閆紀(jì)帆，任錦榮，原 淵，劉佳斌，趙生祥

(中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

近年來(lái)，隨著地質(zhì)勘探及地浸鈾礦山生產(chǎn)探礦的開(kāi)展，2層、3層甚至更多層礦體的砂巖型鈾礦床被揭露，多層礦體鈾礦床的資源量逐年增加[1]，地浸采鈾重疊礦體的分層開(kāi)采在中國(guó)尚屬空白[2]。內(nèi)蒙古某鈾礦山隨著開(kāi)采的深入，單層礦體的開(kāi)采已不能滿足生產(chǎn)需求，對(duì)多層礦體的開(kāi)采，逐漸成為需要解決的難題。本礦床Ⅰ-3和Ⅱ-4礦體位于同一含礦含水層中，垂向距離8.5～12.5 m。在礦體開(kāi)發(fā)中，首次應(yīng)用獨(dú)立鉆孔法，實(shí)現(xiàn)了2層礦體同時(shí)浸采，取得了良好效果，為開(kāi)采多層礦體積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 地質(zhì)與水文地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)特征

某礦床位于松遼盆地開(kāi)魯拗陷錢家店凹陷北部偏西部邊緣，鈾礦的含礦地層為白堊系姚家組地層，姚家組地層可分為2個(gè)沉積旋回，即姚家組上段和姚家組下段。該鈾礦床02～33線間的Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體均位于姚家組下段地層，均為板狀結(jié)構(gòu)。Ⅰ-3礦體埋藏深度大于Ⅱ-4礦體，Ⅰ-3礦體與Ⅱ-4礦體間垂向距離8.5～12.5 m，2層礦體之間未見(jiàn)泥巖隔水層，其間地層巖性以淺灰、灰白色細(xì)粒砂巖為主，少量中細(xì)粒砂巖及粉砂巖。砂巖屬長(zhǎng)石石英砂巖類，分選中等，次圓狀。

姚家組下段地層其頂部曲流河相泥巖為局部隔水層，具明顯泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，姚家組地層產(chǎn)狀平緩，且埋深淺[3]。含礦砂體主要為細(xì)砂巖、中砂巖、夾泥巖、粉砂巖透鏡體，粒度以細(xì)粒結(jié)構(gòu)為主，其次為中粒結(jié)構(gòu)。鈾礦石類型以細(xì)粒砂巖型鈾礦為主，部分為中粒砂巖型鈾礦，局部泥質(zhì)含量較高。礦石顏色為淺灰色、灰白色、部分為深灰色。鈾礦石中鈾的存在形式主要有鈾礦物、吸附鈾及含鈾礦物[4]。鈾礦物為瀝青鈾礦，吸附鈾主要為有機(jī)質(zhì)及黏土吸附[5]。

1.2 水文地質(zhì)參數(shù)

本礦床內(nèi)含水層主要有第四系孔隙潛水含水巖系和上白堊統(tǒng)碎屑巖孔隙-裂隙承壓水含水巖系。含礦含水層主要指位于上白堊統(tǒng)碎屑巖孔隙-裂隙承壓水含水巖系中的姚家組含水巖組，有穩(wěn)定的隔水頂板，巖石主要由紫紅色泥巖為主，不透水，隔水作用良好。通過(guò)對(duì)含礦含水層在不平衡條件下進(jìn)行“一注一抽”抽注水試驗(yàn)，含礦含水層單位涌水量為0.08 m3/(h·m)，滲透系數(shù)為0.1 m/d，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體的靜水位埋深 12 m，含礦含水層埋深 241.4～302.4 m，厚度48.40～59.80 m，平均厚度54.74 m。含礦含水層為承壓水層，礦化度一般為3.64～4.89 g/L，pH 7.15～7.79，水化學(xué)類型為 HCO3·Cl-Na型及 Cl·HCO3-Na型。

表1 抽注水試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)方案

對(duì)于含多層礦體可地浸砂巖型鈾礦床的開(kāi)采，目前國(guó)內(nèi)外研究的主要方法有一次鉆孔法和獨(dú)立鉆孔法。一次鉆孔法是對(duì)多層礦體共用同一組浸采單元，每個(gè)鉆孔分層建造過(guò)濾器的開(kāi)采方法；獨(dú)立鉆孔法是對(duì)每層礦體獨(dú)立施工鉆孔構(gòu)建浸采單元的開(kāi)采方法。

一次鉆孔法存在工藝鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大的問(wèn)題，鉆孔每層過(guò)濾器之間的封隔器制造成本較高，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)多層礦體的同時(shí)開(kāi)采。獨(dú)立鉆孔法，分別對(duì)每層礦體獨(dú)立施工鉆孔，每個(gè)鉆孔分層放置過(guò)濾器[6]，技術(shù)難度較低，成為優(yōu)先選擇的方法。綜合考慮，本次試驗(yàn)選用獨(dú)立鉆孔法，開(kāi)展多層礦體的浸出效果研究。

2.1 試驗(yàn)塊段鉆孔布置

地浸采鈾井場(chǎng)鉆孔工程一般為網(wǎng)狀或行列式結(jié)構(gòu)。井型、井距依據(jù)礦體形態(tài)、厚度、連續(xù)性，單井抽液量與注液量比值、浸出劑覆蓋率等因素確定[7]。試驗(yàn)塊段鉆孔布置如圖1所示。

1—勘探孔；2—抽液鉆孔；3—注液鉆孔；4—開(kāi)采Ⅰ號(hào)礦體井型；5—開(kāi)采Ⅱ號(hào)礦體井型。圖1 Ⅰ-3和Ⅱ-4礦體試驗(yàn)塊段鉆孔布置示意

Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體平面上相互重疊，試驗(yàn)采用獨(dú)立構(gòu)建浸采單元的方法，對(duì)2層礦體分別布置獨(dú)立的浸采單元，布置時(shí)充分考慮Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體埋藏深度、礦層的連續(xù)性、礦石滲透性等特點(diǎn)。

Ⅰ-3礦體試驗(yàn)塊段共布置浸采單元11組，井型以五點(diǎn)型為主，局部為不規(guī)則五點(diǎn)型，井距30 m；Ⅱ-4礦體試驗(yàn)塊段共布置浸采單元7組，井型以七點(diǎn)型為主，局部為不規(guī)則七點(diǎn)型，井距30 m。

2.2 試驗(yàn)鉆孔結(jié)構(gòu)

在地浸采鈾礦山，工藝鉆孔是唯一與礦層接觸的通道[8]，試驗(yàn)鉆孔采用填礫大孔徑結(jié)構(gòu)，環(huán)形骨架過(guò)濾器。套管采用UPVC材料，抽出井采用φ148 mm×12 mm套管，管箍連接，管箍直徑166 mm；注入井采用φ100 mm×10 mm套管，管箍連接，管箍直徑118 mm。

2.3 鉆孔過(guò)濾器位置設(shè)計(jì)

鉆孔過(guò)濾器是與鉆孔套管下部相連，安裝在礦層段具有一定孔隙率的、供液體進(jìn)出的管路，是礦體開(kāi)采的唯一“大門”，因此，正確設(shè)計(jì)過(guò)濾器位置對(duì)有效開(kāi)采礦體有著至關(guān)重要的作用。對(duì)于滲透性較好、產(chǎn)狀平緩的礦體，礦層位置即為過(guò)濾器設(shè)計(jì)位置，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。根據(jù)Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體在垂向上的位置特點(diǎn)，采用獨(dú)立構(gòu)建浸采單元，獨(dú)立構(gòu)建過(guò)濾器位置的設(shè)計(jì)思路，即每個(gè)鉆孔只針對(duì)1個(gè)礦體，設(shè)置1個(gè)層位的過(guò)濾器，如圖2所示。

2.4 試驗(yàn)采區(qū)見(jiàn)礦參數(shù)

某鈾礦床Ⅰ-3和Ⅱ-4礦體形態(tài)均較為簡(jiǎn)單，為板狀礦體，傾角3°～6°。開(kāi)拓后，Ⅰ-3礦體平均單位面積鈾量為2.54 kg/m2，平均厚度4.49 m；Ⅱ-4礦體平均單位面積鈾量為2.91 kg/m2，平均厚度3.60 m。

1—嫩江組地層；2—姚家組上段地層；3—姚家組下段地層；4—泥巖；5—粉砂巖；6—細(xì)砂巖；7—地層界線；8—Ⅰ號(hào)礦體；9—Ⅱ號(hào)礦體；10—孔口標(biāo)高；11—過(guò)濾器。圖2 Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體過(guò)濾器設(shè)計(jì)位置示意

2.5 試驗(yàn)鉆孔施工主要技術(shù)措施

由于試驗(yàn)需要對(duì)Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體分別獨(dú)立施工鉆孔，造成平面上出現(xiàn)相鄰鉆孔的間距僅為3～5 m的情況。為避免因鉆孔施工質(zhì)量問(wèn)題對(duì)試驗(yàn)造成影響，試驗(yàn)鉆孔施工過(guò)程中采取了以下有效措施：1)鉆孔施工過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)裸孔井斜的控制，每百米對(duì)裸孔進(jìn)行一次井斜校準(zhǔn)，要求成孔后，裸孔井斜每百米低于1%，該措施有效避免了鉆孔施工過(guò)程中對(duì)臨近鉆孔井管造成損壞的可能性；2)優(yōu)先施工埋藏較淺礦體的鉆孔，施工完成后，再對(duì)埋藏較深礦體的鉆孔進(jìn)行施工，該措施最大程度降低了鉆孔施工過(guò)程中泥漿對(duì)礦層的破壞；3)固井過(guò)程中應(yīng)用逆向注漿技術(shù)，增加固井強(qiáng)度，避免因鉆孔施工密集度高，降低地層固有穩(wěn)定性或因固井強(qiáng)度不夠，造成井管破裂的情況。

3 浸出過(guò)程及浸出數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件

3.2 試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果

3.2.1抽注試驗(yàn)

Ⅰ-3礦體試驗(yàn)塊段共運(yùn)行抽液孔11個(gè)，注液孔22個(gè)，抽注比2∶1，單孔平均抽液量為5.25 m3/h，單孔平均注液量為2.66 m3/h；Ⅱ-4礦體試驗(yàn)塊段共運(yùn)行抽液孔7個(gè)，注液孔16個(gè)，抽注比2.3∶1，單孔平均抽液量為6.55 m3/h，單孔平均注液量為2.94 m3/h。

分析浸出液量相關(guān)數(shù)據(jù)，Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體屬同一含礦含水層，2層礦體同時(shí)開(kāi)采時(shí)，開(kāi)采不同礦體鉆孔的抽、注液量基本一致，且與某地浸采鈾礦山其他采區(qū)鉆孔抽、注液量平均水平一致。

3.2.2浸出試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)運(yùn)行1年后，Ⅰ-3礦體試驗(yàn)塊段浸出液中平均鈾質(zhì)量濃度為19.75 mg/L，峰值鈾質(zhì)量濃度為23.71 mg/L，累計(jì)鈾浸出率為22.06%；Ⅱ-4礦體試驗(yàn)塊段浸出液中平均鈾質(zhì)量濃度為20.56 mg/L，峰值鈾質(zhì)量濃度為28.29 mg/L，累計(jì)鈾浸出率為24.99%，結(jié)果見(jiàn)表2。

試驗(yàn)采區(qū)運(yùn)行后，Ⅰ-3與Ⅱ-4礦體所屬試驗(yàn)塊段，浸出液鈾質(zhì)量濃度上升速度基本一致，運(yùn)行約4個(gè)月后鈾質(zhì)量濃度到達(dá)峰值，持續(xù)約5個(gè)月后緩慢下降，其變化規(guī)律與某地浸采鈾礦山其他采區(qū)浸出液鈾質(zhì)量濃度變化規(guī)律一致。

表2 試驗(yàn)采區(qū)浸出試驗(yàn)結(jié)果

3.3 溶浸過(guò)程浸出液離子成分變化規(guī)律分析

3.3.1地下水化學(xué)組分變化

試驗(yàn)采區(qū)溶浸過(guò)程中，監(jiān)測(cè)了地下水化學(xué)成分，運(yùn)行開(kāi)始前360 d內(nèi)的地下水化學(xué)成分平均值見(jiàn)表3。

表3 地下水化學(xué)成分與本底值對(duì)比

3.3.2溶解氧與硫酸根濃度變化

圖3 Ⅰ-3礦體試驗(yàn)段浸出液中ρ(U)、及ρ(溶解氧)變化

圖4 Ⅱ-4礦體試驗(yàn)段浸出液中ρ(U)、及ρ(溶解氧)變化

隨著氧氣的加入，地下水中溶解氧逐步上升，但由于測(cè)定方法的原因，測(cè)定數(shù)據(jù)雖在一定范圍內(nèi)存在波動(dòng)，但整體仍呈明顯上升趨勢(shì)。試驗(yàn)周期內(nèi)，試驗(yàn)塊段O2加注質(zhì)量濃度與該區(qū)域單層礦體開(kāi)采時(shí)加注質(zhì)量濃度相同，其地下水中溶解氧質(zhì)量濃度上升速率與單層礦體開(kāi)采時(shí)基本相同，不同礦層間不會(huì)互相稀釋。

4 結(jié)論

1)在內(nèi)蒙古某砂巖型鈾礦床的開(kāi)發(fā)中，對(duì)位于同一含水層內(nèi)的、平面上相互重疊的Ⅰ-3和Ⅱ-4礦體，首次應(yīng)用獨(dú)立鉆孔法，成功實(shí)現(xiàn)了2層礦體的同時(shí)浸采。

2)施工過(guò)程中，通過(guò)合理布置鉆孔施工順序，控制鉆孔施工井斜與采用逆向注漿工藝等措施，有效控制了鉆孔施工的風(fēng)險(xiǎn)。獨(dú)立鉆孔法在未來(lái)的2層或多層礦開(kāi)采中具有較大的推廣價(jià)值。