低品位固體鉀礦驅(qū)動(dòng)溶解開(kāi)采擴(kuò)大試驗(yàn)研究

王 曉，琚振闖，張 聰

(青海大學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810016)

低品位固體鉀礦驅(qū)動(dòng)溶解開(kāi)采擴(kuò)大試驗(yàn)研究

王 曉，琚振闖，張 聰

(青海大學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810016)

在研究鹽湖礦床溶解開(kāi)采低品位鉀礦時(shí)，采用配方溶劑和雙井管補(bǔ)采技術(shù)，選擇馬海鹽湖進(jìn)行了溶解驅(qū)動(dòng)擴(kuò)大工程試驗(yàn)。用surfer軟件分析水動(dòng)力場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)。結(jié)果顯示隨著補(bǔ)鹵的進(jìn)行水動(dòng)力場(chǎng)變化趨勢(shì)與環(huán)境變差一致，采鹵管K+濃度由1.41%上升達(dá)到2.3%，有效溶出礦體的K+。Na+的濃度變化是由補(bǔ)鹵配方試劑加入3.5%左右的Na+引起，而礦體所含的Na+未參加溶解過(guò)程，保證了礦體骨架完整，不出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，這種溶解驅(qū)動(dòng)開(kāi)采工藝技術(shù)可行。

低品位固體鉀鹽；補(bǔ)鹵工藝；現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)大試驗(yàn)；水動(dòng)力場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)

我國(guó)鉀鹽資源主要來(lái)自晶間鹵水液體礦，鉀肥的生產(chǎn)以晶間鹵水曬制成鉀石鹽和光鹵石后再利用熱熔法、浮選法等工藝生產(chǎn)[1]。察爾汗鹽湖礦區(qū)經(jīng)過(guò)數(shù)年開(kāi)采，礦區(qū)潛鹵水水位已從-0.5m下降到-2.5m，氯化鉀品位從2.7%下降到1.23%[2]。采礦點(diǎn)由于鹵水下降過(guò)快，鹽層中的液體鉀礦反而凝結(jié)成不易開(kāi)采的固體狀態(tài)。固體鉀礦的溶礦開(kāi)采技術(shù)和補(bǔ)鹵技術(shù)的研究，主要集中在溶礦溶劑配方的選取和溶礦的方法上。

目前鹽湖礦床溶解開(kāi)采通常采用兩種方法，溝渠溶礦法和井渠式水溶開(kāi)采法。溝渠溶礦法是在鹽層中開(kāi)挖溝渠，將鹵水注入溝渠溶礦，生成富鉀鹵水，在集鹵渠中抽取富鉀鹵水至鹽田。這種方法適用于埋藏較淺的鹽湖固相礦床開(kāi)采，也適合鹽湖固、液相礦床混合開(kāi)采。井渠式水溶開(kāi)采法是用鉆井和溝渠工程，將鹵水注入鉆井溶礦，生成富鉀鹵水，用溝渠集鹵，再?gòu)募u渠抽取鹵水，或經(jīng)溝渠注入淡水溶礦，從相隔一定距離的淺井中抽汲鹵水。這種方法適用于埋藏有一定深度的鹽湖固相礦床開(kāi)采，特別是鹽湖固、液相礦床混合開(kāi)采[3]。但這兩種水溶開(kāi)采法存在補(bǔ)鹵過(guò)程中改變含水層的孔隙率和滲透性，使得滲流通道被直接連通，溶礦結(jié)構(gòu)被破壞，鹽礦骨架坍塌，溶解通道被堵塞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效溶解的實(shí)際工程問(wèn)題。

在研究中，為了更加有效的開(kāi)采固體鉀礦，以柴達(dá)木盆地馬海鹽湖中的固體礦為擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，采用前期正交試驗(yàn)的方法確定的配方溶劑和雙井管補(bǔ)采方式，使溶礦后KCl含量有效增加，且礦層骨架坍塌度最小(溶出的NaCl最少)時(shí)的最佳工藝條件，在馬海鹽湖進(jìn)行工程放大試驗(yàn)。

1 地質(zhì)特征

擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)點(diǎn)設(shè)在柴達(dá)木盆地北部的馬海鹽湖，是形成固體鉀鹽礦層最早的次盆地之一，礦床內(nèi)礦石形態(tài)為固液并存[4]。馬海礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造有如下主要特征：①承壓儲(chǔ)鹵礦層的構(gòu)造形態(tài)總體上呈緩傾斜的復(fù)向斜狀；②復(fù)向斜南翼傾角略大于北翼，呈南陡北緩狀；③復(fù)向斜中分布有多層承壓鹵水礦層，礦層中間被黏土淤泥等細(xì)碎屑層分隔，呈上下疊置狀分布；④復(fù)向斜中軸線西北端略高于東南端，褶皺軸略向東南端傾斜；⑤兩翼過(guò)度區(qū)褶皺軸線附近，多為固體鉀鎂鹽礦層伴生。

擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)所在區(qū)域是地下潛水含水層較發(fā)育的區(qū)段，且發(fā)育厚度深大于10m，可滿足實(shí)驗(yàn)的地層環(huán)境要求。對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行鉆孔分析水文地質(zhì)特征，見(jiàn)圖1。選取試驗(yàn)點(diǎn)面積為200m×100m。由圖1可知，試驗(yàn)點(diǎn)水文地質(zhì)狀況，深度為1～6m時(shí)鉀含量最高，6m以下深度泥沙含量較高，選擇現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)鹵管埋藏深度為6～7m。

2 擴(kuò)大試驗(yàn)

2.1 工藝設(shè)計(jì)

擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)工藝流程見(jiàn)圖2，補(bǔ)鹵和采鹵現(xiàn)場(chǎng)布置見(jiàn)圖3。在選定位置布置并行的雙井管，花管管徑110mm，雙井管埋深為6～7m，管長(zhǎng)100m，雙管管開(kāi)孔率1%；兩根花管相距100m。在施工中為防止泥沙堵塞管道，花管用濾布包裹，周圍用級(jí)配碎石做導(dǎo)流層；將回填土壓實(shí)，防止注水上涌影響實(shí)驗(yàn)效果。補(bǔ)鹵管前部設(shè)置溶解池和配水池，在溶解池投加工業(yè)氯化鈉和工業(yè)氯化鎂進(jìn)行溶解，通過(guò)泵輸送到配水池達(dá)到配方溶劑的濃度要求。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)鉆孔水文地質(zhì)綜合柱狀圖

圖2 鹽田溶礦擴(kuò)大試驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖

2.2 工藝條件

溶礦溶劑配方采用前期正交試驗(yàn)結(jié)果，即溶礦的液固比為1∶0.5、溶劑中氯化鈉的含量為其飽和度的50%、溶劑中氯化鎂的含量為3%；溶采方法采用雙井管補(bǔ)采方法，補(bǔ)鹵速度為100m/h、補(bǔ)鹵管開(kāi)孔率為1%進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)鹵試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)鹵通過(guò)補(bǔ)鹵管注入溶劑后改變?cè)瓉?lái)的水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)，鹵水由補(bǔ)鹵管向采鹵管流動(dòng)的過(guò)程中溶解鹽層中的鉀礦。

2.3 分析方法

在現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)點(diǎn)鉆井設(shè)置17個(gè)觀測(cè)井，分布及編號(hào)見(jiàn)圖4。使用RXXS水位計(jì)測(cè)定17個(gè)監(jiān)測(cè)井的每日水位變化，四苯硼鈉季銨鹽返滴定K+濃度，差減法計(jì)算Na+濃度。根據(jù)水位變化、K+濃度和Na+濃度的變化值采用surfer軟件分析水動(dòng)力場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)，得到溶礦效果的變化趨勢(shì)。

3 結(jié)果與分析

3.1 水動(dòng)力場(chǎng)變化

通過(guò)對(duì)17個(gè)監(jiān)測(cè)井的每日水位變化，得到圖5。靠近補(bǔ)鹵管的水位變化較大，靠近采鹵管水位變化相對(duì)較小，日變化值在17～1mm間。

由圖5得出，隨著補(bǔ)鹵時(shí)間的推移和補(bǔ)鹵量的增加，水位逐漸升高，等水位線不斷向四周推進(jìn)，顯示了以離心流為主的水動(dòng)力場(chǎng)特征，這種離心流分布反映流體能量高地決定流體運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)移的潛勢(shì)方向。晶間鹵水的壓力由凹陷中心往邊緣呈不規(guī)則環(huán)狀減弱，由此引起的勢(shì)能差導(dǎo)致由凹陷中心往邊緣呈放射狀的流動(dòng)，水動(dòng)力場(chǎng)變化趨勢(shì)與環(huán)境變差基本一致。

3.2 水化學(xué)場(chǎng)變化分析

每日通過(guò)觀測(cè)井取樣，分析K+、Na+濃度變化，得到圖6、圖7。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，隨著環(huán)境變差K+、Na+濃度不同，變化幅度不大，各離子濃度處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。隨著補(bǔ)鹵的開(kāi)始，K+、Na+濃度均不斷增加，但K+濃度從補(bǔ)鹵管向采鹵管方向遞增，Na+濃度從補(bǔ)鹵管向采鹵管方向遞減，在第六天時(shí)，濃度變化趨于穩(wěn)定。

由圖6得出，隨著補(bǔ)鹵的進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)K+的濃度不斷升高，采鹵管附近K+濃度由補(bǔ)鹵前的1.41%上升至補(bǔ)鹵后的2.3%，靠近采鹵管K+的濃度高于靠近補(bǔ)鹵管位置的K+濃度。這說(shuō)明，隨著鹵水流入渠道中并向下溶浸，礦體的鉀鹽不斷溶解，溶解效果較好。

由圖7得出，隨著補(bǔ)鹵的進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)Na+的濃度不斷升高，補(bǔ)鹵管Na+濃度由補(bǔ)鹵前的2.18%上升至補(bǔ)鹵后的5%，采鹵管Na+濃度由補(bǔ)鹵前的1.98%上升至補(bǔ)鹵后的3%，補(bǔ)鹵管附近濃度高于采鹵管。這說(shuō)明，由補(bǔ)鹵配方試劑加入3.5%左右Na+濃度為引起補(bǔ)鹵前后濃度的變化，而礦體所含的Na+未參加溶解過(guò)程，從而保證礦體骨架完整，不出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，使得補(bǔ)鹵達(dá)到預(yù)期效果。

圖5 補(bǔ)鹵過(guò)程晶間鹵水等水位線變化圖

圖6 補(bǔ)鹵過(guò)程晶間鹵水K+含量變化圖

圖7 補(bǔ)鹵過(guò)程晶間鹵水Na+含量變化圖

4 結(jié)論

通過(guò)采用配方溶劑和雙井管補(bǔ)采方法在馬海鹽田進(jìn)行擴(kuò)大工程試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

1)隨著補(bǔ)鹵的進(jìn)行水動(dòng)力場(chǎng)變化趨勢(shì)與環(huán)境變差一致。

2)K+的濃度隨著補(bǔ)鹵進(jìn)行不斷升高，采鹵管K+濃度由1.41%上升達(dá)到2.3%，隨著鹵水流入渠道中并向下溶浸，有效溶出礦體的K+，效果較好。

3)Na+的濃度變化是由補(bǔ)鹵配方試劑加入3.5%左右的Na+引起，而礦體所含的Na+未參加溶解過(guò)程，保證了礦體骨架完整，不出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

4)采用配方試劑和雙井管補(bǔ)采方式K+溶解效果較好，達(dá)到了補(bǔ)鹵過(guò)程的預(yù)期效果，這種溶解驅(qū)動(dòng)工藝技術(shù)可行。

[1] 王有德.馬海鹽湖低品位固體鉀礦溶解開(kāi)采方法初步探討[J].鹽湖研究，2006，14(1):24-28.

[2] 康維海.柴達(dá)木鹽湖鹵水水位下降[N].中國(guó)國(guó)土資源報(bào)，2007-03-28(001).

[3] 王文祥，李文鵬，劉振英，等.澀聶湖湖水驅(qū)動(dòng)溶解固體鉀礦固液轉(zhuǎn)化量計(jì)算[J].中國(guó)礦業(yè)，2013，22(4):102-105.

[4] 馬金元，楊平.淺論青海省馬海鉀礦的資源優(yōu)勢(shì)和開(kāi)發(fā)對(duì)策[J].化工礦物與加工，2005，34(4):35-37.

Research into in-situ expanding experimental dissolving-dirving of low grade solid potassium resources

WANG Xiao，JU Zhen-chuang，ZHANG Cong

(School of Chemical Engineering，Qinghai University，Xining 810016，China)

Using solvent formulations and double well tubes filling mining methods on the dissolving low-grade solid potash mining，dissolving-dirving expanding experimental in the Mahai salt lake deposit was carried out.Through surfer software，hydrodynamic field and hydrogeochemical fields was analyzed.Results indicated that with the changes trends of the hydrodynamic fields by adding brine processing consistent with environmental variation，mining brine pipe K+concentration increased from 1.41% to 2.3%，K+in ore bodies can be dissolved effectively.Changes in the Na+concentration is caused only by adding 3.5% of Na+to halide formula reagent，and the Na+in ore bodies did not participate in dissolving process，which ensures that the ore body skeleton is complete and do not appear to collapse.As a result，this dissolving-dirving technology is feasible.

low-grade solid potassium；adding brine process；in-situ expanding experiment；hydrodynamic fields and hydrogeochemical fields

2014-12-29

國(guó)家科技支撐計(jì)劃“大型礦產(chǎn)基地生態(tài)恢復(fù)技術(shù)與示范”子課題“洪水補(bǔ)充鹵水鉀鹽濃度控制技術(shù)研發(fā)與利用洪水補(bǔ)充鹽湖鹵水技術(shù)集成與示范”資助(編號(hào)：2012BAC09B05-4 )

王曉(1969-)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樗Y源綜合利用。

TD871.1

A

1004-4051(2015)07-0100-04