張萬(wàn)亮，蘇學(xué)斌，張 勇，原 淵，口文杰，董惠琦

(1.中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.中國(guó)鈾業(yè)有限公司，北京 100010)

按照原地浸出采鈾理論，原地浸出采鈾技術(shù)主要應(yīng)用于礦體產(chǎn)狀發(fā)育平緩的砂巖鈾礦體開(kāi)采。目前，國(guó)內(nèi)已進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)的地浸礦山開(kāi)采的礦體傾角一般小于10°，產(chǎn)狀平緩。如內(nèi)蒙古錢(qián)家店錢(qián)Ⅱ塊鈾礦床主礦體傾角為2°～8°，新疆蒙其古爾鈾礦床及內(nèi)蒙古納嶺溝鈾礦床礦體傾角均小于10°。國(guó)外采用地浸技術(shù)開(kāi)采的砂巖型鈾礦床多數(shù)礦體傾角較小，如美國(guó)的Highland鈾礦和捷克STRAZ鈾礦礦體傾角均近于水平[1]。

位于錢(qián)家店錢(qián)Ⅱ塊鈾礦床西北部的Ⅰ-2礦體受地層產(chǎn)狀影響，礦體傾角變化較大，局部礦體傾角大于25°。2015年對(duì)Ⅰ-2礦體進(jìn)行開(kāi)拓建成C28采區(qū)，2016年6月投入運(yùn)行，2016年9月浸出液鈾峰值濃度達(dá)到65 mg/L，進(jìn)入浸出高峰期，浸出效果較好。結(jié)合該礦體的開(kāi)采實(shí)例，對(duì)大傾角砂巖型鈾礦體地浸開(kāi)采的井型布置、鉆孔過(guò)濾器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行等方面進(jìn)行探討，以期為其他地浸礦山同類(lèi)礦體開(kāi)采提供開(kāi)采建議。

1 礦體地質(zhì)及水文特征

1.1 礦體地質(zhì)特征

錢(qián)家店錢(qián)Ⅱ塊礦床為辮狀河相砂體中后生層間氧化作用形成的層間氧化帶型鈾礦。礦床白堊統(tǒng)姚家組下段(K2y1)為鈾礦化的主要分布層位，該地層發(fā)育氧化還原帶，主要為泥砂結(jié)構(gòu)，砂巖厚度一般為5～17 m，局部厚度可達(dá)30 m[2]，開(kāi)采的Ⅰ-2號(hào)礦體分布于該層位內(nèi)。

根據(jù)2015年Ⅰ-2礦體的補(bǔ)充勘探結(jié)果，該礦體平面呈菱形、鐮刀形(圖1)，剖面上多呈透鏡狀、板狀和卷狀，礦體長(zhǎng)度230～440 m，平均260 m，寬度40～270 m，平均200 m。礦石結(jié)構(gòu)及含礦巖石主要為細(xì)砂巖，部分為中砂巖。礦體圍巖為中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖及泥巖。頂?shù)装甯羲畬訛榧t色泥巖，發(fā)育較連續(xù)，礦石中CO2含量0.096%～8.400%，有機(jī)質(zhì)含量較低，平均0.900%，以四價(jià)鈾為主，所占比例為56.65%～93.84%，平均77.92%，礦體平均厚度4.27 m，平均品位0.077 8%，平均平米鈾量為6.28 kg/m2。

圖1 錢(qián)家店錢(qián)Ⅱ塊鈾礦床Ⅰ-2礦體平面圖

圖2為錢(qián)家店錢(qián)Ⅱ塊鈾礦床Ⅰ-2礦體005線橫剖面圖。由圖2可知，礦體傾向北東，礦體埋深350～490 m，平均埋深390 m，西北方向礦體埋深逐漸增加，平均每100 m長(zhǎng)度礦體埋深增加185 m，礦體傾角10°～25°，沿西北方向礦體逐漸增加。

圖2 錢(qián)家店錢(qián)Ⅱ塊鈾礦床Ⅰ-2礦體005線橫剖面圖

圖3為錢(qián)家店錢(qián)Ⅱ塊鈾礦床Ⅰ-2礦體25線縱剖面圖。由圖3可知，礦體沿走向方向發(fā)育相對(duì)平緩，向北東向礦體埋深逐漸變淺。

圖3 錢(qián)家店錢(qián)Ⅱ塊鈾礦床Ⅰ-2礦體25線縱剖面圖

1.2 礦體水文特征

該礦體具有穩(wěn)定的含礦含水層隔水頂板，巖石主要由紫紅色泥巖為主，不透水、隔水作用良好。礦體靜止水位埋深12 m，含礦含水層埋深372.50～375.60 m，厚度48.40～59.80 m，平均厚度54.74 m，局部夾有不透水的透鏡狀薄層2層～5層，巖性分別為紫紅色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等，與礦層厚度比值為2.72～6.12。含礦含水層為承壓水層，礦化度一般為3.64～4.89 g/L，pH值為7.15～7.79，水化學(xué)類(lèi)型為HCO3·Cl-Na型及Cl·HCO3-Na型。

通過(guò)對(duì)Ⅰ-2礦體在不平衡條件下進(jìn)行“一注一抽”抽注水試驗(yàn)，測(cè)得礦層單位涌水量尾礦0.080 m3/h，滲透系數(shù)0.1 m/d，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 錢(qián)家店錢(qián)Ⅱ塊鈾礦床Ⅰ-2礦體抽注水試驗(yàn)結(jié)果表

2 大傾角礦體對(duì)地浸開(kāi)采的影響

采用原地浸出采鈾技術(shù)一般要求礦體形態(tài)為水平層狀或傾角小于15°的緩傾斜礦體，且礦體水平連續(xù)性好，橫向?qū)挾却?，這種條件下便于抽注入井的布置，使浸出劑在含礦含水層中的礦層位置均勻流動(dòng)，有利于實(shí)現(xiàn)抽注平衡和礦體有效浸出。對(duì)于傾角較大的陡傾斜礦體，由于其傾角較大，不利于浸出劑的滲流，實(shí)現(xiàn)浸出劑在含礦含水層中的礦層位置均勻流動(dòng)難度較大，影響抽注液量及其平衡。同時(shí)，要求對(duì)地層要有全面的地質(zhì)分析，查明地層的詳細(xì)分布情況，尤其要關(guān)注礦體發(fā)育范圍內(nèi)地層是否存在斷層、褶皺等現(xiàn)象，這主要是影響礦體開(kāi)拓過(guò)程中地浸工藝鉆孔過(guò)濾器設(shè)計(jì)。

3 大傾角礦體井網(wǎng)布置

3.1 井型布置

地浸采鈾影響井型布置的因素很多，如礦體埋藏深度、礦層的連續(xù)性、礦石滲透性、鉆井的抽注液能力等。只有通過(guò)合理的井型井距設(shè)計(jì)，增大浸出劑與礦層的接觸面，控制浸出劑的流速，保證接觸時(shí)間，才能獲得最大的資源回收效率。因此，最優(yōu)的井網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)鈾資源的高效開(kāi)采具有實(shí)際意義[3]。

每個(gè)礦床采用的井型并不固定，而是隨礦體條件的變化而改變。常用的井型主要包括“五點(diǎn)型”“七點(diǎn)型”“行列式”等多種形式。國(guó)內(nèi)地浸鈾礦山以“五點(diǎn)型”井型為主，部分礦床采用“七點(diǎn)型”網(wǎng)格式井型；美國(guó)的Smith Ranch礦采用“五點(diǎn)型”井型布置[4]。

地浸井場(chǎng)井型布置原則包括以下兩方面。①保持井場(chǎng)抽液量與注液量基本平衡原則。布置地浸生產(chǎn)井時(shí)應(yīng)根據(jù)鉆孔的抽注液能力來(lái)確定鉆井的排列方式，做到抽出的浸出液量大于注入的浸出劑量0.3%。②保證浸出劑的合理分配。鉆井的布置方式要做到浸出劑在礦層中的均勻分配，盡可能消除溶浸死角，獲得較高的回收率，同時(shí)應(yīng)保證采區(qū)的均勻開(kāi)采。

對(duì)于礦體傾角較小、產(chǎn)狀平緩的礦體，采用上述常用井型基本可滿足要求。對(duì)于大傾角礦體，在設(shè)計(jì)井網(wǎng)布置時(shí)，除了要考慮上述影響因素外，另外一個(gè)重要的因素就是如何保證單個(gè)浸采單元的抽注液量的平衡。由于礦體傾角較大，相鄰兩抽注入井的過(guò)濾器位置在垂向空間上相差較大，如采用常規(guī)的“五點(diǎn)型”“七點(diǎn)型”井網(wǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致注入的浸出劑量與抽出的浸出液量無(wú)法達(dá)到平衡要求。

錢(qián)家店鈾礦床Ⅰ-2礦體在設(shè)計(jì)井網(wǎng)布置時(shí)，重點(diǎn)考慮了單個(gè)浸采單元抽注液量平衡問(wèn)題，由于礦體傾角較大，而礦體在走向方向上相對(duì)平緩，因此，選擇在礦體傾向方向上增加注入井，與抽出井位于同一平面位置，起到對(duì)抽注平衡的補(bǔ)充作用(圖4)。該礦體布置抽出井24個(gè)，注入井63個(gè)，抽注比1.0∶2.6。根據(jù)該采區(qū)2016年7月—2017年5月抽注的運(yùn)行數(shù)據(jù)，單井抽液量3～5 m3/h，單井注液量1.5～3.2 m3/h，采區(qū)抽注液量比值在0.90～1.10范圍，平均1.05，基本可滿足抽注平衡要求。

圖4 錢(qián)家店鈾礦床Ⅰ-2礦體井網(wǎng)布置示意圖

3.2 井距布置

井距決定著浸出劑的有效循環(huán)和資源回收率的高低，可以說(shuō)地浸采鈾成功與否主要決于井場(chǎng)工藝，而井場(chǎng)工藝首要面臨的工作是選擇合理的井距。與井型的確定相比，井距的確定更加復(fù)雜，井距布置的影響因素較多，主要包括礦層埋藏深度、礦石滲透性、金屬浸出率等[5]。

過(guò)大增加井距或縮短井距都存在一些弊端，如過(guò)大增加井距會(huì)減少塊段總抽液量和鈾金屬生產(chǎn)能力，延長(zhǎng)浸出時(shí)間和增加生產(chǎn)費(fèi)用，同時(shí)增加滲透路程，造成浸出劑耗量增加；過(guò)小縮短井距會(huì)增加鉆孔數(shù)量，從而增加鉆孔工程費(fèi)用，同時(shí)易造成浸出劑“短路”，使浸出劑與礦石的反應(yīng)不充分，導(dǎo)致浸出液中鈾濃度低。礦體開(kāi)拓井距既不能過(guò)大，也不能過(guò)小，對(duì)于每一個(gè)具體條件的礦床塊段，應(yīng)有一個(gè)合理值。選擇合理的井距的原則為[4]：①正常抽液與注液條件下，浸出劑對(duì)礦體的覆蓋率大于75%；②礦體浸出均勻，且貧富不同的部位能基本同步浸完；③采區(qū)服務(wù)年限一般為3～5 a；④在其他條件相同的情況下，應(yīng)選取噸金屬成本較低或經(jīng)濟(jì)效益最大時(shí)的井距。

對(duì)大傾角礦體開(kāi)拓確定井距時(shí)，除了要考慮上述影響因素及原則外，另一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的影響因素就是礦體的浸出速率，要保證浸出劑在抽注孔之間運(yùn)移時(shí)間合理。錢(qián)家店鈾礦床Ⅰ-2礦體在井型確定的條件下，充分考慮上述因素后，選擇抽注孔井距為30.0 m和37.5 m。

選擇上述井型、井距布置后，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行后采區(qū)浸出液鈾濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果，在注液壓力1.6 MPa條件下，浸出劑從注入井注入運(yùn)移至抽出井需要6 d，浸出液鈾濃度達(dá)到10 mg/L需要25 d，與錢(qián)家店06勘探線～07勘探線傾角為3°～5°的Ⅱ號(hào)礦體浸出劑運(yùn)移時(shí)間基本相同(圖5)。

圖5 錢(qián)家店鈾礦床Ⅰ-2礦體浸出初期鈾濃度曲線圖

4 大傾角礦體鉆孔過(guò)濾器位置設(shè)計(jì)

鉆孔過(guò)濾器的位置在鉆孔套管下部，安裝在礦層段，具有一定孔隙率可供液體進(jìn)出，是礦體開(kāi)采唯一的“大門(mén)”。因此，正確設(shè)計(jì)過(guò)濾器位置對(duì)礦體有效開(kāi)采有著至關(guān)重要的作用。在地浸采鈾中，如果礦層滲透性較好，礦體產(chǎn)狀平緩，絕大多數(shù)情況下礦層位置即為過(guò)濾器設(shè)計(jì)位置。在這種情況下，過(guò)濾器作用可得到充分發(fā)揮，溶液會(huì)在壓力作用下從注入井滲過(guò)礦體流向抽出井。

但對(duì)于大傾角礦體而言，由于其一般賦存于存在斷層等較復(fù)雜的地層中，傾角普遍較大，相鄰鉆孔礦層垂向相差較大。同時(shí)，由于受可能存在的斷層影響，礦層位置可能相差較多。在這種情況下，鉆孔的過(guò)濾器位置就不能簡(jiǎn)單地根據(jù)礦層位置來(lái)確定，而是要重點(diǎn)以地層走向?yàn)閰⒖?，?yán)格按照地層產(chǎn)狀結(jié)合礦層位置設(shè)計(jì)鉆孔過(guò)濾器。在錢(qián)家店鈾礦床Ⅰ-2礦體鉆孔過(guò)濾器設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先根據(jù)已經(jīng)施工完成的工藝鉆孔地層及見(jiàn)礦情況，繪制鉆孔柱狀圖，進(jìn)而繪制單個(gè)浸采單元剖面圖，并勾畫(huà)主要地層發(fā)育方向。繪制單元剖面圖時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)確定地層的標(biāo)志層，如泥巖頂板或底板等，有利于正確確定地層產(chǎn)狀，對(duì)確定礦體走向、傾向有較好的指導(dǎo)作用，尤其是地層存在多層礦體時(shí)，顯得尤為重要。

以實(shí)際設(shè)計(jì)鉆孔過(guò)濾器為例，開(kāi)拓錢(qián)家店鈾礦床Ⅰ-2礦體時(shí)，待設(shè)計(jì)單井存在上下兩層礦層(圖6)。通過(guò)繪制兩鉆孔單元剖面發(fā)現(xiàn)，兩鉆孔位置地層存在較大傾角，因此，按照地層產(chǎn)狀發(fā)育，對(duì)待設(shè)計(jì)單井設(shè)計(jì)過(guò)濾器位置時(shí)選擇下層礦層為目標(biāo)礦層。如果礦體層位確定不準(zhǔn)確，按照緩傾斜礦體設(shè)計(jì)該孔過(guò)濾器，很有可能選擇上層礦層為目標(biāo)礦層，造成過(guò)濾器設(shè)計(jì)位置失誤，進(jìn)而影響后續(xù)生產(chǎn)浸出效果。

圖6 大傾角礦體單鉆孔過(guò)濾器設(shè)計(jì)示意圖

5 生產(chǎn)運(yùn)行現(xiàn)狀分析

錢(qián)家店鈾礦床Ⅰ-2礦體開(kāi)拓區(qū)為C28采區(qū)，采用CO2+O2原地浸出采鈾工藝技術(shù)，通過(guò)改變鈾沉積的地球化學(xué)環(huán)境，調(diào)節(jié)CO2濃度來(lái)控制地下水pH值為中性，O2作為氧化劑將U(IV)轉(zhuǎn)為U(VI)溶于浸出液，并與碳酸氫根離子絡(luò)合形成碳酸鈾酰后抽出至地表，進(jìn)入浸出液處理系統(tǒng)[6]。

圖7 錢(qián)家店鈾礦床C28采區(qū)浸出液鈾質(zhì)量濃度等值線圖

6 結(jié) 論

1)針對(duì)大傾角砂巖型鈾礦體的地浸開(kāi)采，選擇設(shè)計(jì)布置合理的井型尤為重要。通過(guò)在礦體傾向方向增加注入井并增加注入井井距，有利于在浸出運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)抽注平衡，可合理控制浸出劑運(yùn)移時(shí)間，實(shí)現(xiàn)較高浸出速率。

2)正確設(shè)計(jì)鉆孔過(guò)濾器位置是保證礦體有效浸出的先決條件，地層產(chǎn)狀發(fā)育是大傾角礦體鉆孔過(guò)濾器位置設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

3)通過(guò)合理選擇井網(wǎng)布置、精準(zhǔn)設(shè)計(jì)鉆孔過(guò)濾器位置，生產(chǎn)采區(qū)可以獲得較高的浸出液鈾濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)大傾角礦體的有效浸出。