连接点“C”拉动一个预定距离(至少5英尺、或至少10英尺或至少20英尺)以创造一个无内衬井孔部分515。将下倾井孔535的套管一路去除到收集坑(在点“B”处)。井孔510和535的垂直部分优选地内衬有套管从而防止在底部掏槽形成及生产阶段过程中它们的侵蚀。

将温度在环境温度与220°F(104℃)之间的溶剂52(例如，水或饱和的碳酸钠、碳酸氢钠和/或氢氧化钠)注入上倾井孔510中，以便使它流入无内衬井孔部分515中并且暴露出新鲜天然碱矿石并溶解一些天然碱，因此形成一个称为底部掏槽560的掏空区域。当被溶解的天然碱浸渍的溶剂流向该收集坑时，它形成了一种液体55，该液体被收集在下倾井孔535的收集坑中。该收集坑排水泵将这种液体移送到地表。这个底部掏槽形成阶段不是在静水头压力下进行的。这种溶解首先沿着连接点(点“C”)的边缘进行并且它的延展是受到饱和以及重力指令的。应该控制溶剂52的流速和温度以保证该富液在它到达该收集坑时的饱和。如果不饱和的溶液到达了收集坑，这可能创造不想要的溶解模式以及可能的短路路径和更低的整体回收率。一旦将上倾井孔510的套管516一路上拉到井孔510的垂直部分的开始处从而将底部掏槽面积最大化，则认为底部掏槽形成完成了。对于该生产阶段，可以在矿床的最低的下倾部分(例如，在图14c中的点“D”)钻探一个垂直收集井570并且使之与底部掏槽空腔560流体连通，并且在这个井的底部安装一个第二收集坑排水泵。该底部掏槽空腔560填充有通过上倾井孔510注入的溶液(优选是从底部掏槽还在形成中的其他系列的井孔中循环而来的一种溶液)。该溶液通过收集井570被收集并然后通过第二收集坑排水泵作为一种对钠价值物(碳酸盐和/或碳酸氢盐)饱和的溶液被泵送至地面。这个生产阶段不是在静水头压力下进行的，而是在静水头压力以下进行。天然碱的溶解在水平和垂直方向上都发生。这个生产阶段持续进行，直至离开的溶液对碳酸钠/碳酸氢钠不再是饱和的，这指示了天然碱几乎从这个底部掏槽560中被耗尽。预期通过使用这种方法，提取率将在80％-90％左右。

图15a在一个平面视图中展示了一种溶解采矿系统6，该系统包括一个具有或不具有倾斜梯度、一个定向井孔610以及一个垂直井孔635的一个天然碱矿床605的未利用区段。在它的最初发展中，穿过天然碱矿床钻探了垂直井孔635并且该井孔在矿床605的底板下方终止于一个收集坑628，在此处安装了带有一个连接至地面的排水管的收集坑排水泵630。井孔635包括一个具有玻璃纤维区段640的穿过天然碱矿床605而定位的钢套管。井孔610首先被垂直钻探并配备有一个钢套管，直到它接近矿床605的顶板位置，然后在这一点对井孔610进行定向地钻探来恰好弯进该矿床605中以便与井孔635的玻璃纤维套管的一部分相交。这种钻探在矿床605的顶板上方及附近持续进行，以便创造出一个基本水平的具有一个井下末端619的无内衬部分615。

然后将一个导管40插入井孔610中，这样它的井下末端50接近无内衬井孔部分615的井下末端619。井下导管末端50(充当了或包含该溶剂注入区)被定位在距离井下井孔末端619的一个预定距离处、并且被设计为将该溶剂注入到井下导管末端50附近的矿石区域、一般是注入到无内衬井孔部分615的含矿石的壁的至少一个区段。该井下导管末端50与无内衬井孔部分615的井下末端619之间的这个预定距离可以是至少10英尺、或至少25英尺、或至少50英尺。该预定距离可以是最多750英尺、或最多500英尺、或最多400英尺。

图15a在其设计上类似于图1，除了与图1中返回井孔35位于井孔10的井下末端19附近相反，返回井孔635不是位于井孔610的井下末端619附近，而在图15a中是，返回井孔635在距离注入井孔610的垂直部分(注入点)的距离上比它的井下末端619更靠近。

对于底部掏槽形成，通过导管40注入溶剂52并且该溶剂离开导管末端50以接触未开采的天然碱，其中的一些天然碱被溶解。然后迫使该溶剂在井孔井下末端619处回转。随着溶剂穿过水平的无内衬井孔部分615朝向收集坑628，它溶解了越来越多的未开采的天然碱并且形成了一种富液，该溶液被收集在收集坑628中。随着充当无内衬井孔部分615的壁的天然碱溶解，这个无内衬井孔部分615的圆周被扩大从而沿着井孔部分615的至少一个区段形成了一个底部掏槽，该区段已经在从井孔610的井下末端619到收集坑628的一个距离上通过溶解而被侵蚀。为了将溶剂注入移动到新鲜的天然碱从而进一步扩大该底部掏槽(例如增大其长度)，在无内衬井孔部分615内撤回导管40，使得将导管井下末端50从井孔610的井下末端619拉离。底部掏槽形成的这个第一阶段(阶段1)在图15b的平面视图中进行了展示。

离开收集坑628的富液可能是饱和的，但在多数情况下该溶液对碳酸钠是不饱和的。这种富液一般是通过井下水泵630经由管线655从收集坑628中移除的，其中可以将此种富液的一部分(管线675)进行处理用于回收钠价值物而可以将另一部分(管线665)通过导管40再注入而再循环至底部掏槽发展中。

如图15b中所示，底部掏槽发展的其他阶段可以沿着第一形成的底部掏槽660进行以创造第一组平行的底部掏槽空腔。这些另外的阶段是通过在该天然碱矿床内从主要井孔610中定向钻探出其他的一个或多个无内衬井孔部分(这些无内衬井孔部分通过弯曲的区段被连接到这个共用的主要井孔上)而开始，这个或这些新的无内衬井孔部分平行于第一底部掏槽660的纵轴线。重复这个或这些新的无内衬井孔部分的溶解过程直到所得的平行的扩宽的底部掏槽空腔最终合并而在矿床底板附近创造出一个底部掏槽沟槽670。这些组合的发展的底部掏槽区域可以包括1000至3000英尺(304-914米)、优选2000-3000英尺(610-914米)的长度以及200至300英尺(61-91米)的宽度。

可以创造一组或多组具有相似井孔设计的平行的底部掏槽空腔。这将允许底部掏槽形成在天然碱矿床的底板附近横向扩展。如图15d中在平面视图中展示的，可以发展第二组平行的底部掏槽空腔作为第一组的镜像图像。第二组优选是使用定向钻探的井孔611和垂直井孔636创造的，如图15c中所示(与具有井孔610和635的第一组类似)。对于具有倾斜梯度的矿床，第二组优选地相对于第一组是下倾的。优选地，独立形成的这两组空腔是流体连通的(即，这些组的平行的底部掏槽空腔最终合并)，从而允许流体从一个通向另一个，例如从上倾的一组到下倾的一组。这些组合的发展的区域可以包括1000至3000英尺(304-914米)、优选2000-3000英尺(610-914米)的长度以及400至600英尺(122-183米)的宽度。

底部掏槽沟槽670的生产模式是通过上倾井孔635流体静力学地注入溶剂并且通过下倾井孔636借助第二收集坑排水泵631撤出富液而进行的，如图15c中的立面图所展示的。在这种生产模式的过程中，该操作有利于垂直地扩大底部掏槽沟槽670，这样使得该天然碱矿床的在更高海拔处的上部部分开始断裂并崩落，从而允许更多的天然碱(以碎石的形式)与溶剂进行接触并被溶解，最终从底板至顶板溶解该天然碱矿床。在井孔635和636中可以维持一个给定的水位，以便更有效地溶解开采出该天然碱矿床的上部部分。如果希望的话，在这些井孔635和636中的水位上的变化将允许改变静水压力。

对于这个实施方案中底部掏槽的形成和生产模式，该溶剂可以是水或者包含碳酸钠、碳酸氢钠和/或氢氧化钠的一种不饱和溶液。可以使用在0°F与200°F之间(17.7℃-104℃)的溶剂温度。但是对于这样的实施方案中的底部掏槽形成，优选是使用温度为约100-220°F(37.8℃-104℃)或约100°F-150°F(37.8℃-65.6℃)并且处于低压力(如约0psig或101kPa的压力)下的温暖的溶剂。对于生产模式，优选是使用温度为大约60°F-90°F(15.6℃-32.2℃)并且在静压力(如大约300至1200psig(2170-8375kPa)或大约700-1100psig(4928-7686kPa)的水头压力)下的一种溶剂。

图16a-c提供了一种溶解采矿系统和方法的又另一个实施方案，该方法利用了一种前进式底部掏槽的形成。图16a在一个平面视图中展示了一种系统7，该系统包括一个具有一个倾斜梯度、一个第一定向井孔710以及一个第二定向井孔735的天然碱矿床710的未利用区段。

在其最初发展中，在天然碱矿床的一个上倾区域内从地面(具有地表位置A)穿过天然碱矿床705垂直地钻探井孔710(向下开采至底板深度)并且然后沿着天然碱矿床705的底板朝向点C(从点A下倾)定向地钻探但是不到达该矿床的下倾横向边缘。井孔710的第一水平部分715是无内衬的并且长度上可以为约0.5至2千米，或约1-1.6km。进一步在底板深度处朝点D(从点A上倾)将井孔710定向钻探任何所希望的距离，以便形成井孔710的一个第二水平无内衬部分(长度约0.1至0.5千米或大约0.4千米(1/4英里))。这个步骤影响了待开采的面积的大小并且有助于饱和的控制。

在天然碱矿床的一个下倾区域内从地面(具有地表位置B)穿过天然碱矿床705垂直地钻探井孔735(向下开采至底板深度)然后沿着天然碱矿床705的底板朝向点D(从点B下倾)定向地钻探。井孔735的这个水平部分745是无内衬的并且长度上可以是1至6千米、或从约3至5km长。井孔173的地面位置B应该被选择为使得它比地面位置C更加下倾，并且它与地面位置A、C和D相对于该矿床走向的方向(垂直于该矿床倾向)是横向间隔开的。

为了形成一个底部掏槽，采用井孔710来注入溶剂，而采用井孔735来撤出一种饱和的溶液(液体)。因为井孔710的无内衬部分715是从点B到点C下倾地倾斜的，所以注入井孔710中的溶剂填满了这个无内衬部分715，该溶剂然后溢流到井孔710的上倾的无内衬部分720之中朝向点D，在此暴露于该溶剂中的天然碱开始溶解。推荐该含有溶解的天然碱的溶剂在点D(无内衬的井孔部分720和745相连接之处)恰好处于饱和以下。点D下倾的天然碱区域开始暴露于该溶剂中并且该暴露于溶剂中的天然碱的溶解创造了一个底部掏槽760。然后这种不饱和的溶液在井孔735的无内衬部分745中向下流向井孔735的垂直部分的井下末端(具有地面位置点B)，变得富含溶解的天然碱，而在它接近点B时或者优选地当它到达点B时最终达到饱和。

随着溶解继续从点D下倾，底部掏槽760从点D向下并且在井孔710的无内衬部分715的任一侧上变宽，并且它的下倾边缘朝C-B线前进，如在图16a中通过曲线a、b、c的行进并且在图16b中通过曲线d到g所展示的。

为了沿着井孔710的无内衬部分715扩展该底部掏槽形成，可以下倾地移动该溶剂注入点。例如在图16b中，垂直地钻探具有地面位置E的井孔780来与井孔710的无内衬部分715相交。井孔780优选被包覆到下至天然碱矿床705的顶板，但是之后穿过该天然碱矿床下至底板是无内衬的。位置E优选被选择为是从该部分715上与底部掏槽的下倾边缘相交的这一点下倾的(在此情况下，通过曲线g代表)。然后通过这个井孔780进行溶剂注入，并如之前描述的进行天然碱的溶解以便使该底部掏槽继续它的下倾前进。任选地，可以加入井孔780的一个定向钻探的无内衬部分785(以虚线示出)来继续在天然碱矿床的这个区域中的底部掏槽形成的进展。

将溶剂注入点下倾地移动的另一种选择在图16c中进行了展示并且是通过将一个导管740插入井孔710中以及插入它的剩余的井下无内衬部分715之中而进行的，这样使得导管740的井下末端750对于在这个剩余的无内衬部分715中将该溶剂朝点C向下注入是有效的，并且天然碱的溶解如之前描述地而进行。

此种溶解采矿方法可以按一种连续模式进行，其中将溶剂注入并使其通过该底部掏槽空腔，这样使得该移动的溶剂溶解了所希望的溶质，从而进一步切割该矿石的暴露的自由面，而同时饱和的溶液从矿床的一个下倾位置被移到地面上。当该底部掏槽的下倾边缘到达矿床的下倾边缘时，可以终止该连续模式中的溶剂注入。

然而，还设想到了该溶解采矿方法可以按一种分批模式进行，该模式可以称之为“切割浸渍”采矿方法。在这种情况下，溶剂注入首先是在点A注入，直到该溶剂填满了这些无内衬井孔部分715、720和745和/或该新生的底部掏槽空腔760，并且此后停止溶剂流动以便使不移动的溶剂原位溶解被暴露的天然碱，从而进一步切割该天然碱自由面，直到该富液变得对钠价值物是饱和的。当该富液达到饱和时，将得到的饱和液体从点B的下倾位置移到地面上。一旦对该底部掏槽空腔进行排水，则可以注入更多的溶剂并且重复该分批过程。当该底部掏槽的下倾边缘到达井下注入点时，可以移动溶剂注入。以此方式，这种“切割浸渍”采矿方法可以随时间而在几个相邻的新鲜矿石区级联地进行操作。这种级联式操作可以上倾地开始，并且将注入点随时间而下倾地移动。当该底部掏槽的下倾边缘到达矿床的下倾边缘时，可以终止溶剂注入。

可以控制该溶剂的流速和温度来穿过该矿石挖掘所希望的路径。当并不担忧顶板污染时，可以将用于溶解开采的这个系统7及其操作用来在天然碱开采的基底处缓慢形成一个底部掏槽或者迅速开采整个矿床。确实该底部掏槽的快速形成将造成上部材料的更快速的破裂以及崩落并且对该天然碱矿床顶板施加更显著的应力。因此当不存在位于天然碱矿床顶板的页岩矿并因此存在极小的氯化物污染风险时，可以加快底部掏槽的发展并且可以使用高的流速。在注入点处在100°F-220°F(37.8℃-104℃)范围内的温度将有利于快速溶解注入点附近的天然碱，并且随着富液冷却下来，当该溶液在无内衬井孔部分745内朝点B向下行进时溶解的速率下降。

图17a-g提供了一种溶解采矿系统8和方法的又另一个实施方案，该方法在具有倾斜梯度的天然碱矿床805的一个未利用区段中利用了一种前进式底部掏槽的形成。

最初从地面开始钻探了三个(3)平行的井孔。两个井孔A、B(其地面位置A和B是上倾的)，以及该第三井孔C(其地面位置C是下倾的并且在中间与其他两个孔洞横向间隔开)是从相对的方向上钻探的。描述为“A”和“B”的孔洞将被用于溶剂注入点，而描述为“C”的孔洞将被用于从开采过的区域中提取溶液的点。

在图17a中所展示的其最初发展中，在天然碱矿床的一个上倾区域内从地面(具有地表位置A)穿过被开采天然碱矿床805并且至底板深度而垂直地钻探井孔A，然后沿着天然碱矿床805的底板朝向下倾的矿床边缘定向地钻探以形成部分810。在这个初始钻探之后，将钻头朝井下位置A撤回到水平部分810中，并且进行一系列的横向钻探来形成该主要水平部分810的多个分枝。进行该主要部分810以及每个侧面分枝的一种定向调查以确保恰当的钻探布局。

同样在图17a中展示的第二个阶段包括在天然碱矿床的一个上倾区域内从地面(具有地表位置B)穿过被开采的天然碱矿床805并且至底板深度而定向钻探一个平行的井孔B(如以上描述的)然后沿着天然碱矿床805的底板朝向下倾的矿床边缘定向地钻探以形成一个水平的部分820并且然后从这个主要水平部分820形成多个侧面分枝。这些水平井孔部分810、820是彼此平行的并且彼此相距几百英尺(例如，间隔从30至122m)并且可以是几千英尺长，例如长度上为从约0.5至5千米，或者大约1英里(1.6km)。这些水平部分810、820的布置总体是在该矿床的下部中，优选是从底板到该矿床深度的大致底部三分之一。这种布置取决于位于该矿床内的页岩带。

图17a中展示的第三个阶段包括定向钻探另一个平行的井孔C。初始地在天然碱矿床的一个下倾区域内从地面(具有地表位置C)穿过被开采的天然碱矿床805并且至底板深度在与井孔A、B相反的方向上垂着地钻探井孔C，然后沿着天然碱矿床805的底板朝向上倾的矿床边缘定向地钻探以形成一个水平部分835并且然后从这个主要水平部分835形成多个侧面分枝，部分835的这些分枝中的每个都与井孔A、B的主要水平部分810、820相交。水平部分835被定位在部分810、820之间并且与它们平行。这些无内衬的部分彼此相距几百英尺并且可以是几千英尺长，例如长度上为约1至5千米，或者大约1.6km(1英里)。该水平部分835的布置总体是在该矿床的下部中，优选是从底板到该矿床深度的大致底部三分之一。

在完成钻探阶段I、II和III以及定向调查之后，从井孔部分810、820、835中移除钻柱和钻头。套管总体上保留在这些井孔A、B、C的垂直部分中以防止孔洞坍塌以及地面与矿床顶板之间的区域的污染。可以对最初得到的地表海拔进行测量。这完成了钻探阶段。

如图17c-f所示的后续的发展阶段IV至VII提供了底部掏槽形成阶段，在此过程中底部掏槽形成的进展可以通过使用照相机以及测井技术来测定其大小而进行监测。从一个主要的水平无内衬井孔部分具有多个分枝的溶解采矿允许发展相交的多个底部掏槽，其方式为产生一个大的底部掏槽嵌段，该嵌段在范围上是相当大的而在深度上则不是，因为此种底部掏槽的横向形成受到图17b中所示系统的协助。

图17c中展示的阶段IV开始了底部掏槽的形成，在此启动了溶剂注入以及流体循环。该溶剂(水或不饱和的溶液)被注入两个无内衬井孔A、B之一或两者之中，在此它然后接触并溶解了形成这些水平井孔部分810、820的壁的天然碱，因此扩大了它们。这产生了更大的流动面积并且暴露了该天然碱的更大的周长或接触表面。该底部掏槽是通过利用页岩矿床来限制天然碱溶解的这种天然倾向而形成的，从而导致溶解了该矿床的较低区域内的天然碱表面。一种富液流经无内衬部分810和820以及将部分810和820连接到835上的这些侧面分枝，从而沿着此路径溶解了更多的天然碱，以最终流入无内衬部分835中。在第三井孔C的井下末端收集了一种饱和溶液，通过一个井下水泵将其递送至地面。

该系统可以在压力下操作，从而允许周围的岩石维持或向局部岩层施加一个压力，从而将任何局部的地面压力最小化。周围岩石上的压力可以通过液体施加、或者通过利用在底部掏槽空腔中注入空气或一些地面天然气体而通过气体施加。可以对该溶剂的温度、流速以及生成的溶液的密度进行监测来获得返回溶液的饱和性。

这整个方法并不将任何钻管保留在通过定向钻探而创造的这些不同的水平部分和分枝之中，但是可以通过使用尾矿来指导流动以及改变所注入溶剂的流速、温度和饱和水平来对所希望的区域有效地提供空腔的发展和布置。这些尾矿还可以起到形成一种障碍物的作用，以免页岩底板和污染物从矿床的上部区域中落下，从而保持液体免于被该页岩层污染。因此该溶剂可以包括尾矿，这些尾矿然后沉积在该底部掏槽的底面上。沉积的尾矿通过筑坝效应改变了流动路径并且引导溶剂流动朝向通过定向钻探所创造的空腔内。

在图17d中所示的阶段V的过程中，该底部掏槽形成随着天然碱继续在主要的水平井孔部分810、820以及它们的对应的侧面分枝中以及周围、以及主要的水平返回井孔部分835及其侧面分枝周围创造一个更大的空腔而进行。高流速和低溶剂温度使注入点附近的天然碱的溶解最小化并且使得底部掏槽能够在沿着无内衬井孔部分810、820和/或在返回井孔部分835附近的多个区域处发展，这样使得溶解无内衬部分的壁引起的侵蚀朝返回井孔C一路向下而发生。在图17e中所示的阶段VI的过程中，延伸超过这些初始的无内衬井孔部分的底部掏槽以及二级区域正变得有更大发展。可以进行尾矿的使用来覆盖掉落的页岩矿床部分以及来自底板的有机污染。与溶剂混合的尾矿沉降并形成了一个垫子，从而保持这些不饱和的以及饱和的流体不接触崩落的页岩。在图17f中所示的阶段VII的过程中，该底部掏槽随着矿床的较低部分被溶解并且过度负载的天然碱的一部分粉碎并落入底部掏槽中而垂直地发展。可以使用地表下沉监测来确定矿柱侵蚀的范围和影响(在此矿柱被定义为井孔之间未被侵蚀的矿石区域)。

图17g展示了该底部掏槽形成的垂直进展，其中在阶段IV和V中，最初的井孔部分810、820周围的天然碱的最接近的下部和上部区域正被溶解掉。但是，在后续的底部掏槽形成阶段VI至VII的过程中，随着溶剂开始侵蚀该底部掏槽的上部面的天然碱，该底部掏槽被进一步向上扩大了。

在本发明的又另一个实施方案中，用于天然碱矿石的该溶解采矿方法使用了不溶性岩石的层，该岩石沉积在通过天然碱的溶解而形成的底部掏槽中。这层不溶物将底板与该底部掏槽空腔的顶层分开，同时机械地支撑了该空腔顶层，后者是天然碱碎石以及它上方的矿石的底部界面。这样的不溶物层随着越来越多的过度负载的天然碱被溶解而变厚，并且通过它的孔隙性提供了一个通道，通过这个通道该液体可以从一个上倾位置通向一个下倾位置。

在实施中，经受一个底部掏槽形成的一个天然碱矿床可以包括处于不同发展阶段的几个区域。这些区域可以包括天然碱矿床的多个平行条带，这些条带横跨该矿床的宽度从上部部分(上倾)到下部部分(下倾)延伸。此类区域可以包括：

还未处于操作中的一个区域，这里天然碱是原样的，除了将溶剂送入下一个条带中的多个井孔之外；

一个准备区，在此处首先使溶剂与天然碱接触，并且在此处这多个溶解区域(无内衬井孔)变得更宽直到它们最终横向合并成一个和该矿床的宽度一样大的宽的底部掏槽沟槽；

一个过渡区，在此处液体在由矿床底板的斜坡所提供的重力下自由流动，如以上所述的，没有天然碱碎石的任何进一步溶解；

一个生产区，在此处该液体填充了该不溶层的整个厚度、到达这个不溶层的顶层并且溶解了该天然碱碎石的底板，直到该溶液对钠价值物(碳酸钠/碳酸氢钠)是完全饱和的。在这个区的末端，可以实现这个纯天然碱区的完全溶解(除了不再足够纯并且过度浓缩有杂质如卤化物或硫酸盐的顶部部分)；以及

一个耗乏区，在此处该饱和溶液被运输到该矿床底部的收集区。

关于该准备区，该溶剂在这个区中在重力下流动，除了离开注入点的最初几米，此时该溶剂速度仍然过大而不能得到一种重力驱动的流动模式。一旦该底部掏槽空腔的直径变得大于约20英寸，可供液体流动的面积就将变得足够大使得该底部掏槽空腔的上部部分将不再充满液体。这意味着该空腔仅可以向下(此处它将受天然碱层的底板所限制)并且向侧面延伸。该底部掏槽空腔越向侧面延伸，可供用于溶剂流动的截面面积就越大，因而该液体层的厚度将保持递减，并且天然碱的横向溶解区的宽度也将如此，从而随时间粗略地刻出一种三角形的形状。在该空腔的底部，该不溶性材料将缓慢开始累积，因为该液体的速度将越来越小并且阻止与该液体一起的任何不溶物运输。

当该底部掏槽空腔的横向范围将变得过大而不能支撑该空腔顶板时，在中心处或附近的顶板将在空腔中屈服于重力荷载和坍塌。因此该液体将主要被推向侧面，从而使得能够继续该空腔的横向刻蚀，这进而将引起在其中心处发生过度负载的天然碱的更多坍塌。但是该液体的一小部分将在填充有该不溶性材料的浅的空间内、在该底部掏槽中央的坍塌区域的底部保持流动。这种液体将在中心处重新开心一些溶解并且因此实现沿准备区向下的过渡区(横向连续的)的形成。

该底部掏槽空腔横向延伸得越多，将流入它的更广的坍塌的中央区域中的液体就越多，并且可供用于底部掏槽空腔的横向溶解的液体就越少。对于一个给定的溶剂进料速率，将存在该底部掏槽空腔的最大可能横向范围，并且这种限制将限定跨过该矿床的多个顺序的水平钻孔之间的距离，以使得在多个相邻底部掏槽区域之间的能够有一个接合。这样的距离将取决于该天然碱矿床的局部结构并且特别是它的钠价值物溶解的速率。一般，在热水中无液体的任何搅拌时天然碱溶解的速率是大约0.5至1cm每小时。例如，为了使一个无内衬井孔的圆周得到从4英寸至20英寸的直径，一天多一点的接触时间是必需的。因为操作区中的溶解保持进行并且井孔注入以1.2m/天的平均速度行进，在空腔的顶部部分将不再被暴露于液体中之前该空腔的初始长度应该不大于1米。在这样的距离之后，该底部掏槽空腔的定向的横向溶解将发生。

关于该生产区，它具有两个同时的约束条件：一个是针对生产饱和的溶液并且另一个是针对溶解可使用的天然碱的整个厚度。可以独立地定义两个操作参数以便实现这样的约束条件中任一项：该溶剂的流速以及整个生产区的长度(计算为从与过渡区的界面以及与耗乏区的界面上至底部的距离)。与耗乏区的这个界面的位置是由该操作跨时间的发展而设定的。例如，如果该矿床包含4百万吨天然碱并且预期有1百万公吨苏打灰/年的产量，则这个界面在对此种矿床进行两年操作的过程中可以向上移动1.2米/天。与过渡区的这个界面的位置可以通过控制位于从底部掏槽空腔向下的收集区中的液体水平而进行调节。在这个液体水平之上，该液体在重力下流动并且不能触及天然碱碎石的底板，而在这个液体水平以下，则该空腔溢流并且该液体可以重新开始天然碱的溶解。

虽然通过使用水该溶解速度可能对于这些不同注入点的最初几米的直径增长(0.5至1cm/hr)是令人满意的，但对于这些底部掏槽空腔的横向扩展的快速发展它可能不是足够的并且不足以引起它们在从这些注入点向下的一个可接受距离处的合并。另外，使用水用于天然碱溶解在生产区中的某个距离处将产生一种碳酸氢盐饱和溶液，该溶液将随后通过进一步的天然碱溶解而演化成更多的碳酸盐溶解，但是碳酸氢盐的沉淀可能阻塞该溶解自由面。因为这些原因之一或两者，可能推荐使用一种苛性碱溶液(如含有29gNaOH/kg)，该溶液将既增强该准备区的效率又防止在生产区中的阻塞。另一个改进将是在待开采的天然碱矿床中注入一种稀释的苛性碱溶液(2.6％或2.7％)，以便引起碳酸氢盐沉淀并且防止恰在该生产区末端处的溶解界面的阻塞、以及进一步的溶解在耗乏区中的不想要的盐的任何可能性。

在根据本发明的系统中可能发生在矿床中称为“建通道”的一种现象。“建通道”事件描述了该溶剂穿过一个矿石不溶物(例如，天然碱碎石)的区域来寻找并维护一条路径的趋势。一旦创建了一个通道，则它可能导致周围矿石的低或接近零的溶解速率，因为该溶剂旁路通过了含溶质的矿石并且未能将该溶质暴露于溶剂中。然而预期到在本发明的溶解采矿方法中发生的矿石坍陷/粉碎过程在本质上将最有可能防止或至少是中断该建通道现象。

关于本发明的任何一个或所有的实施方案，在溶解采矿过程中发生此种建通道现象的情况下，可能的补救办法之一可以通过周期性地变动该溶剂穿过一个无内衬井孔部分或同心地定位在其中的一个导管的压力和/或流速而有效地实现。以此方式，不饱和溶剂将被迫使离开旁路通道并且＝新鲜的矿石将被暴露于溶剂中。

另一种可能的补救办法可以通过引入不溶的尾矿来改变这些如此形成的旁路通道的流动路径并且将该溶剂暴露于新鲜矿石而有效地实现。设想到了可以按一种间歇方式或按一种连续方式周期性地注入尾矿。

关于本发明的任何一个或所有的实施方案，设想到了与溶剂一起周期性注入不溶性材料(如尾矿)可能具有形成多个材料岛的作用，这些岛将既使流向新鲜矿石(例如，新鲜的天然碱)的溶剂流动偏移和/或又将形成对于向下移动的顶板材料的某种支撑。以此方式，可想象的是将有意构造一种不溶性材料的支撑系统来停止顶板向希望点的移动，而通过在围绕该不溶性材料的矿石中的溶质的溶解所创造的通道将允许富液穿过这个矿石区域移动。不溶性材料的周期性注入可以通过将一个确定量值的不溶性材料与该溶剂进行周期性地混合并且将组合的混合物直接注入该无内衬井孔部分或同心地定位其中的导管内、或者通过在每个井孔中插入一个第二导管来协助不溶性材料的间歇流动而进行。

旁路建通道的这个问题也可以通过在收集坑附近安装一个堰而解决，该堰将导致该液体蓄积在该主动溶解区域内。该不饱和的溶剂的接触区可以通过调节该堰的高度以及因此的汇合的液体的“海岸线”而进行调节。

诸位申请人设想可以适当地对这种使用底部掏槽形成、矿石崩落、以及底部掏槽行进的溶解采矿方法进行调整以便跨过该矿床的走向来将这些无内衬的井孔(或它们的部分)定向。确实，利用适当的调整，该方法可以使用在相对于天然碱矿床倾向的任何方向上行进的底部掏槽来进行，包括在一种基本上平坦的沉积物上进行。该底部掏槽行进可以是上倾的(如图1和2中所示)或者可以是下倾的(如图11a-12a中所示)。

已经对本发明概括地进行了说明，作为本发明的一种具体实施方案并且为了证实本发明的实施和优点而给出了以下实例。应理解的是该实例是以说明的方式给出而不旨在以任何方式限制本说明书或之后跟随的权利要求书。

实例

在此说明了如何可以对在某个深度以下具有显著的过度负载覆盖物的一个天然碱矿床执行根据本发明的原位行进式底部掏槽方法的一个预测性实例。该天然碱矿床位于地面以下约1500英尺、并且包含未开采的天然碱(即，之前未开采过的天然碱矿床)。该天然碱矿床的厚度范围可以是从仅仅几英尺高达几十英尺(例如，从5至30英尺，或5-15英尺)。在本实例中，该天然碱矿床厚度为10英尺。对于本实例，该天然碱面积是每条边为2500英尺的正方形或为四分之一平方英里。该目标天然碱区是10英尺厚乘2500英尺的长度和宽度，以1％的斜率向南倾斜。这个体积代表了大约4百万吨的在位的天然碱。

诸位申请人相信这种方法的空间局限性将仅仅由为了布置并操作该溶解采矿系统而要求的机器的能力所限定。诸位申请人不能想象出对目标提取区域的空间范围和形状的任何地质学或水力相关的限制。在大多数实际情况下，该天然碱矿床可能以大约0.4％至1.5％或从1％到1.5％的坡度而倾斜，但是诸位申请人相信本方法也可以被适配用于水平的或起伏的矿床。

创造一个具有相当大直径(例如，从2至10英尺)的隧道(收集区)，由此横过该目标区域的最南边的边缘的整个2500英尺，并朝西部向前延伸从约200至300英尺。然后在这个隧道的西部末端定位一个泵送系统。在该天然碱矿床的北部边缘上提供一个第二隧道。这个第二隧道并非必须与该目标天然碱矿床在同一个矿层中。确实，诸位申请人想象到该第二隧道实际上可以是在地面处。本实例中的第二隧道是用于将溶剂进料的一种手段，并且它提供了到一个岐管的途径，该岐管是用来将溶剂引导至定位在多个无内衬井孔内部的多个导管。这个岐管可替代地可以在另一个矿层中或在地面上。

使用多种定向钻探技术，穿过天然碱矿床在矿床底板上方的1至2英寸以一种北向南的取向(上倾至下倾)定向钻探了彼此平行的多个无内衬井孔部分，它们基本上与该第一和第二隧道的纵轴垂直。这些无内衬井孔部分总体上具有比第一和第二隧道更小的直径；例如，这些孔洞在直径上可以是3至4英寸。因此该10英尺厚的1/4平方英里的天然碱矿床被基本上平行于矿床底板的24个井孔穿透并且这些井孔在一端被连接至北面(上倾)边界上的第二横向隧道(溶剂进料区)上而在另一端终止于南面(下倾)边界上的第一横向隧道(液体收集区)。

这些无内衬井孔部分的间距是大约100英尺间隔开的，尽管它们可能以从10到200英尺或更大隔开，这取决于通过实验、测试以及数字模型所确定的底部掏槽形成的最佳模式。

多个导管被定位在这些无内衬井孔部分中。导管具有比这些井孔更小的直径，例如像2至4英寸的直径。这些导管的井下末端被定位为不及该第一南面(下倾)隧道(收集区)的某个预定距离处。最初，这个预定距离可以从10到750英尺而变化，例如像100英尺。该溶剂岐管可以安装在这些导管的北部(下倾)末端上，其方式为使得可以控制每个单独管道中的溶剂的流速和压力。然后将一种溶剂(水或一种水溶液)通过该岐管泵送进这些导管中。该溶剂以低的压力水头从地面经这些导管流向它们的井下末端。该溶剂随即与这些无内衬井孔中所含的天然碱进行接触，在这一点开始发生天然碱的溶解。随着这些导管末端附近的天然碱被溶解，该富液变为饱和的并且离开进入该第一横向隧道(收集区)中。这个过程持续到在每个导管末端周围所溶解出的空白区域的圆周增大到足够使每个导管末端处的这些空隙连接起来并且在天然碱矿床的基底处形成具有足够跨度的一个浅的底部掏槽“沟槽”，而使过度负载的天然碱开始脱落掉入该底部掏槽沟槽中。另外，该矿床顶板最终垂下，但是它不能比天然碱碎石将允许的进行任何进一步的向下行进。因为创造了一个主动崩落的底部掏槽沟槽，该底部掏槽沟槽变得足够大而允许该原位采矿系统的操作以稳定状态进行，因为溶解过程、天然碱坍塌/粉碎、以及向下的顶板运动持续进行直至该溶剂开始紧密接近矿床顶板。在这一点，可以停止溶剂流动和注入以便移动溶剂注入位置。例如，可以将这些导管穿过这些无内衬井孔部分而机械地撤回或者另外用一种井下工具进行穿孔以便将该溶剂暴露于新的新鲜天然碱区域，并且然后重复溶剂注入、溶解、天然碱坍塌/粉碎、以及向下的顶板运动这些步骤。

该底部掏槽跨度、溶剂流速、持续时间、以及距离可以被调整为使得当可以将这些导管可能被撤回或穿孔到这些无内衬井孔部分内的一个新的位置时，在该溶剂接近顶板岩石和/或油页岩附近的矿石区(之后希望在此处停止溶解)之前，该溶质将在该富液中达到完全饱和。由此防止了(如果希望的话)如此形成的液体的氯化物污染。

从这种具有0.25平方英里的天然碱矿床中生产1百万公吨/年的苏打灰将要求注入总流量粗略地为500立方米每小时(m³/h)的溶剂并且提取粗略地为600m³/h的负载有天然碱的溶液。这就是说，利用24个注入点以及无内衬的平行井孔的一种模式，每个注入点的溶剂流量将是从约20至约25m³/h。如果这些无内衬井孔的直径是4英寸，那么溶剂的初始速度将是0.7m/s。当所有扩展的井孔横向地连接时，该流速对于在矿床中向下的液体行进宽度中的每个“线性的米”而言将变为0.75m³/h m。当一个0.25米天然碱的层被溶解时，可能留下约2厘米(cm)的不溶物(测定值为92％)，从而有可能创造厚度为3cm且孔隙率为33％的一个不溶物层，因此为该液体创造一个1cm高的弯曲流动通道。那么该液体的速度将是大约2cm/s。如果该液体在其中流动穿过这种不溶物层的这些通道的水力直径是2mm，那么该底板的一个0.4％的斜率将足以使得一种自由流动的液体能够通过重力移动穿过这个区域。

如果通过顶板岩石材料的溶解而发生的液体污染不是一个严重的问题(在顶板岩石材料不含有污染性溶质如氯化物的情况下)，则该原位采矿系统的操作在导管行进距离或导管本体穿孔程度以及溶剂流速的方面可以更进取性地进行。这个过程将持续进行直到整个1/4平方英里的天然碱矿床被提取出。

取决于所使用的钻探以及泵送设备的能力，预期本发明的这种系统和方法可以用来经过几年在一个连续操作中提取几平方英里的天然碱。

因此，保护范围并不受本说明书以及以上列出的实例所限制，而是仅受跟随的权利要求书所限制，该范围包括该权利要求书的主题的所有等效物。每一个权利要求都作为本发明的一个实施方案结合到本说明书之中。因此，权利要求书是一种进一步的说明并且是对本发明的优选实施方案的附加。

尽管已经示出并说明了本发明的优选实施方案，但本领域的技术人员可以对此进行变更而不背离本发明的精神或传授内容。在此说明的实施方案只是示意性的而并非限制性的。系统和方法的多种变体和变更是有可能的并且在本发明的范围之内。因此，保护范围并不受在此说明的实施方案所限制，而是仅受跟随的权利要求书所限制，该范围应该包括该权利要求书的主题的所有等效物。

Claims (33)

1.一种用于地下矿床的原位底部掏槽溶解采矿的方法，所述矿床包含选自以下的所希望的溶质：碳酸氢三钠、碳酸钠和碳酸氢钠，所述矿床具有底板和顶板，

所述方法包括以下步骤：

通过无内衬井孔部分注入包含水的溶剂，所述无内衬井孔部分包括定位在所述矿床内且在所述矿床底板上方的井下末端，所述无内衬井孔部分是水平的或倾斜为使得其末端中的一个比另一个末端处于更高的海拔，以便使所述无内衬井孔部分内的或邻近所述无内衬井孔部分的所述井下末端的矿石区域暴露于所述溶剂；

从所述暴露于溶剂的矿石区域溶解所述所希望溶质的至少一部分，其方式为有效地形成含有所述溶解的天然碱的液体并且进一步在所述矿床底板上方形成底部掏槽，所述底部掏槽至少包括所述无内衬井孔部分的已经通过溶解被侵蚀的区段；

重复所述溶剂注入以从矿石中溶解另外的所希望的溶质，由此使所述液体富含所希望的溶质，并且进一步以有效的方式来扩宽所述底部掏槽并触发位于所述底部掏槽上方的未暴露矿石的断裂以及断裂矿石碎石由于重力向下运动进入所述底部掏槽中，同时使得所述矿石顶板下陷而不破裂，以便通过防止所述溶剂暴露于位于所述矿石顶板处或其上方的含氯化物的材料以使所述液体的氯化物污染最小化；以及

使所述液体朝向地下收集区流动，以便将所述液体递送到地上位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述希望的溶质的溶解是在低于静水头压力的压力下进行的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述希望的溶质的溶解是在形成所述底部掏槽之后在静水头压力下进行的。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括在形成所述底部掏槽的同时向其中注入压缩气体。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述收集区是在形成所述底部掏槽之前产生的。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述收集区是在形成所述底部掏槽之后形成的。

7.根据权利要求1所述的方法，以分批方式进行，其中注入所述溶剂以填满所述无内衬井孔部分以及如此形成的底部掏槽；然后阻止所述溶剂流动，使得不移动的溶剂溶解所述希望的溶质直到所希望的溶质使所述溶剂饱和，此时将所述液体从所述地下收集区移送到地表；并且其中一旦对底部掏槽空腔进行排水，则重新开始溶剂注入以便重复所述溶解步骤。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂注入在定位于所述矿床中的两个或更多个平行的无内衬井孔部分中进行，使得能够形成两个或更多个平行的底部掏槽。

9.根据权利要求8所述的方法，其中将溶剂注入进两个或更多个平行的无内衬井孔部分中是顺序地进行的。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述矿床具有倾斜梯度，并且所述溶剂是在上倾方向上注入的。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述矿床具有倾斜梯度，并且所述溶剂是在下倾方向上注入的。

12.根据权利要求1所述的方法，其中所述无内衬井孔部分包括横向侧分枝以协助所述底部掏槽的横向扩宽。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂是水或对所希望的溶质不饱和的水溶液。

14.根据权利要求1所述的方法，其中被收集在所述地下收集区中的液体对所希望的溶质是饱和的。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂注入是以如下方式进行的，所述方式对于初始协助所述底部掏槽的横向扩宽并且此后协助所述底部掏槽的向上扩宽是有效的。

16.根据权利要求1所述的方法，其中溶解步骤在所形成的底部掏槽底部留下不溶物层，所述不溶物层在所述底部掏槽中为所述液体从中流过提供流动通道。

17.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法包括：底部掏槽形成阶段，在该阶段所述底部掏槽空腔没有填充液体；之后是生产阶段，在该阶段所述底部掏槽空腔填充液体。

18.根据权利要求1所述的方法，还包括：

f)当满足以下条件中的至少一项时，至少终止注入步骤：

i)所收集的液体中所希望溶质的含量低于最小可接受值；

ii)所收集的液体中不希望的溶质的含量超过最大阈值。

19.根据权利要求1所述的方法，其中所述矿床具有倾斜梯度，并且所述井孔井下末端是定位在所述矿床的下倾区域内的。

20.根据权利要求1所述的方法，其中所述矿床具有倾斜梯度，并且所述井孔井下末端是定位在所述矿床的上倾区域内的。

21.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂注入是通过同心地定位在所述无内衬井孔部分的至少一部分内部的导管进行的。

22.根据权利要求21所述的方法，其中注入步骤是通过所述导管的井下注入区进行的，并且所述方法还包括

g)将所述导管的所述注入区移动到在所述无内衬井孔部分内的另一个位置。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述导管的所述注入区是井下导管末端，并且其中实施步骤(g)以通过以下步骤中的至少一个将新鲜矿石暴露于所述溶剂：

g1)将所述无内衬井孔部分内的导管撤回，由此增大所述井下导管末端与所述无内衬井孔部分的井下末端之间的距离；

g2)沿着预选定的长度从所述导管末端向上游移动对所述导管本体进行穿孔。

24.根据权利要求21所述的方法，其中所述注入步骤是通过所述导管的井下注入区进行的，并且所述导管注入区被设计为使得横向地注入所述溶剂，以避免在垂直方向上注入溶剂。

25.根据权利要求1所述的方法，其中所述矿床是天然碱矿床。

26.根据权利要求1所述的方法，其中所收集的液体包含的氯化钠含量为5％或更少。

27.根据权利要求8所述的方法，其中所述无内衬井孔部分与所述矿床的纵轴是平行的。

28.根据权利要求8所述的方法，其中无内衬井孔部分在同一平面上。

29.根据权利要求8所述的方法，其中平行的无内衬井孔部分与所述收集区的纵轴是垂直的。

30.根据权利要求8所述的方法，其中平行的无内衬井孔部分与所述收集区的纵轴是平行的。

31.根据权利要求1所述的方法，还包括将不溶性材料注入所述底部掏槽中以形成不溶性沉积物，从而改变所述溶剂的流动路径和/或防止溶剂在所述底部掏槽的至少一个区域中流动。

32.一种用于在含矿物溶质的矿床内产生大空腔的溶解反扩孔方法，所述矿床还包括顶板及底板，所述方法包括：

从地面向下直到矿床顶板在位于所述矿床内的所希望的下倾位置处产生井孔的内衬部分，并且越过所述矿床底板进一步将所述井孔延伸井孔无内衬部分以形成收集坑，在所述收集坑中安装井下泵；

从地面向下直到所述矿床顶板在位于所述矿床内的另一个所希望的下倾位置处钻探井孔，直到到达所述收集坑，所述井孔具有布置在所述矿床底板上方的矿床内的无内衬井孔部分；

将导管插入所述井孔内部；

使高压不饱和溶剂通过所述导管；

从所述导管的井下末端在所有方向上喷射所述溶剂，以将所述无内衬井孔部分的矿床区域暴露于所述溶剂，使得所述溶质溶解，由此增大所述无内衬井孔部分的截面面积并形成空腔；

将埋入所述矿床中的无内衬井孔部分内的导管撤回或将其穿孔；以及

重复溶剂通过和喷射步骤，以继续溶解所述溶质并且扩大所述形成的空腔。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述矿床是未开采的天然碱矿床，并且所述溶剂是水或对钠价值物不饱和的水溶液。

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