熱帶季風氣候條件下固體鉀鹽礦露天開採方法

2023-05-15 10:26:11

專利名稱：熱帶季風氣候條件下固體鉀鹽礦露天開採方法
技術領域：
本發明屬於礦產資源開發領域，具體地涉及一種熱帶季風氣候(tropicalmonsoon climate)條件下的固體鉀鹽礦露天開採的方法。
背景技術：
鉀肥(產自於鉀鹽)是農業三大基礎肥料(氮磷鉀)之一，中國目前60%耕地缺鉀，是世界鉀肥第一消費國，每年需要大量進口鉀肥，2005年-2010年平均進口依存度約為70%。目前世界上鉀鹽礦產量絕大部分來自固體鉀鹽礦(以加拿大和俄羅斯為主)，鉀鹽礦分為固體鉀鹽礦和液體鉀鹽，固體鉀鹽礦通常氯化鉀(KCL)品位比較高(> 10% )，屬於富礦。液體鉀鹽礦KCL品位較低(大約I %左右)。其中固體鉀鹽礦具有極易溶於水的 特點。在熱帶季風氣候影響的地區(如中國雲南省的普洱地區和西雙版納地區、寮國及泰國等地區)蘊藏有豐富的固體鉀鹽礦，部分礦層埋藏較淺，厚度較大。這些鉀鹽礦由於特殊的氣候環境和地質條件限制，長期以來沒有得到大規模開發，形成呆礦。如何克服這些地區氣候的不利影響，從而能夠高效經濟、大規模地開採出這些地區地下的固體鉀鹽礦，具有顯著的實用價值。熱帶季風氣候分布於北緯10°至25°之間的大陸東岸。其顯著的特徵是終年高溫，年平均氣溫在22°C以上，年降水量大(一般在1500-2000mm，甚至2000mm以上)。一年分為旱季(11-4月份)和雨季(5-10月份)，旱季時溫暖乾燥少雨，雨季時高溫多雨。露天採礦方法是一種常用的金屬礦、煤礦等礦產資源採礦方法，其優點是經濟高效，易於大規模生產，尤其是針對埋藏比較淺(一般小於200米)的礦產資源，具有顯著的成本優勢，特別是氣候環境少雨乾旱的地區，比如我國青海的查爾汗鹽湖和新疆的羅布泊鹽湖(屬典型的大陸乾旱氣候)，都為淺層滷水液體礦和部分淺層固體礦，多採用露天開米。但在降雨量大的地區，對易溶性固體鉀鹽礦資源難以採用露天開採。在熱帶季風氣候條件下如果用傳統的露天開採方案，很容易造成大規模汙染環境(因為鉀鹽礦中包含有氯化鉀、氯化鎂、氯化鈉，而氯化鎂、氯化鈉的外洩極易造成鹽鹼化，使茂密的植被燒死)，因此傳統的固體鉀鹽礦開採方法主要採用地下開採，其優點之一就是避免了降雨的影響。

發明內容
本發明的目的在於提供一種熱帶季風氣候條件下固體鉀鹽礦露天開採方法，以適應在多雨的熱帶季風氣候區域對固體鉀鹽礦進行開採。為實現上述目的，本發明提供的熱帶季風氣候條件下固體鉀鹽礦露天開採方法如下a)開挖上覆蓋層時，在固體鉀鹽礦層上留出一層泥巖層作為隔水層，在採坑的底部形成一個具有保護作用的施工作業面，使雨水不直接接觸固體鉀鹽礦層；b)在隔水層上搭棚分區開採；或在旱季時採礦和回填。所述的方法中，採坑周圍的邊坡覆蓋工程塑膜，以防止泥巖層和石鹽層的邊坡遇水溶蝕。所述的方法中，開挖鬆散層時，用泥巖層或其他隔水層的巖土置換鬆散層。所述的方法中，隔水層上搭棚分區開採是指在坑底的一側搭建棚子，然後開採棚子以下的固體鉀鹽礦層；待棚子以下部分開採完畢後，再將棚子搬移至坑底的另一側開採棚子以下的固體鉀鹽礦層；並在原開採一側的採坑中回填尾礦，尾礦上部用泥土覆蓋，以保證尾礦不直接接觸水體；待全部開採完畢後，拆除棚子並回填所有開挖的堆土。所述的方法中，旱季時採礦和回填是指旱季時進行採礦，在雨季到來之前回填部分剝離的蓋層土，回填高度略高於礦層頂板高度，防止雨季時對礦層邊坡的溶蝕。所述的方法中，固體鉀鹽礦層上為石鹽層時，則在石鹽層上留出一層泥巖層作為隔水層。所述的方法中，固體鉀鹽礦層上為石鹽層時，則開挖至該石鹽層底板後，再回填泥巖土形成隔水保護層。所述的方法中，固體鉀鹽礦層是指埋深小於200米的可溶性鉀鹽礦層。所述的方法中，固體鉀鹽礦是指光滷石(carnallite)和鉀石鹽(sylvite)。本發明克服了熱帶季風氣候條件下年降雨量大等不利因素，可以對埋藏深度較淺的固體鉀鹽礦進行露天開採，不受降雨的影響，其優點是高效快捷、經濟環保，具有巨大的實用價值，經濟效益極為可觀。通過中國專利資料庫(知網版)的專利檢索，沒有發現與本發明相同或相似的專利(檢索專利名稱，檢索詞「鉀鹽」和「露天」，無檢索記錄)。通過網上對國外專利資料庫(知網版)(包含瑞士、美國、日本、德國、英國、法國、世界知識、歐洲專利庫)的檢索(檢索專利名稱，關鍵詞「potash」and 「openpit」)，也沒有發現類似的國際專利申請。當檢索詞修改為「potash」和「open」時，發現有I項已經被終止權利的專利記錄(DE4209986A)。該專利內容也與本發明的技術方案完全不同，它描述一種針對鹽礦和鉀鹽礦露天採區的尾礦和工業廢棄物的回填方法。


圖I是一個固體鉀鹽礦的模型剖面示意圖。圖2、圖3和圖4顯示了本發明在棚子下採礦的步驟。圖5顯示了在剝離鬆散層時，向礦坑邊緣外多剝離一部分。圖6顯示了繼續向下剝離泥巖層並利用泥巖層土回填多剝離的鬆散層部分，將鬆散層置換成了隔水的泥巖層。圖7、圖8、圖9和圖10顯示了在旱季採礦的步驟。圖11是鉀鹽礦層頂板為石鹽層的固體鉀鹽礦的模型剖面示意圖。圖12所示為開挖到鉀鹽礦頂板時留一個保護平臺。圖13、圖14所示是先挖到鉀鹽礦頂板，然後再回填泥巖土形成隔水保護層。
具體實施例方式本發明的技術方案，在固體鉀鹽礦採礦中克服了熱帶季風氣候條件下年降雨量大等不利因素，可以對埋藏深度較淺(例如礦層頂板埋深小於200米)的固體鉀鹽礦進行露天開採，不受降雨的影響，其優點是高效快捷、經濟環保，具有巨大的實用價值，經濟效益極為可觀。採用露天開採技術，關鍵的問題包括兩個方面，一是防水問題，二是邊坡滑坡問題。關於邊坡滑坡問題，工程地質方面有成熟的解決辦法(主要是根據巖土的工程力學參數計算穩定邊坡角度等方法)，本發明主要涉及防水這個關鍵問題。就是解決在熱帶季風氣候條件下，也能利用露天採礦技術在多雨的情況下順利地開採出地下的鉀鹽礦。因此，本發明是針對多雨的熱帶季風氣候和固體鉀鹽礦而提出的技術方案。以下以一個例子並結合附圖進一步說明本發明技術方案的原理和實施方式
如圖I所示，某區存在礦層頂板埋藏較淺(85米)，鉀鹽礦層厚度80米的固體鉀鹽礦層。上覆蓋層分別是鬆散層(第四紀沙礫層)、泥巖層、石鹽層、泥巖層，其中鬆散層是含水層(淺層地下水)，泥巖層是隔水層。第一步是在開挖上覆蓋層時，開挖深度不能直接揭露到鉀鹽礦層，而是預留一個比較薄的泥巖層作為隔水層(比如預留I米左右甚至更厚的泥巖層)，相當於開挖到一個起保護作用的施工作業面(如圖2所示)，這樣即便下雨也不會讓雨水直接接觸鉀鹽礦層。上述步驟是為防止雨水直接接觸露天採坑的鉀鹽礦層，但實際情況中鬆散層往往是含水層，還需要有隔水措施。因為在雨季時鬆散層的湧水量會很大，以至於水泵難以及時排乾，如果不採取措施，會很容易淹沒整個礦坑。因此需要對此設計新的方案，防止雨水通過該含水層進入礦坑。具體做法是，在剝離上覆巖土的過程中，待剝離到鬆散層底部候，向坑的邊緣外多剝離一部分(比如寬度3米左右)，如圖5所示。然後再向下剝離泥巖層，利用剝離的泥巖層的土(隔水)回填至鬆散層多剝離的部分，如圖6所示，將鬆散層(含水層)置換成了隔水的泥巖層。這項工作最佳時間是在旱季施工，以保障實際工程的可行性。為了防止泥巖層和石鹽層遇水溶蝕，在實際施工中還要對採坑周圍邊坡進行工程塑膜覆蓋，主要目的有以下三個方面一是防水，保持巖體強度。二是防止泥巖溶蝕，泥漿淤塞庫容。三是防止石鹽層遇水溶解，從而造成水質鹽鹼化，而不能達標排放。在完成上述步驟後的基礎上，可以採用以下兩種之一的方法採礦第一種方法是在坑底的一側(圖3中的右側)搭建可拆裝的臨時棚子，然後開採棚子以下的鉀鹽礦層。搭棚應有灌注樁支撐，並在棚子四周預留隔水墩(如圖3所示)，這樣即便下雨，也不會有雨水進入棚子下面已經開挖的礦層中，而是讓雨水集中流入左半部分的臨時蓄水池中，該蓄水池架設礦用水泵，計算降雨量、湧水量和排水量之間的關係，以保障不會有水進入棚子下面的採坑中。待右側部分的礦體開採完畢，然後將左側部分水體用水泵排乾。再將臨時棚子搬移到左側(如圖4所示)，在右側採坑中回填尾礦，尾礦上部用泥土覆蓋，保證尾礦也不會直接接觸水體。待左側礦體全部開採完畢後，拆除棚子等設備，回填所有原開挖的堆土等廢棄物。並儘量做好土地的復墾。上述第一種方法在雨季和旱季時均能連續採礦，其優勢是全年施工採礦，需要的原礦庫庫容可以很小，可以做到一邊採礦，一邊進行選礦處理，幾乎不需要庫存原礦。第二種方法更簡單，免去了第一種方法中搭棚的工序，在雨季時不採礦，只選礦。在旱季時進行採礦、選礦、回填。以一個例子說明，如圖7所示，例如在2013年旱季的1_4月少雨季節開挖覆蓋層，與上述方案一樣，開挖深度不能直接揭露到鉀鹽礦層，而是預留一個比較薄的隔水層(比如預留I米左右甚至更厚的泥巖隔水層)。這樣即便下雨也不會讓雨水直接接觸鉀鹽礦層。然後在緊接下來的雨季中(5月-10月)進行選礦設備的選型和地面地下工程的設計等。之後在2013年雨季結束的10月份，抽乾雨季積存在礦坑中的積水(如圖8所示)。在接下來的下一個旱季進行集中採礦，採礦完成後，在接下來的下一個雨季之前，回填部分剝離的蓋層土，該回填高度要求略高於礦層頂板的高度，將下覆鉀鹽礦層用泥巖土層隔離開來(隔水層)。防止下一個雨季對礦層邊坡的溶蝕(如圖9所示)。之後的旱季進行尾礦回填，最·後回填剩餘蓋層土，實際操作中可考慮復墾土填最上層(如圖10所示)。上述兩種方法各有優缺點，第一種方法的缺點是需要搭棚工序，優點是對原料庫和尾礦庫的容積需求較小。第二種方法的缺點是需要大型原礦庫和尾礦庫，優點是成本更低廉，可快速擴大生產規模。因此在原料庫和尾礦庫容積比較小時候，可以使用第一種方法。在原料庫和尾礦庫容積較大時候，可以考慮採用第二種方法。以上的說明是以鉀鹽礦頂板為泥巖層為例，但由於地下地質結構的複雜性，鉀鹽礦頂板也可能並不是泥巖層，而是易溶於水的石鹽層，如圖11所示的剖面示意圖。對這種地質結構情況下，本發明可以在上述技術的基礎上增加兩種措施第一種措施是首先開挖到石鹽層頂板以上的泥巖層中，預留一薄隔水層，形成一個泥巖層的操作臺(如圖12所示)。至所以不挖到鉀鹽礦頂板，是因為石鹽也是遇水易溶的。該措施的缺點是當石鹽層比較厚時，下一步的採礦過程需要挖出更多的石鹽。第二種措施是首先開挖到鉀鹽礦層底板，如圖13所示，然後再回填上部的泥巖土形成隔水保護層(如圖14所示)。其優點是在下一步的採礦過程中不需要挖出石鹽層。
權利要求
1.一種熱帶季風氣候條件下固體鉀鹽礦露天開採方法，其特徵如下 a)開挖上覆蓋層時，在固體鉀鹽礦層上留出一層泥巖層作為隔水層，在採坑的底部形成一個具有保護作用的施工作業面，使雨水不直接接觸固體鉀鹽礦層； b)在隔水層上搭棚分區開採；或 在旱季時採礦和回填。
2.根據權利要求I所述的方法，其中，採坑周圍的邊坡覆蓋工程塑膜，以防止泥巖層和石鹽層的邊坡遇水溶蝕。
3.根據權利要求I所述的方法，其中，開挖鬆散層時，用泥巖層或其他隔水層的巖土置換鬆散層。
4.根據權利要求I所述的方法，其中，隔水層上搭棚分區開採是指在坑底的一側搭建棚子，然後開採棚子以下的固體鉀鹽礦層；待棚子以下部分開採完畢後，再將棚子搬移至坑底的另一側開採棚子以下的固體鉀鹽礦層；並在原開採一側的採坑中回填尾礦，尾礦上部用泥土覆蓋，以保證尾礦不直接接觸水體；待全部開採完畢後，拆除棚子並回填所有開挖的堆土。
5.根據權利要求I所述的方法，其中，旱季時採礦和回填是指旱季時進行採礦，在雨季到來之前回填部分剝離的蓋層巖土，回填高度略高於礦層頂板高度，防止雨季時對礦層邊坡的溶蝕。
6.根據權利要求I所述的方法，其中，固體鉀鹽礦層上為石鹽層時，則在石鹽層上留出一層泥巖層作為隔水層。
7.根據權利要求I所述的方法，其中，固體鉀鹽礦層上為石鹽層時，則開挖至該石鹽層底板後，再回填泥巖土形成隔水保護層。
8.根據權利要求I所述的方法，其中，固體鉀鹽礦層是指埋深小於200米的可溶性鉀鹽礦層。
9.根據權利要求I或8所述的方法，其中，固體鉀鹽礦是指光滷石和鉀石鹽。
全文摘要
一種熱帶季風氣候條件下固體鉀鹽礦露天開採方法，其特徵如下a)開挖上覆蓋層時，在固體鉀鹽礦層上留出一層泥巖層作為隔水層，在採坑的底部形成一個具有保護作用的施工作業面，使雨水不直接直接接觸固體鉀鹽礦層；b)在隔水層上搭棚分區開採；或在旱季時採礦和回填。本發明克服了熱帶季風氣候條件下年降雨量大等不利因素，可以對埋藏深度較淺的固體鉀鹽礦進行露天開採，不受降雨的影響，其優點是高效快捷、經濟環保，具有巨大的實用價值，經濟效益極為可觀。
文檔編號E21C47/00GK102913246SQ201210426010
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月30日 優先權日2012年10月30日
發明者梁光河 申請人:中國科學院地質與地球物理研究所