溶解采矿技术及应用.doc

溶解采矿技术及应用
王海峰
（核工业第六研究所，湖南 衡阳 421001）

摘要：溶解采矿方法主要应用于盐矿的开采，其工艺的物理过程和化学过程与地浸采矿方法多有类似，文章介绍了溶解采矿的历史、物理化学原理、工艺过程以及应用实例。
关键词：溶解采矿；盐矿；注水；井
1 溶解采矿发展史
地浸采铀技术已成熟，并广泛应用到各国，可地浸技术用来开采铀矿物仅是60年代之后的事，而地浸采铀技术的鼻祖----溶解采矿的立式却源远流长。
溶解采矿是从采盐发展起来的。我国1757年在运城盐湖以大口井采盐。井深13.3～16.7m，底部为盐湖承压水。这可利用承压水溶解地下石盐矿层，生成卤水，再嗮干而取之。
1880～1881年，溶解釆盐已由单井作业发展成几个井的井组作业。在运城盐湖至少有两个井构成一组，井距为数十米，开采时从一井注入洗水溶解地下岩层，从另一井将生成的卤水提至地表嗮盐，类似我们的两孔法地浸采铀试验。有时凿一组井，从中心注入洗水，从周边井提取卤水，我们目前应用的地浸采铀法正是继承了此法的衣钵，这是我国乃至世界应用溶解技术采矿的最早实例。
后来随着钻井技术的发明与应用极大地推动了地浸釆盐技术，在1835年我国已钻出深达1001.42m的井，这是19世纪中叶世界钻井深度的最高纪录。从此，我国便开始了钻井溶解釆盐的历史。目前测定地下水流向与速度的示踪法也是公元1894年在溶解法釆盐时发明的。
进入20世纪，国内外溶解采矿已十分普及，而且开采的矿物不仅限于岩盐，已发展到钾、硫、芒硝等。就溶解技术本身来说，也在应用中得到不断发展。如今两井联通开采、压裂技术、油水护顶技术等已得到广泛运用。
2 溶解采矿的物理---化学原理
我们知道，溶解采矿是溶剂与矿物的物理反应过程。那么，矿物是如何溶解在溶剂中的呢？从化学作用的观点看，矿物溶于液体的过程是发生在固-液两交界处的一种多相反应。溶解的多相反应包括溶剂接触被溶物质表面的过程，溶剂与被溶物质相互作用的过程和已溶物质离开被溶物表面的过程。溶解时总要发生相对于被溶固体表面的液体相移动。甚至在没有引起液相运动的外界因素条件下，由于溶液内各点的液相密度不同，也会产生液体的自然对流。不论液体的运动力特性如何，在相交界处总有阻碍被溶物质颗粒向液体内扩散的液体层存在。溶解时的扩散速度取决于被溶物质在溶解面形成的饱和液边界与溶剂的接触的浓度差。随着液相中被溶物质浓度的增加，溶解速度将按对数定律减慢，即溶解速度与溶液的饱和度成正比。
3 注水方法
3.1 正循环注水
如图1，正循环注水即为从中心管注入，溶腔底部卤水由技术套管与中心管之间的间隙返至地表。此注水法优点是卤水浓度均衡对底部溶解好，侧溶角小，回采率高，中心管周围沉积物少，管路不易堵塞，缺点是卤水浓度低，携带不溶物能力差。
单井开采时以正循环注水为主，目的为尽量减小侧溶角。
正循环可使下部溶解处于最佳状态，溶腔近似于圆柱形，侧溶角小，回采率高，但在建槽初期由于溶腔小，水的波动大，不利于油垫层的形成和稳定。受水流方向影响，油垫层向外扩展困难，并有负压旋流造成部分油被带出井，油会向井附近补充，引起油垫失效，且矿层上溶，使建槽高度增加，油量增大。
3.2 反循环注水
如图2，反循环注水是指注水从中心管和技术套管间的间隙进入溶腔顶部，卤水由中心管返至地面。此注水优 图1 正循环注水
点为卤水浓度高，携带砂能力大，缺点是回采率低。
因反循环注水更有利于将井底的沉砂携带出井，生产井
交付生产后的洗井建槽一般采用反循环注水。
3.3 连续注水
连续注水是指井投入生产后便开始注水，直至矿采完为止。连续注水铀利于保护顶板，加快矿层溶解，但卤水浓度低。矿层溶解性能好的矿井，尽可能采用连续注水。
3.4 间断注水
间断注水即井投入生产后，时注时停。间断注水运行费低，但溶解矿石能力差，溶解速度低，溶腔会产生负压，对顶板保护不利，停产后会因溶解继续进行而在溶腔上部产生 一空洞，形成负压。 图2 反循环注水
4 建槽与压裂
建槽是在矿层底部形成一个倒锥体的溶腔，为对流生产提供最佳溶解面。
压裂是为了在矿层中产生水平或顺层理的单裂缝面，达到井与井之间的交换贯通的目的。因此，压裂是在两井之间进行。压裂时用清水对裂缝壁的矿物溶解，形成一定规模的通道，使地应力向通道侧集中，达到自然平衡，防止闭合，因此生产时要带压出卤。
在沉积盐系地层中，岩盐的垂直抗拉强度比水平抗拉强度低，顶底板或夹矸接触面的粘结强度更低，裂缝容易在这些部位产生或顺层面方向扩展。正是利用这一特点，压裂技术才得以发展。
水力压裂技术19世纪曾有人提出这一想法， 最早应用在石油开采上。在五、六十年代美国碱业公司首先在俄亥俄州盐矿进行试验并获得成功。我国60年代开展岩盐压裂研究，在湖南湘澧盐矿和湖北应城盐矿进行地面钻井水力压裂生产试验获得成功。目前我国压裂技术用来采岩盐发展较快并取得了可喜进展，特别是在压裂施工前预先在盐层中建造一扁平盐槽，有利于水平裂缝的扩展，提高了成功率，压裂压力比未建槽情况降低45％ 左右。
压裂施工中要控制的参数为注水，出卤的水压力与流量。压力分破裂压力与扩展压力，流量指裂缝产生后扩展阶段的用液量。压裂时要控制压裂液量，不能过高，否则会产生其他裂缝，影响主裂缝发展．甚至导致裂缝窜槽。达到一定压力值还不能连通时要采取其他措施，以免造成浪费和灾害。
湖南湘澧盐矿应用压裂法建槽时，六组井四组成功。表1为湘澧盐矿建槽时的施工数据。
表1 湘澧盐矿建槽施工数据
槽高/m
直径/m
溶蚀盐量/t
建槽期/d
1.0
5.0
39
8
1.5
7.5
126
15
2.0
10.0
287
25
2.5
12.5
540
35
3.0
15.0
895
50
实践证明压裂是连通生产井组的有效方法，其溶腔呈条带状卤水浓度高，对底板破坏小，安全生产时间长。河南吴城和桐柏天然碱矿地浸法开采时采用ACF-700和ALF-500压裂车进行压裂，以D46-50×12多级水泵进行扩槽，并增用了3DZ-52-170/11柱塞泵和TWB50/50泥浆泵，压力7～12MPa，见表2。实践中得知，初期压力应控制在7MPa，流量25～30m3/h；中期为5 5～6MPa，流量在15～20m3/h，后期为20～25m3/h。
表2 桐柏天然碱矿采井压裂情况
井组及层位
压裂顺序
井距/m
静压时间
破裂压力/MPa
设备
JO3-JO4 Ⅱ2层
1
100
37小时16分
12
ACF-700
JO2-JO3 Ⅱ1层
2
150.7
9小时5分
10
ACF-700
JO0-JO0 Ⅱ2层
3
102.88
29小时32分
未测到
ACF-700，CF-500
JO1-JO2 Ⅱ2层
4
102.26
26小时45分
7.6
ACF-700
JO1-JO2 Ⅱ3层
5
102.26
26小时45分
8
ACF-700

5 气、油垫层顶板保护技术
为防止注入水与顶板接触溶解岩盐层造成坍塌，有效地控制上溶、扩展侧溶，经常采
用注水同时注入柴油、石油或气的方法。气、油水注入钻孔后，轻而上浮，起到隔绝水与
顶板接触作用。
油垫法使生产稳定．但带砂能力弱．适于高品位岩矿；气垫法不稳定．但带砂能力强．
适于低品位岩矿。空气垫容易造成腐蚀，也有用二氧化碳和氮气的，但费用高。
在井采完之后要根据回收成本状况回收油层。油层回收采用射孔正循环法，即首先在溶腔顶部的技术套管中射孔，然后采用正循环将油上顶由环隙排油，或采用吞吐法排油。两口井时必须将中心管下入到其中一口井中，采用双井正循环或抽吸设备回收油。油料回收后再采用反循环或抽吸设备回收溶腔中高浓度的卤水。
该法在江苏洪泽县内的无水芒硝矿应用得以成功．因该矿床埋深2000m以下，为节约管材，采用两管油垫层方法。套管下至矿层内建槽的槽顶高度位置，中心管下至矿层底部，利用技术套管管鞋来挂油，以控制油垫层高度。注入时要严格控制注水压力，向井下注油以返卤中有油花、油膜为桂。油垫层一般厚为2-3cm。矿石回收率比不注油提高40％。
山西运城盐湖界村芒硝矿注油水试验时采用单井三管油垫建槽，双井自然连通，热水溶矿，对流生产的地浸工艺。试验时试采井2个，井距25m，沿矿层走向方向布置。
固井水泥采用抗硫盐高铝水泥，固井设备为钻机配用的泥浆泵，排量10l/min，压力3MPa，功率45kW，两井的结构如图3。
注油时按15～20％ 的比例注入柴油。建槽初期直采用小流量注入(15～20m3/h以下)，以便形成稳定的油垫．溶腔直径扩展迅速，缺点为侧溶角大。由于卤水重力分异作用，向井底集中由中心管返至井口，所以采出的卤水浓度高，
油与水分离浮于顶部，并与淡水一起向溶腔外运行，起到良好的隔离作用。但由于卤水重力分异作用，底部卤水浓度较高，溶解效果差，溶腔侧溶角大，损失矿量多。油层厚度控制在0.7～lcm。
6 受控定向钻孔技术
在有些地段，因矿层中央夹层多，矿岩间 图3 井身结构示意图
无明显界线，矿体单层变化大，常为渐变过渡关系，无规律可循。在这样的矿层中，采用
水力压裂或射孔爆破方法使井与井连接很难。针对矿床这种地质条件，开发了受控定向钻
孔技术，受控定向钻孔技术是将钻孔按设计要求钻进，使两钻孔在设计点连通。
该项技术曾在湖南衡阳地区岩盐矿应用，实现了双井溶采，提高了回收率，降低了生产成本。
矿床主矿层埋深330～500m，岩盐层与地表无水力联系。受控定向钻孔是利用XY-4型螺杆油压机和造斜金刚石钻头钻孔，OWL-780测斜定向仪和无磁钻杆对施工的钻孔自始至终进行测量，以控制孔底在空间的位置，确保钻孔轨迹沿设计坐标延深，到孔底时误差不能超过2m。当两孔钻进完成后，从一口井注入清水使之与相对接的另一孔自然溶通。
设计两孔距233m。1号孔注水井，按303.50方位定向钻进；2号孔出卤井，按1890方位定向钻进。两孔交点距连线79.5m，垂深733.6m。每井分为垂直井段，过渡井段和连续造斜井段。钻井直径为Ф245mm钻头开孔。在曲线段，用Ф62mm无磁钻杆钻进，达到预定区井用Ф110mm钻头扩孔。第一口井施工完后，下人Ф89mm中心管至底，注水试采，以扩大溶腔，使之在井底的轴线上部形成一定高度的槽。待第二口出卤井施工完后，井控制在第一口井预定区上方。第一口卤井试采时，达到与第二日卤井连通目的。井组按岩层倾向布置，使高压注入清水的流向与压力梯度变小的方向一致。双井交汇点要控制在岩层中，固井水泥浆要返出地表。
7 溶解法开采盐矿
溶解法就是在采盐中发展起来的，因此用溶解采岩盐的实例已比比皆是。世界凡有岩盐矿床的国家在条件允许的情况下均采用溶解法开采。我国是世界上用溶解法采盐最早的国家，有的盐矿目前已处在二次回采阶段。下面是两个实例。
湘澧盐矿已用溶解法开采20多年 现在进行二次回采，以治理因多数溶腔顶板岩层大面积跨塌造成的套管破坏、地面裂口，沉陷、冒卤，地表农田四处呈现盐碱化的危害。1972～1990年此采区采出食盐170.6万t，采出率为23％ 。通过试验和实践说明，二次回采方法成功地提高了资源回收率，改善了矿山地表环境保护条件，使已盐碱化的农田垦植率达76％ 。
金坛市金坛盐矿第一层盐矿层埋深968~1060m，厚172m，由三个盐群组成，用单井对流开采工艺，Na2 SO 4平均含量1.62％～10.80％，NaCl平均含量81.18％～88.69％，1988年开采。
8 溶解法开采钾矿
溶解法用来开采钾矿可追溯到本世纪初。钾盐矿床首次用溶解法开采是在德国进行的，而后美国、英国、加拿大、前苏联等都作了这方面的尝试。美国钾化学公司于1964年在加拿大萨斯喀彻温省的里贾钠兴建钾矿，能力为54万t/a，1972年扩建至72万t/a。该矿矿体埋深1525m，温度54℃，厚23m，K2O为35％，储量454亿t，是世界最大型钾盐矿床之一。
溶解法开采钾盐要求钾盐矿层厚30-50m，品位30～35％．埋深大。
德国南茨山Southem-harz施塔富特矿区采用溶解法开采钾盐，在该矿山单、双井并用，用环境温度水作溶剂，平均开采厚度为33m。在水平溶解开采中要下三层套管，形成三条隔开的输送通道：溶剂输送道、卤水输送道和表层覆盖介质输送道。利用这些表层覆盖介质保护溶腔的暂存顶部。用压缩空气作表层覆盖介质，一井注，一井抽，产品为氧化钾。
我国察尔汗盐湖钾镁矿矿层渗透系数300~400m/a，岩盐孔隙度10～15％，至今已有40年开采历史，年产钾424万t。该矿沿用正循环为主的正反循环交替、分段割管(或自然脱落)的单井对流水溶开采。
9 溶解法开采芒硝矿
我国江苏洪泽无水芒硝矿(Na2SO4 )用溶解法开采。该矿矿体埋深2200m左右，平均厚14.55m，平均品位84.58％，在地温为76℃的条件下溶解速度为1.01g／(cm2．h)，溶解度为380～390g/L。开采时为防止结晶析出，注水温度30℃ 左右。1991年在该矿进行了溶解开采试验取得了成功，采出卤水浓度为399.7g/l，平均采卤量为23m3/h。
山西运城盐湖界村芒硝矿也用溶解法进行了开采试验。
10 溶解法开采碱矿
河南吴城天然碱矿1976年开采，使用溶解法，1980年正式投产，规模为5000t/a纯碱。矿床埋深为65l～902m，矿层厚为0.72～2.4m，层间距5m左右。顶板为粉砂泥质白云岩，致密坚硬；底板为油页岩。矿石主要成份为Na2CO3。和NaHCO3。矿床总储量Na2CO3 3649万t，NaC1 1769万t，矿床水溶性好。
在开采中采用注入一定量的烧碱液的办法增高卤水浓度，消除NaHCO3不溶解而造成的屏障，提高回收率，这里NaOH为助溶剂。
Na2CO3·NaHCO3·H2O+NaOH=2Na2CO3+3H2O它可使NaHCO3在地下转化为Na2CO3采出地表，提高了有用矿物回收率，延长了生产井服务年限。NaOH又是由采取碱卤加工制成。
11 溶解法开采硫矿床
溶解采硫是利用硫的低熔点，通过钻孔向矿层注入加压过热水使硫熔融。比重大且不溶于水的液态硫往下流动，汇集井底再用气或泵将其抽出地表。据称此法采硫由美国人弗拉什于1891年提出，用以解决常规法无法开采的沿墨酉哥湾海岸一带的盐丘，因此也称弗拉什法。
用钻孔溶解开采硫矿床要求矿床平均品位不低于l8～20%，因每生产一吨硫所需热量平均品位10% 的矿床是20% 矿床的2.5倍。同地浸采铀一样，用钻孔溶解法采硫矿床要求矿层有一定的渗透性和孔隙度，渗透系数为0.5～5m/d，孔隙度为10～20%。这可保证注入的热水从注入井到抽水井可以自由流动逐渐排出，并能在一定范围内保持一定熔硫温度。另外，矿层吸水能力要大于10m3/h，这样硫才可溶。当然和地浸采铀类似，顶底板要求不渗透。矿层埋深要求大于60m，因太浅会导致过热水涌出地表，使溶解物沉淀。矿体要求有一定厚度，一般为15～30m，因太薄液态硫在流动时热量损失大，热效率低。矿层要求的厚度与矿层倾角、钻孔倾斜度有关，钻孔热量溶法采硫每采一吨硫需6～40m3热水。由于地表、地下热损失，有效热能仅为5%左右，有的更低。
生产钻孔方式有垂直孔、倾斜--水平孔垂直和倾斜混合孔。井网多采用三角形布置，主要依据为硫矿床的渗透性和地下水流动方向来决定。井距对于不同井设计各异。注入时热水要超过硫的融点114～119℃。
此法可获得99.5%的液态硫产品。自1945年起此法采硫在全世界普遍展开，如前苏联的亚佐夫矿和乌尔达克矿，伊拉克的来什拉克矿，波兰的巴什尼亚矿，美国的卡姆拉达矿(Camanode)，美国弗里堡(Free Port)公司的硫磺矿，波兰的Egroko矿等。
12 结束语
本文从理论和实践两方面阐述了溶解采矿技术，希望读者能对该项技术有一定了解。地浸采矿法与溶解采矿源出一辙，浸出剂与矿物之间发生化学反应还是物理反应是其区别所在。作者感到，溶解采矿中有一些技术值得从事地浸采铀的工程技术人员借鉴，如注水方法，压裂方法等。
在我国已探明适于地浸开采的铀矿床储量很有限，如近期找不到大型矿床或已找到的矿床无法用地浸法开采，那我国地浸采铀工业将是无米之炊，而不得不中断，这绝不是危言耸听。能否使今天的技术、经济条件评价而认为不适台地浸开采的矿床在明天变为可适合地浸开采呢? 这个问题一直困惑着作者，使作者冥思苦想．希望我们从事地浸采铀的科技人员深入思考。从这点出发，作者将用于化学矿山的溶解采矿技术介绍给地浸采铀人员，如能从中获益：将是作者的最大欣慰。
参考文献：
[1] 化工部长沙设计研究院. 全国第二届溶解采矿学术会论文集. 1996.
[2] B．阿连斯. 地球工艺采矿方法. 国外采矿技术快报编辑部，1987.
[3] 采矿设计手册编委会. 采矿设计手册. 北京：中国建筑工业出版社，1987.