專利名稱：熱帶季風(fēng)氣候條件下固體鉀鹽礦露天開采方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于礦產(chǎn)資源開發(fā)領(lǐng)域，具體地涉及一種熱帶季風(fēng)氣候(tropicalmonsoon climate)條件下的固體鉀鹽礦露天開采的方法。
背景技術(shù)：
鉀肥(產(chǎn)自于鉀鹽)是農(nóng)業(yè)三大基礎(chǔ)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(jìn)口鉀肥，2005年-2010年平均進(jìn)口依存度約為70%。目前世界上鉀鹽礦產(chǎn)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% )，屬于富礦。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于水的 特點。在熱帶季風(fēng)氣候影響的地區(qū)(如中國云南省的普洱地區(qū)和西雙版納地區(qū)、老撾及泰國等地區(qū))蘊藏有豐富的固體鉀鹽礦，部分礦層埋藏較淺，厚度較大。這些鉀鹽礦由于特殊的氣候環(huán)境和地質(zhì)條件限制，長期以來沒有得到大規(guī)模開發(fā)，形成呆礦。如何克服這些地區(qū)氣候的不利影響，從而能夠高效經(jīng)濟(jì)、大規(guī)模地開采出這些地區(qū)地下的固體鉀鹽礦，具有顯著的實用價值。熱帶季風(fēng)氣候分布于北緯10°至25°之間的大陸東岸。其顯著的特征是終年高溫，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)，旱季時溫暖干燥少雨，雨季時高溫多雨。露天采礦方法是一種常用的金屬礦、煤礦等礦產(chǎn)資源采礦方法，其優(yōu)點是經(jīng)濟(jì)高效，易于大規(guī)模生產(chǎn)，尤其是針對埋藏比較淺(一般小于200米)的礦產(chǎn)資源，具有顯著的成本優(yōu)勢，特別是氣候環(huán)境少雨干旱的地區(qū)，比如我國青海的查爾汗鹽湖和新疆的羅布泊鹽湖(屬典型的大陸干旱氣候)，都為淺層鹵水液體礦和部分淺層固體礦，多采用露天開米。但在降雨量大的地區(qū)，對易溶性固體鉀鹽礦資源難以采用露天開采。在熱帶季風(fēng)氣候條件下如果用傳統(tǒng)的露天開采方案，很容易造成大規(guī)模污染環(huán)境(因為鉀鹽礦中包含有氯化鉀、氯化鎂、氯化鈉，而氯化鎂、氯化鈉的外泄極易造成鹽堿化，使茂密的植被燒死)，因此傳統(tǒng)的固體鉀鹽礦開采方法主要采用地下開采，其優(yōu)點之一就是避免了降雨的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種熱帶季風(fēng)氣候條件下固體鉀鹽礦露天開采方法，以適應(yīng)在多雨的熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域?qū)腆w鉀鹽礦進(jìn)行開采。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的熱帶季風(fēng)氣候條件下固體鉀鹽礦露天開采方法如下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，在采坑的底部形成一個具有保護(hù)作用的施工作業(yè)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(qū)開采；或在旱季時采礦和回填。所述的方法中，采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，開挖松散層時，用泥巖層或其他隔水層的巖土置換松散層。所述的方法中，隔水層上搭棚分區(qū)開采是指在坑底的一側(cè)搭建棚子，然后開采棚子以下的固體鉀鹽礦層；待棚子以下部分開采完畢后，再將棚子搬移至坑底的另一側(cè)開采棚子以下的固體鉀鹽礦層；并在原開采一側(cè)的采坑中回填尾礦，尾礦上部用泥土覆蓋，以保證尾礦不直接接觸水體；待全部開采完畢后，拆除棚子并回填所有開挖的堆土。所述的方法中，旱季時采礦和回填是指旱季時進(jìn)行采礦，在雨季到來之前回填部分剝離的蓋層土，回填高度略高于礦層頂板高度，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后，再回填泥巖土形成隔水保護(hù)層。所述的方法中，固體鉀鹽礦層是指埋深小于200米的可溶性鉀鹽礦層。所述的方法中，固體鉀鹽礦是指光鹵石(carnallite)和鉀石鹽(sylvite)。本發(fā)明克服了熱帶季風(fēng)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(jìn)行露天開采，不受降雨的影響，其優(yōu)點是高效快捷、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，具有巨大的實用價值，經(jīng)濟(jì)效益極為可觀。通過中國專利數(shù)據(jù)庫(知網(wǎng)版)的專利檢索，沒有發(fā)現(xiàn)與本發(fā)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(wǎng)上對國外專利數(shù)據(jù)庫(知網(wǎng)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(guān)鍵詞“potash”and “openpit”)，也沒有發(fā)現(xiàn)類似的國際專利申請。當(dāng)檢索詞修改為“potash”和“open”時，發(fā)現(xiàn)有I項已經(jīng)被終止權(quán)利的專利記錄(DE4209986A)。該專利內(nèi)容也與本發(fā)明的技術(shù)方案完全不同，它描述一種針對鹽礦和鉀鹽礦露天采區(qū)的尾礦和工業(yè)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(fā)明在棚子下采礦的步驟。圖5顯示了在剝離松散層時，向礦坑邊緣外多剝離一部分。圖6顯示了繼續(xù)向下剝離泥巖層并利用泥巖層土回填多剝離的松散層部分，將松散層置換成了隔水的泥巖層。圖7、圖8、圖9和圖10顯示了在旱季采礦的步驟。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(hù)平臺。圖13、圖14所示是先挖到鉀鹽礦頂板，然后再回填泥巖土形成隔水保護(hù)層。
具體實施例方式本發(fā)明的技術(shù)方案，在固體鉀鹽礦采礦中克服了熱帶季風(fēng)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于200米)的固體鉀鹽礦進(jìn)行露天開采，不受降雨的影響，其優(yōu)點是高效快捷、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，具有巨大的實用價值，經(jīng)濟(jì)效益極為可觀。采用露天開采技術(shù)，關(guān)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(guān)于邊坡滑坡問題，工程地質(zhì)方面有成熟的解決辦法(主要是根據(jù)巖土的工程力學(xué)參數(shù)計算穩(wěn)定邊坡角度等方法)，本發(fā)明主要涉及防水這個關(guān)鍵問題。就是解決在熱帶季風(fēng)氣候條件下，也能利用露天采礦技術(shù)在多雨的情況下順利地開采出地下的鉀鹽礦。因此，本發(fā)明是針對多雨的熱帶季風(fēng)氣候和固體鉀鹽礦而提出的技術(shù)方案。以下以一個例子并結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明技術(shù)方案的原理和實施方式
如圖I所示，某區(qū)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。上覆蓋層分別是松散層(第四紀(jì)沙礫層)、泥巖層、石鹽層、泥巖層，其中松散層是含水層(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(yù)留一個比較薄的泥巖層作為隔水層(比如預(yù)留I米左右甚至更厚的泥巖層)，相當(dāng)于開挖到一個起保護(hù)作用的施工作業(yè)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采坑的鉀鹽礦層，但實際情況中松散層往往是含水層，還需要有隔水措施。因為在雨季時松散層的涌水量會很大，以至于水泵難以及時排干，如果不采取措施，會很容易淹沒整個礦坑。因此需要對此設(shè)計新的方案，防止雨水通過該含水層進(jìn)入礦坑。具體做法是，在剝離上覆巖土的過程中，待剝離到松散層底部候，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。然后再向下剝離泥巖層，利用剝離的泥巖層的土(隔水)回填至松散層多剝離的部分，如圖6所示，將松散層(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采坑周圍邊坡進(jìn)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(zhì)鹽堿化，而不能達(dá)標(biāo)排放。在完成上述步驟后的基礎(chǔ)上，可以采用以下兩種之一的方法采礦第一種方法是在坑底的一側(cè)(圖3中的右側(cè))搭建可拆裝的臨時棚子，然后開采棚子以下的鉀鹽礦層。搭棚應(yīng)有灌注樁支撐，并在棚子四周預(yù)留隔水墩(如圖3所示)，這樣即便下雨，也不會有雨水進(jìn)入棚子下面已經(jīng)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(shè)礦用水泵，計算降雨量、涌水量和排水量之間的關(guān)系，以保障不會有水進(jìn)入棚子下面的采坑中。待右側(cè)部分的礦體開采完畢，然后將左側(cè)部分水體用水泵排干。再將臨時棚子搬移到左側(cè)(如圖4所示)，在右側(cè)采坑中回填尾礦，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(cè)礦體全部開采完畢后，拆除棚子等設(shè)備，回填所有原開挖的堆土等廢棄物。并盡量做好土地的復(fù)墾。上述第一種方法在雨季和旱季時均能連續(xù)采礦，其優(yōu)勢是全年施工采礦，需要的原礦庫庫容可以很小，可以做到一邊采礦，一邊進(jìn)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，在雨季時不采礦，只選礦。在旱季時進(jìn)行采礦、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(jié)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(yù)留一個比較薄的隔水層(比如預(yù)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。然后在緊接下來的雨季中(5月-10月)進(jìn)行選礦設(shè)備的選型和地面地下工程的設(shè)計等。之后在2013年雨季結(jié)束的10月份，抽干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(jìn)行集中采礦，采礦完成后，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于礦層頂板的高度，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)。之后的旱季進(jìn)行尾礦回填，最·后回填剩余蓋層土，實際操作中可考慮復(fù)墾土填最上層(如圖10所示)。上述兩種方法各有優(yōu)缺點，第一種方法的缺點是需要搭棚工序，優(yōu)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(yōu)點是成本更低廉，可快速擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)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，可以考慮采用第二種方法。以上的說明是以鉀鹽礦頂板為泥巖層為例，但由于地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，鉀鹽礦頂板也可能并不是泥巖層，而是易溶于水的石鹽層，如圖11所示的剖面示意圖。對這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況下，本發(fā)明可以在上述技術(shù)的基礎(chǔ)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(yù)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(dāng)石鹽層比較厚時，下一步的采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，然后再回填上部的泥巖土形成隔水保護(hù)層(如圖14所示)。其優(yōu)點是在下一步的采礦過程中不需要挖出石鹽層。
權(quán)利要求
1.一種熱帶季風(fēng)氣候條件下固體鉀鹽礦露天開采方法，其特征如下 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，在采坑的底部形成一個具有保護(hù)作用的施工作業(yè)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(qū)開采；或 在旱季時采礦和回填。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，采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(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，開挖松散層時，用泥巖層或其他隔水層的巖土置換松散層。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，隔水層上搭棚分區(qū)開采是指在坑底的一側(cè)搭建棚子，然后開采棚子以下的固體鉀鹽礦層；待棚子以下部分開采完畢后，再將棚子搬移至坑底的另一側(cè)開采棚子以下的固體鉀鹽礦層；并在原開采一側(cè)的采坑中回填尾礦，尾礦上部用泥土覆蓋，以保證尾礦不直接接觸水體；待全部開采完畢后，拆除棚子并回填所有開挖的堆土。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，旱季時采礦和回填是指旱季時進(jìn)行采礦，在雨季到來之前回填部分剝離的蓋層巖土，回填高度略高于礦層頂板高度，防止雨季時對礦層邊坡的溶蝕。
6.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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后，再回填泥巖土形成隔水保護(hù)層。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，固體鉀鹽礦層是指埋深小于200米的可溶性鉀鹽礦層。
9.根據(jù)權(quán)利要求I或8所述的方法，其中，固體鉀鹽礦是指光鹵石和鉀石鹽。
全文摘要
一種熱帶季風(fēng)氣候條件下固體鉀鹽礦露天開采方法，其特征如下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，在采坑的底部形成一個具有保護(hù)作用的施工作業(yè)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(qū)開采；或在旱季時采礦和回填。本發(fā)明克服了熱帶季風(fēng)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(jìn)行露天開采，不受降雨的影響，其優(yōu)點是高效快捷、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，具有巨大的實用價值，經(jīng)濟(jì)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(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者梁光河 申請人:中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所