梁衛(wèi)國，趙陽升，徐素國，于艷梅

（太原理工大學 采礦研究所，太原 030024)

自從有人類歷史以來，就有采石采礦活動記錄。早在舊石器時代，人類就有了采石與制作石器的技術，且主要為露天開采；到新石器時代，采礦技術即有重大進步，在露天開采的基礎上，開始了地下開采。自此，以露天開采與地下井工開采為主的人類采礦技術即初步形成，并一直延續(xù)至今。溶浸采礦是利用礦物自身的物理化學特性，將水、化學溶劑或微生物，注入礦床或礦堆，進行有選擇性地溶解、浸出和回收其中有用礦物組份。鹽類礦床水溶開采即是溶浸采礦的典型代表，它利用鹽類礦床易溶于水的特性，將淡水注入鹽巖礦床，溶解鹽巖后鹵水采汲至地表，再對其加熱蒸發(fā)結晶即獲得鹽巖晶體顆粒。利用水溶開采的世界井礦鹽史，即源于中國且已有2000多年的歷史。在金屬礦（鈾、銅、金、銀等)開采中，溶浸采礦是普遍應用的一項技術，有地表堆浸、就地破碎溶浸和原地鉆孔溶浸采礦三種方法［1-3］。但其發(fā)展歷史遠晚于鹽類礦床的水溶開采，從20世紀70年代才開始在國內外興起。在經(jīng)歷了數(shù)千年的露天開采與地下井工開采之后，人類采礦技術的發(fā)展方向應當是原位溶浸開采或固體礦物流體化開采。

溶浸采礦技術在我國歷史悠久。20世紀60年代，安徽銅陵有色金屬公司松樹山銅礦率先應用就地破碎浸礦法回收銅殘礦；90年代中后期，德興銅礦建成年產(chǎn)2000t電銅堆浸廠；2000年，中條山銅礦峪礦建成年產(chǎn)500t電解銅的地下溶浸提銅示范系統(tǒng)；2003年，云南官房銅礦建成處理含銅0.9%的原生硫化銅和次生硫化銅的生物堆浸廠。在國外，該技術已成功用于多種金屬的提取，目前已有幾十座銅、鈾、金礦山有大規(guī)模的工業(yè)應用。早在16世紀，德國Harz地區(qū)和西班牙Rio Tinto礦山就采用溶浸方法處理硫化礦石。1947年Colmer和Hinkle又從酸性廢坑水中分離出氧化亞鐵硫桿菌，人們開始逐漸認識和利用細菌在硫化礦浸出中的作用。20世紀60年代，美國和蘇聯(lián)開始試用原地溶浸法開采鈾礦，并在懷俄明州建成世界第一座溶浸采鈾礦山，20世紀70年代，美國Kennecott礦業(yè)公司建成世界最大的微生物堆浸場，處理礦石量36億t，年產(chǎn)7.2萬噸銅金屬。1986年南非Fairview礦建成世界第一個金礦生物浸出工廠，日處理金精礦10t。近20年，溶浸技術在美國、智利、澳大利亞等國得到推廣。

原位溶浸開采是泛指通過地面鉆井，將溶浸、熱解流體（含高溫流體、微生物流體、水及空氣)注入固體礦層，通過注入流體與礦層有用組分發(fā)生物理、化學、熱、力耦合作用，將礦層中有用組分轉變?yōu)榱黧w或附著成分解吸游離，通過滲流方式傳輸至鉆井而后排采至地面的一類采礦方法，如圖1所示。鹽類礦床的水溶開采，鈾礦、銅礦、金礦等的化學溶浸開采，煤的地下原位熱解開采，通過驅替技術而實施的煤層氣開采，油頁巖油氣原位注熱開采等等許多地下礦物的開采，都屬于原位溶浸開采之范疇。由于人員設備不必下入地下深部礦層，原位溶浸采礦具有安全、高效、環(huán)保的巨大技術優(yōu)勢，在地下礦產(chǎn)資源開采、尤其是深部資源開采中具有極為廣闊的發(fā)展及應用前景。

圖1 原位溶浸采礦示意圖

自1999年以來，在對山西運城鹽湖地下薄層芒硝礦、四川眉山難溶鈣芒硝礦開采技術研究基礎上，太原理工大學對除金屬礦以外其他相關資源的原位溶浸開采理論與技術進行了深入細致研究，并取得一些初步研究成果。包括鹽類礦床原位溶浸開采、油頁巖原位熱解開采油氣、煤的原位熱解、注氣驅替煤層瓦斯、高溫巖體地熱開發(fā)等。借助先進的顯微CT系統(tǒng)試驗，揭示了溶浸開采過程中這些礦物巖體的細觀孔裂隙結構衍化規(guī)律特征，建立了礦物巖體溶解（熱解)——滲透互進作用機理，發(fā)明了多項針對不同礦物的原位溶浸開采新技術，極大推動了原位溶浸采礦技術的進步與發(fā)展［4-7］。本文將對上述相關礦物的原位溶浸開采理論與技術進行介紹分析，以期對原位溶浸采礦理論與技術的概念及內涵進一步拓展完善。

2 原位溶浸采礦基本原理

針對不同礦物特性及其地質賦存特征，原位溶浸開采技術方法存在一定差異。如鹽類礦床的原位溶浸開采，采用淡水作為基本溶劑，輔以一定壓力與溫度溶浸效果更佳；對油頁巖與煤體中油氣的原位開采，則需要注入過熱高溫蒸汽，進行能量轉化開采其中油氣資源；對煤體中吸附的瓦斯氣體，則需要注入蒸汽或其他強吸附性氣體，對煤體中吸附瓦斯進行解吸置換驅替，等等［8-11］。但是，所有這些技術都具有一個共同特征：注入地下一種介質，即可在原位將賦存于礦物中的有用組份進行物理或化學性質改變，或固態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)，或吸附態(tài)轉變?yōu)橛坞x態(tài)，并通過一定滲流擴散運移通道流出地表。顯然，影響原位溶浸開采技術的主要因素有兩個方面：其一，注入介質與礦體中有用組份的物理化學作用效果，其二為注入介質及溶浸熱解產(chǎn)物進出礦體的通道滲透性。為此，在實驗室對不同礦物的溶浸熱解特性以及溶浸熱解前后礦體孔裂隙細觀結構衍化及滲透性改變進行了系統(tǒng)試驗。

2.1 鹽類礦物的溶解特性

鹽類物質在水的溶解，是一個偶極水分子與鹽類物質晶體格架中的鹽離子相互吸引并破壞晶體格架的過程。溶解于水中的鹽離子以擴散的方式在溶液中彌散運移，而根據(jù)Fick擴散定律，濃度差為擴散的基本動力。因此，溶液濃度、溫度以及流動狀態(tài)決定著鹽類物質在水溶液中的溶解特性。

圖2 鹽巖溶解速度與溶液密度關系

通過大量試驗研究發(fā)現(xiàn)：隨溶液濃度的增高，由于溶液中可溶鹽離子數(shù)量接近飽和，以及水分子對鹽離子吸引力的減弱，鹽類物質的溶解速度降低。圖2所示為芒硝鹽巖在兩個不同方向的溶解速度（V)與濃度（C)關系，兩個方向溶解速度與濃度均呈擬合度極高的線性關系，其中上向溶解V＝2.3205-0.072C（R2＝0.9987)；側向溶解V＝1.3105-0.0302C（R2＝0.9603)。當溶液濃度接近飽和狀態(tài)時，上溶速度與側溶速度十分接近，溶解速度極低。

不同溫度淡水溶液中鈣芒硝溶解速率曲線如圖3所示。

圖3 鹽巖溶解速率與溶液溫度關系曲線

由圖3可以看出：鈣芒硝溶解速率由25℃的0.27g／cm2／h減小到0.23g／cm2／h附近，隨溫度升高，鈣芒硝溶解速率迅速增加，到40℃附近達到最大值0.36g／cm2／h左右。之后巖樣溶解速率迅速降低，到55℃，其值達到最小0.23g／cm2／h。溫度對鹽巖溶解促進作用存在臨界點（～45℃)，當溫度超過該臨界值后，鹽巖溶解速度不再隨溫度升高而增大。動態(tài)溶解試驗結果表明，鹽巖動態(tài)溶解速率約為靜態(tài)條件下的1.2～1.5倍，且影響溶解速率的動態(tài)流速也存在臨界點，當超過該流速臨界值后，溶解速度不再隨流速的增大而升高。

上述溶解特性均為易溶鹽類礦物試驗結果。對鈣芒硝等難溶鹽類礦物，其溶解機理與易溶鹽類礦物相同，但由于其中難溶礦物與雜質的存在，礦體的滲透特性影響決定著其溶解特性，且二者存在溶解滲透相互促進的作用關系，2.3中細觀衍化結果對此進行了很好說明。影響鹽類礦物溶解特性的主要因素有：鹽類物質自身物理化學特性、溶解環(huán)境（包括溶液溫度、濃度、壓力)以及溶解對礦物物理結構（主要指孔隙率)等的影響。

2.2 煤與油頁巖的熱解特性

對煤、油頁巖這一類有機變質體或有機變質賦存體，由于成煤、聚油過程中曾經(jīng)歷過溫度驟變作用，在高溫作用下，固體結構發(fā)生改變的同時，其中飽含的油氣物質的流動性相應增強，從而從煤及油頁巖中分離出來。對不同階煤加熱熱解過程中，還會有煤質的變化作用，尤其低變質煤會發(fā)生提質改性，從而提高其經(jīng)濟價值。

太原理工大學在實驗室內對褐煤、長焰煤、貧瘦煤、氣煤等煤種進行了不同程度的熱解試驗，發(fā)現(xiàn)所有煤種均存在影響煤體熱解及產(chǎn)氣速率的臨界溫度值，貧瘦煤加熱超過310℃時氣體產(chǎn)量達到最大，而長焰煤在450～500℃為產(chǎn)氣最佳溫度段。對油頁巖進行的熱解試驗發(fā)現(xiàn)，與煤熱解相同，存在熱解臨界溫度值，在400～600℃之間，油頁巖熱解失重占總失重的80%。與鹽類礦物溶解相類似，影響煤與油頁巖熱解的因素包括：煤或油頁巖自身特性、熱解環(huán)境（溫度、壓力、升溫速率)以及熱解對礦體物理結構（孔隙率)等的影響。

2.3 溶解、熱解前后礦體細觀結構演化與滲透性

原位溶浸采礦過程中，礦體結構及孔隙率衍化非常重要，它影響決定著原位溶浸采礦的效率與效益。對以鈣芒硝為代表的難溶鹽類礦物溶浸試驗研究發(fā)現(xiàn)，礦物溶解與礦體孔隙結構衍化存在互進作用。裂隙首先在固體軟弱膠結面處產(chǎn)生，溶液沿著生成裂隙進入，由于裂隙中水壓的影響使得裂隙寬度發(fā)生改變，從而導致裂隙滲透規(guī)律的改變。隨著裂隙的擴展溶液繼續(xù)沿著裂隙進入，從而促進礦物的溶解提高采礦的效率。對煤及油頁巖這類富含雜質的特殊資源而言，在低溫段由于內部吸附氣體及水蒸氣的溢出以及固體顆粒間的熱脹冷縮作用，直接導致固體內部產(chǎn)生豐富的孔、裂隙，提高了固體的滲透性，為高溫熱解產(chǎn)生的有用氣體及油氣的傳輸提供通道。

如圖4、5分別為鈣芒硝在淡水溶浸不同時間細觀結構衍化圖及孔隙率變化曲線。

圖4 淡水中鈣芒硝溶浸不同時間作用下細觀結構衍化圖

圖5 淡水中溶浸12h鈣芒硝孔隙率變化曲線

由圖5可以看出，隨著溶蝕時間的增大，鈣芒硝孔隙率不斷增加。

圖6為瘦煤熱解過程中孔隙率隨溫度變化曲線。由圖6可以看出，在常溫到200℃，瘦煤孔隙率變化不大。隨著溫度的升高，孔隙率極速增加，到400℃達到最大。從400℃到600℃，瘦煤孔隙率逐漸減小。

圖6 瘦煤熱解過程中孔隙率隨溫度變化曲線

顯然隨溶浸熱解的進行，礦物內部孔裂隙結構與孔隙率都在發(fā)生不斷的變化，這一變化直接影響著礦物溶解熱解的深入進行。當孔隙率增大時，有利于流體或氣體的滲入與流出，促進礦物的溶解或熱解反應。相反，則不利于原位溶解熱解的進行。因此，在原位溶浸采礦技術中，礦體結構衍化對溶浸采礦效果起著十分重要的作用。如何提高礦體的滲透性、增強溶浸液滲入與生產(chǎn)物流出是原位溶浸采礦的核心與關鍵。

3 原位溶浸采礦理論架構

由文章引言部分對原位溶浸采礦過程描述可知，原位溶浸采礦是一個涉及流體運移、礦物溶解（熱解)、溶質擴散、熱量交換、孔裂隙與固體骨架變形的復雜過程，其基本理論涉及流體力學、物理化學、傳熱傳質學、固體力學等基礎學科，并與眾多工程學科相互交叉。

由于在礦體中礦物溶解與溶浸液滲透相互促進作用，原位溶浸采礦過程實質為一多孔介質多場耦合作用過程，其理論架構包括四個方面：

1)耦合作用本構規(guī)律，研究某一物理場本構規(guī)律和控制方程形式受其他物理場作用而發(fā)生變化；

2)多場耦合作用控制方程組或數(shù)學模型，研究某一物理場方程中因變量或源匯項受其他物理場作用而變化的數(shù)學描述，同時包括本構規(guī)律影響在控制方程中的反映；

3)多孔介質多場耦合作用控制方程組的求解方法及數(shù)值模擬理論與技術；

4)依據(jù)耦合理論求解方法而實施的工程方案制定及復雜規(guī)律的研究。原位溶浸采礦理論架構中，各物理場影響因素及其相互耦合作用機制如圖7—10所示。

圖7 固體結構及其力學性態(tài)影響因素

4 原位溶浸采礦本構規(guī)律與數(shù)學模型

根據(jù)上述理論架構，原位溶浸采礦本構規(guī)律應當包括固體變形、流體運移、傳熱傳質，以及各物理場之間耦合因子變化規(guī)律。每一物理場的本構規(guī)律中又存在多個影響因素，需要進行大量的實驗與理論研究。圖11為框圖式的本構規(guī)律組成。在各個物理場本構規(guī)律建立的基礎上，即可建立用于數(shù)值模擬求解的耦合數(shù)學模型。如圖12所示為原位溶浸采礦多物理場耦合數(shù)學模型，巖鹽水溶開采耦合數(shù)學模型可表示為：

圖8 流體滲流及流場性態(tài)影響因素

圖9 溫度場影響因素

圖10 濃度場傳質影響因素

圖11 原位溶浸采礦本構規(guī)律組成

圖12 原位溶浸采礦多場耦合數(shù)學模型

原位注蒸汽開采的熱流固耦合控制方程可表示為：

針對不同工程及開采技術問題，依據(jù)上述數(shù)學模型進行精細建模，輔以一定邊界約束條件，采用一定的解耦及模擬求解方法，可獲得相應的工程模擬結果，為相應工程實踐提供重要指導。

5 結束語

原位溶浸開采是地下固體礦床流體化開采的一種方法。將溶浸、熱解流體通過鉆孔注入固體礦層，與礦層有用組分發(fā)生物理、化學、熱、力耦合作用，將礦層中有用組分轉變?yōu)榱黧w或附著成分解吸游離，通過滲流方式傳輸至鉆井而后排采至地面，具有安全、高效、環(huán)保的巨大技術優(yōu)勢，在地下礦產(chǎn)資源開采、尤其是深部資源開采中具有極為廣闊的發(fā)展及應用前景。鹽類礦床的水溶開采，鈾礦、銅礦、金礦等的化學溶浸開采，煤的地下原位熱解開采，通過驅替技術而實施的煤層氣開采，油頁巖油氣原位注熱開采等等許多地下礦物的開采，都屬于原位溶浸開采之范疇。

在實驗室內，對鈣芒硝鹽礦的溶解滲透試驗、對油頁巖及不同煤種的熱解試驗結果表明：在礦體溶解或熱解過程中，礦體中固體骨架及孔隙結構隨溶解時間或熱解溫度不斷衍化，這一孔隙結構及滲透性的改變，影響著溶浸液的滲流及固體固件的變形，二者相互作用并影響著原位溶浸開采的效率及效益。如何提高礦體的滲透性、增強溶浸液滲入與生產(chǎn)物流出是原位溶浸采礦的核心與關鍵。

根據(jù)試驗結果，結合理論分析，初步建立了原位溶浸采礦的理論架構、本構規(guī)律及耦合數(shù)學模型，為不同礦體原位溶浸開采理論建立及工程模擬，提供了重要理論指導。原位溶浸采礦是地下礦產(chǎn)資源開采的重要方向，在理論架構及數(shù)學模型建立的基礎上，對不同條件下的本構規(guī)律、耦合模型求解等問題還需要進行大量深入細致的研究工作。與此同時，在原位溶浸開采過程中，在一定范圍內流體運移及污染物控制也是未來需要研究的重要課題。

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