王 藝， 楊 敬， 王如意， 王 菁

(中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

納嶺溝礦床是我國(guó)發(fā)現(xiàn)的大型鈾礦床之一，資源豐富，礦體具有埋深大、含礦含水層厚的特點(diǎn)。鉆孔是地浸采鈾的主要生產(chǎn)設(shè)施，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用(李博等，2017)，鉆孔過濾器的位置布置是影響溶液在礦層和圍巖滲流的關(guān)鍵因素(周義朋等，2018)。由于過濾器是連接目的層和外界的位移通道，浸出劑、溶浸劑、洗孔試劑等均需通過過濾器注入礦層(托爾斯多夫,2003)。設(shè)計(jì)合理的過濾器位置及有效長(zhǎng)度是保證生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行的重要因素(姜巖等，2014)。許多學(xué)者采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)地浸采鈾過濾器溶液運(yùn)移情況開展了大量試驗(yàn)，包括地浸溶液流態(tài)(姚益軒等，2015)，地浸流場(chǎng)控制(周義朋等，2013；常云霞等，2020；張勇等，2017)，抽注流量?jī)?yōu)化(李衡等，2019)等。筆者通過研究納嶺溝礦床鉆孔過濾器布置對(duì)鈾濃度的影響，以期為該礦床過濾器的優(yōu)化布置和提高鈾浸出效率提供參考。

1 礦床地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)情況

納嶺溝礦床沉積蓋層總體表現(xiàn)為北東高，南西低的單斜特征，地表斷裂構(gòu)造極不發(fā)育。直羅組下段頂界面總體表現(xiàn)為北東高，南西低，由北東部的“S”形向南西部位轉(zhuǎn)換，呈北西-南東向近平行展布(圖1)，地層傾角平均為1.2°，礦體發(fā)育較穩(wěn)定，礦體厚度為1.10～9.30 m，平均厚度為3.46 m，含礦巖性以砂巖為主。鈾礦體主要位于北部臺(tái)階上，礦體厚度較穩(wěn)定、品位變化較均勻。北部臺(tái)階具備“三高一低”特征，即北西、北東和南東部均較主礦體部位高，便于含鈾含氧水向礦床區(qū)匯集。

1.2 水文地質(zhì)條件

礦床含礦含水層從下至上由多個(gè)從粗砂巖到細(xì)砂巖的正韻律層疊置而成，含礦含水層夾有粉砂巖、泥巖和鈣質(zhì)砂巖薄層，多呈厚度不等的透鏡狀斷續(xù)產(chǎn)出，構(gòu)成局部隔水層。含礦含水層厚度為70.00～170.00 m，平均厚度為119.14 m，其與礦層厚度之比為23～89。含礦含水層滲透系數(shù)為0.55～0.63 m/d，導(dǎo)水系數(shù)為17.34～72.55 m2/d。

2 鉆孔布置和設(shè)計(jì)

納嶺溝礦床地浸采鈾試驗(yàn)共有30個(gè)注孔和50個(gè)抽孔，過濾器均采用外骨架式過濾器(環(huán)形骨架加圓孔式過濾器組成)。過濾器包含礦體長(zhǎng)度為4～11 m。抽液孔過濾器相對(duì)位置略低于礦層，注液孔過濾器略高于或與礦層在同一水平位置。對(duì)于多層礦體的過濾器布置，如多層礦體存在主礦體時(shí)，以主礦體為主布置一層過濾器；如無法確定主礦層，則布置兩層過濾器。此外，為科學(xué)開展單元過濾器布置研究，對(duì)采區(qū)及各單元按照十字劃分法作單元剖面圖(圖2)。

3 過濾器布置與單元濃度情況

根據(jù)納嶺溝礦床地浸采鈾2014—2019年運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)采區(qū)各單元金屬量、濃度、水量等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。其中單元是指地浸采鈾抽注液鉆孔布置的計(jì)算單元(如五點(diǎn)式是一抽四注)，金屬量指的是浸出的溶于溶液中的鈾金屬量。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)于五點(diǎn)式井型布置下浸出率、鈾濃度相對(duì)高的單元(圖3)，其過濾器布置特點(diǎn)如下：①抽注單元內(nèi)抽液孔位置低于周圍注液孔位置約25%；②過濾器長(zhǎng)度與礦層厚度差異率小，一般在20%以內(nèi)；③單元與周邊單元注液孔過濾器在同一水平錯(cuò)落布置，其布置位置誤差不超過2.1 m。

對(duì)試驗(yàn)采區(qū)浸出率和鈾濃度較低的單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)浸出率在30%以下的單元(表1)，其濃度均在30 mg/L以下，同時(shí)也是整個(gè)采區(qū)運(yùn)行較差的單元。

針對(duì)上述單元，對(duì)其單元過濾器分布情況進(jìn)行剖面作圖，將過濾器在剖面上分布情況與浸出率、鈾濃度相對(duì)高的單元進(jìn)行研究，得出如下規(guī)律：

(1)第1種方式是抽注液孔過濾器布置差異化大，過濾器在單元內(nèi)布置情況呈梯次分布(圖4)。此種布置方式不利于抽注液漏斗和水力梯度的形成，且在運(yùn)行中后期，由于鉆孔堵塞，會(huì)進(jìn)一步阻礙抽注孔溶浸劑有效運(yùn)行。

(2) 第2種方式是多層礦過濾器布置未有效覆蓋礦層。納嶺溝礦床地浸采鈾在雙層礦過濾器布置上均采取一層或者兩層的布置方式，其總長(zhǎng)度均超過5 m(圖5)。理論研究認(rèn)為在過濾器段礦層的滲透性均勻的情況下，過濾器沿長(zhǎng)度方向進(jìn)水量由上往下逐漸減少(王海峰等，2011)。為驗(yàn)證此現(xiàn)象，通過深井電視測(cè)井技術(shù)，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)抽注液孔過濾器進(jìn)行觀察(圖6)，發(fā)現(xiàn)過濾器在自上而下大概4～5 m處有比較明顯的分界線，說明過濾器長(zhǎng)度在5 m及以上時(shí)過水能力逐漸減弱，證明納嶺溝礦床地浸采鈾項(xiàng)目在布置雙層礦過濾器時(shí)，底層過濾器過水不足，未達(dá)到對(duì)礦層的有效覆蓋，最終導(dǎo)致其浸出效果差、浸出率低。

表1 鈾浸出率在30%以下的單元統(tǒng)計(jì)

(3)第3種方式是過濾器長(zhǎng)度設(shè)置與礦層有效厚度不匹配。一般情況下，有效厚度通常為大于過濾器長(zhǎng)度10%～20%，但納嶺溝礦床地浸采鈾項(xiàng)目部分單元過濾器長(zhǎng)度相較于礦體有效厚度過長(zhǎng)，其過濾器長(zhǎng)度最高達(dá)到礦體厚度的6倍，變化系數(shù)大，且在厚含礦含水層地質(zhì)條件下，溶浸劑進(jìn)一步稀釋，降低其浸出效率(圖7)。

(4)第4種方式是單元與單元之間過濾器布置未在同一水平位置上。在地浸采鈾中，單元之間抽注液孔過濾器在水平上差異大，會(huì)導(dǎo)致地下水在各過濾器層位難以形成穩(wěn)定的流場(chǎng)，使得溶浸劑在抽注液孔之間流動(dòng)受阻，進(jìn)而影響單元浸出(圖8)。

4 過濾器一般布置原則

4.1 過濾器有效長(zhǎng)度

地浸采鈾實(shí)踐證明，在一定量的抽水條件下，過濾器的有效長(zhǎng)度是有限的。過濾器的有效長(zhǎng)度指能達(dá)到過濾作用的實(shí)際長(zhǎng)度。經(jīng)鉆孔抽注試驗(yàn)證實(shí)，在一定水位降深的條件下，井的抽液量與注液量隨過濾器長(zhǎng)度增加而增大，但增大到一定值時(shí)，抽液量與注液量不再增加。

過濾器有效長(zhǎng)度可由下式計(jì)算：

L=QβD

(1)

式中，L為過濾器有效長(zhǎng)度(m)，Q為涌水量(m3/h)，β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取決于含礦含水層顆粒組成情況，細(xì)砂為90，中砂為60，粗砂為50，礫石為30，D為過濾器外徑(mm)。

4.2 影響過濾器長(zhǎng)度的因素

4.2.1 鉆孔過液量

針對(duì)圓孔式過濾器(含外骨架式過濾器)，在水文地質(zhì)條件和操作方法相同的情況下，鉆孔抽液量與注液量取決于過水?dāng)嗝妫渑c過水?dāng)嗝娉收?。過水?dāng)嗝婕催^濾器的透水面積，為過濾器的表面面積與孔隙率之積。對(duì)于圓孔式過濾器：

ω=DπLρ

(2)

式中，ω為過濾斷面(m2)，D為過濾器外徑(m)，L為過濾器有效長(zhǎng)度(m)，ρ為孔隙率(%)。

由于過水?dāng)嗝媾c過濾器長(zhǎng)度成正比，因此過濾器的長(zhǎng)短直接影響鉆孔抽液量與注液量。在一定的滲透系數(shù)與水力梯度條件下，為使鉆孔達(dá)到一定的抽液量與注液量，只能增大過濾器長(zhǎng)度或直徑。但在地浸采礦中受礦層厚度、含礦含水層厚度、礦體中非礦夾層厚度等因素影響，為防止浸出液被過量稀釋，浪費(fèi)浸出劑，增大采礦成本，過濾器長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)。

4.2.2 礦層有效厚度

過濾器長(zhǎng)度依據(jù)礦層有效厚度的設(shè)計(jì)原則是：有效厚度小，過濾器長(zhǎng)度大；有效厚度大，過濾器長(zhǎng)度小。生產(chǎn)中要根據(jù)礦床地質(zhì)、水文地質(zhì)狀況，分析有效厚度，確定過濾器長(zhǎng)度，最大量地限制浸出劑在礦層中的流動(dòng)。有效厚度與礦層滲透系數(shù)、礦層水平滲透系數(shù)與垂向滲透系數(shù)之比、水力梯度、圍巖滲透系數(shù)、礦層滲透系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)之比、過濾器長(zhǎng)度等有關(guān)(劉江，2006)。一般情況下，有效厚度通常超過過濾器長(zhǎng)度的10%～20%。因此，過濾器長(zhǎng)度不應(yīng)和礦層厚度相當(dāng)，而應(yīng)略小于礦層厚度。

4.2.3 礦層厚度

將過濾器布置在礦層中時(shí)，礦層厚度是確定過濾器長(zhǎng)度的主要因素，過濾器長(zhǎng)度隨礦層厚度變化而變化。在地浸采鈾試驗(yàn)和生產(chǎn)中，通常是多井作業(yè)，不但要考慮單井的礦層厚度以確定過濾器的長(zhǎng)度，而且要考慮附近井的見礦厚度，綜合確定過濾器長(zhǎng)度。

5 過濾器設(shè)置優(yōu)化措施

由于納嶺溝礦床礦體厚度變化大，分布不規(guī)律，含礦含水層厚度大，因此，在鉆孔過濾器布置上必須考慮整體性和系統(tǒng)性，統(tǒng)一規(guī)劃布置，確保采區(qū)含礦層形成整體穩(wěn)定的水力梯度，在平面和立體上形成穩(wěn)定的散布通道。

5.1 鉆孔過濾器位置布置

納嶺溝礦床礦體連續(xù)、平緩，且主礦體為單體礦(圖9)，由于納嶺溝礦床縱向滲透性僅為橫向滲透性的1/20，故在設(shè)計(jì)抽注液鉆孔過濾器位置時(shí)，將過濾器盡量布置在礦體內(nèi)部，減少溶浸劑稀釋，確保經(jīng)濟(jì)性。

5.2 過濾器布置最佳長(zhǎng)度

根據(jù)納嶺溝礦床礦體厚度、分布等地質(zhì)情況，為確保采區(qū)整體水力梯度和溶浸通道的形成，結(jié)合過濾器有效長(zhǎng)度理論計(jì)算結(jié)果和30組擴(kuò)大試驗(yàn)過濾器運(yùn)行、電視測(cè)井實(shí)際情況，確定最佳過濾器長(zhǎng)度為6 m，可確保過濾器高效運(yùn)行，達(dá)到最佳浸出效果。

6 結(jié)論

(1) 由于納嶺溝礦床地層傾角平均僅有1.2°，礦體發(fā)育較穩(wěn)定、平緩，同時(shí)根據(jù)納嶺溝試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)電視測(cè)井結(jié)果和目前試驗(yàn)過濾器實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，發(fā)現(xiàn)過濾器在自上而下4～5 m處有比較明顯的分界線，經(jīng)過計(jì)算并綜合考慮，納嶺溝礦床下一步過濾器長(zhǎng)度定為6 m，可滿足要求。

(2) 由于納嶺溝礦床縱向滲透性僅為橫向滲透性的1/20，且主礦體為單體礦，厚度穩(wěn)定，考慮過濾器布置后礦層有效溶浸厚度和范圍，在下一步工業(yè)建設(shè)期間，以采區(qū)為單元，在主礦體段將過濾器布置在礦體內(nèi)部，利用抽注液形成的水力梯度達(dá)到最大的溶浸范圍，確保在含礦含水層較厚的礦體賦存狀態(tài)下，最大限度減少溶浸劑稀釋，確保經(jīng)濟(jì)性。