专利名称：热带季风气候条件下固体钾盐矿露天开采方法
技术领域：
本发明属于矿产资源开发领域，具体地涉及一种热带季风气候(tropicalmonsoon climate)条件下的固体钾盐矿露天开采的方法。
背景技术：
钾肥(产自于钾盐)是农业三大基础肥料(氮磷钾)之一，中国目前60%耕地缺钾，是世界钾肥第一消费国，每年需要大量进口钾肥，2005年-2010年平均进口依存度约为70%。目前世界上钾盐矿产量绝大部分来自固体钾盐矿(以加拿大和俄罗斯为主)，钾盐矿分为固体钾盐矿和液体钾盐，固体钾盐矿通常氯化钾(KCL)品位比较高(> 10% )，属于富矿。液体钾盐矿KCL品位较低(大约I %左右)。其中固体钾盐矿具有极易溶于水的 特点。在热带季风气候影响的地区(如中国云南省的普洱地区和西双版纳地区、老挝及泰国等地区)蕴藏有丰富的固体钾盐矿，部分矿层埋藏较浅，厚度较大。这些钾盐矿由于特殊的气候环境和地质条件限制，长期以来没有得到大规模开发，形成呆矿。如何克服这些地区气候的不利影响，从而能够高效经济、大规模地开采出这些地区地下的固体钾盐矿，具有显著的实用价值。热带季风气候分布于北纬10°至25°之间的大陆东岸。其显著的特征是终年高温，年平均气温在22°C以上，年降水量大(一般在1500-2000mm，甚至2000mm以上)。一年分为旱季(11-4月份)和雨季(5-10月份)，旱季时温暖干燥少雨，雨季时高温多雨。露天采矿方法是一种常用的金属矿、煤矿等矿产资源采矿方法，其优点是经济高效，易于大规模生产，尤其是针对埋藏比较浅(一般小于200米)的矿产资源，具有显著的成本优势，特别是气候环境少雨干旱的地区，比如我国青海的查尔汗盐湖和新疆的罗布泊盐湖(属典型的大陆干旱气候)，都为浅层卤水液体矿和部分浅层固体矿，多采用露天开米。但在降雨量大的地区，对易溶性固体钾盐矿资源难以采用露天开采。在热带季风气候条件下如果用传统的露天开采方案，很容易造成大规模污染环境(因为钾盐矿中包含有氯化钾、氯化镁、氯化钠，而氯化镁、氯化钠的外泄极易造成盐碱化，使茂密的植被烧死)，因此传统的固体钾盐矿开采方法主要采用地下开采，其优点之一就是避免了降雨的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热带季风气候条件下固体钾盐矿露天开采方法，以适应在多雨的热带季风气候区域对固体钾盐矿进行开采。为实现上述目的，本发明提供的热带季风气候条件下固体钾盐矿露天开采方法如下a)开挖上覆盖层时，在固体钾盐矿层上留出一层泥岩层作为隔水层，在采坑的底部形成一个具有保护作用的施工作业面，使雨水不直接接触固体钾盐矿层；b)在隔水层上搭棚分区开采；或在旱季时采矿和回填。所述的方法中，采坑周围的边坡覆盖工程塑膜，以防止泥岩层和石盐层的边坡遇水溶蚀。所述的方法中，开挖松散层时，用泥岩层或其他隔水层的岩土置换松散层。所述的方法中，隔水层上搭棚分区开采是指在坑底的一侧搭建棚子，然后开采棚子以下的固体钾盐矿层；待棚子以下部分开采完毕后，再将棚子搬移至坑底的另一侧开采棚子以下的固体钾盐矿层；并在原开采一侧的采坑中回填尾矿，尾矿上部用泥土覆盖，以保证尾矿不直接接触水体；待全部开采完毕后，拆除棚子并回填所有开挖的堆土。所述的方法中，旱季时采矿和回填是指旱季时进行采矿，在雨季到来之前回填部分剥离的盖层土，回填高度略高于矿层顶板高度，防止雨季时对矿层边坡的溶蚀。所述的方法中，固体钾盐矿层上为石盐层时，则在石盐层上留出一层泥岩层作为隔水层。所述的方法中，固体钾盐矿层上为石盐层时，则开挖至该石盐层底板后，再回填泥岩土形成隔水保护层。所述的方法中，固体钾盐矿层是指埋深小于200米的可溶性钾盐矿层。所述的方法中，固体钾盐矿是指光卤石(carnallite)和钾石盐(sylvite)。本发明克服了热带季风气候条件下年降雨量大等不利因素，可以对埋藏深度较浅的固体钾盐矿进行露天开采，不受降雨的影响，其优点是高效快捷、经济环保，具有巨大的实用价值，经济效益极为可观。通过中国专利数据库(知网版)的专利检索，没有发现与本发明相同或相似的专利(检索专利名称，检索词“钾盐”和“露天”，无检索记录)。通过网上对国外专利数据库(知网版)(包含瑞士、美国、日本、德国、英国、法国、世界知识、欧洲专利库)的检索(检索专利名称，关键词“potash”and “openpit”)，也没有发现类似的国际专利申请。当检索词修改为“potash”和“open”时，发现有I项已经被终止权利的专利记录(DE4209986A)。该专利内容也与本发明的技术方案完全不同，它描述一种针对盐矿和钾盐矿露天采区的尾矿和工业废弃物的回填方法。
图I是一个固体钾盐矿的模型剖面示意图。图2、图3和图4显示了本发明在棚子下采矿的步骤。图5显示了在剥离松散层时，向矿坑边缘外多剥离一部分。图6显示了继续向下剥离泥岩层并利用泥岩层土回填多剥离的松散层部分，将松散层置换成了隔水的泥岩层。图7、图8、图9和图10显示了在旱季采矿的步骤。图11是钾盐矿层顶板为石盐层的固体钾盐矿的模型剖面示意图。图12所示为开挖到钾盐矿顶板时留一个保护平台。图13、图14所示是先挖到钾盐矿顶板，然后再回填泥岩土形成隔水保护层。
具体实施例方式本发明的技术方案，在固体钾盐矿采矿中克服了热带季风气候条件下年降雨量大等不利因素，可以对埋藏深度较浅(例如矿层顶板埋深小于200米)的固体钾盐矿进行露天开采，不受降雨的影响，其优点是高效快捷、经济环保，具有巨大的实用价值，经济效益极为可观。采用露天开采技术，关键的问题包括两个方面，一是防水问题，二是边坡滑坡问题。关于边坡滑坡问题，工程地质方面有成熟的解决办法(主要是根据岩土的工程力学参数计算稳定边坡角度等方法)，本发明主要涉及防水这个关键问题。就是解决在热带季风气候条件下，也能利用露天采矿技术在多雨的情况下顺利地开采出地下的钾盐矿。因此，本发明是针对多雨的热带季风气候和固体钾盐矿而提出的技术方案。以下以一个例子并结合附图进一步说明本发明技术方案的原理和实施方式
如图I所示，某区存在矿层顶板埋藏较浅(85米)，钾盐矿层厚度80米的固体钾盐矿层。上覆盖层分别是松散层(第四纪沙砾层)、泥岩层、石盐层、泥岩层，其中松散层是含水层(浅层地下水)，泥岩层是隔水层。第一步是在开挖上覆盖层时，开挖深度不能直接揭露到钾盐矿层，而是预留一个比较薄的泥岩层作为隔水层(比如预留I米左右甚至更厚的泥岩层)，相当于开挖到一个起保护作用的施工作业面(如图2所示)，这样即便下雨也不会让雨水直接接触钾盐矿层。上述步骤是为防止雨水直接接触露天采坑的钾盐矿层，但实际情况中松散层往往是含水层，还需要有隔水措施。因为在雨季时松散层的涌水量会很大，以至于水泵难以及时排干，如果不采取措施，会很容易淹没整个矿坑。因此需要对此设计新的方案，防止雨水通过该含水层进入矿坑。具体做法是，在剥离上覆岩土的过程中，待剥离到松散层底部候，向坑的边缘外多剥离一部分(比如宽度3米左右)，如图5所示。然后再向下剥离泥岩层，利用剥离的泥岩层的土(隔水)回填至松散层多剥离的部分，如图6所示，将松散层(含水层)置换成了隔水的泥岩层。这项工作最佳时间是在旱季施工，以保障实际工程的可行性。为了防止泥岩层和石盐层遇水溶蚀，在实际施工中还要对采坑周围边坡进行工程塑膜覆盖，主要目的有以下三个方面一是防水，保持岩体强度。二是防止泥岩溶蚀，泥浆淤塞库容。三是防止石盐层遇水溶解，从而造成水质盐碱化，而不能达标排放。在完成上述步骤后的基础上，可以采用以下两种之一的方法采矿第一种方法是在坑底的一侧(图3中的右侧)搭建可拆装的临时棚子，然后开采棚子以下的钾盐矿层。搭棚应有灌注桩支撑，并在棚子四周预留隔水墩(如图3所示)，这样即便下雨，也不会有雨水进入棚子下面已经开挖的矿层中，而是让雨水集中流入左半部分的临时蓄水池中，该蓄水池架设矿用水泵，计算降雨量、涌水量和排水量之间的关系，以保障不会有水进入棚子下面的采坑中。待右侧部分的矿体开采完毕，然后将左侧部分水体用水泵排干。再将临时棚子搬移到左侧(如图4所示)，在右侧采坑中回填尾矿，尾矿上部用泥土覆盖，保证尾矿也不会直接接触水体。待左侧矿体全部开采完毕后，拆除棚子等设备，回填所有原开挖的堆土等废弃物。并尽量做好土地的复垦。上述第一种方法在雨季和旱季时均能连续采矿，其优势是全年施工采矿，需要的原矿库库容可以很小，可以做到一边采矿，一边进行选矿处理，几乎不需要库存原矿。第二种方法更简单，免去了第一种方法中搭棚的工序，在雨季时不采矿，只选矿。在旱季时进行采矿、选矿、回填。以一个例子说明，如图7所示，例如在2013年旱季的1_4月少雨季节开挖覆盖层，与上述方案一样，开挖深度不能直接揭露到钾盐矿层，而是预留一个比较薄的隔水层(比如预留I米左右甚至更厚的泥岩隔水层)。这样即便下雨也不会让雨水直接接触钾盐矿层。然后在紧接下来的雨季中(5月-10月)进行选矿设备的选型和地面地下工程的设计等。之后在2013年雨季结束的10月份，抽干雨季积存在矿坑中的积水(如图8所示)。在接下来的下一个旱季进行集中采矿，采矿完成后，在接下来的下一个雨季之前，回填部分剥离的盖层土，该回填高度要求略高于矿层顶板的高度，将下覆钾盐矿层用泥岩土层隔离开来(隔水层)。防止下一个雨季对矿层边坡的溶蚀(如图9所示)。之后的旱季进行尾矿回填，最·后回填剩余盖层土，实际操作中可考虑复垦土填最上层(如图10所示)。上述两种方法各有优缺点，第一种方法的缺点是需要搭棚工序，优点是对原料库和尾矿库的容积需求较小。第二种方法的缺点是需要大型原矿库和尾矿库，优点是成本更低廉，可快速扩大生产规模。因此在原料库和尾矿库容积比较小时候，可以使用第一种方法。在原料库和尾矿库容积较大时候，可以考虑采用第二种方法。以上的说明是以钾盐矿顶板为泥岩层为例，但由于地下地质结构的复杂性，钾盐矿顶板也可能并不是泥岩层，而是易溶于水的石盐层，如图11所示的剖面示意图。对这种地质结构情况下，本发明可以在上述技术的基础上增加两种措施第一种措施是首先开挖到石盐层顶板以上的泥岩层中，预留一薄隔水层，形成一个泥岩层的操作台(如图12所示)。至所以不挖到钾盐矿顶板，是因为石盐也是遇水易溶的。该措施的缺点是当石盐层比较厚时，下一步的采矿过程需要挖出更多的石盐。第二种措施是首先开挖到钾盐矿层底板，如图13所示，然后再回填上部的泥岩土形成隔水保护层(如图14所示)。其优点是在下一步的采矿过程中不需要挖出石盐层。
权利要求
1.一种热带季风气候条件下固体钾盐矿露天开采方法，其特征如下 a)开挖上覆盖层时，在固体钾盐矿层上留出一层泥岩层作为隔水层，在采坑的底部形成一个具有保护作用的施工作业面，使雨水不直接接触固体钾盐矿层； b)在隔水层上搭棚分区开采；或 在旱季时采矿和回填。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，采坑周围的边坡覆盖工程塑膜，以防止泥岩层和石盐层的边坡遇水溶蚀。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，开挖松散层时，用泥岩层或其他隔水层的岩土置换松散层。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，隔水层上搭棚分区开采是指在坑底的一侧搭建棚子，然后开采棚子以下的固体钾盐矿层；待棚子以下部分开采完毕后，再将棚子搬移至坑底的另一侧开采棚子以下的固体钾盐矿层；并在原开采一侧的采坑中回填尾矿，尾矿上部用泥土覆盖，以保证尾矿不直接接触水体；待全部开采完毕后，拆除棚子并回填所有开挖的堆土。
5.根据权利要求I所述的方法，其中，旱季时采矿和回填是指旱季时进行采矿，在雨季到来之前回填部分剥离的盖层岩土，回填高度略高于矿层顶板高度，防止雨季时对矿层边坡的溶蚀。
6.根据权利要求I所述的方法，其中，固体钾盐矿层上为石盐层时，则在石盐层上留出一层泥岩层作为隔水层。
7.根据权利要求I所述的方法，其中，固体钾盐矿层上为石盐层时，则开挖至该石盐层底板后，再回填泥岩土形成隔水保护层。
8.根据权利要求I所述的方法，其中，固体钾盐矿层是指埋深小于200米的可溶性钾盐矿层。
9.根据权利要求I或8所述的方法，其中，固体钾盐矿是指光卤石和钾石盐。
全文摘要
一种热带季风气候条件下固体钾盐矿露天开采方法，其特征如下a)开挖上覆盖层时，在固体钾盐矿层上留出一层泥岩层作为隔水层，在采坑的底部形成一个具有保护作用的施工作业面，使雨水不直接直接接触固体钾盐矿层；b)在隔水层上搭棚分区开采；或在旱季时采矿和回填。本发明克服了热带季风气候条件下年降雨量大等不利因素，可以对埋藏深度较浅的固体钾盐矿进行露天开采，不受降雨的影响，其优点是高效快捷、经济环保，具有巨大的实用价值，经济效益极为可观。
文档编号E21C47/00GK102913246SQ201210426010
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者梁光河 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所