CN109252852A - 第四纪非洲地下钾矿的溶采方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种第四纪非洲地下钾矿的溶采方法，其包括步骤：S1、在第四纪非洲地下钾矿的岩芯的首尾两端分别建立注液井和取液井；S2、以常温水作为溶采剂，将溶采剂由注液井注入至岩芯层面，溶采剂流经岩芯形成溶腔，溶采剂溶采岩芯中的无机盐形成溶采液；S3、将溶采液由取液井中抽出并由注液井再次注入至岩芯层面，如此往复，直至在取液井口监测到溶采液中K+的质量百分数达到4％～4.5％，停止循环溶采液，将溶采液全部抽出，获得富钾溶液。本发明以常温水作为溶采剂，基于对应第四纪非洲地下钾矿的矿床特征，合理设计其溶采剂的用量、循环工艺以及溶采液中K+的浓度控制，可低成本、简单工艺地利用第四纪非洲地下的可溶性钾矿。
Description
技术领域
本发明属于固体矿开采技术领域，具体来讲，涉及一种第四纪非洲地下钾矿的溶采方法。
背景技术
钾盐资源中最优的是可溶性固体、液体钾盐矿物，主要有钾石盐矿、光卤石矿、硫酸盐钾矿和混合盐矿，这些矿床常呈层状，品位较高，规模巨大，便于大规模开采，加工简单，成本低，易于被植物吸收，这是当前世界钾肥生产的主要原料。
非洲大陆西侧西部沿海一带地下蕴藏着丰富的钾盐资源。该区盐矿床为钾盐矿和石盐矿共生矿床。矿床顶板埋深介于260.65m～285.50m之间，顶板岩性为硬石膏岩，局部为白云岩、沥青页岩；底板埋深介于826.20m～909.30m之间，底板岩性主要为沥青页岩，局部有少量硬石膏岩。矿层呈光卤石岩和石盐岩互层状、韵律状分布，夹沥青页岩薄层，局部见有水氯镁石岩钾盐矿矿石类型主要为光卤石型，局部见钾石盐型。根据钻孔揭露岩性特征总结分析，该区盐类沉积的基本层序主要有以下5种：硬石膏岩-石盐岩-光卤石岩、石盐岩-光卤石岩、石盐岩-光卤石岩-水氯镁石岩、水氯镁石岩-光卤石岩-石盐岩、光卤石岩-石盐岩-硬石膏岩。该区钾盐矿中，K+的质量百分数为2.62％～13.65％、Mg的质量百分数为1.72％～8.57％。
地下溶浸采矿技术适用范围大体上包括：氧化率高难以浮选的氧化矿，被遗弃在采空区内的残矿和矿柱，崩落区、陷落区、充填区内的矿石，品位低、规模小的孤立矿体，露天境界未圈人的矿脉，因矿岩松软破碎难以采掘的氧化矿或混合矿，埋藏深、地压大、温度高，地质条件复杂的矿床，以及边远地区，气候条件差、建设条件恶劣的矿山。
针对地下钾矿的溶采，一般以氯化钠溶液或氯化镁溶液作为溶采剂，存在成本投入高的问题；并且，现有技术针对地下钾矿多采用热溶开采、多井建槽的方法，工艺复杂、耗时长、能耗大。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种第四纪非洲地下钾矿的溶采方法，该溶采方法可低能耗利用第四纪非洲地下钾矿，降低开采成本、缩短开采时间。
为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种第四纪非洲地下钾矿的溶采方法，包括步骤：
S1、在第四纪非洲地下钾矿的岩芯的首尾两端分别建立注液井和取液井；其中，在所述岩芯中，K+的质量百分数为2.62％～13.65％、Mg2+的质量百分数为1.72％～8.57％、Na+的质量百分数为5.80％～20.20％、Cl-的质量百分数为22.78％～40.00％；
S2、以常温水作为溶采剂，将所述溶采剂由所述注液井注入至所述岩芯层面，所述溶采剂流经所述岩芯形成溶腔，所述溶采剂溶采所述岩芯中的无机盐形成溶采液；
S3、将所述溶采液由所述取液井中抽出并由所述注液井再次注入至所述岩芯层面，如此往复，直至在所述取液井口监测到所述溶采液中K+的质量百分数达到4％～4.5％，停止循环所述溶采液，将所述溶采液全部抽出，获得富钾溶液。
进一步地，所述岩芯的深度为750m～1000m。
进一步地，所述第四纪非洲地下钾矿为刚果地下钾矿。
进一步地，所述岩芯与所述溶腔的体积之比为1:1～1:2.5。
进一步地，所述岩芯与所述溶采剂的质量之比为1:0.93～1:1.6。
进一步地，在所述步骤S3中，所述溶采剂在循环过程中的流速为0.05m/s～1m/s。
进一步地，所述注液井的直径与所述溶腔的直径之比为0.1:1～0.5:1，所述取液井的直径与所述溶腔的直径之比为0.1:1～0.5:1。
进一步地，在所述富钾溶液中，Mg2+的质量百分数为6.05％～6.59％、Na+的质量百分数为4.24％～7.58％、Cl-的质量百分数为18.64％～19.69％、H2O的质量百分数为62.56％～66.41％。
本发明以常温水作为溶采剂，基于对应第四纪非洲地下钾矿的矿床特征，合理设计其溶采剂的用量、循环工艺以及溶采液中K+的浓度控制，可低成本、简单工艺地利用第四纪非洲地下的可溶性钾矿，且该溶采方法开采建槽建井的投入低、操作简单；相比现有技术中一般采用氯化钠溶液和/或氯化镁溶液作为溶采剂的溶采方法，本发明的溶采方法通过合理设计溶采工艺即可在免于溶塌矿床原有结构的基础上，还无需使用氯化钠或氯化镁等无机盐，降低溶采成本。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的第四纪非洲地下钾矿的溶采方法的结构示意图；
图2是根据本发明的第四纪非洲地下钾矿的溶采方法中各阶段产物对应于25℃下Na+,K+,Mg2+,Cl--H2O四元相图下的路径变化。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。
本发明的发明人针对第四纪非洲地下钾矿的矿床特征，设计了一种全新的溶采方法，该溶采方法工艺简单、溶采成本低、且溶采时间短。
在该第四纪非洲地下钾矿的岩芯中，K+的质量百分数为2.62％～13.65％、Mg2+的质量百分数为1.72％～8.57％、Na+的质量百分数为5.80％～20.20％、Cl-的质量百分数为22.78％～40.00％。
上述第四纪非洲地下钾矿的溶采主要以深度为750m～1000m的矿层为主，且所述第四纪非洲地下钾矿以刚果地下钾矿为例。
图1示出了本发明的第四纪非洲地下钾矿的溶采方法的结构示意图，具体参阅图1，本发明提供的一种第四纪非洲地下钾矿的溶采方法包括下述步骤：
在图1中，1表示岩芯，21表示注液井，22表示取液井，23表示溶腔，24表示循环泵，3表示摊晒池，41表示溶采剂注入端，42表示溶采液收取端。
在步骤S1中，在第四纪非洲地下钾矿的岩芯1的首尾两端分别建立注液井21和取液井22。
具体来讲，综合考虑该第四纪非洲地下钾矿的矿层的埋藏条件、矿床开采对地表稳定性等影响因素，确定双井建槽；即在岩芯1的一端开设注液井21，在岩芯1的与注液井21的相对的另一端开设取液井22。
进一步地，根据已探得的第四纪非洲地下钾矿的地质资料，矿床顶板埋深介于260.65m～285.50m之间，顶板岩性为硬石膏岩，局部为白云岩、沥青页岩；底板埋深介于826.20m～909.30m之间，底板岩性主要为沥青页岩，局部有少量硬石膏岩。开井取岩芯，将岩芯经化学组成分析鉴定，确定K+含量2.62％～13.65％且集中的部位确定为满足开采要求的条件。
在步骤S2中，以常温水作为溶采剂，将溶采剂依次经由溶采剂注入端41及注液井22注入至岩芯1层面，溶采剂流经岩芯1形成溶腔23，溶采剂溶采岩芯1中的无机盐形成溶采液。
具体来讲，控制岩芯1与溶腔23的体积之比为1:1～1:2.5，由此，根据岩芯1中K+的含量以及上述岩芯1与溶腔23的体积之比，可确定针对该第四纪非洲地下钾矿的溶采工艺，控制岩芯1与溶采剂的质量之比为1:0.93～1:1.6、并且结合后续的溶采流程，可使溶采液中K+的含量达到预设要求的同时避免溶塌岩芯1所在矿层的原有结构。
更为具体地，控制注液井21的直径以及取液井22的直径与溶腔23的直径之比均为0.1:1～0.5:1。
需要进一步说明的是，从图2所示的25℃下Na+,K+,Mg2+,Cl--H2O四元相图中可以得知，E点为KCl·MgCl2·6H2O、KCl、NaCl共饱点，光卤石固相点位于A点，溶解后得到液相点位于B点(即图2中的B1、B2、B3点，分别具体指下述实施例1-实施例3中的B点)，本发明中得到的溶采液位于KCl和NaCl共饱线附近，所以该种以水作为溶采剂的溶采方法不至于造成地表坍塌或环境破坏。
在步骤S3中，将溶采液依次经由取液井22、溶采液收取端42中抽出并由注液井21再次注入至岩芯1层面，如此往复，直至在取液井22口监测到溶采液中K+的质量百分数达到4％～4.5％，停止循环溶采液，将溶采液全部抽出，获得富钾溶液。
优选地，上述抽取溶采液可由设置于注液井21和取液井22之间的循环泵24控制实现。
具体来讲，在溶采剂循环过程中，控制其流速为0.05m/s～1m/s。
如此，针对该第四纪非洲地下钾矿的溶采即完成，在上述获得的富钾溶液中，Mg2+的质量百分数为6.05％～6.59％、Na+的质量百分数为4.24％～7.58％、Cl-的质量百分数为18.64％～19.69％、H2O的质量百分数为62.56％～66.41％。
上述富钾溶液即可导入摊晒池3进行蒸发浓缩，以作为钾肥生产的原料。
同时，根据上述富钾溶液的具体组成，即可估算该处第四纪非洲地下钾矿的最大溶采次数以及钾回收率等工艺参数，为工业化大规模溶采提供理论基础。
具体来讲，以w(K+)、w(Mg2+)、w(Na+)、w(Cl-)、w(H2O)分别记为富钾溶液中对应离子及水的质量百分数，以质量百分数记；以m1、m2、m3、m4分别记为溶采剂加入量、富钾溶液获取量、溶解的原矿量以及溶腔内的原矿量；以M(Mg)记为Mg2+的相对原子质量；以a表示光卤石中镁的含量(一般取0.87即可)；则
w(H2O)＝100％-w(K+)-w(Mg2+)-w(Na+)-w(Cl-)
m2＝m1/w(H2O)
m3＝m2*m4*w(Mg2+)*a/M(Mg)
上述m3的计算以Mg2+含量为依据计算，当然，若以其他离子计算同理。
如此，即可确定每一次获得富钾溶液时钾的回收率以及该处第四纪非洲地下钾矿的最大溶采次数。
以下将通过具体的实施例来说明上述第四纪非洲地下钾矿的溶采方法，但是本领域技术人员将理解的是，下述实施例仅是上述溶采方法的具体示例，不用于限制其全部。
实施例1
取非洲刚果地下750m岩芯进行溶采，其主要组成如表1所示。
表1实施例1中岩芯的主要组成
首先，在上述岩芯的首位两端分别开设注液井和取液井；其中，控制注液井与取液井的直径与预形成的溶腔的直径之比为0.1:1。
然后，根据预控制岩芯与溶腔的体积之比为1:1以及上述岩芯中K+的含量，确定以岩芯质量的1.23倍质量的常温水作为溶采剂。
最后，将溶采剂由注液井注入至溶腔中，在流速为0.05m/s的速率下循环形成的溶采液，直至在取液井口监测到溶采液中K+含量达到4.00％，停止循环溶采液，将全部的溶采液抽出作为富钾溶液。
本实施例获得的富钾溶液的全分析结果如表2所示。
表2实施例1中富钾溶液的全分析结果
在本申请中，溶采剂加入量m1为185.1g，溶腔内的原矿量m4为227.0g。
由此可估算获知本实施例中富钾溶液获取量为：
m2＝m1/w(H2O)＝185.1/66.41％＝278.7g
溶解的原矿量为：
m3＝m2*m4*w(Mg2+)*a/M(Mg)
＝278.7×227.0×6.52％×0.87/24.305＝147.65g
上述获得的富钾溶液即可导入摊晒池中进行蒸发浓缩，以作为钾肥生产的原料。
实施例2
取非洲刚果地下1000m岩芯进行溶采，其主要组成如表3所示。
表3实施例2中岩芯的主要组成
首先，在上述岩芯的首位两端分别开设注液井和取液井；其中，控制注液井与取液井的直径与预形成的溶腔的直径之比为0.3:1。
然后，根据预控制岩芯与溶腔的体积之比为1:2.5以及上述岩芯中K+的含量，确定以岩芯质量的0.93倍质量的常温水作为溶采剂。
最后，将溶采剂由注液井注入至溶腔中，在流速为1.0m/s的速率下循环形成的溶采液，直至在取液井口监测到溶采液中K+含量达到4.50％，停止循环溶采液，将全部的溶采液抽出作为富钾溶液。
本实施例获得的富钾溶液的全分析结果如表4所示。
表4实施例2中富钾溶液的全分析结果
在本申请中，溶采剂加入量m1为194.3g，溶腔内的原矿量m4为180.2g。
由此可估算获知本实施例中富钾溶液获取量为：
m2＝m1/w(H2O)＝194.3/62.73％＝309.74g
溶解的原矿量为：
m3＝m2*m4*w(Mg2+)*a/M(Mg)
＝309.74×180.2×6.05％×0.87/24.305＝120.87g
上述获得的富钾溶液即可导入摊晒池中进行蒸发浓缩，以作为钾肥生产的原料。
实施例3
取非洲刚果地下889m岩芯进行溶采，其主要组成如表5所示。
表5实施例3中岩芯的主要组成
首先，在上述岩芯的首位两端分别开设注液井和取液井；其中，控制注液井与取液井的直径与预形成的溶腔的直径之比为0.5:1。
然后，根据预控制岩芯与溶腔的体积之比为1:2以及上述岩芯中K+的含量，确定以岩芯质量的1.6倍质量的常温水作为溶采剂。
最后，将溶采剂由注液井注入至溶腔中，在流速为0.84m/s的速率下循环形成的溶采液，直至在取液井口监测到溶采液中K+含量达到4.31％，停止循环溶采液，将全部的溶采液抽出作为富钾溶液。
本实施例获得的富钾溶液的全分析结果如表6所示。
表6实施例3中富钾溶液的全分析结果
在本申请中，溶采剂加入量m1为195.4g，溶腔内的原矿量m4为226.1g。
由此可估算获知本实施例中富钾溶液获取量为：
m2＝m1/w(H2O)＝195.4/62.56％＝312.34g
溶解的原矿量为：
m3＝m2*m4*w(Mg2+)*a/M(Mg)
＝195.4×312.34×6.59％×0.87/24.305＝143.97g
上述获得的富钾溶液即可导入摊晒池中进行蒸发浓缩，以作为钾肥生产的原料。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (8)
1.一种第四纪非洲地下钾矿的溶采方法，其特征在于，包括步骤：
S1、在第四纪非洲地下钾矿的岩芯的首尾两端分别建立注液井和取液井；其中，在所述岩芯中，K+的质量百分数为2.62％～13.65％、Mg2+的质量百分数为1.72％～8.57％、Na+的质量百分数为5.80％～20.20％、Cl-的质量百分数为22.78％～40.00％；
S2、以常温水作为溶采剂，将所述溶采剂由所述注液井注入至所述岩芯层面，所述溶采剂流经所述岩芯形成溶腔，所述溶采剂溶采所述岩芯中的无机盐形成溶采液；
S3、将所述溶采液由所述取液井中抽出并由所述注液井再次注入至所述岩芯层面，如此往复，直至在所述取液井口监测到所述溶采液中K+的质量百分数达到4％～4.5％，停止循环所述溶采液，将所述溶采液全部抽出，获得富钾溶液。
2.根据权利要求1所述的溶采方法，其特征在于，所述岩芯的深度为750m～1000m。
3.根据权利要求2所述的溶采方法，其特征在于，所述第四纪非洲地下钾矿为刚果地下钾矿。
4.根据权利要求1-3任一所述的溶采方法，其特征在于，所述岩芯与所述溶腔的体积之比为1:1～1:2.5。
5.根据权利要求4所述的溶采方法，其特征在于，所述岩芯与所述溶采剂的质量之比为1:0.93～1:1.6。
6.根据权利要求1-3任一所述的溶采方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述溶采剂在循环过程中的流速为0.05m/s～1m/s。
7.根据权利要求1-3任一所述的溶采方法，其特征在于，所述注液井的直径与所述溶腔的直径之比为0.1:1～0.5:1，所述取液井的直径与所述溶腔的直径之比为0.1:1～0.5:1。
8.根据权利要求1-3任一所述的溶采方法，其特征在于，在所述富钾溶液中，Mg2+的质量百分数为6.05％～6.59％、Na+的质量百分数为4.24％～7.58％、Cl-的质量百分数为18.64％～19.69％、H2O的质量百分数为62.56％～66.41％。
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