盐类矿床地下水溶开采.doc

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。 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。 1.11.1 水溶开采的特点水溶开采的特点 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加工，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。 1.21.2 盐类矿盐类矿床的工床的工业业特征特征 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关注。 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 0.08～0.4kgm/cm。 ⑦稳固性。水溶开采溶洞顶部暴露面积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面积，当顶部暴露面积扩大后，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面积而不垮塌，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 大的暴露面积而不垮塌，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 1。 表 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 NaCl100000 10000～100000＜10000 钙芒硝 Na2SO4≥10000 1000～10000＜1000 天然碱Na2CO3＋NaHCO 3 ≥1000200～1000＜200 钾盐 KCl≥1000 100～1000＜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，云南和新疆部分矿床为 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 类裸露矿体直接 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、矿体分布面积、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。 1.31.3 水溶开采的基本原理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 KMgCl36H2O 由单盐 KCl 和 MgCl26H2O 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（CaSO42H2O），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 362.2 g/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 2.08 g/L 增加到在 NaCl 溶液中的 5～6 g/L。 ⑶溶解速度 盐类矿物在单位面积和单位时间内所溶解的盐量称为溶解速度，单位是 g/cm2h或 Kg/m2h。 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， 接触面积大，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，不宜长期采用。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 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 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 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 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;Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ－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 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 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 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 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 1.41.4 开采开采单单位、开采步位、开采步骤骤与开采与开采顺顺序序 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。划归独立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。用一套独立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，采区面积一般在 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。 1.51.5 矿矿山建山建设规设规模与服模与服务务年限年限 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 （1） / 1 AA  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 2。 表 2 盐类矿床水溶开采矿山建设规模与采区服务年限 矿山建设规模（万吨/a） 矿床类型 主要终 端 产品 大型中型小型 备注 盐湖石盐矿床 NaCl≥70 70～20＜20 轻工业部设计规范 石盐矿床 NaCl≥30 30～10＜10 轻工业部设计规范 钾盐矿床 KCl≥5 5～3＜3 轻工业部设计规范 钾盐矿床 K2SO4≥3 3～1＜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≥5 5～1＜1 最小经济规模 1 万吨/a 天然碱矿床 Na2CO3≥20 20～10＜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 2，它与矿石储量、矿山生产能力的关系如下 （2） AQCKT/ 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。 1.61.6 矿矿石采收率与开采石采收率与开采损损失率失率 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 （3） 321 kkkK  式中 面积开采系数，为采区内钻孔控制的开采面积与采区面积的比值； 1 k 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面积内全 2 k 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 3 k 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。 1.71.7 水溶开采水溶开采矿矿山采空区的山采空区的稳稳定性定性 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 1  （m） （4）  H t 73 . 1 1  式中顶板岩石抗压强度，KPa； t  H溶洞顶板埋深，m； 顶板岩石容重，10KN/m3。  ⑷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，采区附近不宜安装振动设备，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，建立采区地面移动观测网。 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 年加拿大把溶 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。 1.81.8 水溶地下开采的开拓方法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。 ①1①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，安装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。 1.91.9 地下水溶开采方法地下水溶开采方法 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 所列的亚类和小类。 表 3 钻井水溶法分类 亚类小类 开采方法备注 提捞采卤法提捞和抽汲 采卤法抽汲采卤法 简易对流法 油垫对流法单井对流法 油气垫对流法 自然溶蚀连通法 油垫建槽连通法 对流井溶蚀 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” 定向斜井连通法 中小半径水平井连通法 井组连通法 定向井连通 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、合理地开发利用 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。 2 2 钻钻井水溶法的井水溶法的矿矿床开拓床开拓 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。 2.12.1 钻钻井工程井工程 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，安装供水管道，架设供电与通讯线路，平 整井场；钻井设备的搬迁、安装和试车；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移动，可测量出地层的物性参数。 a① 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 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 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 4 所示，水灰比一般在 0.5 左右。 表 4 油井水泥浆物理性能 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 扩散直 径/cm 冷井水泥 222℃  热井水泥 753℃  冷井 水泥 热井水泥 水泥 颗粒 细度 0.08mm 筛余物 / 干灰 密度 固井 水泥浆 密度 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  ℃ ＜15 3.05～ 3.20 1.80～ 1.90 ≥ 16 ≥ 17 300 ～ 730 ′ 初凝 后 不迟 于 300 145 ′ ～ 245 ′ 初凝 后 不迟 于 130 ′ 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，安装井口装置，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 6 和图 7 所示。 图 6 对流法开采井井口装置 图 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，井口装置安装好后，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 3 钻钻井水溶开采法井水溶开采法 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。 3.13.1 抽汲采抽汲采卤卤法法 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，是盐类矿床推广应用的 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，它的安装见图 8。国产潜卤泵外径有 95mm 和 104mm 两种，扬程为 300～2000m。 图 8 潜卤泵的安装 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。 3.23.2 单