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辅学部分第一章 海洋开采第二章 盐湖矿床开采第三章 钻孔水溶法第四章 气化开采第五章 钻孔水力采矿第六章 钻孔热熔法第七章 砂矿床开采
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第一章 海洋开采
新世纪在加速利用海洋矿产,对具科学价值和经济效益的海洋新型矿产资源的认识在不断增长。海洋矿产资源的利用受到日益增长的社会和工业需求的带动。陆地矿产资源供给不足、战略性需求、考虑环保因素或海底矿产资源更经济时,人们才将目光转向海洋。由于认识到海底矿产资源潜力的重要性,
联合国大会于 1994年通过了,海洋法,,将海洋分为 200海里内的专属经济区和 200海里外的国际海域。
专属经济区的资源由邻近的海岸国家管辖,国际海域资源属“人类共同遗产”由国际海洋管理局管理。
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第一章 海洋开采
1 我国海洋矿产资源可持续利用
1.1海洋矿产资源的主要类型
1.2 我国海洋矿产资源开发利用面临的主要问题
1.3我国海洋矿产资源产业化发展的对策
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1 我国海洋矿产资源可持续利用
21世纪是海洋开发的时代,海洋是一个巨大的资源宝库,
开发蓝色国土,拓展生存和发展空间,,人类重返海洋,将成为全球经济发展的大趋势。世界沿海国家和地区正在进入全面开发利用海洋的新时期,美、俄、中、英、法、日、加拿大、
韩、印度以及东盟诸国等 140多个国家相继制定海洋科技发展和海洋开发计划,采取具体措施加快抢占海洋科技的制高点。海洋开发已成为全球产业进步的重要标志,海洋经济已成为全球经济发展的重要增长点。海洋是强国之本,谁掌握了海洋,谁就掌握了经济发展的未来。
我国是海洋大国,但不是强国,人均占有陆地面积和资源量都远远低于世界平均水平。为了推动海洋经济持续快速的发展,科技部、国家计委、国家海洋局、农业部联合推出了,科技兴海,计划。,中国海洋 21世纪议程,把,科教兴海,作为海洋经济可持续发展的重大意义的战略选择。海洋经济的开放性和带动性,强渗透力、宽辐射,可以拓展新的经济增长空间,优化经济结构,建立开放型特色经济,促进我国更快走向世界,对实现中华民族 21世纪的伟大复兴具有重要政治经济意义。
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1 我国海洋矿产资源可持续利用
1.1海洋矿产资源的主要类型在海洋矿产资源的开发利用中,依据不同的分类方法,海洋矿产资源可划分为各种类型,按照可持续发展的战略思想及人们的认识和勘探开发程度,
海洋矿产资源可划分为:
1)已开发利用的矿产资源
2)尚待开发利用的矿产资源
a) 大洋多金属结核矿
b)富钴结壳
3)具有潜在开发价值的矿产资源
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1)已开发利用的矿产资源已开发利用的矿产资源主要在大陆架,大陆架是大陆与海洋的联结部分,海水较浅,一般海水深度在 200m 以内。大陆架的总面积约为 2800km2,约占海洋面积的 7.6% 。大陆架中的矿产资源主要有石油、天然气、滨海和浅海砂矿等,已经开发利用。
海洋油气资源在海底矿产资源中勘探开发的规模最大,我国有 18000公里海岸线,沿海有广阔的大陆架,分布着许多中 ——
新生代盆地,其沉积厚度达数千米,沉积物中有机质丰富、生油指标好、产油潜力大、很有希望成为未来的,石油之海,。自 60
年代开始,我国已在近海发现了 7个大型含油气盆地,估计石油资源总量约 260亿吨、天然气资源量约 14万亿立方米。此外,我国滨海砂矿种类较多,已发现 60多种矿种、估计地质储量达 1.6
万亿吨,1995年探明的总储量为 16.41亿吨。根据现有技术条件、
具有工业开采价值的主要有钛铁矿、锆石、金红石、磁铁矿、铬铁矿、磷钇矿、砂金、石英砂、型砂、建筑用砂等 10余种。这些海洋矿产已成为海洋的新兴产业,而且占有越来越重要的地位。
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2)尚待开发利用的矿产资源尚待开发利用的矿产资源主要包括大洋多金属结核、富钴结壳等。这些矿产资源均含有丰富的铜、钴锰、镍等,战略金属,,而我国陆上的铜、钴、锰、
镍资源,除镍基本可以自给外,其他 3种长期供应不足,
40多年来仅进口这 3种金属所需外汇平均每年在 2亿美元以上。随着生产的发展,这 3种金属的供应缺口将越来越大,镍的供应也将出现不足。因此,多方位多渠道参与国际海底矿产资源开发,增加我国在国际海底资源的人均占有量,不仅是实现社会经济可持续发展的战略性目标,而且也是国际海洋权益斗争的需要,
同时还是维护全人类共同继承财产原则的重要举措。
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2)尚待开发利用的矿产资源
a) 大洋多金属结核矿 。多金属结核矿是赋存于水深 4000m~ 6000m 的海底软泥之上的一种土、棕、黑色的团块矿石,其直径大多为 0.5~ 25cm。需要指出的是我国是世界上 5个国际洋底多金属结核矿开发的先驱投资者。
b)富钴结壳。 钴壳矿床是在水深 800~ 2400m深的海底山脉的斜坡面或顶部基岩上呈层状产出的坚硬矿床。
厚数毫米至数厘米,组成成分与多金属结核矿相似,
但钴的品位较高。多金属结核矿和富钴结壳均含有丰富的镍、钴、锰、铜等战略金属,因此开发海底矿产还有经济上的紧迫性。
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3)具有潜在开发价值的矿产资源世界海洋水的总量约为 13.7亿 km3,约占世界总水量的 97%。海水中含有大量的多种元素,海水最丰富的盐,其量可达 377× 106 亿 t,按目前全世界每年平均生产海盐 1亿 t计算,可供人类用 5亿年。海水中的铀、锂水溶解物质都是核反应的重要原料。
如果把这些元素通过核反应,所释放出来的能量相当于 300个地球的海域那样大小的油库燃烧的能量。
目前一些发达国家海水提取钾、镁、碘、溴和铀已进入小批量生产。虽然海洋矿产资源有的已经开发利用,有的尚待开发、有的具有潜在开发利用价值,
但再开发利用过程中也面临诸多问题。
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1.2 我国海洋矿产资源开发利用面临的主要问题我国海洋矿产资源的开发起步较晚,从总体来看,技术仍然比较落后,与发达国家相比,存在着一定的差距,但在某些种类矿产资源的开发方面大有后来者居上的势头。目前我国海洋矿产资源开发利用所面临的主要问题,可以归纳如下:
1)公民资源意识淡薄,海洋资源开发、使用不当,资源遭受损失环境遭到破坏
2)技术落后,生产效率低,造成资源浪费,引发环境问题
3)周边国家对资源的需求,引发与我国海域之争
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1.2 我国海洋矿产资源开发利用面临的主要问题
1)公民资源意识淡薄,海洋资源开发、使用不当,资源遭受损失环境遭到破坏
80年代以来,由于我国基本建设加快,河砂的短缺使得人们非法从海岸线挖砂。有人测算,近 15年来,我国从海洋挖砂约为 4.5亿吨,平均每公里海岸取砂 2,5
万吨。 但事实上,还远远不止这个数字。更有甚者,
某些地方或企业,做起了海砂的生意,利用海砂出口。
此举不仅仅是高价值资源低价出售的问题,而且海砂中一些砂矿资源未经研究就直接将其当作普通建筑材料砂使用或买卖,造成资源浪费,使国家蒙受损失。同时,
大量开采海砂,会破坏海岸环境,带来海水入侵、海岸侵蚀等严重后果。不仅如此,海洋资源的配臵、使用不当,也会引发与其他海洋产业的矛盾,这远非其低值收入可以弥补的。
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1.2 我国海洋矿产资源开发利用面临的主要问题
2)技术落后,生产效率低,造成资源浪费,引发环境问题世界上先进国家在滨海砂矿开发和选矿技术上,
基本实现了机械化、自动化,且水上、水下均可以进行开采。如日本,多用抓斗式和吸扬式挖泥船,功率大、效率高。而我国滨海砂矿仍限于水上露天开采,
水下采矿尚少,且大多为集体和个体民采,以土法采选为主,机械、半机械化生产还没有普及。近年来,
选矿技术有所提高,采用浮选、磁选和电选等方法进行精选,总回收率可达 40%~ 50%,但总的看来,我国采矿和选矿技术比较落后,生产效率不高,有用矿产物回收能力差,综合利用程度低,不同程度地造成了资源浪费和环境破坏。
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1.2 我国海洋矿产资源开发利用面临的主要问题
3)周边国家对资源的需求,引发与我国海域之争海洋石油产业的飞速发展,使其在开发蓝色国土、发展海洋经济中的地位和作用越来越重要。首先,海洋石油产业为工业发展提供了血液 —— 石油,大大增强了国民经济发展的实力。其次,海洋石油产业日益发展的需求市场,带动了其他相关产业的发展。第三.海洋石油产业的发展,需要引进国外先进技术和经营管理经验,对海洋经济的发展起到了对外全方位开放的窗口作用。第四,海洋油气资源不同于陆地资源,特别是在有争议的海洋区域,如果本国不对其进行开发,就会被其他国家抢先。目前南海周边多个国家与我国有严重的海洋争端,出现了我国海洋岛屿被侵占、海洋区域被分割,海洋资源被掠夺的严重局面,仅争议海域面积就达到 150余万平方千米,占我海域辖区的一半以上。
例如,在我国南沙海域发现有丰富的石油资源后.就引起不少周边国家前去侵占。发现油气资源前,这些周边国家从未对我南沙海域提出过领土要求,如某国曾经几次在本国报纸上声明南沙海域是中国的。但是,从这一海域发现石油后,该国侵占我南沙海域岛礁比任何周边国家都严重,而目,还无理阻扰我国在这一海域的勘探开发作业。针对上述问题,我国海洋矿产资源的开发必须采取相应对策。
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1.3我国海洋矿产资源产业化发展的对策
1)正确处理好各种海洋矿产资源之间的关系我国海洋矿产资源开发正处在一个新的发展阶段。
作为一个海洋大国,应从国家的长远利益出发,全面搞好海洋矿产资源的调查与开发工作,首先要做好海洋地质与矿产的基础调查研究和勘探,以不断发现和探明新的矿产资源。同时,要大力进行海洋探查和资源开发技术的研究,使资源优势尽快变成经济优势。
海底矿产资源是全人类的共同财富,为维护我国的合法权益,造福子孙后代,提高我国在该领域的国际地位,打破西方国家对国际海底资源开发的垄断,要抓住时机,加速开展大洋矿产资源勘探与开发工作,尤其是对富钴结壳和多金属硫化物的调查。
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1.3我国海洋矿产资源产业化发展的对策
2)要科学、合理、高效地对海洋矿产资源进行开发海洋矿产存在的形态,既有固相、液相,也有气相;
既有存在海底之下的,也有存在海底表层或者海水之中的。类似于陆地矿产,海洋矿产成矿过程也是漫长的,
少则千百万年,多则数十亿年。它们中除极少数外,绝大部分是不可再生资源。因此,海洋矿产资源的开发活动必须控制在科学、合理、高效益的水平上,综合开采、
利用,开源节流。既要考虑国内市场的需求和价格,更要考虑国际市场的需求和价格,还要考虑政治上和国家安全上以及长远战略储备等因素。像石油这样的战略物资,当国际石油供大于求,价格下跌的时候,我们自己的石油开采速度就应适当放慢,更多地利用国外的石油资源。
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1.3 我国海洋矿产资源产业化发展的对策
3)在对外开放基础上,加强海洋矿产开发的国际合作海洋石油产业具有高投资、高风险、高技术的特点。
这些特点使得技术落后、经济贫困的发展中国家只靠自己的力量,难以独立开发、独立承担风险。改革开放为我国找到了一个适合国情的办法.就是用我国海洋油气资源吸引发达国家的海洋石油公司前来和我们合作开发,
用合作开发的一部分原油换取或补偿外国投入的资金和先进技术。为此,要继续扩大石油勘探开发的对外合作、
并争取深海多金属结核勘探开发的合作。同时,要主动参加国际海洋地学重大合作项目,如跨世纪的大洋钻探计划 (ODP)。在这过程中,尤应特别注重学习国外先进的科学技术和管理经验、培养人才,增强我们自己的实力,提高自己的水平。
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1.3 我国海洋矿产资源产业化发展的对策
4)海洋矿产开发与海洋环境保护同步和并重海洋矿产的开发属于新兴产业,海洋矿产资源的开发,应坚持可持续发展的原则。由于矿产资源是耗竭性资源,所以对于那些赋存稳定,不易流动的重要战略资源,应该节制开发欲望,要顾及下代人的发展需求,不宜实行,有水快流,的开采方针。
5)增强海洋国土意识,依靠科技进步开发海洋矿产
2l世纪是海洋开发的世纪,人类对资源的需求越来越依赖于海洋。我国海域蕴藏着丰富的海洋油气资源,为我国海洋石油产业发展,提供了重要的物质基础,未来石油产业在海洋经济中的地位和作用必将日益增强。
我们应当加强宣传教育,增强全民族的海洋国土观念和海洋权益意识,利用好海洋这片蓝色的国土。但海洋的开发需要高新技术,海洋表面、水下和海底资源的开发,必然伴有狂风.巨浪、海冰、高压、腐蚀等恶劣条件。
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第一章 海洋开采
2 海洋矿产开采的特点
2.1 海洋环境条件恶劣
2.2 海洋采矿是涉及诸多行业和学科的高技术密集型的系统工程
2.3 海洋采矿中应注意与其它海洋资源开发之间的关系
2.4 周期较长
2.5 具有国际性的特点
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2 海洋矿产开采的特点由于海洋是一个独立的自然地理单元,决定了海洋矿产开发具有与陆地资源开发所不同的特点。
2.1 海洋环境条件恶劣。
矿产开采必然拌有狂风、巨浪、海冰、高压、腐蚀等恶劣条件,开采难度大、技术要求高,属于,三高,
(高投资、高风险、高技术 )工程。但是,为了在开发和占有海洋的竞争中取得主动,一些发达的国家不断进行技术创新,投入了大量的人力、财力用于海洋高技术的开发研究,并已获得了许多技术上的成就和经济上的利益,即使是人均占有资源居世界第一的俄罗斯,尽管国内经济一直低迷,也从没有放弃过对海洋高技术的研究。
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2 海洋矿产开采的特点
2.2 海洋采矿是涉及诸多行业和学科的高技术密集型的系统工程。
如地学、机械、电子、通讯、冶金、化工、物理、
化学、流体力学等学科和造船业、远洋运输业等行业支持海洋矿产的开发。同样,海洋采矿的发展势必促进这些行业和学科的进一步发展,这就具有重要的战略意义。
2.3 海洋采矿中应注意与其它海洋资源开发之间的关系。
它们之间相互促进、相互制约。此外在开采中还要注意保护海洋环境,避免污染和破坏海洋生态平衡,
即注意开发和保护之间的矛盾,所以需要精细的管理,
以求获得最佳的经济、环境和社会效益的统一。
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2 海洋矿产开采的特点
2.4 周期较长。
国外实践表明,海洋 (深海 )矿产开采新技术,从开始研制到投入实际应用,通常需要 10- 20年的时间。如日本从
1975~ 1997年投资 10亿美元,研究锰结核的勘探和技术开发,
进入试采阶段;美国与日本几乎同期开始进行大洋矿区的勘探和采矿技术的研究,累计投资 15亿美元;印度、英国、意大利等国也经过了长期的研究。可见各发达国家这种长期的投入研究不仅仅是国内经济发展的需求,主要是面向未来,
是对未来的研究和投资。
2.5具有国际性的特点。
海底矿产资源可能是跨国界或共享的,涉及各有关国家之间的利益,需要国际之间的协调和合作。
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第一章 海洋开采
3 海洋矿产开采技术
3.1石油、天然气可用开采方法
3.2多金属结核矿
3.3其它矿产
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3 海洋矿产开采技术针对各种海洋矿产资源特点,开采方法如下:
3.1石油、天然气可用开采方法,石油钻井平台、钻井装臵、海底采油系统。
早已进入工业化生产,是非常成熟的开采技术。
我国自主开发研制的一批技术装臵达到或接近国际先进水平。
3.2多金属结核矿,提炼出具有战略意义的多种金属。
1、连续铲斗提升采矿系统 2、管道提升采矿系统 3、
穿梭潜水集矿机系统 4、海底自动采矿系统。
基本完成小试,进入中试阶段。管道提升采矿系统被认为是非常有前途的开采方法。国内首先对这种方法进行研究取得了初步成果。
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3 海洋矿产开采技术
3.3其它矿产,提取铁砂、金砂、锡砂及其它矿物。
国外采用各种采掘装臵和大深度挖掘机,是一种基本成熟的方法,已进入工业化生产,但我国以土法采选为主,技术落后、生产效率低。
1,3类矿产都有成熟的开采方法,这里不再赘述。
主要分析研究结核矿的第二种开采方法 (多金属结核矿 )。
(1)连续铲斗提升采矿系统
(2)管道提升采矿系统
(3)穿梭潜水集矿机系统
(4)海底自动采矿系统
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3.3 其它矿产
(1) 连续铲斗提升采矿系统连续铲斗提升采矿系统 (continuous line bucket
system)简称 CLB法。它由采矿船、铲斗、高强度尼龙缆索等组成。长 15km 的尼龙缆索上以一定的间距
(25~ 50m)悬挂系列铲斗,通过尼龙缆索从海面船只
(一船或多船 )到海底连续回转来进行采矿作业。该系统具有开采和提升两个功能。这类采矿技术具有系统简单、成本较低的优点。但是若在同一船上操作,尼龙缆索环路的两端容易缠结,影响开采效率,若采用两只船,涉及到配合移动和成本等问题,所以影响了其进一步的发展。
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(2)管道提升采矿系统管道提升采矿系统 (pipeline lift
mining system)是目前各国 (包括中国 )研究开发的重点。该系统基本工作原理是利用液体提升固体悬浮物,即从采矿船上吊下输送管到海底,集矿装臵把收集到的多金属结核矿石送到提升管道口,再利用液流的循环 (利用气举或射流原理 )将矿石通过管道输送到地表。船体可在开采时做有一定限度的纵向或横向移动。该采矿系统适用于大规模有效开采海底多金属结核矿。
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(3)穿梭潜水集矿机系统穿梭潜水集矿机系统 (cross-country dive
collectine convergor system)是由长、宽、高分别为 24m,12m,7,5m 的穿梭潜水集矿机在海底采集多金属结核矿石,当采集到一定数量后上升至海面,把采集到的矿山卸到海面平台上,然后用废石料作为压载物再下沉到海底继续开采,
如此循环作业。该系统具有灵活机动、采矿效率高的特点。但由于仪器和设备较多,控制操作比较复杂,影响作业的可靠性。
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(4)海底自动采矿系统海底自动采矿系统 (automatic submarine mining system)
是连续铲斗提升采矿系统和穿梭潜水集矿机系统的结合体。即加设了提升管道的,穿梭集矿系统,,或是由遥控潜水采矿机代替连续铲斗采矿系统。
上述 4种采矿系统国外都已生产出样机,3,4种方法自动化程度非常高,研制费和使用保养费都较高。国内有关单位经过分析比较,将管道提升采矿系统作为首选的研究对象。但在对该采矿系统的子系统 —— 扬矿管道内液体的扬升方法上还需进一步分析研究。
管道内液体的扬升方法实际上就是采用气力提升还是水力提升方式。将这两种提升方式的研究结果列表比较,可以看出:
①气力提升系统比水力提升系统简单,管道中无运动件;②
水力提升时在泵区造成多金属结核的强破碎,这对选矿虽然有利,但将造成扬矿能量的损失和管内流体状态的改变,反过来也影响了泵和管道在研制时所考虑的工作条件。
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第一章 海洋开采
4 海洋矿产资源的开采
4.1 海水矿产资源的开发
4.2 海底坚固矿床的开采方法
4.3 浅海海底松散砂矿床开采方法
4.4 深海海底矿床的开采方法
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4 海洋矿产资源的开采
海洋矿产资源分布极广,赋存形态各异,所以开发的方法也不相同。为了叙述方便,将各类矿产资源的开发分为:
1)海水的开发利用;
2)海底坚固矿床开采;
3)浅海海底松散砂矿床的开采;
4)深海海底矿床 (锰结核 )的开采。
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4.1 海水矿产资源的开发海水中矿产资源虽多,但大多数含量甚微,因此目前大多数未进行工业生产。现在进行工业生产的只有盐、镁、溴、
钾、钙和人造淡水等。由海水中提取铀正在进行半工业性试验,可望不久将获得突破。我国沿海借助日晒风吹法从海水中提取食盐及副产品已有悠久的历史,现在世界上每年由海水中生产食盐约 l亿 t。由海水中提取镁已有 30余年的发展历史,海水中提取的镁已成为金属镁产量的主要部分。海水脱盐生产淡水是一种新的重要工业,从广义来说,水也是一种矿物。海水淡化方法日益改进,如多级急骤蒸馏淡水装臵,
离子交换膜淡化装臵和反渗透淡化装臵等,海水淡化技术发展很快,不仅生产淡水,同时还生产很多副产品。海水中提取溴、钾、钙的工业生产也都相继发展起来。
海水中含铀总量为 40亿 t,陆地上的铀只 100万吨,比海水中小 3000倍。英、日、德这些缺铀的国家正在积极进行海水提取铀的试验,并已获得初步成功,1t海水仅含 3mg铀,必须用吸附剂将铀吸附出来。德国利用一种廉价的蓝色无机颜料进行离子交换从海水中提取铀,效果比较好。日、英都计划进行工业生产。海水中提金,40年前法国曾进行过试验。
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4.2 海底坚固矿床的开采方法现在进行海底坚固整体矿床开采,其开采方法与陆地大致相似,主要区别在于防止海水涌人坑内。
海底开采必须注意以下几项,以防止过于显著的涌水:
⑴弄清水文地质情况;⑵防止岩石移动,及时充填;⑶使用刚性的充填材料,如石英砂等;⑷禁止使用大爆破;⑸矿柱要规则,最好布臵成格子状;
⑹矿床上部岩层中必须有一定厚度的不透水岩层,
并不能受破坏,遇裂缝及时封闭;⑺设臵岩石移动测量和观察装臵;⑻配备有充分的排水设备;⑼巷道内装设有防水设备,如防水墙,防水门等。
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4.3 浅海海底松散砂矿床开采方法海底砂矿种类很多,多使用采砂船进行开采。由于砂层厚度不同和海水深度不同,使用的开采方法也不相同。采砂船的形式有:多链斗的、拉斗的、抓斗的、带挖头的吸砂船、不带挖头的吸砂船,深海水力采砂船和气泡泵吸砂船。海底开采并不像一般想像的那样困难,这是因为具备以下有利条件,1)由于是松散矿砂,开采时一般不用炸药进行爆破和破碎; 2)矿床贮存在海底的上部,开采时一般不用剥离;当矿砂上部有覆盖的废砂层时,剥离工作也比较容易; 3)不用开凿矿井,不用掘进巷道,也不需要地面上的工业建筑,一切工作都在船上进行;
4)容易实现自动化,并连续生产; 5)设备容易移动; 6)可以利用水上运输的有利条件。 7)矿石在水中显示的重量轻,磨损小,可以利用水力或气泡提升; 8)选洗工作在船上进行,废砂、
尾矿和废水容易排走,节省了搬运费用; 9)海底砂矿床一般面积大,分布较均匀。
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4.4 深海海底矿床的开采方法深海海底矿床开采比浅海海底矿床开采的难度更大,海水深,水压大,浮动台架难以稳定,海水腐蚀性强,距陆地更远,
运输供应更感不便,急风恶浪冲击愈加激烈,定位测量更为复杂,设计和寻求一种经济有效而安全的海底采矿系统,确实困难不少。近十余年来,国外进行了一系列的深海采矿技术试验研究,花费了大量资金,积累了不少成果。虽然尚处于试验阶段,但却在迅速完善和发展。
深海海底采矿与陆地采矿区别很大,它不用常规采矿那样的开拓、采准系统;也用不着凿岩、爆破、地压管理和通风这些基本工艺过程。但有两点两者却是相同的,一是采矿的对象都是矿床;二是采矿的目的都是有计划有步骤地将矿石采集并运送到加工地点,因此深海海底采矿方法也是由开采对象、开采机械 (手段 )和开采工艺三者有机结合的一个体系。
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4.4 深海海底矿床的开采方法深海海底采矿和陆地采矿一样,决定采矿工艺和设备的基本前提是矿床自然 (地质 )条件和开采技术经济条件。因此在选择开采方法时必须考虑:
(1)矿床自然条件的特点,1)海水深且有腐蚀; 2)距陆地远,气候恶劣多变; 3)锰结核赋存于厚度达 0.6km的硅质软岩和红粘土表面,对设备的支撑能力小。
(2)开采技术经济条件,1)不允许大量沉淀物被提升而污染海面; 2)锰结核的最大块度不能超过提升管径的 1/ 3。 3)技术装备和材料的供应:深海采矿对技术装备水平要求很高,
需要航海造船、冶金、通讯、电气、机械、采矿、远洋定位测量等多种现代工业技术部门配合。 4)要求较高的技术管理水平,深海采矿是一门综合性强,技术复杂的新兴工业,要求有现代管理理论武装的人员,应用现代管理方法和管理工具进行科学管理。
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第一章 海洋开采
5 海底锰结核锰结核是上世纪 70 年代才大量发现的著名的深海矿产。
褐色的锰结核,外观象土豆,切片来看,一层层的又象葱头。
这种结核体往往是以贝壳、珊瑚、鱼牙、鱼骨为核心,把其它物质聚集在周围。生长速度很缓慢,大约 1000 年生长 1毫米,有的 100万年才生长 4毫米。其经济价值很高,估计在太平洋的分布面积约为 1800万平方公里。
1872年,英国海洋调查船,挑战号,进行海域作业时,
偶然用拖网在洋底发现了一种类似鹅卵石的东西。他们当时不会想到,沉睡在海底亿万年的深海珍宝被发现了。 1873年,
他们再次从拖网中发现了这种奇怪的鹅卵石,这次引起了他们的注意。 1959年,美国科学家系统整理了调查船对锰结核调查的成果,提出了锰结核可以开发利用。从此,锰结核日益受到许多国家的注意。
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锰结核的颜色和外形并不美观,颜色从浅棕色到黑色,它的剖面是环状层层包裹。为什么人们对它如此重视呢?这是因为锰结核含有 55种金属和非金属。
目前,有提取价值的金属是锰、铜、钴和镍四种。通过大量调查,发现锰结核在三大洋底都有分布,太平洋底最为富集,储量相当可观。根据科学家估算,世界大洋锰结核总储量可达 3万亿吨,其中含镍 291亿吨、
铜 159亿吨、钴 1105亿吨、锰 7260亿吨。若按 1981年世界的消耗量估计,其中所含的镍可供全世界用 2.4
万年,铜可使用 900多年,钴可用 34万年,锰可用 1.8
万多年。由此可见,锰结核是名副其实的金属宝库。
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有些金属,陆地上只够用几十年,而海底锰结核所含金属可供人类利用几百年,
甚至上万年,还取之不尽,用之不竭。世界海底每年还会自生约千万吨锰结核。海底锰结核储量如此之多,又能不断自生,
所含有用元素又如此丰富,据有些学者估计,若采出物含有 1%的锰结核,就具有经济价值,所以锰结核开采的发展前途是极其远大的。
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世界海洋除北冰洋未勘探考查外,在太平洋、
大西洋、印度洋各大洋底都蕴藏有锰结核矿床。
太平洋是锰结核最富地区,锰结核几乎覆盖了洋底百分之百的面积,宛如一条锰结核铺成的地毯,
被誉为,锰砌的航路,。我国台湾省南部海洋一带也是富有区。
锰结核分布在 4000- 5000米深的海底,那里有高达 400- 500个大气压,因此开发起来难度非常大。从 20世纪 50年代开始,许多国家行对锰结核的开采方法进行了大量的研究,有许多方法在实验中被淘汰。现在一般认为有三种方法比较经济:
1.水力提升采矿系统; 2.空气提升采矿系统; 3.
连续链斗式采矿系统。
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我国对大洋锰结核的调查研究是从 20世纪 70年代中期开始的。对太平洋水域进行了大规模调查研究,堪查面积达 200平方公里,圈出了 7.5万平方公里的远景矿区,并以,中国大洋矿产资源研究开发协会,名义向联合国海底委员会申请,1991年 2月联合批准中国为先驱投资国,可以讲这是中华民族的骄傲。目前,由于锰结核的开采难度大、耗资大,还没有进入商业性开采,估计到下世纪中叶可能进入大规模开发阶段。
现在一般利用采矿船来开采锰团块。由装有深海电视的采矿机在海底收集锰团块,通过软管抽气像吸尘器一样,把锰团块经软管连续地吸到地面上的采矿船中,每天采矿量可达 3000吨 。
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第二章 盐湖矿床开采我国是世界上多盐湖的国家之一。固体矿床的主要盐类资源有石盐、芒硝(硫酸钠)、天然碱、
石膏等,液体矿中含钾、钠、钙、镁、硼、锂、溴、
碘、铀等。
盐湖矿床的开采方法分固体矿床和液体矿床开采。固体矿床的开采有分为露天开采和溶解开采。
赋存条件简单、矿石品位高的矿床,用露天开采法;
赋存条件复杂、矿石品位低的矿床,用溶解法。液体矿床开采分为:管井式、渠道式和井渠结合式三种中,渠道式开采法只适合开采水位埋深接近地表、
含水层厚度小于 10m的潜水型含水层;水位埋深大和含水层厚度大的液体矿床,采用管式或井渠式结合开采法。
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第二章 盐湖矿床开采
1 普通露天开采盐湖固体矿床的疏干开采,常采用挖掘机、装载机、铲运机等采掘设备,其开采工艺与工作组织和一般露天矿大体相同。
2 轨道式联合采盐机开采开采工艺流程包括:铺移轨道、剥离盐盖、盐层采掘,矿石装运等工序。
采盐机在轨道上往返行驶采掘盐层的工序包括:
切盐器切割松散盐层,并把固体盐层与卤水混合成矿浆;盐浆泵通过吸盐管吸取矿浆;水力旋流器和弧型筛进行固液分离;固体盐的提升、清洗和装车。
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第二章 盐湖矿床开采
3 采盐船开采根据与采盐船配合运输设备类型及配合关系有四种工艺方案采盐船采掘 —— 汽车运输开采;采盐船采掘 —— 铁路运输开采;采盐船采掘 —— 管道运输开采;采盐船采掘 —— 驳船运输开采。
4 溶解开采利用盐类矿物易溶于水的特点,对赋存条件复杂、品位低的矿床,采用溶解法,把采矿和加工结合起来。
溶解采矿法,是利用水或其他溶剂。溶解提取矿床内有用矿物的采矿方法。其中也包括对于含量较低,散布于矿床的有用矿物进行溶浸 (或称浸析、浸取、过滤 )开采。
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第三章 钻孔水溶法地下溶解岩盐的钻孔开采方法已在世界各国广泛应用。近年来开始用这种方法来开采钾盐,采盐是最古老的采矿行业之一。
钻孔水溶法 通过钻孔溶解岩盐,其作法可概括如下:钻穿覆盖岩层,往钻孔内下沉护壁套管,在孔壁与管壁间灌注水泥浆,然后再钻到盐层内的设计部位,
下沉同心式安装的水管和卤液管;向钻孔内压入使岩盐溶解的淡水,在压力作用下,卤液通过卤液管升至地表。
岩盐的地质溶解分为非控制性的和可控制的两种。
直流和逆流溶解属于非控制性的地下溶解。
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第三章 钻孔水溶法为了进行直流溶解,要向钻孔内下沉一套工作管,管端距盐层底板 1~ 2m。水通过内管进入,而卤液则沿两管间的孔隙被压出。在初期,由于水溶解孔壁盐层导致水中盐的饱和。溶解孔壁盐层的速度很快 (达 15cm/ d)。在溶解过程中形成梨形峒室。在峒室内有两条不同的液体运动带:近孔带,水在此带内是从下往上运动;外围带,卤液在此带内是从上往下运动。卤液聚集于峒底,而淡水也进入此处,因为溶解液要与卤液混合并沿近孔带上升,所以在直流溶解时不形成淡水强烈溶解峒壁的条件。随着岩盐的溶解,峒室逐渐变成顶端向下的漏斗形状。
在直流溶解条件下峒室是逐渐形成的,从孔内抽出的卤溶一般都未完全饱和。直流溶解法还有一系列其它较大的缺点:盐的回收率低 (2.5% ),由于是非控制性溶解,因而地表有沉陷的危险,开采钻孔的服务期短,当不溶物的数量高于 10%时,此法不能运用,钻孔的产量低 (只有 10~ 15m3/ h),开采时间不长
(不超过 3— 5a)。而开拓时间短 (约 30d),钻孔结构简单和设备费用少,则是直流溶解法的优点。在前捷克斯洛伐克的普列谢夫斯克卤液场和波兰的“伟大”卤液场均采用直流溶解法。
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第三章 钻孔水溶法逆流溶解时的钻孔结构与直流溶解时的钻孔结构相似,而往孔内注水则是沿两管之间的空隙。水进入峒室是从上而下。生成的卤液聚集于峒室下部时,经内管排至地表。由于在淡水不断进入的峒室上部有未饱和的卤液存在,导致在盐层顶部迅速形成宽大裂隙;
裂隙向四周发展的速度很快,达 3cm/ d,逆流溶解法的主要缺点是直流溶解法的那些缺点。此外,逆流溶解时在钻孔底部沉淀的不溶物质会污染卤液,还可能使卤液管堵塞。与直流溶解法相比,逆流溶解法具有盐回收率高 (达 10% )和钻孔服务期长 (达 8a)等优点。
在德国、前苏联和美国运用逆流法溶解。
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第四章 气化开采
1 概述我们把,煤的地下气化,一词理解为从煤获取可燃气体的.过程,而把,地下煤气发生灶,一词理解为在进行气化的那部分煤层。顺着煤层走向和倾向形成的气化道是地下煤气发生灶的重要组成部分,在其中进行着输入气化道中的氧与固相物 (煤和围岩的各种化学成分 )的相互作用。氧进入气化道,很快被加热,再向前运动,便开始与煤中的碳反应,
生成一氧化碳和二氧化碳。生成的二氧化碳和来自煤层和围岩的水蒸气沿气化道继续向前运动,流经其赤热的表面,并被碳还原,生成一氧化碳和氢。可燃气体在沿气化道继续运动时使煤烧热,因而发生煤可燃成分的热分解,放出进入气流的挥发物质。之后仍然有着较高温度的气体混合物流经气化道余下的表面,烤干煤炭。因此,在气化道中的气化过程可以划分成四个带 —— 氧化带 (或燃烧带 )、还原带、煤的热分解带、烤干带。
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2 基本方案可把所有的地下煤气发生灶分为两种:一种是只有一条单独气化道,另一种的气化道则与一条燃烧道连接。建设这种煤气发生灶时的开拓工程如下:在倾斜和急倾斜煤层中,气化道顺倾斜方向布臵。首先钻凿煤气输出孔,用金属管加固孔壁,而孔壁和管壁之间的空隙用水泥浆充填。随后开始钻凿一定长度的气化道和送风孔。送风孔末端和气化道是采用渗透贯通法或水力压裂法贯通的。在这之后,便开始气化道的火力处理。如煤层是水平的或缓倾斜的,则用钻凿法开拓气化道。对于厚度小于 lOm的煤层,
所推荐的煤气发生灶的长度为 400~ 500m(顺煤层倾斜方向 )。沿走向方面的尺寸则取决于煤气发生炉的产量,此时应该考虑,煤气的最佳质量是在下列气化强度条件下取得的,即沿顺走向方面每 100m长度产煤气 2万 m3(2m厚的煤层 )和 8— 10万 m3(8— 10m厚的煤层 )。鼓风钻孔的直径应不小于 250一 300mm,而煤气输出孔的直径不应小于 350— 400mm。煤气输出孔之间的距离 (即气化道之间的距离 )应在 50~ 60m的范围内。
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第五章 钻孔水力采矿
1 概述钻孔水力开采法的实质,就是在原地把矿石变成水 — 矿混合物后将其抽到地表。可用水力、
震动、超声波、液体动力和微生物等方法把矿石转变成水 — 矿混合物,而水 — 矿混合物则借助于气升泵、射流泵、潜水泵和压入矿层内的水的反作用力提升到地表。与地下和露天开采相比,钻孔水力开采法具有许多特点:用钻孔水力开采时只有一道工序;矿石的开采和运输都是用水来完成;能使生产全部自动化;有可能经济合理开采平衡表外的矿石;增加开采深度不会使费用大大增加;矿层不稳定不妨碍开采;只需少量基建费便可开采某些贫矿和有选择性地开采某些矿体。此外,
这种方法能在水体下、在不破坏地表 (土壤层 )的条件下进行开采。
钻孔水力采矿已有二三十年的研究历史。近几年来,在市场经济条件下,俄罗斯频繁进行工业实验,并把它作为一种新的采矿方法试采固体有用矿物,以解决俄罗斯部分重要和稀缺矿物的需求,减少进口。
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2 钻孔水力采矿的原理与工序钻孔水力采矿的原理:在穿过矿层的钻孔内,用下人孔内的水枪喷出的高压水射流破碎矿层,并在破碎的空间 —— 峒室内形成水矿混合物 <矿浆 ),再由下人孔内的水力提升器 (喷射泵 )或气举提升器 (空气升液器 )将矿浆输送到地表,矿浆在地表的沉淀物即为钻孔水采出的矿石。
矿浆经钻孔输送到地表的钻孔水力采矿工艺的主要工序有:
(1) 钻孔钻进,揭露矿层; (2)孔内安装开采工具 (水枪和提升器具 ); (3)向孔内水枪输送高压水破碎矿层和落矿; (4)将矿浆从回采峒室输送到提升工具的吸液口,并经提升工具抽吸到孔表;
(5)在地表循环系统用水力将矿浆输送到选矿系统。为完成上述工序,地面应配备相应的钻机、钻塔、开采工具操纵装臵、泵站
(各种离心泵与活塞泵 )、空压机、空气管线、水管线、矿浆管线、
输电管线、地球物理检测仪器以及建立贮矿间、尾矿场、沉淀池等设施。
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2 钻孔水力采矿的原理与工序钻孔水力采矿的应用范围主要取决于矿层用水枪破碎的可能性及矿山压力的可控性。最有利的应用条件是:矿石强度低,地质、水文条件不复杂,有充足的水资源,在孔内采矿工具的水力作用下矿石极易转变成流动状态。
目前,最适宜用钻孔水力开采的固体有用矿物为强度低于 6MPa的合金、金刚石、铬、钛、锆、锡、
琥珀等的砂矿床和建筑用砂砾石、氧化锰矿、磷矿岩、煤、松散的铁矿石。虽然至今在铁矿床钻孔水力开采的实际深度已超过 800m,理论深度可超过
150Om,但最合适的开采深度是 100~ 350m。开采孔的常用孔径为 220-400mm。
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3 优点与传统的露天和矿井开采方法比,钻孔水力采矿的以下显著优点:
(1)基建投资少 (露天矿山和矿井的 1/ 2~ l/ 1O),矿山建设期限短,基建投资回收快 (1~ 3年可建成矿山投产,2~ 3年可回收基建投资 );
(2)矿石经水射流破碎和水流的洗选、自富集,到地表后几乎已达到研磨粒径。矿石质量高,适合就地选矿,而且不少情况下不需建传统的选矿厂;
(3)采矿过程的机械化、自动化程度高,劳动生产率高;
(4)矿石损失小,可开采平衡表外的矿床;
(5)可开采埋藏在河滩、工业和建筑物密集区的矿床,以及储量小、埋藏深、地质结构复杂的矿床;
(6)对周围环境影响小,地面不需要征用大量土地,尾矿可送到孔内采空区;
(7)工作人员在地面远距离操作,生产安全。避免采矿作业时与粉尘和有害物直接接触损害人体健康。
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4 钻孔水力采矿的研究试验及效果六十年代以来,除前苏联外,美国、波兰、匈牙利、印度、澳大利亚、南斯拉夫等国家也先后进行了钻孔水力开采低强度的磷矿石、煤、建筑砂砾、
铝、铀、砂金、锡砂等的研究试验。八十年代,虽然钻孔水力采矿尚未获得工业应用,但苏、美两国在半工业试验、工业试验成已取得可喜效果,并在孔内采矿工具和采矿工艺以及地面设备等的研究方面取得显著进展;特别是前苏联,在国内外还发表了许多钻孔水力采矿工具和工艺方面的专利。
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5 钻孔水力采矿的前景由于近 20年,特别是近几年俄罗斯在钻孔水力采矿方面的频繁试验以及试验取得的技术经济效果,复杂地质条件下一系列技术难题的解决,设备、工具、工艺、方法的改进,钻孔水力采矿优越性的验证,
奠定了钻孔水力采矿技术迈向工业应用和推广阶段的基础。展示了钻孔水力采矿的良好发展前景。
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第六章 钻孔热熔法
1 概述钻孔热熔法即弗拉施采矿法 (The method of Frasch
mining)又称融化法或熔融采矿法,它的实质是向钻孔内压入过热水,熔融地下自然硫,使其自同一钻孔排出地表,进行加工。
1891年,德国学者赫尔曼 ·弗拉施 (Herman Frasch)在美国设计出古典弗拉施采矿法,经 1903年修改臻于完善。 1957
年,波兰工程师波顿 ·查季威兹 (Bondon Zakjewicz)在古典弗拉施法的基础上,研究成功改良弗拉施采矿法,经伊拉克的米什拉克 (Mishrag)等矿多年实践后得到完善。 1975年,工业发达国家用此法开采的硫占总产量的 29.2%。
此法主要优点是生产安全;投资省、建设快;工艺简单,
生产效率高;开采深度大;占用农田少;无尾矿及其污染问题。缺点是回收率低,一般为 40%一 70%;热效率差,一般为 0.5%~ 5%;耗水量大。
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2 基本方案
2.1 古典弗拉施法此法是钻打直径 250— 300mm的钻孔,钻穿矿层进入底板,作为采硫井,井内套装一组同心钢管 (压气管、升硫管、热水管和外套管 ),用来注入压缩空气、升硫、注入过热水和保护井壁,将 160℃ 的过热水沿热水管注入矿床、熔融自然硫、熔融的液态硫积聚在井底的溶腔中。自压气管压人压缩空气和液态硫混合物,借助空气浓液原理将液态硫从升硫管中举升出来。
弗拉施法最宜用于可靠水源和廉价燃料供应的大型自然硫矿床。影响开采经济效果的地质条件有储量、品位、埋藏深度、
孔隙度、渗透率和覆盖层厚度等。矿床品位直接影响回收率,
平均品位大于 20%的富矿,回收率可达 75%,品位 10%的贫矿只达 40%一 50%。
矿床赋存深度最好能产生足够的井底压力,防止注入的过热水发生沸腾、气化,使熔融硫沉淀。目前经济合理开采深度为 50— 600m,条件好的富矿床可达 800~ 1000m,一般要求矿床有 15%~ 30%的孔隙度,顶底板有一定密封性,以热水渗流和加速硫的熔融,无地下水活动,以防止热量流失。
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2 基本方案
2.2 改良弗拉施法改良弗拉施法的特点是,采取预先爆破和充填处理措施,
开采渗透性和密封性不好的矿床,地下预爆破可增加开采区段的渗透性;形成垂直方向的隔离层,起截流或隔离老采空区的作用;在开采过程中,对采矿前进方向的不透水区实施爆破,可使热水流人下一个开采区段,进行矿层预热。
自钻孔向矿层顶、底板岩层充填泥浆,可堵塞过热水渗漏通道,造成开采区段的封闭条件。 120— 158℃ 是熔融硫流动的最佳温度,低于 119.3℃ 时,液态硫开始结晶,高于
158℃ 时,粘度急剧增大,因此需严格控制地下开采区段的温度。自排水井排出水的温度通常保持在 70~ 80℃ 。排出的热水经净化后回收复用。
弗拉施法也可用于海底硫磺矿的开采,例如美国墨西哥湾内的两个硫磺矿床就是用熔融采矿法,其中一个是 1968年建成的。
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第七章 砂矿床开采
1 概述我国的砂矿床资源丰富,开采历史悠久,
远在 1000多年前,砂金、砂锡的淘采已经相当兴盛。解放后,我国砂矿床开采发展较快。
古代主要用竹笼、水沟、淘金盘 (床 ),
解放后 40余年,技术装备上实现了机械化,
开采矿种由砂金、砂锡扩展到了钛铁、锰、
钽铌、锆英石、金红石、独居石、金刚石等。
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第七章 砂矿床开采
2 砂矿床特点砂矿床的涵义是含有自然有用矿物的松散物质或胶结物质的聚集体,它分为残积砂矿、坡积砂矿、
洪积砂矿、冲积砂矿、海滨砂矿等。各类砂矿的共同特点是:
1)形成期较晚的疏松物质,未受成岩作用,一般不用凿岩爆破,可直用采掘机或压力水进行采掘;
2)离地表近,一般厚度不大; 3)品位一般较低,
且分布不均匀,矿化不连续; 4)地下涌水量大或直接处于水中; 5)寒冷地带易冻结。
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3 开采方法
3.1 机械开采机械开采与常规露天开采所用设备和开采方式基本相同,
不同之处在于一般不用凿岩爆破,而用机械方法直接采掘,
其方法有,1.机械铲开采; 2.索斗铲开采; 3.拖拉铲运机开采; 4.推土机开采; 5小型机械开采。
3.2 水力机械化开采
1) 设备,常用水力机械设备有水枪、砂泵、水泵等。
枪筒和喷嘴是水枪的主要部件,为了减少枪筒内的涡流,
使进入喷咀的水流具有稳定的流线形,应在枪筒内安装稳流器。
2) 冲采方法,根据射流的喷射方向与冲采下来的矿浆流动方向的相对关系划分为:逆向冲采法、顺向冲采法、逆 — 顺向冲采法。
3.3 采砂船开采采砂船有链斗式采砂船、钢绳式采砂船和吸扬式采砂船。