澀聶湖湖水驅(qū)動(dòng)溶解固體鉀礦固液轉(zhuǎn)化量計(jì)算

王文祥，李文鵬，劉振英，郝愛(ài)兵，王石軍，焦鵬程

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京100083；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071051；3.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河北 石家莊050031；4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，北京100037；5.青海鹽湖集團(tuán)，青海 格爾木816000；6.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京100037）

鉀鹽是農(nóng)用鉀肥的生產(chǎn)原料，我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，但鉀肥的對(duì)外依存度卻高達(dá)70%以上。鉀鹽找礦，不論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，都不是一件容易的工作。不過(guò)，值得關(guān)注的是，察爾汗鹽湖還有2.96億t低品位固體鉀資源，這些資源就相當(dāng)于一個(gè)超大型鉀礦。

水溶法開(kāi)采地下鹽類礦床在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛應(yīng)用，國(guó)外水溶法開(kāi)采鹽礦主要是鉆井水溶開(kāi)采。已有資料顯示［1］，察爾汗礦區(qū)部分固體鉀鹽因1989年特大洪水已被溶解轉(zhuǎn)化為液體礦，即天然的低品位固體鉀鹽發(fā)生液化，進(jìn)入了鹵水中，自然界發(fā)生的固體鉀鹽的液化現(xiàn)象，為人工液化開(kāi)采低品位固體鉀鹽打開(kāi)了思路。

對(duì)于固體鉀礦液化開(kāi)采的研究，前人已做過(guò)許多工作并得出一些重要結(jié)論。青海省鹽湖勘查開(kāi)發(fā)研究院進(jìn)行了淡鹵水回灌溶解驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)［2］，室內(nèi)靜態(tài)溶礦試驗(yàn)得出以下結(jié)論：溶礦率的高低基本不隨溶礦時(shí)間延長(zhǎng)而增加；隨著溶劑加入量的增大，溶質(zhì)中KCl的溶解率也在逐步增加；溶質(zhì)的濃度越低，溶礦效果越好。室內(nèi)動(dòng)態(tài)溶礦試驗(yàn)得出以下結(jié)論：溶礦時(shí)鹵水中KCl、NaCl、MgCl2的含量會(huì)有不同，但是總濃度是相對(duì)穩(wěn)定的，始終在27%左右；采用石鹽水做溶劑，總的表現(xiàn)形式是溶液中的NaCl析出；固礦中KCl溶解率與溶劑中KCl的含量有關(guān)。野外動(dòng)態(tài)溶礦試驗(yàn)表明：試驗(yàn)初期的溶礦率低于平均溶礦率；溶劑的流量大，溶礦效果好。李文鵬提出了局部平衡假設(shè)和宏觀溶度積的概念［3－5］，并利用FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)程序模擬了淡石鹽水驅(qū)動(dòng)溶解固體鹽層，認(rèn)為在溶礦過(guò)程中晶間鹵水可分為溶礦驅(qū)動(dòng)后濃度帶、彌散交換影響濃度帶和原晶間鹵水濃度帶，固體鹽層可以相應(yīng)分為溶礦驅(qū)動(dòng)后濃度帶、溶礦驅(qū)動(dòng)影響帶、原固相濃度帶，模擬結(jié)果顯示K＋呈波浪式前進(jìn)，與前人試驗(yàn)所得結(jié)論相吻合。孫大鵬利用察爾汗鹽湖首采區(qū)外圍低濃度鹵水溶解光鹵石晶體［6］，認(rèn)為光鹵石的溶解使鹵水中K＋含量升高，并且在溶解過(guò)程中會(huì)伴隨著大量石鹽的析出。郝愛(ài)兵通過(guò)室內(nèi)動(dòng)態(tài)溶礦試驗(yàn)得出溶解驅(qū)動(dòng)在時(shí)間和空間上可分為溶解驅(qū)動(dòng)前階段、光鹵石階段、鉀石鹽階段和石鹽階段［7－8］。

為了利用察爾汗鹽湖別勒灘區(qū)段的低品位固體鉀鹽，2007年中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所聯(lián)合中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院、石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院、青海鹽湖集團(tuán)技術(shù)中心在別勒灘開(kāi)展了以澀聶湖湖水為溶劑，驅(qū)動(dòng)溶解開(kāi)采別勒灘低品位固體鉀鹽的野外試驗(yàn)，試驗(yàn)歷時(shí)102天，共監(jiān)測(cè)水位1011次、取得水樣638件，試驗(yàn)結(jié)果表明，溶劑中的K＋含量升高，地層中的鉀礦物被溶出，證實(shí)利用澀聶湖湖水開(kāi)采低品位固體鉀鹽是可行的。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

澀聶湖是青海鹽湖集團(tuán)曬鹽生產(chǎn)鉀肥所剩尾鹵與烏圖美仁河河水的匯集地，尾鹵、淡水與固體鹽層相互作用后，形成了高鈉低鉀的湖水。該試驗(yàn)開(kāi)挖了一條引水渠，我們稱之為供鹵渠，用來(lái)引澀聶湖的湖水并將湖水注入鹽層，供鹵渠水頭較高。與供鹵渠相距約1000m有一條大致平行的采鹵渠，采鹵渠水頭較低，溶劑進(jìn)入地層后向采鹵渠流動(dòng)，并在流動(dòng)的過(guò)程中與鹽層發(fā)生固液轉(zhuǎn)化反應(yīng)。在供鹵渠和采鹵渠之間布置了4排×5列共20個(gè)孔位的監(jiān)測(cè)孔，用來(lái)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)溶解過(guò)程中水位和水質(zhì)的變化。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖1所示。

野外試驗(yàn)于2007年6月9日開(kāi)始，共分為兩個(gè)階段，一是試驗(yàn)剛開(kāi)始后的非穩(wěn)定階段，這個(gè)階段的特征是晶間鹵水水位和水質(zhì)變化幅度較大；二是穩(wěn)定階段，此時(shí)晶間鹵水的水位和水質(zhì)處于漸變狀態(tài)。本文主要分析試驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)定階段的驅(qū)動(dòng)溶解過(guò)程。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)布置圖

2 研究區(qū)地層特征

試驗(yàn)區(qū)地層主要由石鹽構(gòu)成，也含有光鹵石、鉀石鹽、石膏、芒硝、水氯鎂石及碎屑沉積物。K＋含量在0.07%～6.12%之間，加權(quán)平均含量為0.88%。鹽層中石鹽晶體之間有孔隙，較均勻、連通性較好，鉆孔巖芯常見(jiàn)蜂窩狀孔隙，鹽層空隙度大者達(dá)15%～35%，水平滲透系數(shù)為390m／d。鹽層富含鹵水，鹵水密度1.23～1.26g／cm3，礦化度337.76～379.19g／L，K＋含量可達(dá)14.3g／L，已濃縮演化為石鹽結(jié)晶析出后的飽和鹵水，屬于石鹽水及富鉀石鹽水、富鉀光鹵石水，主要為氯化物型水。

3 鹵水驅(qū)動(dòng)溶解分析

3.1 驅(qū)動(dòng)溶解時(shí)段選擇

由于試驗(yàn)結(jié)束時(shí)溶劑只影響到T2排和T3排之間的區(qū)域［9］，所以主要分析溶劑對(duì)T3排以前的地層的影響。以S1剖面為例來(lái)分析水動(dòng)力場(chǎng)穩(wěn)定后晶間鹵水流動(dòng)過(guò)程中各離子濃度變化。使用達(dá)西定律計(jì)算S1T1與S1T2孔之間晶間鹵水實(shí)際流速［10］，滲透系數(shù)取180m／d，孔隙度取21%［11］。

式中：V為滲透流速；K為滲透系數(shù)；J為水力坡度；U為實(shí)際流速；n為孔隙度。

實(shí)際流速歷時(shí)曲線如圖2所示，從圖2中可以看出，第37天到第71天之間流速比較穩(wěn)定，流速較低，保持在2.8m／d。T1排與T2排之間的距離為100m，如果忽略地層中大的巖（鹽）溶管道，認(rèn)為鹽層孔隙均一，鹵水流經(jīng)這段距離所需要的時(shí)間是t＝s／u＝100／2.8d＝35d，從第37天到第71天的時(shí)間間隔是35天，所以在試驗(yàn)第37天流經(jīng)S1T1孔的晶間鹵水在第71天時(shí)恰好到達(dá)S1T2孔。對(duì)比第37天S1T1孔的樣品和第71天S1T2孔的樣品，便可知道晶間鹵水從S1T1孔流到S1T2孔的過(guò)程中發(fā)生的固液轉(zhuǎn)化反應(yīng)。由于供鹵渠中的溶劑是恒定的，所以對(duì)比任意一天的溶劑與第37天S1T1孔的樣品就可以知道溶劑從供鹵渠流到S1T1孔所發(fā)生的固液轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

圖2 S1T1與S1T2孔之間實(shí)際流速歷時(shí)曲線

溶劑在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)與原晶間鹵水發(fā)生彌散混合，但是這種混合對(duì)分析固液之間的交換作用無(wú)影響。下面對(duì)比分析溶劑、第37天S1T1孔和第71天S1T2孔的樣品。

3.2 驅(qū)動(dòng)溶解量計(jì)算

察爾汗鹽湖固相中的礦物主要是石鹽（NaCl）、鉀石鹽（KCl）、光鹵石（KMgCl3·6H2O），液相中主要陽(yáng)離子是K＋、Na＋、Mg2＋，主要陰離子是Cl－，所以我們主要以K＋、Na＋、Mg2＋為研究對(duì)象分析鹽層中發(fā)生的固液轉(zhuǎn)化反應(yīng)。

表1 為S1剖面樣品對(duì)比表，R1－1（供鹵渠渠水）、S1T1－8、S1T2－9分別是溶劑、S1T1孔及 S1T2孔的樣品，表中倒數(shù)第2行的濃度增量是由S1T1－8樣品離子濃度減去R1－1樣品離子濃度所得，倒數(shù)第1行的濃度增量是由S1T2－9樣品離子濃度減去S1T1－8樣品離子濃度所得，濃度增量反映的是鹵水在流動(dòng)過(guò)程中由于與鹽層發(fā)生固液轉(zhuǎn)化作用而溶解（析出）的鹽量。下面來(lái)分析這三種鹵水樣品的離子變化。

表1 試驗(yàn)穩(wěn)定階段S1剖面離子濃度對(duì)比表／（moL／L）

從表1中樣品濃度一欄可以看出，地層晶間鹵水與溶劑的各離子濃度有較明顯差異，地層晶間鹵水之間相差不大。從濃度增量一欄中可以看出，樣品S1T1－8中K＋、Na＋、Mg2＋濃度較R1－1的濃度增量分別是0.28、－1.3、0.61moL／L，說(shuō)明溶劑從供鹵渠流到S1T1孔的過(guò)程中，每L鹵水析出了1.3moL Na＋，溶 解 了 0.28moL K＋、0.61moL Mg2＋。Na＋濃度減小了1.3mol／L，表明每L溶劑中有1.3moL NaCl析出。K＋、Mg2＋濃度增大，說(shuō)明溶劑溶解了地層中的光鹵石。光鹵石的化學(xué)式是KMgCl3·6H2O，溶解1mol光鹵石，如果沒(méi)有K＋、Mg2＋析出，液相中將會(huì)增加1moL K＋和1moL Mg2＋，即K＋和Mg2＋的增加量應(yīng)是相同的，但是表1數(shù)據(jù)顯示，鹵水中Mg2＋的濃度增加量要大于K＋。究其原因，是因?yàn)辂u水中溶解光鹵石后，K＋、Mg2＋和Cl－的濃度增加，增加到一定程度時(shí)，KCl的活度積達(dá)到溶度積，鹵水中的KCl以鉀石鹽的形式析出，形成次生鉀石鹽［7］，但是MgCl2的溶解度非常大，其活度積尚未達(dá)到溶度積，所以沒(méi)有析出。鉀石鹽的析出導(dǎo)致鹵水中Mg2＋的濃度增加量要大于K＋。K＋、Mg2＋的濃度增量分別是0.28、0.61moL／L，說(shuō)明每L鹵水溶解了0.61moL光鹵石并析出了0.33moL次生鉀石鹽。

同樣，對(duì)比S1T2－9樣品和S1T1－8樣品，可以得到，每升晶間鹵水從S1T1孔流動(dòng)到S1T2孔的過(guò)程中，溶解了0.22moL光鹵石，析出了0.41moL石鹽和0.18moL鉀石鹽。

綜合以上所述，渠水從供鹵渠到S1T2孔流動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)溶解礦物量見(jiàn)表2，正值表示溶解，負(fù)值表示析出。

表2 驅(qū)動(dòng)溶解礦物量表／（moL／L）

3.3 單位距離的驅(qū)動(dòng)溶解量

用驅(qū)動(dòng)溶解量除以鹵水流經(jīng)的距離，便可以得到單位距離上的溶解量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 單位距離驅(qū)動(dòng)溶解量對(duì)比表

從表3中可以看出，從供鹵渠到S1T1孔的地層中，1L溶劑流動(dòng)1m的地層能溶解0.0123moL光鹵石，從S1T1孔到S1T2孔的地層中，1L晶間鹵水流動(dòng)1m的地層能溶解0.0022moL光鹵石，在前者地層中的溶解量要大于后者。因?yàn)檫@兩處的地層相鄰，所以我們假定地層中的礦物含量是相同的，造成溶解量不同的原因，是因?yàn)槿軇┝鹘?jīng)前者地層時(shí)，溶劑中K＋、Mg2＋濃度比較低，光鹵石的活度積非常低，所以能夠溶解比較多的光鹵石，當(dāng)溶劑流動(dòng)到S1T1孔時(shí)，鹵水中的K＋、Mg2＋升高，光鹵石的活度積也升高，對(duì)光鹵石的溶解能力減小，從而流經(jīng)1m地層的溶解量降低。

從表3中可以看出，光鹵石的溶解量越大，石鹽和鉀石鹽的析出量就越大。

4 總結(jié)

試驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)定階段后可得出如下結(jié)論。

1）每L溶劑從供鹵渠流動(dòng)到S1T1孔的過(guò)程中，溶解了0.61moL光鹵石，析出了1.3moL NaCl和0.33moL KCl，每L晶間鹵水從S1T1孔流動(dòng)到S1T2孔的過(guò)程中，溶解了0.22moL光鹵石，析出了0.41moL NaCl和0.18moL KCl。

2）每L溶劑從供鹵渠流動(dòng)到S1T1孔的過(guò)程中，流經(jīng)1m的地層能溶解0.0123moL光鹵石，每L晶間鹵水從S1T1孔到S1T2孔的地層中，流經(jīng)1m的地層能溶解0.0022moL光鹵石。

3）溶劑對(duì)地層中光鹵石的溶解量越大，石鹽和鉀石鹽的析出量就越大。

致謝：感謝李文鵬老師在論文撰寫(xiě)過(guò)程中的指導(dǎo)，感謝郝愛(ài)兵老師在項(xiàng)目研究過(guò)程中給予工作上的支持，感謝劉振英教授和陳永志研究員在野外工作中給予的生活上的照顧，感謝鹽湖集團(tuán)王石軍和劉萬(wàn)平在野外工作中給予的支持，其他為本文的完成與發(fā)表作出貢獻(xiàn)的工作者在這里一并表示感謝。

［1］王石軍.察爾汗鹽湖鉀鎂鹽礦床可采儲(chǔ)量特征及其開(kāi)采探討［J］.化工礦物與加工，2005（1）：30－32.

［2］青海鹽湖勘查開(kāi)發(fā)研究院.青海省察爾汗鹽湖淡鹵水回灌溶解驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)報(bào)告［R］.1990.

［3］李文鵬.察爾汗鹽湖溶礦驅(qū)動(dòng)開(kāi)采模型及其軟件開(kāi)發(fā)［D］.北京：中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，1991.

［4］李文鵬，劉振英.察爾汗鹽湖溶解驅(qū)動(dòng)開(kāi)采鉀鹽的數(shù)值模型研究——多組分地下鹵水系統(tǒng)反應(yīng)溶質(zhì)輸運(yùn)和平衡化學(xué)耦合模型研究［A］.第六屆國(guó)際鹽湖會(huì)議論文集［C］.北京：地質(zhì)出版社，1994.

［5］Li Wenpeng.Numerical Modelling of Dissolving and Driving Exploitation of Potash Salt in the Qarhan Playa—A Coupled Model of Reactive Sloute Transport and Chemical Equilibrium in a Multi－component Underground Brine System［J］.Acta Geologica Sinica（English Edition），2008，82（5）：1070－1082.

［6］孫大鵬，呂亞萍.察爾汗鹽湖首采區(qū)鹵水溶解光鹵石實(shí)驗(yàn)的初步研究［J］.鹽湖研究，1995，3（4）：40－43.

［7］郝愛(ài)兵.溶解驅(qū)動(dòng)開(kāi)采察爾汗鹽湖固體鉀礦的室內(nèi)試驗(yàn)研究［D］.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），1995.

［8］郝愛(ài)兵，李文鵬.Pitzer理論在變溫高濃鹵水體系地球化學(xué)平衡研究中的應(yīng)用［J］.鹽湖研究，2003，11（3）：24－30.

［9］王文祥，李文鵬.察爾汗鹽湖低品位固體鉀礦液化開(kāi)采的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究探討［J］.礦床地質(zhì)，2010，29（4）：697－703.

［10］薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2003.

［11］中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所.青海別勒灘低品位固體鉀鹽液化開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)［R］.2010.