【doc】老挝万象平原钾镁盐矿区开采技术条件研究

【doc】老挝万象平原钾镁盐矿区开采技术条件研究 老挝万象平原钾镁盐矿区开采技术条件研 究 20o4年第23卷第2期179,187页云南地质CN53—1041/PISSN1004—1885 老挝万象平原钾镁盐矿区开采技术条件研究 任明忠 (云南地矿勘查工程总公司老挝钾盐项目经理部,云南昆明650216) 摘要:万象平原丰富的钾镁盐矿产资源正有待开发,正确选择开采方式将能最大限度地 保护环境和提高资源利用率.针对盐类固体矿产的两种开采方式——坑道开采(早采)和水溶 开采(水采),分别从水文地质,工程地质和环境地质三个方面对矿床开采技术条件进行深入评 价,研究确定了矿区的开采技术类型以及开采技术条件,并就旱采和水采条件分别进行对比分 析,从中择优选取比较理想的水溶开采法——钻孔选择性溶浸法. 关键词:钾镁盐矿;开采技术条件;选择性溶浸;钻孔水采;万象平原 中图分类号:159871+1文献标识码:A文章编号-1004—1885(2004)02—179—10 泰国呵叻盆地位于兰坪一思茅一呵叻钾盐成矿带南 段,盆地面积约52600kmz,拥有丰富的钾资源,KC1总 量约422.11×10stLll.老挝万象平原是呵叻盆地西北部 的一部分,钾镁盐的成矿地质条件,矿床类型及产出层 位均与呵叻盆地一致.由于地处盆地北部和西北部,和 泰国的暖颂,邦内那隆,南丘克,孔敬,乌隆等钾镁盐 矿床一样,含钾卤水利于汇聚,蒸发浓缩,是成钾有利 地区.由此,选择开发老挝钾镁盐矿将产生良好效益. 坑道开采(旱采)是固体矿产主要开采方式.而盐 类固体矿产的开采方式除旱采外,由于其本身的易溶 性,还可应用水溶开采(水采).因此,从水工环角度 评价矿床开采技术条件,对比选取理想的开采方式是钾 盐开发利用中的关键. 1水文地质 1.1含(隔)水层组划分 万象平原地势平坦,海拔160m200m,相对高差 40m,南俄河自NW向SE蜿蜒穿越矿区汇入湄公河, 为矿区最低侵蚀基准面(标高约151m左右),切割深度 图1地理位置 Fig.1GeographicalMapofLaos andNeigl1IlgCountries 收稿日期:2003—12—20 作者简介:任明忠(1963,),男,湖北荆州人,水文工程师,从事盐类矿区水文地质,工程地质和环境地质研究. 18O云南地质23卷 12m,20m.区内岩层产状平缓,时代属白垩纪,第四纪.地表为第四系松散层覆盖,往下 依次为古近系始新统班塔博组(E1-2bt)碎屑岩,古新统塔贡组(E1)盐系地层,下白垩 统班塔拉组(Kl)中细粒岩屑石英砂岩.根据地层岩性,孔隙裂隙发育程度及含水层富 水性等,将区内地层划分为第四系松散孔隙含水层组,古近系碎屑岩裂隙含水层组,盐层上 下基岩隔水层组和古近系盐岩不含水层组四类(表1). 表1矿区含(隔)水层组划分表 Tab.1DivisionofAquiferandWater—Res~gLayerinOrefield (1)第四系松散孔隙含水层组(Q) 岩性为粉土,粉质粘土,粘土和沙卵砾石类土.具二元结构,松散,大多未胶结,具较 好的储水空间,但厚度都不大,钻孔揭露其埋深?24.21m.地下潜水位埋深0.1m,Sin;泉 水流量(O.O1,3.19)l/s.m.民井,钻孔抽水试验,单位涌水量(O.06,1.26)l/s.m,个别 达5.7l//s.m;渗透系数(5,16)—n/dJ.据富水性等级划分,该孔隙含水层组富水性 中等偏弱,是矿区具备供水意义的主要含水层.补给源主要为大气降水,还有地表水及灌溉 用水,总体由北向南迳流,排泄于沟谷等低洼处,并与下部风化带裂隙潜水水力联系密切, 为矿床开采,矿坑充水的主要影响因素. (2)古近系碎屑岩裂隙含水层组(E1—2) 岩性为含粉砂泥岩,泥质粉砂岩及粉砂质泥岩等.钻孔揭露埋深?145m,多在50m, 100m之间,厚度变化大,多在25m,70m之间.主要赋存风化裂隙潜水和部分构造裂隙承压 水,地下水位埋深3m,7m.顶部风化带厚3m,22.8m,分布广泛.民井抽水试验,单位涌 水量(O.050.14)l/s.Ill.渗透系数(O.1,3.8)m/d,富水性弱.其补给,运移条件与孔 隙潜水相似.中下部的构造裂隙承压水因受构造影响分布范围小,含水性质变化很大,钻孔 2期任明忠:老挝万象平原钾镁盐矿区开采技术条件研究181 抽水试验资料表明,单位涌水量(0.0054,0.083)l/s.m,渗透系数(0.O11—0.085)m/d, 富水性弱,极弱.补给源与上部第四系孔隙水和风化裂隙水关系较为密切,排泄于断裂带出 露地表处或沟谷深切割部位. 该区浅层地下水(包括泉水)中含有少量的盐类物质.水中阴离子以Cl一和HCO3-为 主,阳离子以Na为主,其次为ca2,Mg;水化学类型以c1.Hc03一Na,Hco=l?Cl—ca?Na 和HCO3一Ca?Mg型分布最广.总矿化度在(0.01,0.365)g/l之间,pH值多在3.8,5.6之 间,属酸性淡水,表明浅部地下水(含泉水)水化学特征变化不大.深部地下水则含较多的 盐类物质,水化学类型以Cl一?型或Cl—Na—Ca型为主,总盐量一般?5g/l,水化学异常评价 参数Br?103/el值和K?103/?盐值均分别大于0.35和10[3J,此特级异常表明深部具有厚大工 业钾盐矿床. (3)盐层上基岩隔水层组(E1tg) 古近系塔贡组(Eltg),含粉砂泥岩,粉砂质泥岩及(含盐)泥岩.区内有三个沉积旋 回,可分为上,中,下三段泥质隔水层.地表仅在矿区中部有零星露头,其余均埋藏.钻孔 揭露埋深27.6m,441.43m,三段泥质层总厚52.08m,412.57m,多在120m,190m之问.据 钻孔抽水试验资料,降深55.27m时流量为0.000145l/s,单位涌水量1.6×10I6l/s.m,为隔 水层.可见塔贡组(Eltg)地层在区内处于相对封闭状态,自身又不具备补给赋存地下水的 条件,使盐岩得以完好保存. (4)古近系盐岩不含水层组(E1tg) 古近系塔贡组(E1)盐岩不含水层为塔贡组三个沉积旋回中的膏盐层和钾镁盐矿层. 膏盐层顶板埋深109.37m,206.65m,厚一般大于110m,岩性为硬石膏岩及厚层状石盐岩, 含泥质石盐岩等;钾镁盐矿层呈厚层块状赋存于中段,下段沉积旋回中. (5)盐下基岩隔水层组(K1) 白垩系班塔拉组上段(K1bt),中,厚层状中细粒岩屑石英砂岩夹泥质粉砂岩等,厚度 大于129m.地表仅出露于矿区边缘北东山麓地带,平原区则深埋地下,钻孔揭露埋深 417.15m,686.7m(未揭穿).据民井非稳定流抽水试验资料,涌水量仅0.051/s,渗透系数 0.1m/d,富水性极弱,另据沙湾拿吉盆地中该层的抽水试验资料表明,水位降低55.27m, 涌水量为0.000145l/sHJ,可视为相对隔水层.矿区有三个钻孔揭露到该地层,揭深0.4, 10.03m时也表明该层上部含水迹象不明显. 1.2断层,风化带水文地质 (1)断层 纵观整个区域构造特征,区内目前尚未发现明显的断裂构造,钾镁盐层仍基本保持平缓 倾斜的原始沉积状态,仅局部有因褶皱引起的盐层变形,造成矿层有变薄或加厚现象.此 外,在平原边缘的北东部一带推测有班华纳NW向隐伏断层(F1),班纳筑NW向脆性剪切 带(F2)及班迈一纳恩EW向断层(F3).Fl断层在内区长约12km,向北延出区外,向南形迹 不明,F2脆性剪切带在区内长约16km,向NW延出区外,向SN至班嫩被班迈一纳恩EW向 断层(F3)断失.经地表调查和浅井揭露,未发现其含水迹象. (2)风化带 矿区钻探,浅井资料证实,古近系班塔博组(E1—2bt)顶部风化作用较强烈,除石英 182云南地质23卷 外,大部分已风化呈土状,结构构造基本破坏,厚度在3m,22.8m之间,岩体完整性极差, 岩石的透水性及含水性增强,因而普遍含层状风化裂隙潜水.主要依赖大气降水和 孔隙水补 给,出露于地表沟谷切割处等低洼地带.据民井抽水试验,单位涌水量(O.05—0.14)1/s.m, 渗透系数(0.1,3.8)m/d,富水性弱. 2工程地质 2.1松散土体 矿区的土体分为两类,残坡积层和冲洪积层.前者零星分布,后者分布范围较广,并具 一 定的厚度,是区内土层主体. 冲洪积层由粘土,含砾粉质粘土及沙砾石等组成,多呈层状或透镜体分布,结构松散, 具一定分选性,富水性中等偏弱,厚度不稳定,一般厚5m,25m,局部>70m. 残坡积层由粘土,粉质粘土及碎石等组成,从上到下粒度逐渐变大,见于平原边缘山麓 地带,稳定性差,易坍塌. 2.2岩组类型 根据抗压强度指标,可将矿区内的岩石划分为六组(表2),从新,老为: (1)软质岩组古近系班塔博组(E1—26,) 含粉砂泥岩,泥质粉砂岩及粉砂质泥岩互层状,强度不均一,埋深?145m,厚度不稳 定,抗风化能力低. (2)极软质风化岩组古近系班塔博组(E1—26,) 含粉砂泥岩,泥质粉砂岩及粉砂质泥岩等风化而成.软质具塑性,厚度小,变化大,强 度低,易坍塌. (3)软质岩组古近系塔贡组(E1) 沉积旋回中的第三段泥质岩层,由含粉砂泥岩,粉砂质泥岩及(含盐)泥岩等组成.具 亲水性及软化,泥化特征,厚度大,强度低,抗风化能力极差. (4)软质膏盐岩组古近系塔贡组(E1) 石膏岩及石盐岩组成.厚度较大,性脆,易溶解,在挤压作用下可发生塑性变形或碎 裂,是钾镁盐矿层的直接顶底板,力学强度较高,稳定性较好. (5)软质钾镁盐矿层组 极易溶解,性脆,外力作用下易碎裂或变形,厚度变化大,稳定性差. (6)坚硬岩组白垩系下统班塔拉组(K6,) 岩屑石英砂岩,泥质粉砂岩等组成.致密,较坚硬,厚度较大,稳定性好,抗风化能力 强,力学强度较高. 表2中可看出,除矿层底板(Klbt)属较坚硬岩组外,顶板(El一2bt,E1tg)均为软质 岩组.用岩体基本质量指标BQ计算值可确定矿层顶板泥质岩层的岩体基本质量级别.计算 公式:BQ=90+3Rc+250Kv,式中,Rr岩石单轴饱和抗压强度(MPa),K,广__岩体完 整性指数. 钻孔岩芯中测得El一2bt,Eltg泥质岩层线裂隙大多在(O.03,1.6)条/m之间,据此划 分为较完整岩体,取Kv=O.65,计算结果顶板泥质层的BQ值为281.6,323.6,可确定其为 2期任明忠:老挝万象平原钾镁盐矿区开采技术条件研究183 ?类岩体基本质量级别,说明岩体质量较差,强度低. 表2岩组岩石物理力学性质主要指标 Tab.2StatisticsofMainPhysicalandMechanicalIndicesofRockFormation 3矿床开采技术条件 万象平原钾镁盐矿区的开采技术类型为水文地质条件中等偏简单,工程地质条件中等. 184云南地质23卷 因此,开采技术条件一般. 矿区主要充水含水层——第四系松散孔隙含水层分布不均匀,厚度薄,富水性中等偏 弱,风化裂隙带和构造裂隙带较发育地段,其富水性弱,极弱,地下水补给条件差, 水文地 质边界比较复杂.地层岩性单一,钾镁盐矿上覆岩体属古近系地层,成岩程度中等,其中的 泥岩在浸水后软化明显,强度会急剧下降,呈现出土的特性,风化作用中等,强烈,局部破 碎带和软弱夹层影响岩体稳定.矿床开采可产生局部地表变形,沉降,回灌老卤水,建井爆 破和疏干排水均可引起部分水资源污染,局部地段塌陷等环境地质问题.现就坑道开采和水 溶开采方案进一步分别评价对比. 3.1坑道开采(旱采) (1)矿层及其顶,底板岩石的稳固性 ?矿层的稳固性 钾镁盐矿属于塔贡组(E】增)中下段,由块状光卤石岩,含石盐光卤石岩及薄层状含光 卤石石盐岩等组成,多与纳盐及石膏共生.钾镁盐矿总体致密,性脆,不含水,易溶解,矿 体比较完整,具一定力学强度.矿区沉积环境比较稳定,矿层倾角平缓,据钻孔揭露,厚度 在4.21rn,214.79m之间,平均70.99m,可见其厚度变化较大,稳定性较差. ?矿层的空间位置 一 般而言,坑道开采的矿层埋深越浅越好,并宜在当地侵蚀基准面以上,以防止水进 入.而矿区矿层深埋于当地侵蚀基准面以下,顶板埋深174.33m,528.3m,平均345.88m, 均大于263.03m. ?顶,底板岩石的稳固性 钾镁盐矿顶板地层出露齐全,多为柔性泥岩,含粉砂泥岩及粉砂质泥岩等,节理裂隙发 育程度随深度增加逐渐减小,大多数钻孔深度在100m左右岩石保存完整或比较完整.钻孔 RQO值,靠近地表部分的泥质层和膏盐层之间普遍小于5O,岩石质量差;而下部泥质层的 RQO值则显示其岩石质量属较差一较好,表现出随埋深加大而变好的趋势,但其厚度变化 较大,力学强度低,因而稳固性较差.应当指出,矿区钾镁盐矿层顶板直接与质地纯净的白 ,具塑性和易色块状石盐岩接触.石盐岩埋藏较为稳定,分布厚度大,岩石致密,性脆溶于 水,其抗压强度平均值普遍比泥质岩层高.因此,采矿时防止水的进入和溶蚀,可减少影响 矿层顶板的稳定性.钾镁盐矿层底板为较坚硬的中,厚层状岩屑石英砂岩,泥质粉砂岩等. 岩石总体致密,稳定,相对隔水,且力学强度较高. (2)影响坑道开采因素 ?坑道突水及地面沉陷 开挖坑道改变了原始地层内部的应力平衡,长期在风化作用和外动力的作用下,软弱破 碎地段的坑道壁发生坍塌,掉块.随着坍塌范围的不断扩大,当与上覆含水体沟通时就会发 生坑道突水事故;矿坑疏干排水时造成区域地下水位下降,破坏了地下水动力环境,在顶板 厚度薄,地层破碎等局部地段发生垮塌,引起地面沉陷. ?环境污染及有害气体 矿区地处万象平原北东部,天然地质环境限制了废液废渣的排放渠道和排放地点.无论 用浮选法或是其它方法制取氯化钾,除有大量的NaC1作为废渣处理外,废液废渣中的有毒 2期任明忠:老挝万象平原钾镁盐矿区开采技术条件研究185 物质十八胺,KCI,CaCI2及MgCI2等处理不当,则会造成严重的环境污染. 国内矿区开采多数使用油灯,电石灯等照明,没有遇到过"瓦斯"爆炸和燃烧现象. , (3)防水措施及采矿注意事项 ?防水措施 为确保竖井的稳定,井筒应全部密封,杜绝地下水混流入井筒.井筒密封后,含局部渗 水,在其附近补给区挖掘蓄水池,拦截渗水,用水泵将水抽出地面.为防止地表沉陷发生突 水事故,采矿时应留足保安矿柱:有关规定,竖井的保安矿柱直径为100m,钻孔保安矿柱 直径为25m. ?采矿注意事项 分区开采:各区在水平方向上应注意尽可能互不贯通,并尽力提高回采速度,避免因偶 然事故影响全区;上,下段的矿房与矿柱要上,下对正,上,下段之间应保留不小于5m的 "楼板";矿房回采宽度一般15m,20m,长度100m,200m,高度6m,10mL5;从保护矿床出 发,盐溶塌陷洞口及大裂隙,应当用粘土捣实封闭;设置地面沉陷观测站,一旦发生沉陷应 采取应急措施并撤离居住在沉陷区的人员. 3.2水溶开采(水采)的条件 矿区钾镁盐矿床埋藏普遍较深,厚度变化大,矿体形态无法准确圈出,周边矿体很快变 薄,不利于旱采.据国内矿区经验,旱采矿石回采率在28%左右难于再提高;而水采回 收率可提高到4o%以上. 水采分为硐室水溶法和钻井水溶法.硐室水溶法是在泥沙多,品位低的特殊情况下采 用,如云南勐野井钾盐矿即采用这种方法.目前,国外普遍采用钻井水溶法(可分为单井作 业和多井作业),此法与旱采相比,主要优点是:可以开采较深的矿床,深度可达1000m, 2000m,四川水采深度达1200m[刮;既可开采可采厚度小,品位低的矿体,又可开采厚度 大,品位高的矿体;采掘建设时间短,劳动强度小,易操作;投产快,基建成本低,易管 理,生产工艺简单,回采率高;无井下作业安全问题,可省去采掘运输工序.钾镁盐矿的溶 解度随水的温度升高而变大,因此提高溶矿水温可加大KCI的含量.水溶法的主要缺点是: 会产生矿体崩塌,引起部分地表沉陷;对于薄层矿体钻井费用偏高;管道腐蚀严重等. (1)钾镁盐矿水溶性能 根据云南省非金属矿产应用研究所2003年7月提供的《老挝万象平原钾镁盐矿水溶性 能实验》,水溶性能良好: ?侧溶 侧溶是水溶开采盐矿的主要方式.实验表明,侧溶溶蚀速度与溶解速度均呈先快后慢的 规律.当卤水浓度t>20.Be时,包裹体腔内卤水离子与外部溶剂的扩散交换运动进行得十分 缓慢;而当卤水浓度>22.Be时,溶蚀溶解进程几乎处于停止状态.统计表明,当卤水浓度 为5.Be时(试验水温16,24.C,下同),样品(8组)溶蚀速度在(24.6,34.21)mm/h之 间,平均30.73mm/h,溶解速度在(3.04,8.34)g/cm2?h之间,平均4.92cm2?h;当卤水 浓度达到20.Be时,溶蚀速度在(0.21,24.1)mm/h之间,平均7.69mm/h,溶解速度在 (O.26,1.84)g/cm2?h之问,平均0.73g/cm2?h. 侧溶角(侧溶安息角)的大小,直接关系到建槽阶段设计盐槽底角,还用于控制溶腔的 l86云南地质23卷 形态,重要意义尤为突出.8组岩芯侧溶角见表4,均为卤水浓度在24.Be时测量,平均值 20.25.. 表3侧溶角统计表 Tab.3StatisticsofLateralSolutionAngle ?上溶 上溶溶蚀速度与溶解速度均要快于侧溶,原因是:?上溶裸露平面与岩芯体积质量平均 比值大于侧溶裸露平面与岩芯体积质量平均比值.?上溶溶腔内卤水离子作垂直方向运动, 有重力的附加作用,显然要快于侧溶的水平方向运动. 统计表明,当卤水浓度为5.Be时(试验水温l6.C,24.C,下同),样品(8组)溶蚀速 度在(28.1,41.25)mm/h之间,平均31.81mm/h,溶解速度在(3.48,8.74)e,/cm2?h之 间,平均4.99g/em2?h;当卤水浓度达到20.Be时,溶蚀速度在(3.8l,26)mm/h之间,平 均l2.31mm/h,溶解速度在(0.27,3.59)g/em2?h之间,平均1.27g/em2?h. ?卤水膨胀率 取用侧溶结束后溶腔内的固体岩芯逐步溶解于溶剂中,在不同波美度时测量卤水溶液体 积,求出与淡水的比值.饱和卤水膨胀率在22.02%,26.9%之间.当卤水浓度达到5.Be 时,卤水膨胀率在(4.09,6.62)%之间,平均5.o4%;当卤水浓度达到2o.Be时,膨胀率 在(19.05,22.76)%之间,平均21.9l%. 实验表明,矿区具备规模生产的水溶开采基本条件,岩芯样品的溶解度均大于400g/l. 采用动态水溶开采方式,可以极大地提高溶矿开采速度,成倍地缩短达到饱和卤水状态所需 要的时间. (2)影响水溶开采的主要因素及应采取的措施 由于矿层顶板泥质岩层的力学强度低,厚度变化大,稳固性较差,所产生的地面沉降是 影响水溶开采的主要因素.随着地下溶腔的扩大,原固体矿产被卤液所替代,可压缩性大大 增加,采空区上方矿层顶板厚度薄,地层破碎的地段造成掉块,垮塌,从而引起局部地面沉 降.因此,开采地段的选择,布设及其单孔溶腔直径的控制,保安矿柱的设置等均应作进一 步专题研究解决. 综上所述,通过老挝万象平原钾镁盐矿区矿床开采技术条件的论述以及坑道开采,水溶 开采的评价对比结果可以看出,无论是在水文地质,工程地质,环境地质方面,还是在投 资,效率及管理方面,水溶开采(水采)无疑是两种采矿方案中最先进和最科学. 目前,国内在"钻孔选择性溶浸法一多元组合结晶法"开采钾镁盐矿新工艺的实验室试 验及类比性中间试验已获成功的基础上,正积极准备组织现场工业性装置试验,如获成功, 开发前景良好.这种新工艺采用在低温条件下的饱和氯化镁和氯化钠卤水作为溶剂,将其输 送至地下溶腔选择性溶解氯化钾(而不溶氯化钠),然后将产生的富钾卤水抽出地面加以冷 2期任明忠:老挝万象平原钾镁盐矿区开采技术条件研究l87 却结晶析出氯化钾,再将析钾母液加热后送至地下进行溶解的循环作业.这种采用 "多元组 合结晶法"生产氯化钾的工艺线路,具有针对性强,技术先进可靠,工艺流程简单等 优点, 而且投资少,基建周期短,生产的氯化钾产品质量优良,同时可将大量废盐,废石就 地留 存,不会造成环境污染,对于平原地形的矿区来说是十分理想的开采方法. 参考文献 [1]钟维敷等.呵叻盆地钾镁盐矿沉积特征及成因探讨[J].云南地质,2003(2). [2]沈振枢,程果等.柴达木盆地第四系含盐地层划分及沉积环境[M],北京:地质出 版社,1991. [3]任明忠.兰坪盆地盐泉水化学异常与找钾预测[J].云南省地质学会论文集.1992. [4]郭远生,徐世光,吴军.钾盐资源与国际合作开发刍议[J].《云南省第一届科学技 术论坛集萃:国际 大通道建设与中国西部旅游发展论坛》[J].2003.11. THEGEoLoGYANDEXPLoITATIoN CoNDITIoNoFK—MGSALT—DEPoSITIN V皿NTIANEPLAIN,LAoS RENMing—zhong (ManagementDepartmentofLaotian16SaltProject,Kunming650216) Abstract:InVientianeplain,plentifulK.MgsaltresourceswillBeexploited.InordertoDrotect environmentandincreaseutilizationasfaraspossible,acorrectexploitationprogrammustbeselected. Inthiapaper,weprofoundlyevaluatetheexploitationconditionsinhydrogeology,engineeringgeology andenvironmentalgeologyofthisoredeposit,detenninethetechnolo~caltypeandconditionof exploitationandcorrelatetheconditionsofdryexploitationwiththoseofwaterexploitation. KeyWords:K— MgSaltDeposit;GeologicalHydrologicalConditions;DrillholeImmersion: MulticomponentCrystallization;VientianePlain,l_ aos