王文祥，李文鹏，刘振英，郝爱兵，王石军，焦鹏程

（1.中国地质大学 （北京）水资源与环境学院，北京100083；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定071051；3.石家庄经济学院，河北 石家庄050031；4.中国地质调查局，北京100037；5.青海盐湖集团，青海 格尔木816000；6.中国地质科学院矿产资源研究所，北京100037）

钾盐是农用钾肥的生产原料，我国是一个农业大国，但钾肥的对外依存度却高达70%以上。钾盐找矿，不论在国内还是国外，都不是一件容易的工作。不过，值得关注的是，察尔汗盐湖还有2.96亿t低品位固体钾资源，这些资源就相当于一个超大型钾矿。

水溶法开采地下盐类矿床在国内外已得到广泛应用，国外水溶法开采盐矿主要是钻井水溶开采。已有资料显示［1］，察尔汗矿区部分固体钾盐因1989年特大洪水已被溶解转化为液体矿，即天然的低品位固体钾盐发生液化，进入了卤水中，自然界发生的固体钾盐的液化现象，为人工液化开采低品位固体钾盐打开了思路。

对于固体钾矿液化开采的研究，前人已做过许多工作并得出一些重要结论。青海省盐湖勘查开发研究院进行了淡卤水回灌溶解驱动试验［2］，室内静态溶矿试验得出以下结论：溶矿率的高低基本不随溶矿时间延长而增加；随着溶剂加入量的增大，溶质中KCl的溶解率也在逐步增加；溶质的浓度越低，溶矿效果越好。室内动态溶矿试验得出以下结论：溶矿时卤水中KCl、NaCl、MgCl2的含量会有不同，但是总浓度是相对稳定的，始终在27%左右；采用石盐水做溶剂，总的表现形式是溶液中的NaCl析出；固矿中KCl溶解率与溶剂中KCl的含量有关。野外动态溶矿试验表明：试验初期的溶矿率低于平均溶矿率；溶剂的流量大，溶矿效果好。李文鹏提出了局部平衡假设和宏观溶度积的概念［3－5］，并利用FORTRAN语言编写程序模拟了淡石盐水驱动溶解固体盐层，认为在溶矿过程中晶间卤水可分为溶矿驱动后浓度带、弥散交换影响浓度带和原晶间卤水浓度带，固体盐层可以相应分为溶矿驱动后浓度带、溶矿驱动影响带、原固相浓度带，模拟结果显示K＋呈波浪式前进，与前人试验所得结论相吻合。孙大鹏利用察尔汗盐湖首采区外围低浓度卤水溶解光卤石晶体［6］，认为光卤石的溶解使卤水中K＋含量升高，并且在溶解过程中会伴随着大量石盐的析出。郝爱兵通过室内动态溶矿试验得出溶解驱动在时间和空间上可分为溶解驱动前阶段、光卤石阶段、钾石盐阶段和石盐阶段［7－8］。

为了利用察尔汗盐湖别勒滩区段的低品位固体钾盐，2007年中国地质科学院矿产资源研究所联合中国地质环境监测院、石家庄经济学院、青海盐湖集团技术中心在别勒滩开展了以涩聂湖湖水为溶剂，驱动溶解开采别勒滩低品位固体钾盐的野外试验，试验历时102天，共监测水位1011次、取得水样638件，试验结果表明，溶剂中的K＋含量升高，地层中的钾矿物被溶出，证实利用涩聂湖湖水开采低品位固体钾盐是可行的。

1 试验简介

涩聂湖是青海盐湖集团晒盐生产钾肥所剩尾卤与乌图美仁河河水的汇集地，尾卤、淡水与固体盐层相互作用后，形成了高钠低钾的湖水。该试验开挖了一条引水渠，我们称之为供卤渠，用来引涩聂湖的湖水并将湖水注入盐层，供卤渠水头较高。与供卤渠相距约1000m有一条大致平行的采卤渠，采卤渠水头较低，溶剂进入地层后向采卤渠流动，并在流动的过程中与盐层发生固液转化反应。在供卤渠和采卤渠之间布置了4排×5列共20个孔位的监测孔，用来监测驱动溶解过程中水位和水质的变化。试验现场布置图如图1所示。

野外试验于2007年6月9日开始，共分为两个阶段，一是试验刚开始后的非稳定阶段，这个阶段的特征是晶间卤水水位和水质变化幅度较大；二是稳定阶段，此时晶间卤水的水位和水质处于渐变状态。本文主要分析试验进入稳定阶段的驱动溶解过程。

图1 试验场布置图

2 研究区地层特征

试验区地层主要由石盐构成，也含有光卤石、钾石盐、石膏、芒硝、水氯镁石及碎屑沉积物。K＋含量在0.07%～6.12%之间，加权平均含量为0.88%。盐层中石盐晶体之间有孔隙，较均匀、连通性较好，钻孔岩芯常见蜂窝状孔隙，盐层空隙度大者达15%～35%，水平渗透系数为390m／d。盐层富含卤水，卤水密度1.23～1.26g／cm3，矿化度337.76～379.19g／L，K＋含量可达14.3g／L，已浓缩演化为石盐结晶析出后的饱和卤水，属于石盐水及富钾石盐水、富钾光卤石水，主要为氯化物型水。

3 卤水驱动溶解分析

3.1 驱动溶解时段选择

由于试验结束时溶剂只影响到T2排和T3排之间的区域［9］，所以主要分析溶剂对T3排以前的地层的影响。以S1剖面为例来分析水动力场稳定后晶间卤水流动过程中各离子浓度变化。使用达西定律计算S1T1与S1T2孔之间晶间卤水实际流速［10］，渗透系数取180m／d，孔隙度取21%［11］。

式中：V为渗透流速；K为渗透系数；J为水力坡度；U为实际流速；n为孔隙度。

实际流速历时曲线如图2所示，从图2中可以看出，第37天到第71天之间流速比较稳定，流速较低，保持在2.8m／d。T1排与T2排之间的距离为100m，如果忽略地层中大的岩（盐）溶管道，认为盐层孔隙均一，卤水流经这段距离所需要的时间是t＝s／u＝100／2.8d＝35d，从第37天到第71天的时间间隔是35天，所以在试验第37天流经S1T1孔的晶间卤水在第71天时恰好到达S1T2孔。对比第37天S1T1孔的样品和第71天S1T2孔的样品，便可知道晶间卤水从S1T1孔流到S1T2孔的过程中发生的固液转化反应。由于供卤渠中的溶剂是恒定的，所以对比任意一天的溶剂与第37天S1T1孔的样品就可以知道溶剂从供卤渠流到S1T1孔所发生的固液转化反应。

图2 S1T1与S1T2孔之间实际流速历时曲线

溶剂在流动过程中会与原晶间卤水发生弥散混合，但是这种混合对分析固液之间的交换作用无影响。下面对比分析溶剂、第37天S1T1孔和第71天S1T2孔的样品。

3.2 驱动溶解量计算

察尔汗盐湖固相中的矿物主要是石盐（NaCl）、钾石盐（KCl）、光卤石（KMgCl3·6H2O），液相中主要阳离子是K＋、Na＋、Mg2＋，主要阴离子是Cl－，所以我们主要以K＋、Na＋、Mg2＋为研究对象分析盐层中发生的固液转化反应。

表1 为S1剖面样品对比表，R1－1（供卤渠渠水）、S1T1－8、S1T2－9分别是溶剂、S1T1孔及 S1T2孔的样品，表中倒数第2行的浓度增量是由S1T1－8样品离子浓度减去R1－1样品离子浓度所得，倒数第1行的浓度增量是由S1T2－9样品离子浓度减去S1T1－8样品离子浓度所得，浓度增量反映的是卤水在流动过程中由于与盐层发生固液转化作用而溶解（析出）的盐量。下面来分析这三种卤水样品的离子变化。

表1 试验稳定阶段S1剖面离子浓度对比表／（moL／L）

从表1中样品浓度一栏可以看出，地层晶间卤水与溶剂的各离子浓度有较明显差异，地层晶间卤水之间相差不大。从浓度增量一栏中可以看出，样品S1T1－8中K＋、Na＋、Mg2＋浓度较R1－1的浓度增量分别是0.28、－1.3、0.61moL／L，说明溶剂从供卤渠流到S1T1孔的过程中，每L卤水析出了1.3moL Na＋，溶 解 了 0.28moL K＋、0.61moL Mg2＋。Na＋浓度减小了1.3mol／L，表明每L溶剂中有1.3moL NaCl析出。K＋、Mg2＋浓度增大，说明溶剂溶解了地层中的光卤石。光卤石的化学式是KMgCl3·6H2O，溶解1mol光卤石，如果没有K＋、Mg2＋析出，液相中将会增加1moL K＋和1moL Mg2＋，即K＋和Mg2＋的增加量应是相同的，但是表1数据显示，卤水中Mg2＋的浓度增加量要大于K＋。究其原因，是因为卤水中溶解光卤石后，K＋、Mg2＋和Cl－的浓度增加，增加到一定程度时，KCl的活度积达到溶度积，卤水中的KCl以钾石盐的形式析出，形成次生钾石盐［7］，但是MgCl2的溶解度非常大，其活度积尚未达到溶度积，所以没有析出。钾石盐的析出导致卤水中Mg2＋的浓度增加量要大于K＋。K＋、Mg2＋的浓度增量分别是0.28、0.61moL／L，说明每L卤水溶解了0.61moL光卤石并析出了0.33moL次生钾石盐。

同样，对比S1T2－9样品和S1T1－8样品，可以得到，每升晶间卤水从S1T1孔流动到S1T2孔的过程中，溶解了0.22moL光卤石，析出了0.41moL石盐和0.18moL钾石盐。

综合以上所述，渠水从供卤渠到S1T2孔流动过程中驱动溶解矿物量见表2，正值表示溶解，负值表示析出。

表2 驱动溶解矿物量表／（moL／L）

3.3 单位距离的驱动溶解量

用驱动溶解量除以卤水流经的距离，便可以得到单位距离上的溶解量，计算结果见表3。

表3 单位距离驱动溶解量对比表

从表3中可以看出，从供卤渠到S1T1孔的地层中，1L溶剂流动1m的地层能溶解0.0123moL光卤石，从S1T1孔到S1T2孔的地层中，1L晶间卤水流动1m的地层能溶解0.0022moL光卤石，在前者地层中的溶解量要大于后者。因为这两处的地层相邻，所以我们假定地层中的矿物含量是相同的，造成溶解量不同的原因，是因为溶剂流经前者地层时，溶剂中K＋、Mg2＋浓度比较低，光卤石的活度积非常低，所以能够溶解比较多的光卤石，当溶剂流动到S1T1孔时，卤水中的K＋、Mg2＋升高，光卤石的活度积也升高，对光卤石的溶解能力减小，从而流经1m地层的溶解量降低。

从表3中可以看出，光卤石的溶解量越大，石盐和钾石盐的析出量就越大。

4 总结

试验进入稳定阶段后可得出如下结论。

1）每L溶剂从供卤渠流动到S1T1孔的过程中，溶解了0.61moL光卤石，析出了1.3moL NaCl和0.33moL KCl，每L晶间卤水从S1T1孔流动到S1T2孔的过程中，溶解了0.22moL光卤石，析出了0.41moL NaCl和0.18moL KCl。

2）每L溶剂从供卤渠流动到S1T1孔的过程中，流经1m的地层能溶解0.0123moL光卤石，每L晶间卤水从S1T1孔到S1T2孔的地层中，流经1m的地层能溶解0.0022moL光卤石。

3）溶剂对地层中光卤石的溶解量越大，石盐和钾石盐的析出量就越大。

致谢：感谢李文鹏老师在论文撰写过程中的指导，感谢郝爱兵老师在项目研究过程中给予工作上的支持，感谢刘振英教授和陈永志研究员在野外工作中给予的生活上的照顾，感谢盐湖集团王石军和刘万平在野外工作中给予的支持，其他为本文的完成与发表作出贡献的工作者在这里一并表示感谢。

［1］王石军.察尔汗盐湖钾镁盐矿床可采储量特征及其开采探讨［J］.化工矿物与加工，2005（1）：30－32.

［2］青海盐湖勘查开发研究院.青海省察尔汗盐湖淡卤水回灌溶解驱动试验报告［R］.1990.

［3］李文鹏.察尔汗盐湖溶矿驱动开采模型及其软件开发［D］.北京：中国地质科学院，1991.

［4］李文鹏，刘振英.察尔汗盐湖溶解驱动开采钾盐的数值模型研究——多组分地下卤水系统反应溶质输运和平衡化学耦合模型研究［A］.第六届国际盐湖会议论文集［C］.北京：地质出版社，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］孙大鹏，吕亚萍.察尔汗盐湖首采区卤水溶解光卤石实验的初步研究［J］.盐湖研究，1995，3（4）：40－43.

［7］郝爱兵.溶解驱动开采察尔汗盐湖固体钾矿的室内试验研究［D］.北京：中国地质大学（北京），1995.

［8］郝爱兵，李文鹏.Pitzer理论在变温高浓卤水体系地球化学平衡研究中的应用［J］.盐湖研究，2003，11（3）：24－30.

［9］王文祥，李文鹏.察尔汗盐湖低品位固体钾矿液化开采的现场试验研究探讨［J］.矿床地质，2010，29（4）：697－703.

［10］薛禹群.地下水动力学［M］.北京：地质出版社，2003.

［11］中国地质科学院矿产资源研究所.青海别勒滩低品位固体钾盐液化开发的关键技术［R］.2010.