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3.5盐类矿床地下水溶开采本章提要介绍盐类矿床水溶开采的特点盐类矿床的工业特征重点介绍水溶开采的基本原理,水溶矿山地下开采的开拓方法和开采方法,钻井水溶法的钻前准备与完井,各种地下采矿方法的工艺、设备、优缺点与适用条件
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5.1概论盐类矿物的共性是能溶于水,不同的盐类矿物溶于水的难易程度不同盐类矿床是盐类物质在地质作用过程中,在适宜的地质条件和干旱的气候条件下,水盐体系天然蒸发、浓缩形成的天然卤水和化学沉积矿床水溶开采是根据盐类矿物易溶于水的特性,把水作为溶剂注入矿床,在矿床进行物理化学作用,将盐类矿物就地溶解,转变为溶液—卤水,然后进行采集与输送的一类采矿方法它在氯化物(石盐、钾石盐)、硫酸盐(无水芒硝、芒硝、钙芒硝)、碳酸盐(天然碱)等盐类矿床的开采中得到广泛运用,取得了良好的技术经济效果
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1.1水溶开采的特点水溶开采融采矿与选矿为一体,在盐类矿床所在地进行物理化学__,使用最廉价的溶剂—水或淡卤(有的矿床加助溶剂如氢氧化钠等)溶解矿物,把泥沙等杂质留在原地水溶开采的优点是工艺简单,钻井代替了常规的地下井巷,开拓工程量少,基建时间短,基建投资不到常规地下开采的四分之一,生产成本下降80~90%;常规开采深度超过1000m后常遇到深部地压和地热增温等困难,钻孔则可以容易地超过3000m,在一定条件下可提高盐类矿床的矿石采收率;管道化生产,采卤和输卤实现自动化,工人在地面完成操作,安全生产条件好,劳动生产率高;盐类矿物溶解取走后,矿渣留在原地,不对地面环境造成污染水溶开采存在的问题是基本理论和开采方法还不够完善,矿石采收率一般较低,少数矿山诱发地质灾害,出现地面沉降和冒卤
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1.2盐类矿床的工业特征除了矿床的一般工业特征外,盐类矿床的下列特性受到特别__⑴盐类矿石与围岩的工业性质
①可溶性盐类矿物的溶解度与温度、压力有关,溶解速度受矿石品位、化学成分、结构构造、温度、压力、溶液浓度、布水方式、溶液动态、溶液磁化等因素的影响
②含水性与隔水性孔隙较大的岩层含水性好,如砂层、砾石层、发育溶洞的石灰岩等,如果它们与盐类矿床沟通,就会破坏矿体,在钻井水溶开采时,应下套管固井,将含水层封隔;如果矿体中有断层通过,为防止断裂带的地下水破坏矿体,距断层1km以外才能布置溶采区盐类矿层顶、底板岩层隔水性良好,有利于水溶开采
③孔隙度孔隙度是岩石孔隙体积与包括孔隙在内的总体积之比盐湖类岩石的孔隙度是晶间卤水静储量计算的重要水文地质参数,与颗粒大小、形状、排列情况、级配、压密程度、胶结状况等因素有关,其范围从百分之几到百分之三十几,甚至更大,对水溶开采有重要影响
④强度盐类矿石的强度较低,抗压强度在5~37MPa左右,抗剪强度在
0.7~14MPa左右,抗拉强度在
0.3~2MPa左右;围岩的抗压强度在
0.8~143MPa左右,抗剪强度在
1.5~59MPa左右,抗剪强度在
0.2~4MPa左右
⑤硬度硬度指岩石抵抗工具侵入的能力岩石硬度分为10级,盐类矿物的硬度较低,为1~4级
⑥韧性指岩石抵抗冲击工具侵入的能力一般沉积岩的韧度较低,为
0.08~
0.4kg·m/cm
⑦稳固性水溶开采溶洞顶部暴露__的大小及其在一定时间内保持稳定而不崩落的性能,叫盐类矿石与围岩的稳固性它与矿石和围岩的结构与构造、裂隙发育情况、溶洞顶板岩石的工程力学和受水侵蚀后耐崩解的性能、溶洞大小等因素有关不稳固的矿岩允许溶洞顶部有不大的暴露__,当顶部暴露__扩大后,顶板岩石极易垮塌,堵塞井下管柱和初始溶洞,无法继续开采这类矿床一般不适宜用常规的钻井水溶法开采,如内蒙达拉特旗等第四纪芒硝矿;较稳固的矿岩允许溶洞顶部有一定的暴露__而不垮塌,当溶采直径扩大并经较长时间侵蚀后,顶板逐渐垮塌,但水采溶洞仍保持一定的容积,可继续进行水溶开采,矿石采收率一般较低,如广泛分布的陆相碎屑岩系型盐类矿床;极稳固的矿岩允许溶洞有很大的暴露__而不垮塌,如海相碳酸盐系型盐类矿床,特别是厚大的盐丘中建造的水采溶洞极稳固,常用于储存石油、天然气等⑵盐类矿床的工业性质
①矿床规模与矿石质量一般分为大、中、小三个类型四种主要盐类矿床资源储量的划分标准见表
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5.1表
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5.1四种盐类矿产资源储量规模划分标准(单位万吨)大型中型小型石盐NaCl_____0_____~_____0<_____钙芒硝Na2SO4≥_____1000~_____<1000天然碱Na2CO3+NaHCO3≥1000200~1000<200钾盐KCl≥1000100~1000<100通常按矿石品位划分等级石盐根据NaCl的品位划分为富矿>80%,中矿为50~80%,贫矿为30~50%;钾盐根据KCl的品位划分为富矿>12%,贫矿为8~12%
②矿体形态盐类矿床的矿体形态简单,呈层状、似层状或透镜状产出,厚度稳定,沿走向和倾向延伸均较大只有在强烈的构造作用下才形成盐丘矿床,形态变得复杂,厚度大
③矿层厚度影响水溶开采方法的选择,如薄层适宜用井组连通法开采,巨厚矿层适宜用油垫对流法开采盐类矿层根据矿层厚度一般分为5类极薄矿层小于
0.5m,薄矿层为
0.5~2m,中厚矿层为2~5m,厚矿层为5~20m,巨厚矿层大于20m
④夹层厚度我国盐类矿床的特点是矿层的层数多、单层厚度薄,常划分为若干个工业矿层,自下而上进行开采一般来说,当非矿夹层厚度小于2~3m且矿层多、密度大时,常并入工业矿层;当非矿夹层厚度在10~20m以上,或非矿夹层厚度虽在5m左右,但矿层稀疏、厚度薄时,则划为工业矿层的顶、底板
⑤矿体埋藏要素我国盐类矿床大多数为微倾斜和缓倾斜矿床,云南和__部分矿床为倾斜矿床,有的属急倾斜矿床硐室水溶开采时,矿体倾角影响矿床开拓和采场矿石运搬方法;钻井水溶开采时,影响钻井工程的布置盐类矿体按埋藏深度可分为5类__矿体直接出露地表;浅埋矿体的埋深小于500m;中深矿体的埋深为500~1500m;埋深矿体的埋深为1500~3000m;极深矿体的埋深大于3000m目前主要开采盐湖矿床、浅埋和中深矿体,部分为深埋矿体,极深矿体一般未开采⑶盐类矿床开采技术条件主要指盐类矿床水溶开采的难易程度,它影响水溶开采方法选择、钻井工程布置、水溶开采工艺参数的确定、服务年限等
①矿床地质条件主要包括矿床规模、矿体分布__、矿层厚度、埋藏深度、夹层厚度、矿石品位、矿石结构与构造等
②工程地质条件指盐类矿层及其顶板岩石的物理力学性质,主要是矿岩的稳固性,影响溶洞直径大小和保安矿柱尺寸,以及矿石采收率的高低等
③水文地质条件主要指盐类矿层的上部和下部含水层的特性、分布状况及其对水溶开采的影响
④环境地质条件主要指水溶开采对其上部道路、村镇、河流、植被、农田和水利设施等的影响,它关系到采区布置和钻井工程布置,应防止采集卤和输卤过程中卤水流失对生态环境的破坏,以及溶洞顶板垮塌可能引发的地面沉降与冒卤
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1.3水溶开采的基本原理⑴盐类矿物溶解机理
①溶解与结晶当水与盐类矿物接触时,组成结晶格架的离子被水分子带相反电荷的一端吸引,当水分子对离子的引力足以克服结晶格架中离子的引力时,结晶格架遭到破坏,离子进入水中,这就是溶解盐类矿物的过程水与盐类矿物接触时,同时发生两种相反的作用溶解作用与结晶作用溶解到水中的盐类离子,在运动过程中遇到尚未溶解的盐类矿物,可以被吸引,由溶液回到盐类矿物结晶格架上去
②饱和溶液盐类矿物开始溶解时,溶液中盐类物质的离子少,溶解速度大于结晶速度;随着溶解过程的进行,溶液浓度逐渐增大,溶解作用变慢,结晶作用加快,当单位时间内溶解与析出的盐类物质数量相当时,溶液达到饱和
③溶解过程中的热动力现象物质溶解同时发生两个过程一是破坏晶格,溶质粒子与晶体分离并向溶液中扩散,要吸收热量,这是物理过程;二是溶质分子和水分子结合生成水化物要放出热量,这是化学过程这个物理—化学过程与各种物理化学条件有密切关系
④复盐矿物的水溶多种盐类矿物共生的复盐矿物在水溶过程中有以下情况组成复盐矿物的单盐组分溶解度相差不大时,在水溶过程中不形成中间产物,如钾芒硝矿物K3NaSO42在10~20℃水溶时,其单盐Na2SO4和K2SO4的溶解度相差较小,属于这种情况;各单盐的溶解度相差较大且均易溶时,溶解度较小的单盐在水溶过程中形成暂时稳定的中间产物,但随溶解时间的增长,这个中间产物也会被溶解如光卤石矿物KM__l3·6H2O由单盐KCl和M__l2·6H2O组成,均易溶,在10~20℃时,溶解度较小的KCl可形成暂时稳定的中间产物,但溶解时间增长后,中间产物亦被溶解;各单盐的溶解度相差较大且其中一种单盐难溶于水时,这种单盐在水溶过程中形成的中间产物不再溶解,如钙芒硝Na2CaSO42的单盐Na2SO4易溶,CaSO4难溶,所以在水溶开采钙芒硝矿床时形成大量的中间产物石膏(CaSO4·2H2O),不再溶解⑵溶解度
①溶解度及其影响因素固体盐类物质的溶解度是在一定温度(15℃)和压力(
0.1MPa)下,单位体积溶剂(水)中所溶解的某种盐类矿物的饱和盐量,单位为g/100g盐类矿物溶解度由大到小的顺序是氯化物,硫酸盐,碳酸盐,硼酸盐温度和压力对溶解度有不同程度的影响一般说来,盐类矿物的溶解度随温度的升高而增大在OMPa压力时,石盐在水中的溶解度为
359.1g/L,在25MPa压力时为
362.2g/L
②盐类矿物共生的溶解度变化规律对于矿石中含有两种以上的盐类矿物共生时,其溶解度遵循以下规律溶液中出现与该盐类物质含有共同离子的另一种盐类矿物时,该盐类物质的溶解度降低,如KCl与NaCl的共同可溶性,在任何温度下都比它们单独溶解时的溶解度小;在溶液中出现与该盐类物质未含共同离子的另一种盐类物质时,该盐类物质的溶解度增大,如CaSO4的溶解度由单独溶解时的
2.08g/L增加到在NaCl溶液中的5~6g/L⑶溶解速度盐类矿物在单位__和单位时间内所溶解的盐量称为溶解速度,单位是g/cm2·h或Kg/m2·h
①影响盐类矿物溶解速度的内在因素盐类矿物的水溶性不同盐类矿物的水溶性不同,石盐、钾石盐、芒硝等矿物溶解速度快,钙芒硝等缓慢溶于水,石膏、硬石膏等难溶于水盐类矿石的组分多种盐类矿物共生的矿床,其主要盐类矿物的溶解速度受其他组分的影响如水溶开采钙芒硝—石盐矿床,若将含Na2SO4的制盐尾液回输到矿床进行采卤,既可减少环境污染,又可降低Na2SO4的溶解速度,实现石盐的选择性开采盐类矿石的品位通常情况下,矿石品位高,盐类矿物的溶解面大,溶解速度快盐类矿石的结构与构造矿石结构紧密,水与盐类矿物的接触面小,溶解速度慢;矿石结构疏松,裂隙发育,水可以深入到矿石内部,接触__大,溶解速度快;现代盐湖沉积的盐类矿产,未经硬结成岩作用,孔隙度一般为20~30%,溶解速度快
②影响盐类矿物溶解速度的外部因素溶液的运动状态在相同条件下,注入井内的水不断循环,可以加速扩散作用,增大溶解速度;超声波用于水溶采矿,把电能转化为机械能,产生波的振动,起到破坏盐层结构的作用,能提高溶液渗透率溶液的浓度浓度低时,溶解速度快溶液的温度和压力一般来说,盐类矿物的溶解速度随温度的升高和压力的增加而提高,石盐在不同温度下的溶解速度变化很小,用提高水温来加速溶解在经济上不合算,而芒硝受温度影响大,用热水作溶剂可以取得良好的经济效益溶解面的空间位置溶液在溶洞下部的浓度高,上部的浓度低,主要利用侧溶和上溶,只有在盐湖固相矿床水溶开采时,才利用侧溶和底溶溶剂的性质水经磁化后,溶解度增加约50%,但水经磁化后氧离子浓度增大,导致井管和采集卤管道的腐蚀加剧,因此采用磁化水加速溶解仅适于建槽期的强化开采,不宜__采用添加辅助溶剂可提高某些盐类矿物的溶解速度,如加入3~5%的NaOH可提高天然碱的溶解速度和溶液浓度⑷侧溶底角盐类矿石中的不溶残渣不断沉积于溶洞底部,覆盖底部未溶盐类矿石,逐步在溶洞底部形成一个以钻井或初始硐室为中心、形似空心倒圆锥体的倾斜底面,倾斜底面与水平面的夹角称为侧溶底角(图
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5.1)矿石的水不溶物含量低、品位高时,侧溶底角小,溶洞未溶矿石损失少,矿石采收率高云南三个盐矿在坑道与溶洞中实测的侧溶底角为24~42°图
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5.1水溶开采溶洞的侧溶底角示意图1-石盐矿层;2-盐层底板;3-水不溶残渣;4-钻井;5-溶洞顶板;6-溶洞底板;-侧溶底角⑸钻井水溶开采的溶解作用与溶洞形状由于开采方法不同,溶解作用的进行不同,形成的溶洞形状主要有圆锥形(或圆柱形)和长槽形(或楔形)
①单井对流法水溶开采的溶解作用和溶洞形状这种开采的溶解作用有静溶和动溶之分,溶洞形状可为圆锥形或圆柱形简易对流法的正循环形成的溶洞分三个阶段(图
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5.2)第一阶段水从中心管注入后,沿管状井壁向上冲刷、溶蚀,形成梨形溶洞,溶解速度大于每日10~15cm第二阶段注入水与卤水混合,向上回流、溶蚀,溶洞发展成圆柱状第三阶段溶洞进一步溶蚀扩大,卤水浓度在垂直方向上出现差异,上部浓度低溶解速度快,下部浓度高溶解速度慢,在溶洞周壁出现斜坡,水不溶物覆盖在未溶盐层上,底部溶解作用趋于停止,形成指数曲线形的空心倒圆锥体图
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5.2简易对流正循环溶洞发展示意图1-盐层;2-矿层顶板;3-矿层底板;4-套管;5-中心管;6-套管水泥环;7不溶物;ⅠⅡⅢ-溶洞发展阶段
②井组连通法开采的溶解作用和溶洞形状a)两井溶蚀连通开采的溶解作用和溶洞形状第一阶段两井各自注水溶解,在水平面上均以钻井为中心呈似同心圆柱向外扩展(图
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5.3),简易对流开采形成的溶洞形状呈似圆锥体,油垫对流法和气垫对流法开采的溶洞形状呈似圆柱体第二阶段为两井分别形成的圆锥形(或圆柱形)溶洞连通后,注水井和出卤井交替进行,溶解作用自连通通道向两侧扩展,溶洞形状发展成两端呈半圆锥、中部呈楔形的楔状溶洞,或两端呈半圆柱、中部呈长方形的长槽状溶洞图
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5.3气垫建槽连通—梯段法上溶开采溶洞形状发展示意图b强制性快速连通水溶开采的溶解作用和溶洞形状压裂连通、定向井连通和组合连通均属强制性快速连通,连通的原始通道很小第一阶段A井注水B井出卤,溶解作用自A井外侧呈似同心圆状向外扩展,由A井至B井随着溶液浓度逐步升高,溶解速度逐渐变慢,溶洞直径逐渐变小,呈A井大B井小的喇叭状(图
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5.4)第二阶段改为B井注水A井出卤,表现出与第一阶段相反的进程第三阶段适时调整注水井与出卤井,使溶洞逐渐发展成为两端呈半圆柱、中间呈长方形的长槽状溶洞水采溶洞的实际形状,需在水采过程中借助超声波测井仪定期测量确定图
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5.4强制性快速连通井组水溶开采溶洞形状发展平面示意图
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1.4开采单位、开采步骤与开采顺序水溶开采矿山的钻井用于盐类矿床开采,称为盐井;将水注入地下溶解盐类矿石,形成卤水后采出,称为采卤⑴开采单位水溶开采的开采单位通常划分为矿区、采区和开采单元
①矿区划归__的矿山企业或有关厂、矿、公司开采的盐类矿床叫矿区
②采区用一套__的生产设施进行开采的单位叫采区根据矿石的溶解特性,采区长边应沿矿体长轴方向布置,采区__一般在
0.5~1km2左右对于多种盐类矿物的盐湖固相矿床的水溶开采,需将每一种盐类矿石的采区进行隔离,如划分为石盐采区、芒硝采区、光卤石采区等
③开采单元最小的开采单位,如钻井法水溶开采,每隔一定间距布置一个井组形成开采单元一个井组一般由2~3口井组成,井距通常为60~120m,组距为井距的
1.5~2倍左右⑵开采步骤硐室水溶开采法的开拓、采准工作与普通地下开采相同,只是用水溶方法回采钻井水溶法可划分为两个阶段开拓阶段和回采阶段开拓阶段的主要工程是钻井工程,其次是供水、采卤、集卤、输卤工程和相应的地面配套设施单井对流法的采准是建槽;井组连通法的采准是水力压裂,它们常与回采工作结合进行,合并为回采阶段开拓阶段和回采阶段提供开采的矿石工业储量分别为开拓矿量和备采矿量水溶开采的矿山建设时间较短,数月至1年多就可建成投产,备采矿量2年以上就可实现持续均衡生产投产后的主要开拓工程仍是钻井,即更新井随之延伸的采卤、集卤管道和计量、检测仪表的工程量较少在盐井生产过程中,生产能力逐渐衰减,经常发生故障,需定期或不定期检修,为了保证矿山均衡生产,需增加备用井备用井控制的备采矿量约为正常生产井控制的备采矿量的30%,矿山规模小时,可适当增加备采矿量⑶开采顺序
①工业矿层的垂直开采顺序只有一个工业矿层时,应先溶解开采矿层的下部,再往上逐步溶解开采;当矿床有多个工业矿层时,应先溶解开采最下部的工业矿层,再自下而上逐个对工业矿层进行溶解开采因为矿渣沉积在溶洞底部,会阻碍底部矿层的溶解
②采区内平面开采顺序为加快矿山建设,一般选择盐类矿层埋藏较浅的矿段先期开采当采区中靠近矿部一端的矿层埋藏较浅时,钻井工程和地面配套设施布置在靠近矿部一端,向采区另一端推进开采,称为前进式开采这种顺序的基建采卤和集卤主管道工程量小反之,首期开拓工程布置在远离矿部的浅部矿段,向采区靠近矿部的一端推进开采,称为后退式开采,它需一次完成采区采卤和集卤主通道的敷设,基建投资和管道维修工作量较大
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1.5矿山建设规模与服务年限⑴矿山建设规模水溶开采矿山的基建规模以生产卤水的主要盐类组分的年产量表示矿山生产的卤水是初级产品,其生产规模与主要终端产品生产厂的规模相匹配,并留有矿山备采系数,其计算公式如下(
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5.1)式中A—矿山的卤折盐年产量,t/a;A1—终端产品年需用盐量,t/a;—生产厂的卤折盐回收率,%;—矿山备采系数,一般取
1.3盐类矿床水溶开采矿山的建设规模见表
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5.2表
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5.2盐类矿床水溶开采矿山建设规模与采区服务年限矿床类型主要终端产品矿山建设规模(万吨/a)备注大型中型小型盐湖石盐矿床NaCl≥7070~20<20轻工业部设计规范石盐矿床NaCl≥3030~10<10轻工业部设计规范钾盐矿床KCl≥55~3<3轻工业部设计规范钾盐矿床K2SO4≥33~1<1国外最小经济规模3万吨/a国内1万吨/a无水芒硝、芒硝矿床Na2SO4≥55~1<1最小经济规模1万吨/a天然碱矿床Na2CO3≥2020~10<10最小经济规模10万吨/a采区服务年限>20~15>15~10>10~5市场对矿产的需求量是决定建设规模的重要考虑因素矿山建设要达到一定的经济规模才能取得较好的经济效益,石盐矿床的最小经济规模为年产10万吨,芒硝和无水芒硝为年产1万吨矿石储量一般与矿山建设规模成正比矿石溶解速度快的建设规模可大一些,如石盐、钾石盐、无水芒硝、芒硝矿床;溶解速度慢的一般宜建中小型矿山,如钙芒硝矿床⑵矿山服务年限矿山服务年限T可参见表
3.
5.2,它与矿石储量、矿山生产能力的关系如下(
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5.2)式中Q—矿石储量,t;C—矿石品位,%;K—矿石采收率,%;A—主要盐类矿物的矿山年产量,t/a
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1.6矿石采收率与开采损失率⑴矿石采收率钻井水溶开采通常按采区计算矿石采收率K(
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5.3)式中—__开采系数,为采区内钻孔控制的开采__与采区__的比值;—厚度开采系数,为设计采区开采的主要工业矿层工业储量与开采__内全部矿层的矿石储量之比;—实际开采的工业矿层矿石采收率,为该矿层实际采出的矿石储量与该矿层矿石储量的比值目前国外水溶开采矿山的矿石采收率,用简易对流法开采200~300m厚度的盐层为
2.5~3%,开采30~40m厚度的盐层为5~10%;用油垫对流法开采为10~20%;油垫对流法建槽、分梯段上溶开采为20~30%;用井组连通法开采为30~35%;用硐室水溶法开采为25~30%我国矿山采收率较低,只有部分矿山大于20%;个别矿山在矿层顶板稳定的情况下,达到80%以上⑵开采损失率开采过程中盐类矿石损失的数量与盐类矿石工业储量之比称为开采损失率造成盐类矿产损失的主要原因有为采区内铁路、河流、重要建筑物等预留的保安矿柱的压矿;顶班稳固性差,垮塌压矿;水采溶洞的卤水浓度呈现垂直分带,形成侧溶底角,下面矿层被泥沙等水不溶物覆盖难以溶解;卤水渗入围岩地层和裂隙而流失;开采方案不合理;矿山地质工作和技术管理工作薄弱等
3.
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1.7水溶开采矿山采空区的稳定性⑴水溶开采矿山岩移和地面沉陷随着水溶开采溶洞直径的扩大,其顶板不断垮塌,损坏井下管柱,需修复后才能继续生产,单井对流法开采的矿山尤为突出;而岩移波及地表引起的地面沉陷,可能引发地质灾害⑵影响采空区稳定的因素
①开采深度发生地面沉陷和变形的盐矿采深一般小于500m,采深500~3000m的盐类矿床尚未出现地面沉陷
②开采厚度开采矿层的累计厚度越大,越容易引起地面沉陷和变形,地面下沉极限值约等于矿层开采厚度的
0.9倍
③溶洞直径目前一般控制在几十米至100米左右,亦有达150~200m甚至更大溶洞直径越大,越容易引起地面变形和沉陷⑶溶洞直径尺寸的确定用空场极限跨度计算溶洞最大直径的公式为(m)(
3.
5.4)式中—顶板岩石抗压强度,KPa;H—溶洞顶板埋深,m;—顶板岩石容重,10KN/m3⑷保安矿柱尺寸的确定目前尚无合适的计算公式,一般根据经验确定云南省几个盐矿的经验是矿房尺寸与矿柱尺寸相近时,采空区顶板较稳定⑸地面沉陷和冒卤的防范措施原地质勘探孔和开采报废井,用水泥将矿层顶板及上覆地层封堵;严把钻井工程质量关,防止井管过早断裂,确保封闭条件;先采深部矿层,上行开采,充分回收资源并推迟地面沉陷;确定合理的水溶开采溶洞尺寸和保安矿柱尺寸;浅埋矿床应适当控制采厚;严格采卤操作规程,防止突然停泵产生水锤的冲击作用,采区附近不宜__振动设备,防止其诱发与加速开采溶洞顶板的垮塌;完善水采溶洞的研究与测试手段,建立采区地面__观测网⑹溶洞的利用盐层厚度大的水溶开采溶洞可能具有良好的稳定性,在国外已建起了不少的地下储库第一次世界大战期间,德国利用溶洞储存天然气和石油;1958年___把溶洞建成地下储库用以储存乙烷和乙烯等此后,欧美经济发达国家纠纷在盐矿中建造水溶开采溶洞,大量储存石油、天然气,储存核废料和化学工业的有害、有毒残渣这也将成为我国地下储存的发展方向
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1.8水溶地下开采的开拓方法在矿床中建造初始溶解面,建立完整的注水、采卤、贮卤和运输系统,以便对盐类矿石进行开采,称为盐类矿床水溶开采的开拓
(1)地下开拓方法现有的水溶开采地下开拓方法主要有井巷开拓法和钻井开拓法
①井巷开拓法与地下开采的井巷开拓方法相同,自地表掘进井巷开拓工程至矿层后,在运输平巷之下开掘若干原始溶解硐室,__注水管道和采卤管道至各溶解硐室,作注入淡水和抽汲卤水之用特点是需要设备多,开采深度较浅;开拓工程量大,费用高,基建时间长;劳动生产率较低,卤水开采成本较高,开拓井巷运到地表的岩矿对环境污染较大适用于水不溶残渣膨胀系数较大的盐类矿床如低品位石盐矿床、钙芒硝矿床开采,如云南—平浪盐矿、四川新津钙芒硝矿
②钻井开拓法自地表钻进钻井至矿层后,下套管至矿层顶部,并用油井水泥固井,封固矿层以上地层,钻井下部的裸眼井是原始溶解硐室,井筒则是注入淡水和返回卤水的通道特点是基建工程量较小,投资省,基建时间短;劳动强度低,生产卤水成本较低;开采深度大;矿石采收率一般较低;矿渣留在地下,对环境污染较小适用于埋藏较深的易溶盐类矿床开采,如湖南湘潭盐矿、湖北应城盐矿、四川长山盐矿、江苏洪泽无水芒硝矿、河南吴城盐碱矿⑵开拓方法的选择影响开拓方法选择的主要因素有矿床开采技术条件,即矿床地质、水文地质和工程地质条件;经济地理条件,即交通、能源与气候条件;经济因素,即矿山建设投资等选择水溶开采开拓方法应遵循下列原则工艺简单,技术先进;工程量小,投资省;基建时间短,投产快;少占土地,环境效益好;管理集中方便,经营费用低
3.
5.
1.9地下水溶开采方法⑴地下水溶开采方法的分类根据开拓方法的不同,地下水溶开采方法可分为硐室水溶法、钻井水溶法2大类,其中硐室水溶法仅适用于矿石品低低、水不溶残渣膨胀系数较大的盐类矿床,如低品位石盐矿床和钙芒硝矿床等钻井水溶法又可分为表
3.
5.3所列的亚类和小类表
3.
5.3钻井水溶法分类亚类小类开采方法备注提捞和抽汲采卤法提捞采卤法抽汲采卤法单井对流法简易对流法油垫对流法油气垫对流法井组连通法对流井溶蚀连通法自然溶蚀连通法油垫建槽连通法气垫建槽连通法压裂连通法压裂连通法个别矿山用“吞吐法”定向井连通法定向斜井连通法中小半径水平井连通法径向水平井连通法尚在研究试验⑵地下水溶开采方法选择
①影响地下水溶开采方法选择的主要因素a)矿层厚度巨厚矿层适合用油垫对流法开采b)矿石品位石盐富矿、中矿可用单井对流法和井组连通法开采;贫矿埋藏较浅时,可用气垫对流法或气垫建槽连通法开采;水溶残渣不多、膨胀系数大时,可用硐室水溶法开采c)矿体埋深矿体埋深小于150m、矿石品位>40%的贫矿宜用气垫对流法、气垫建槽连通法;埋深小于500m、水不溶残渣多、膨胀系数大的贫矿宜用硐室水溶法;钻井水溶法可用于埋深数十米到3000米的矿体d)矿石和围岩的稳固性稳固性差不宜用水溶法开采e)成矿后构造矿区构造裂隙发育时不宜用压裂连通法
②水溶开采方法选择的原则方法先进,工艺成熟可靠,设备高效、节能、耐用,具有合理的开采强度,生产的卤水浓度高,产量有助于提高矿石采收率,充分、合理地__利用盐类矿产资源;确保安全生产和环境效益,主要技术经济指标先进
3.
5.2钻井水溶法的矿床开拓钻井水溶法开采盐类矿床的开拓工程包括钻井工程和采集卤工程
3.
5.
2.1钻井工程钻井工程一般分为三个阶段钻前准备阶段、钻井阶段、完井阶段⑴钻前准备阶段
①钻井设计a)钻井地质设计一般应包括下列内容井位,井别,设计井深,地层分析,特殊地层及故障提示,录井资料要求,钻井质量要求等b)钻井工程设计一般应包括下列内容井位及地质概况,钻井主要设备,井身结构,井身质量,钻具组合,洗井液,钻井参数设计,固井设计,各次开钻或分井段(含取心)施工重点要求,完井井口装置,环保要求,施工进度计划,钻井成本核算等
②井场布置测量井位坐标和高程;征地修路,__供水管道,架设供电与通讯线路,平整井场;钻井设备的搬迁、__和试车;建设值班房、岩心库和砂样台;建设坡度<2%的泥浆槽等⑵钻井阶段
①钻机类型及选择a)冲击式钻机钻机简单,易操作,维修方便,但钻进速度慢,可钻千米的井b)旋转式钻机钻机复杂,机械化程度高,钻进速度快,应用广泛
②钻井根据岩石硬度和井身结构,选用合适型号与规格的钻头,进行不同直径井段的全面钻进和取心钻进,正确选择洗井液,保护井壁,预防和处理井下事故,钻达设计的目的层位和深度
③钻井地质工作收集各项地质资料和数据,主要内容有以下几项各项录井资料,包括岩心录井、岩屑录井、泥浆录井和地球物理测井等;钻遇地层的漏失、涌水、卡钻、放空及石油、天然气、地下水和地下卤水等显示资料;盐类矿层及顶底板的取样、化验及物理力学性能测定等资料;各井段井径及深度等资料;表层套管、技术套管和固井有关数据;最后将各项资料综合整理,编制钻井综合柱状图、含盐岩系柱状图、完井地质总报告⑶完井阶段
①地球物理测井把测井仪器放入井内__,可测量出地层的物性参数a)测井方法常用的测井方法有电法测井、放射性测井、工程测井电测井法分为电阻率测井和自然电位测井前者利用岩石导电性不同的特性,测定电阻率比其他沉积岩大的盐类矿层;后者测定地层和泥浆间电化学作用和动电学作用(泥浆柱与地层间存在压力差时,液体发生过滤作用产生)出现的自然电位配合其他资料划分岩性,进行地层对比放射性测井分为自然伽马测井和中子测井前者是测定地层中放射性物质产生的自然伽马射线的强度去判断岩性;后者是向地层发射快中子,使之与地层介质发生多种核反应,来测量地层的含氢量和充满液体(水或石油)的孔隙度工程测井分为井径测井,用井径仪测定不同井深的井径变化;井斜测井,用井斜仪逐点测量钻孔井斜;井温测量,用井温仪了解井下温度的变化;磁性定位测井,用磁性定位仪了解每个套管接箍的实际井深,亦可用来检查套管断裂的位置;声幅测井,根据地层密度小的岩石声速低,声波能量衰减大,幅度呈现低值的特点,划分岩性破碎带和检查固井质量;超声波测井,用超声波测径仪测量超声波穿过卤水碰到溶洞壁折返回来所需时间,测定溶洞的几何形状(图
3.
5.5)b)测井可以解决的地质与工程问题划分钻井地层,确定地层岩性、厚度和埋藏深度;确定盐类矿层的层位、厚度和顶底板地层的岩性与厚度;寻找井内漏失层、出水层和管外窜流位置;测量和检查钻井工程质量情况;测量水采溶洞的形状和大小图
3.
5.5超声波井径测井
②固井a下套管盐井在建井过程中需要下一层或多层套管先进行套管程序设计确定井身结构,包括套管层次、各层套管的管径、下入深度等,主要原则是避免出现井漏、井塌、卡钻等情况,便于修井、处理井下事故,满足开采工艺与生产能力要求;再进行套管柱设计确定套管的安全系数,采用等安全系数法,使各段套管的最小安全系数等于或大于规定的安全系数目前盐井一般下两层套管表层套管用于封隔近地表的松软地层、砂砾层和地下含水层,技术套管用于封隔盐类矿层上部的岩层最后下套管技术套管需在地面清水试压,下套管前必须下钻通井,清出阻卡井段和井底沉砂,下套管柱至设计深度,开泵循环泥浆,当进出口泥浆性能基本相同后,即可注水泥浆b)注水泥浆注浆设备为水泥车,油井水泥是主要固井材料注水泥浆的目的在于封隔含水层、严重漏失层和其他复杂地层,支撑和保护套管,保护岩类矿层由于要把水泥浆用泵往井下输送几百米甚至几千米,井下的温度和压力随井深的增加而增加,因此,对油井水泥的要求不同于普通硅酸盐水泥,我国油井水泥浆的物理性能见表
3.
5.4所示,水灰比一般在
0.5左右表
3.
5.4油井水泥浆物理性能水泥颗粒细度
0.08mm筛余物/%水泥浆密度/g/cm3水泥浆流动度水泥浆凝结时间/h水泥石抗折强度/MPa干灰密度固井水泥浆密度扩散直径/cm冷井水泥222℃热井水泥753℃冷井水泥热井水泥冷井水泥热井水泥初凝时间终凝时间初凝时间终凝时间222℃222℃753℃<
153.05~
3.
201.80~
1.90≥16≥173:00~7:30′初凝后不迟于3:001:45′~2:45′初凝后不迟于1:30′
2.
71.
86.2为了检查固井质量,在固井后20~36h内进行井温测量,或完井后进行声幅测井水泥浆凝结72h后,进行套管的内、外试压
③盐井完成包括完井和洗井,下中心管和内套管,__井口装置,进行试采a)完井与洗井完井有先期完成法和后期完井法,前者是先将技术套管下到盐类矿层顶部,用油井水泥固井后,再用饱和盐水作冲洗液,钻穿岩类矿层,优点是施工较方便,可提高固井质量,含盐段井底较干净;后者是钻穿盐类岩层后,再将技术套管下到盐类矿层顶部,用油井水泥固井,优点是便于进行盐类矿层对比,这对于采用井组连通法开采的钻井尤为重要,可以较准确地确定技术套管下入的位置,常在地层产状和矿层厚度变化较大、矿层层数多而厚度薄时采用,以及在新采区进行钻井施工时采用;缺点是固井时需打悬空水泥塞,当其下沉时影响固井质量洗井钻穿盐类矿层后,必须用饱和盐水或清水进行充分洗井,直到洗井液中含砂量小于5‰为止b)下中心管与内套管用简易对流法开采的井,需下中心管(即石油系统的油管),用油(气)垫对流法开采的井,除下中心管外,还需下内套管c)井口装置它是装在地表用以悬挂中心管柱和内套管管柱、控制和引导地面流体(淡水和/或柴油)注入、井下卤水流出的设备,它的的结构见图
3.
5.6和图
3.
5.7所示图
3.
5.6对流法开采井井口装置图
3.
5.7井组连通法开采井井口装置d)试采用对流法开采的盐井,井口装置__好后,用一定量的淡水进行试采(建槽),定时取样观测并记录卤水浓度上升情况,当卤水达到一定的浓度时即可结束试采
④钻井资料整理及完井交接编写钻井施工总结报告、完井地质报告和试采小结,并向生产单位移交
3.
5.3钻井水溶开采法钻井水溶开采法可分为抽汲采卤法、单井对流水溶开采法、井组连通水溶开采法
3.
5.
3.1抽汲采卤法以一口井或一组井为开采单元,往一口内注入淡水溶解盐类矿物,再从该井或其他井用抽油机或潜卤泵抽汲卤水的开采方法抽油机采卤工艺简单成熟,设备简单,基建投资少,维修管理方便,但产量低,生产成本高,目前仅用于中低产井的开采;潜卤泵采卤的产量高,卤水成本低,是盐类矿床__应用的一种重要开采方法⑴潜卤泵及配套设备潜卤泵机组由多级离心泵、保护器和潜没电机组成,三者的外壳用法兰盘连接,整个机组连接在泵挂的下端,泵挂上端悬挂在井口装置上,它的__见图
3.
5.8国产潜卤泵外径有95mm和104mm两种,扬程为300~2000m图
3.
5.8潜卤泵的__⑵潜卤泵采卤工艺流程淡水经采卤泵房通过井口装置进入井下盐层,溶解的卤水由井下潜卤泵排到地面卤水池⑶潜卤泵的选择步骤如下根据盐井技术套管尺寸确定潜水泵外径,根据盐井的产卤能力确定潜卤泵的排量,计算潜卤泵采卤所需总扬程,它应等于井口到潜卤泵工作时的动液面深度、井口至卤水池的高差、卤水从井下输送至卤水池的管路沿程摩阻损失这三项之和⑷潜卤泵采卤法的优缺点及适用条件采卤工艺简单成熟,卤水产量较大且稳定,在非密闭性盐类矿床开采的生产成本较低,但基建投资较大,设备维修技术要求较高适用于非密闭状态盐类矿床开采,如盐井的技术套管不密封,或矿床中断层裂隙发育,或开采后期顶板垮塌导致地面下沉与冒卤等开采卤水的液面从数十米到3000米以上,卤水产量从几十到1000m3/d
3.
5.
3.2单井对流水溶开采法它是以一口井为一个开采单元,可分为简易对流水溶开采法、油垫对流水溶开采法和气垫对流水溶开采法⑴简易对流水溶开采法在井内两层同心管的密闭系统中,从其中一层管内往井下注入淡水,溶解盐类矿物,生成卤水,利用注水余压使卤水从另一层管送到地面,而对井下盐层的溶解作用不加控制的采矿方法(图
3.
5.9)图
3.
5.9简易对流井井身结构示意图
①盐井布置根据最大溶采直径确定井距,取为溶采直径的
1.5倍,控制在100m左右,呈梅花形布置,井间未溶矿层留作保安矿柱单井之间溶蚀连通后,可改用井组连通法开采由于我国多属碎屑岩系中的盐类矿床,顶板与上覆岩层为不稳固的砂岩和泥岩,矿层大__溶通后,易造成顶板垮塌,因此,连通开采单元以2~3口井组较适宜,开采单元之间需保留保安矿柱
②中心管柱简易对流井需在技术套管内下中心管柱,悬挂在井口装置上a)中心管与技术套管的管径配合中心管的内径为
40.3~
88.6mm一般取中心管的内横截__为技术套管的二分之一左右b)中心管柱的下入位置一般中心管下至开采盐类矿层的下部若采矿层厚度大于10m,中心管的管鞋下到矿层底板上方
0.5~1m;当开采层厚度为1~2m时,下到矿层底板上方
0.2~
0.3m若矿石品位高,可尽量接近矿层底板;反之,为防止水不溶残渣埋管和堵管,可提高
0.3~
0.5mc)下中心管油管在地面进行清水25MPa压力试压,全面检查合格后,配好管柱,在钻开水泥塞和矿层、清除井底沉砂、提升钻具后,立即下中心管至设计深度,做好记录
③水溶开采主要设备主要设备是离心泵,具有体积小、重量轻、转速快、效率高、流量大、操作简单、运行可靠和维修方便等优点常用的采卤离心泵主要是D型、DG型单吸多级阶段式离心泵泵型选择决定于卤水产量,井深和井下管柱配合直径、地面管线直径和长度等,主要根据水泵的总注水量及其扬程水泵的总注水量确定后,应确定输水管道的流速水溶开采矿山管道一般选用的流速范围见表
3.
5.5通常根据有关设计参数经过计算后进行泵型选择,进而选择其他配套设备表
3.
5.5水溶开采矿山管道一般选用流速范围管道__位置常用管道内径/mm流速/m/s水泵吸水管DN<2001~
1.2水泵出水管DN<
2001.5~2地面管汇DN<
3000.5~1井下中心管DN<
1001.5~2
④简易对流法开采工艺工艺流程为采卤泵房内的水泵将淡水池内的淡水抽出,经淡水管道、井口装置,从中心管注入井下,溶解盐类矿物,生成卤水,利用余压使卤水从中心管与技术套管环隙送到地面,经井口装置、卤水管道汇集到卤水池主要工艺参数采注比(同一时间内采出卤水量与注入淡水量的比值)一般为
0.8左右,这是由于水溶盐类矿层形成溶洞会增大体积,且地层裂隙会充水与漏水;盐井日生产能力A0取决于有效溶解__Fm2和溶解速率Wkg/m2h:
3.
5.5W可以通过试验确定,或按下面试验公式计算
3.
5.6式中T—溶解时的井下温度,℃
⑤简易对流井的生产阶段a)建槽期指从注水溶解矿层开始,到建成一定的溶洞,采出的卤水浓度和产量达到设计生产能力的时间,一般为1~6个月;b)生产期连续注淡水能生产合符工业要求的卤水,一般占盐井服务年限的70~80%;c)衰老期水采溶洞已接近最大可采直径,顶板垮塌,底部堆积大量碎屑物,卤水浓度产量下降,约占盐井服务年限的15~20%
⑥简易对流法的优缺点及适用条件优点是开采工艺简单,操作容易,适用性强,基建投资少,生产成本低缺点是服务年限短,一般为2~3年;溶洞呈倒锥体,顶板暴露早,易垮落,影响矿石溶解,矿石采收率低,井下事故多,中心管下部常发生弯曲、变形和断裂,顶板垮塌导致技术套管变形甚至断裂适于矿层顶板较稳固、密封条件好、未受成矿后的断层破坏、品位较高的易溶性盐类矿床矿层厚度2至数十米,开采深度3000米以内适于小型矿山,在大型矿山只适于作辅助开采方法⑵油垫对流水溶开采法该法以一口井为一个开采单元,利用油水不相容、石油密度小且不溶解盐类矿物的特性,在井内三层同心管的密闭系统中,间歇性地从技术套管与内套管环隙注入石油,使其在水溶开采溶洞顶部形成一个很薄的油垫层,将水与矿体隔开,控制上溶,迫使溶解作用往水平方向进行,当建立的圆盘状盐槽达到设计的溶采直径后,再自下而上地进行水溶开采从内套管与中心管的环隙(或中心管)注入淡水,溶解盐类矿物,生成卤水后,再利用注水余压使卤水从中心管(或内套管与中心管环隙)送到地表(图
3.
5.10)图
3.
5.10油垫对流井井身结构示意图1-表层套管;2-技术套管;3-内套管;4-中心管;5-固井水泥;6-井径;7-盐类矿层
①井下管柱技术套管下入开采矿层顶板,用油井水泥封固开采矿层以上地层,经钻开矿层并洗井后,再分层下入内套管柱和中心管柱,它们悬挂在井口装置上中心管柱和内套管柱下入的初始位置主要决定于矿层厚度和开采目的,矿石品位亦有一定影响开采单层厚度小于50m时,中心管下入的初始位置为底板上方
0.5~1m左右,品位高时可适当降低内套管下入初始位置要比中心管高
1.5~2m,两口距决定着矿层的溶采高度,建槽期的溶采高度称为建槽高度当极终目的是用于储存石油或天然气等时,常留出一定厚度的护底盐和护顶盐
②油垫对流法开采工艺比简易对流法增加了注油—油水分离及回收系统,其工艺与简易对流法基本相同
③油垫对流法开采主要设备为D型、DG型单吸多级节段式离心泵,注油泵、储油罐和油水分离池水溶开采溶洞顶部的油垫层厚仅2~3cm,所需注油量不大,常选取排量较小的DY型、YD型单吸多级节段式离心冷油泵或DJ型单吸多级节段式离心输油泵,配以防爆电机,常采用间歇性注油一般采用圆形卧式储油罐大型水溶开采矿山集中控制的采卤泵房,储油量为100~200m3即可含油卤水抽到地表后,在油水分离池将油与卤水分离后,油料可以重复利用常用的分离方法是平流式重力法
④油垫对流井的生产阶段a)建槽期用严格控制上溶的方法,迫使溶解作用向水平方向进行,在开采矿层底部建造一个有一定直径的圆盘状溶洞,为上溶生产创造条件在矿石品位大于90%、厚度15m以上的盐类矿层,建槽直径约60~80m,需1年左右时间b)上溶生产期建槽完成后,可以排除油料,提升中心管和内套管,进行上溶开采提升井管的间隔时间根据溶采直径达到设计要求而定提升井管的方法有两种连续提升井管法和分梯段提升井管法前者每天提升井管一次,每次提升高度15~20cm耗时5~10min此法建成的溶洞近似圆柱状,矿石采收率较高;溶洞顶板呈穹窿状,不易塌陷;耗油量较小,每吨盐约
1.5kg,但因操作繁杂,劳动强度大,较少采用后者按4~6m的高度提升井管,建成的溶洞洞壁呈锯齿形,耗油量为每吨盐3kg,操作简单,劳动强度小,应用广泛上溶生产期短的数年,长的数十年c)衰老期矿层开采至最上部,矿层顶板暴露甚至垮塌,溶解面缩小,导致生产能力下降,最后停采
⑤油垫对流法的优缺点与适用条件优点是建成圆盘状盐槽后,形成有利的顶溶面,卤水产量大,浓度高,生产能力比简易对流法高;可有效控制上溶,防止矿层顶板过早暴露和垮塌,延长盐井服务年限;溶洞形状可控,可建成近似圆柱状溶洞,矿石采收率可达25~35%缺点是建槽时间较长;矿石品位越低,油耗越大;常发生井下管柱弯曲、变形和断裂事故油垫对流法在矿石品位大于70%、矿层厚度大于15m的易溶性盐类矿床广泛采用⑶气垫对流水溶开采法以一口井为开采单元,利用空气密度小的特性,在井内三层同心管的密闭系统中,从技术套管与内套管环隙输入压缩空气,使其在溶洞顶部形成气垫层,将水与矿体隔开,以控制上溶,迫使溶解作用往水平方向进行的开采法,目前主要在坑道开采的老矿山应用
①气垫对流井的布置在开采坑道内布置气垫对流井,盐井由井田边界逐步向井筒中心推进;在下部没有坑道和水溶硐室的情况下,集中布置井组,井组相互平行,并与开采坑道、水溶硐室方向平行图
3.
5.11)在地面布置气垫对流井,应与老采区保持一定距离,盐井呈等边三角形布置,井距70m,溶采直径50m,留保安矿柱20m图
3.
5.11乔后盐矿坑道内气垫对流井布置
②井下管柱与油垫对流井基本相同,井身结构如图
3.
5.12所示与油垫对流井比较,特殊性表现在以下3个方面a)增设了井口圆台圆台外径
0.7~
1.5m左右,深约
1.7m,图
3.
5.12乔后盐矿坑道内气垫对流井井身结构及井口装置为钢筋混凝土结构,圆台、技术套管与__的固井水泥形成一个整体,增强技术套管的承载力,并使盐井处于密封状态b)技术套管与内套管的环隙大,内套管与中心管的环隙小,以适应矿石品位低、泥沙含量高的情况c)中心管下入的初始位置低,距矿层底板
0.5~1m,压缩空气可以将泥沙上举清除
③气垫对流法开采工艺与油垫对流法基本相同,只是注油系统改成了压缩空气输入系统由于空气的压缩比大,输入井后随压力的减少而膨胀,形成的气垫层很不稳定,为此,从技术套管与内套管环隙下入水位测线,测定溶洞的水位,用调节输气压力和输气量的方法控制水位,以保证建槽高度含气混沌卤水出井后,进入气水分离槽,使气体逸出,混沌卤水转入沉清池,达到工业要求后输入卤水池
④气垫对流法开采的主要设备所需主要设备与简易对流法相同,所需特殊设备为空气压缩机
⑤气垫对流井的生产阶段可分为建槽期、上溶生产期和衰老期这里只介绍前两个时期a)建槽期气垫法用于中低品位盐矿开采,应在建槽期尽可能多地带出泥沙,加快溶解速度,在短期内建成盐槽常用的建槽方法有气垫对流法和气垫喷射法气垫对流法是从技术套管与内套管环隙输入压气,用水泵往内套管与中心管环隙注入淡水,利用注水余压从中心管输出卤水,主要用反循环作业,配合使用正循环优点是设备__、调整管位及处理事故较方便,矿石溶解速度快,带沙能力强;缺点是随盐槽直径的增大,溶解速度下降,带沙能力减弱,盐槽侧溶底角逐渐增大,压气耗量大,气垫层不易控制,稍不注意就形成上溶,易发生堵管、埋管事故气垫喷射法是在内套管下端、距内套管鞋约8cm处安设喷咀,并在内套管鞋处用垫圈将内套管与中心管环隙封堵,使从环隙注入的淡水从喷咀喷射出去,溶解矿石生成卤水,利用注水余压使卤水从中心管输出井口优点是盐槽侧溶底角较小,在喷射液的有效射程内矿石溶解速度快,建槽时间较短,矿石采收率较高,盐井服务年限较长;缺点是起、下内套管和中心管以及调整两口距都不方便,内套管鞋处与中心管之间如果密封不好会造成进水短路b)上溶生产期可进行间歇性上溶生产和分梯段连续上溶生产前者是指生产不连续,周期性生产,特点是井内不需气垫层,只需技术套管和内套管,淡水从内套管注入井内,进行静溶,溶解盐槽顶部和侧壁的矿石,约经7天,再从技术套管与内套管环隙输入压气,把全部卤水从内套管排除,经澄清后输至卤水池,再注水溶盐,如此循环,间隙进行上溶生产,不断扩大盐槽直径和高度,增大盐槽容积,为分梯段连续上溶生产创造条件当盐槽高度达
4.5m以上、直径达20m、容积达800m3以上时,即可进行分梯段连续上溶生产,此时井身结构为三层管,开采梯段高度为6~8m,分梯段上溶
⑥气垫对流法的优缺点及适用条件优点建成一定容积的盐槽后,分梯段上溶生产的卤水浓度高,产量高于简易对流法;盐井服务年限较长;溶洞形状基本可控,矿石采收率可达25~35%;气举卤水带沙能力强缺点空气压缩比大,气垫层不稳定,调控较难;需连续输气,压气消耗大,建槽成本高;建槽期较长;卤水中溶解的空气较多,采卤设备和井下管柱腐蚀严重适于开采矿石品位较低、泥沙等水不溶物含量较高、矿层厚度大、埋藏深度较浅的易溶性盐类矿床开采深度多在60~70m
3.
5.
3.3井组连通水溶开采法以两井或多井为一个开采单元,用各种方法在井间矿层中建造溶蚀通道,从其中一口井注入淡水以溶盐,再利用注水余压使卤水从另一口井输到地面的开采方法根据建造通道的方法不同,可分为对流井溶蚀连通法、压裂连通法和定向井连通法⑴对流井溶蚀连通水溶开采法根据单井对流水溶开采时是否控制上溶以及控制上溶的方法不同,可分为自然溶蚀连通法、油垫建槽连通法和气垫建槽连通法
①自然溶蚀连通水溶开采法各井早期用简易对流法开采时,对井下矿层的溶解作用不加控制,当两井或多井溶蚀连通后,采用井组连通法开采优点可以起出中心管,简化井身结构,减少井下事故;提高卤水浓度,增大产量,开采薄矿层时尤为显著;有助于提高矿石采收率缺点简易对流法开采井要到生产后期才能在溶洞的上部连通,溶洞侧溶底角以下的矿石____溶解,影响矿石采收率适于开采矿石品位较高的盐类矿床,成为简易对流法矿山后期开采的重要方法当矿石品位较低时,因为溶洞的侧溶底角较大,难以实现溶蚀连通
②油垫建槽连通水溶开采法以2~3口井为一组,各井先在矿层下部用油垫对流法建槽,控制上溶,拓展侧溶,促使邻井在矿层下部溶蚀连通,采用井组连通法开采这种方法虽然存在连通时间较长和耗油等缺点,但具有连通部位可控、卤水产量大(40~50m3/h)、浓度高(NaCl>300g/L)、矿石采收率高(20~30%)、盐井服务年限较长等突出优点,具有先进性,适用于矿层厚度较大、矿石品位较高的盐类矿床
③气垫建槽连通水溶开采法以两口井或多口井为一组,各井先在矿层下部用气垫对流法建槽和生产,通过间歇性上溶生产或连续上溶生产,扩大溶洞直径,使两井或多井在矿层下部溶蚀连通,再分梯段连续进行上溶生产,从一口井注入压缩空气和淡水,溶解矿物,生成卤水,利用压缩空气膨胀和注水余压把卤水从另一口井送到地面的开采方法优点与油垫建槽连通法相同,缺点是为使气垫层较稳定,需连续输气,动力消耗多;卤水中溶解的氧较多,使井下管柱和采卤设备腐蚀严重,使用寿命短;因压缩空气的压力有限,开采深度受到制约⑵水力压裂连通水溶开采法在开采同一矿层时,以二口井或多口井为一开采单元,利用水传递压力,从其中一口井注入高压淡水,__矿层形成裂缝与另一口井贯通,并将裂缝迅速溶蚀冲刷,扩展形成压裂通道,然后采用井组连通法开采裸眼井段地层在高压水的作用下,形成的裂缝与岩石的力学性质、地应力、压裂缝的性质和注入方式等有关借助声幅测井、三维地震测井等技术,可以测定裂缝的方向1压裂井组的布置a)压裂井组的布置方向压裂裂缝在两井贯通,需具备两个条件,一是形成的主裂缝为水平裂缝,二是压裂井组布置方向与压裂裂缝延伸方向基本一致,一般说来,压裂裂缝的延伸方向主要取决于矿区的褶皱构造、原始裂隙发育方向、矿层层理、矿层倾角等地质构造因素,如沿背斜轴部的张裂隙方向布井,容易压裂连通;当矿层倾角大于10°时,沿矿层倾向布井容易压裂连通;我国广布的陆相多层、薄层盐类矿床、矿层与围岩之间的层理面易于形成水平裂缝,应充分应用;应尽量避开断层、裂缝带布井b)压裂井组的布置形式井组可布置成梅花形、四方形、三角形,以及成排布置和对井布置,实践中多采用对井布置和三角形布置,前者的工程量少,能控制较多的开采矿量,适于浅埋薄层的多层矿床的压裂;在单一矿层或埋深大于1000m的矿层难以实现压裂连通的情况下,采用三角形布井,有助于提高压裂连通的概率c)压裂井的井距与组距一般为100~200m,根据具体情况合理确定;压裂井组的间距一般为井距的
1.5~2倍
②压裂层段的选择与技术套管的下入位置要求矿层无分枝复合现象,压裂井之间矿层的构造简单,无断层通过,压裂段选择在易于形成裂缝的薄弱部位,矿层结构较疏松、抗压与抗剪强度较小的部位,矿层微裂隙发育的部位等均质石盐矿层不宜选作压裂部位通常技术套管的下入位置有下列3种情况a)开采较均质的单层盐类矿床时,压裂层段选择在开采矿层的底部,压裂井技术套管下至距矿层底板2~3m处,目标井技术套管下入开采矿层上部,进入矿层2~3m处,目标井的矿层__,在矿层底部形成压裂通道,自下而上地进行溶解开采,可获得较高的矿石采收率;b)开采薄层多层盐类矿床时,压裂层段选择在矿层下部、矿层与非矿夹层之间的层理发育部位,压裂井技术套管下至矿层下部,目标井技术套管下入开采矿层顶部,目标井的矿层__,在矿层下部形成压裂通道;c)压裂井和目标井的技术套管均下入开采矿层底板,并用油井水泥封固,然后在选定的压裂部位割开套管与水泥环,进行压裂连通
③压裂工艺与主要压裂设备工艺流程为先用压裂车上的水泵将淡水加压,经高压管道输送至压裂井井底,对压裂层段持续施压(图
3.
5.13),破裂压力一般为9~11MPa,使之破裂形成裂缝,贯通后改用固定式高压泵持续注水,溶解、冲刷、扩展裂缝,使之形成一定直径的溶蚀通道当注水量与出卤量基本平衡、注水压力降为正常采卤压力时,改用常规采卤图
3.
5.13压裂工艺流程示意图设备投入正常生产__式压裂设备__在汽车上,机动性好,__简单,操作方便,便于及时观测各井口压力与出卤的动态变化;缺点是露天作业,工作条件与设备维修条件较差,施工费用较高,一般只用于注水压力高的压裂阶段使用固定式压裂设备主要是柱塞泵和离心泵,一般__在泵房内,可长时间连续使用,操作与维修方便,运行费用低,但需__地面专用高压管线,增加了磨阻损失,适用于注水压力较低的裂缝扩展阶段
④常用压裂作业方法分类根据井内注液通道不同,可分为a)中心管压裂从中心管注入高压水进行压裂由于管径小,摩阻损失较大,仅用于埋深小于1000m的盐井,或井下需进行水力喷射切槽和下封隔器时使用;b)套管压裂井内不下中心管,直接从技术套管内注入高压水进行压裂,管径较大,摩阻损失较小,适用于中深井的压裂;c)中心管与套管环隙压裂和环隙与中心管混和压裂同时从环隙和中心管注入高压水进行压裂前者多用于浅井,后者多用于深井
⑤压裂建井可分为以下3个时期:a压裂期从向压裂井注入高压水,到形成裂缝、裂缝延伸并与目标井贯通为止,可细分为破裂压裂阶段和压裂连通阶段决定破裂压力大小的主要因素有矿层埋藏深度、矿层结构、压裂层是否堵塞等,大致为9~21mpa压裂作业开始时,注水压力迅速升高至峰值,当开始形成压裂裂缝时,注水压力骤降继续注水迫使裂缝向远处延伸,与目标井贯通,有卤水流出,一般需要几小时到几天b)扩展期压裂裂缝的扩展,主要是借助高压淡水的溶解和冲刷作用,一般要几天到几个星期c生产期当注水压力骤降到正常采卤压力、出卤量骤增到近于与注水量相等,即可进行正常采卤
⑥压裂连通法的优缺点与适用条件优点是所需钻井数量少,井径较小,节省一套中心管,节约钻井费用;生产的卤水浓度高、产量大、成本低;井下事故较少;矿石采收率较高缺点是受地质构造的制约,不能有效控制压裂主裂缝的延伸方向和连通部位;易造成邻近井组间压裂窜槽和地层充水适用于浅埋的矿石品位高的易溶盐类矿床;产于碎屑系中的多层、薄层盐类矿床,矿层顶底板砂岩与泥岩具有较高的抗压和抗剪强度,并具有良好的隔水性;产于碳酸盐系中的盐类矿床,矿层的层数少,直接顶底板为硬石膏、白云岩,石灰岩,矿层与底板界面清晰最大开采深度在1500~1700米左右
(3)定向井连通水溶开采法当前使用的主要是定向直井连通法,开展了径向水平井连通法的试验研究,并向智能化发展1定向直井连通开采法以二口井为一个开采单元其中一口井先垂直往下钻进,进入矿层顶板即开始造斜,逐渐转为水平井,朝垂直目标井进行定向钻进,或两口垂直井进入矿层顶板后,转为水平井朝设计的同一目标钻进由于两井直接贯通的概率几乎为零,一般需在一口井的下部先行建槽,另一井与槽对接(
3.
5.14),用井组连通水溶法生产优点是井组的连通方向和连通部位基本可控,中靶误差在2米以内;矿石采收率高,可达40﹪;井组生产能力大,可迖30~40m3/h;卤水浓度高,在300g/L以上;井距大,控制的可采矿量多,服务年限较长,投资省缺点是钻井轨迹以下的矿石无法开采,约造成20﹪的矿量损失;不控制上溶,易上溶至顶板,影响矿石采收率,难以充分发挥井组的生产潜力适用于开采矿层较厚的盐类矿床湖北沙隆迖股份有限公司成功应用这种方法实现了对赋存在地表以下2545~2612米的超深盐矿层的井组连通水溶开采
②径向水平井连通水溶开采法以二口井为一个开采单元其中一口井先垂直往下钻进,进入矿层下部后,借助造斜器拐90°的弯,以
0.3m的超短圆弧半径由垂直井转为水平井,朝垂直目标井进行定向钻进,使两井在矿层下部连通,用井组连通法水溶法开采由垂直井转水平井,先在垂直井的下部矿层中建成直径600mm以上的溶洞,将造斜器下入溶洞中,把它由垂直方向转向水平方向,注入高压淡水射流,溶解盐类矿石,把卤水送到地面,在矿层底部建成水平井段,与目标井贯通,用井组连通水溶法开采造斜器是由滑道和滑轮组成的双曲线导向机构,各节支架的伸缩是依靠提拉侧板去完成(图
3.
5.15)这种方法的钻进方向和部位基本可控,连通时间短,费用较低;卤水的浓度高,产量大;矿石采收率高,是极具发展潜力的水溶开采新技术3.5.4硐室水溶开采法这是在地下房柱采矿法的基础上发展起来的一种水溶开采方法,先在矿体中建造一定容积的原始硐室,作为初始溶解面,将淡水注入硐室,进行水溶开采
3.
5.
4.1矿床开拓与采准与地下房柱采矿法相似,中段高度25~30m,垂直矿体走向布置4~5个溶区和保安矿柱,溶区宽30~38m,保安矿柱宽40~52m,长几十至100多米,溶区内开掘2~3个初始硐室,硐室高
2.5~3m,硐室间留1~2个宽5~9m的临时小矿柱,防止洞室建造期间顶板下沉上溶开采过程中,小矿柱被逐渐溶采完(图
3.
5.16)__好注水、抽卤、输卤管道和配套设备,即完成采准工作
3.
5.
4.2水溶回采回采顺序是在水平面上后退式,在垂直面上为上行式回采时将淡水输入并充满初始硐室,以溶解顶部和侧壁矿石矿石品位高,溶解时间较短含NaCl30﹪的矿石达到饱和约需15天__厂要求采卤连续进行,在连续注水和连续抽卤过程中,硐室内水体处于缓慢流动状态由于硐室内卤水存在上淡下浓的密度差异,形成平整的侧溶面和侧溶底角(图
3.
5.17),后者的大小与矿石的品位有关,品位高时侧溶底角小泥沙、砾石等残渣堆积于硐室底部,整个硐室呈倒锥体形向上扩展直到溶采高度为止,中段矿石的采收率可迖40﹪留下5~6米厚的矿房顶板本中段开采结束后,转入上一中段的开采
3.
4.3硐室水溶开采主要工艺参数
(1)上溶速度始终保持溶液与硐室顶板矿石的接触,是获得高浓度卤水的关键矿石含NaCl30﹪左右,月平均上溶速度为
0.8~
1.0m;品位50﹪左右,月平均上溶速度为
1.5m
(2)硐室顶溶__与产卤量硐室的溶解作用主要是上溶,硐室的顶溶__、矿石品位与产卤量有密切的关系矿石含NaCl30﹪左右,硐室顶溶__每10m2可日产含NaCl17﹪的卤水1吨;而当矿石含NaCl50﹪左右,则顶溶__5~7m2就具有相同的产量3侧溶底角与水不溶残渣堆积安息角矿石侧溶底角的大小与矿石品位、水溶状态(动溶或静溶)有关__浪盐矿的矿石含NaCl
29.44﹪,侧溶底角为38~42°,一般41°左右;水不溶残渣堆积安息角为25~35°,一般28°左右
(4)水采与旱采比例硐室水溶开采的部分开拓工程和采准工程采出矿石,称为旱采旱采矿石运到地面制盐的成本高于水采旱采是硐室水溶开采必不可少的,水采与旱采比例控制在4∶1较合适,这样的混合卤水的成本较低
3.
4.4优缺点与应用条件特低品位盐矿的水溶开采代替房柱法开采,减少了人力、物力消耗,降低了生产成本;矿渣大部分留在地下,充填采空区,可提高矿柱的承载能力,有利于防止地面沉陷,还减轻了地面的环境污染;溶矿开始后,工人不需进入采场,改善了安全生产条件;矿石采收率较高,可达40﹪缺点是开拓和采准工程量大,所需时间长;开采深度仅数百米适用于特低品位盐矿或溶解深度慢的盐类矿床如芒硝矿床的开采本章小结水溶开采融采矿与选矿为一体,在盐类矿床所在地进行物理化学__,使用最廉价的溶剂—水溶解矿物,把泥沙等杂质留在原地具有良好的经济效益和社会效益但是,不是所有的可溶盐类矿床进行水溶开采都能获得好的效果盐类矿物的溶解度与温度、压力有关,溶解速度受矿石品位、化学成分、结构构造、温度、压力、溶液浓度、布水方式、溶液动态、溶液磁化等因素的影响盐类矿层的顶、底板岩层隔水性良好,有利于水溶开采不同的水溶开采方法具有不同的工艺、优缺点和适用条件石油钻井技术引进盐矿的水溶开采,使盐矿的水溶开采技术有了日新月异的变化,在盐矿水溶开采的理论与实践上都在酝酿新的突破习题
3.
5.1盐类矿山水溶开采的特点是什么?
3.
5.2盐类矿床的哪些工业特性受到特别__?
3.
5.3盐类矿物的溶解机理是什么?溶解特点是什么?
3.
5.4共生盐类矿物的溶解度的变化规律是什么?
3.
5.5影响盐类矿物溶解速度的因素有哪些?它们是怎样影响盐类矿物溶解速度的?
3.
5.6什么叫盐类矿床的侧溶底角?它的大小与什么有关?
3.
5.7请阐明钻井水溶开采的溶解作用与溶洞形状
3.
5.8水溶矿山在垂直方向和水平方向上应遵循什么样的开采顺序?
3.
5.9影响水溶矿山采空区稳定性的因素有哪些?如何防范地面沉陷和冒卤?
3.
5.10盐类矿山地下水溶开采方法是怎样分类的?
3.
3.11钻井水溶法应怎样做好钻前的准备工作?
3.
5.12有哪几种主要的地下水溶开采方法?它们的主要工艺、优缺点和适用条件是什么?图
3.
5.14中小半径水平井连通水溶开采法图
3.
5.15径向水平钻进1-造斜器;2-高塑性钢管;3-高压油管;4-速控器;5-卡爪;6-技术套管;7-造斜器侧板;8-岩层溶洞;9-水平井段;10-盐类矿层;11-盐层顶板;12-盐层底板图
3.
5.16水溶硐室布置示意图图
3.
5.17水溶硐室示意图。