白 鑫 駱桂君 王 艷 曾 晟 薛希龍 馮倪立

（1.南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001；2.河南省瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，河南 焦作 454003；3.南華大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理與法學(xué)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

鈾資源是國(guó)家戰(zhàn)略資源，是核工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。安全穩(wěn)定的鈾資源供應(yīng)，對(duì)保障我國(guó)國(guó)家安全，促進(jìn)核工業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義［1］。近年來(lái)，隨著核電技術(shù)不斷發(fā)展，作為綠色能源的核電技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅猛發(fā)展，對(duì)鈾礦資源的需求也與日俱增［2］。地浸采鈾工藝是集采、選、冶于一體的開(kāi)采工藝，與其他常規(guī)采礦方法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)［3］。到2020年，地浸采鈾技術(shù)產(chǎn)能已占我國(guó)天然鈾產(chǎn)能的90%以上［4］。2005年，國(guó)防科工委發(fā)布的《地浸砂巖型鈾礦水文地質(zhì)勘察規(guī)范》（EJ/T 1194—2005），明確指出地浸采鈾技術(shù)僅適用于滲透系數(shù)為0.5～10.0 m/d，且具有穩(wěn)定隔水頂?shù)装宓氖杷缮皫r礦床［5］。蘇學(xué)斌等［6］指出我國(guó)鈾礦資源不豐富，僅有41.57%為可地浸開(kāi)采的砂巖型鈾礦，礦石滲透系數(shù)小于0.5 m/d的致密儲(chǔ)層占砂巖型資源儲(chǔ)量的70%以上，迫切需要加強(qiáng)低滲透砂巖型鈾資源高效開(kāi)采技術(shù)攻關(guān)［6］。根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)發(fā)布的《2020年鈾資源、生產(chǎn)和需求》報(bào)告，2019年我國(guó)核電領(lǐng)域鈾需求量為9 200 t，而國(guó)內(nèi)鈾產(chǎn)量?jī)H為1 600 t，對(duì)外依賴度已超過(guò)80%，嚴(yán)重影響了我國(guó)核工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［2］?？梢?jiàn)，如何有效提高低滲透砂巖鈾礦儲(chǔ)層的滲透性已成為我國(guó)千噸級(jí)鈾礦基地建設(shè)的核心技術(shù)。

為改善低滲透砂巖鈾礦儲(chǔ)層的滲透性，TAN［7］、劉玉龍等［8］通過(guò)柱浸試驗(yàn)表明，在浸出液中加入不同濃度的表面活性劑可使含礦層的滲透系數(shù)提高42.7%～88.6%。杜志明等［9］研究表明，15 kW大功率超聲波解堵增滲技術(shù)對(duì)砂巖鈾礦抽注孔具有解堵增滲作用，可以改善地層的滲透性和聯(lián)通性。王偉等［10］提出了低滲透砂巖型鈾礦床爆破增滲方法，開(kāi)展了低滲透砂巖型鈾礦床爆破增滲初步模型試驗(yàn)和優(yōu)化模型試驗(yàn)及模型滲透性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)爆破后模型滲透率由4.62×10-5D增加至0.002～0.086 D，提高了42～1 858倍。文獻(xiàn)［7-8］采用化學(xué)方法改善了儲(chǔ)層與溶浸液的侵水性，提高了溶浸液進(jìn)入礦層的數(shù)量；文獻(xiàn)［9］通過(guò)物理方法清除了鈾礦層化學(xué)沉淀堵塞，從而改善了礦層滲透性；文獻(xiàn)［10］通過(guò)爆生氣體沖擊波對(duì)礦層進(jìn)行破壞，增加儲(chǔ)層的裂隙含量，但由于砂巖鈾礦儲(chǔ)層特殊的水文地質(zhì)條件及開(kāi)采工藝要求，爆破瞬間釋放能量大，可能會(huì)導(dǎo)致頂?shù)装迤茐模纬蓛?yōu)勢(shì)流通道，因此亟需對(duì)低滲砂巖鈾礦致裂增透技術(shù)進(jìn)行研究。

液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)是利用CO2瞬間受熱氣化膨脹，產(chǎn)生高壓氣體射流進(jìn)行巖石致裂破碎的一種物理爆破方法，克服了以往用炸藥爆破致裂存在的破壞性大、危險(xiǎn)性高等缺點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于低透煤層致裂增滲、臨近建筑土石方開(kāi)挖等工程［11］。2014年，董慶祥等［12］對(duì)Cardox系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了液態(tài)CO2相變致裂增透技術(shù)，理論分析及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證了該技術(shù)的煤層致裂增透效果。近年來(lái)，張東明［13-14］等建立了液態(tài)CO2相變氣體射流壓力模型，分析了液態(tài)CO2相變射孔破巖力學(xué)機(jī)理，提出了煤層液態(tài)CO2相變定向射孔致裂優(yōu)勢(shì)方向判斷方法。針對(duì)我國(guó)低滲砂巖型鈾礦地浸高效開(kāi)采需求，在前期低滲煤層液態(tài)CO2相變致裂增透技術(shù)理論及應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，本研究提出了采用液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)進(jìn)行低滲含鈾砂巖儲(chǔ)層改造增滲的技術(shù)模式，即利用液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)，在地浸采鈾抽、注液孔之間產(chǎn)生大量的聯(lián)通裂隙，增加溶浸液與鈾礦石之間的接觸面積，提高低滲透鈾礦儲(chǔ)層的滲流能力。在系統(tǒng)分析砂巖型鈾礦地浸采鈾技術(shù)現(xiàn)狀、地浸開(kāi)采滲透率的主要影響因素及現(xiàn)有處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)原理，分析了該技術(shù)的TNT當(dāng)量，根據(jù)爆破工程相關(guān)理論，計(jì)算了液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)影響半徑。結(jié)合CO2+O2地浸開(kāi)采工藝，提出了低滲砂巖型鈾礦液態(tài)CO2相變致裂增透地浸采鈾技術(shù)流程，采用自主研發(fā)的液態(tài)CO2相變致裂實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)展了巖石試件致裂破壞試驗(yàn)，并進(jìn)一步分析了該技術(shù)用于破巖致裂的可行性。

1 砂巖型鈾礦CO2+O2地浸開(kāi)采工藝及影響因素

1.1 地浸采鈾技術(shù)概況

地浸采鈾是在天然產(chǎn)狀條件下，通過(guò)地表鉆孔將溶浸液注入礦床，與礦石中的有用礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性化合物在擴(kuò)散、滲流作用下離開(kāi)化學(xué)反應(yīng)區(qū)，進(jìn)入沿礦層滲透遷移的溶浸液［15］。溶浸液經(jīng)過(guò)礦層從另外的鉆孔提升至地表，抽出后輸送至回收車間進(jìn)行離子交換等工藝處理，最后得到合格產(chǎn)品，地浸采鈾工藝流程如圖1所示。

地浸采鈾工藝可避免常規(guī)采礦方法中巷道開(kāi)拓、回采、通風(fēng)、礦石運(yùn)輸?shù)葟?fù)雜工序，具有流程簡(jiǎn)單、投資少、建設(shè)周期短、產(chǎn)品成本低、有利于環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。目前，常用的地浸采鈾工藝主要有酸法地浸、堿法地浸、CO2+O2地浸。

（1）酸法地浸。酸法浸出是利用硫酸和鈾能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的特性，使礦床中的鈾溶解在含酸性溶浸液中成為浸出液。酸法地浸工藝溶浸液和鈾礦石的化學(xué)反應(yīng)劇烈，鈾的浸出速度快、濃度高、周期短、回收率高。酸法地浸工藝的缺點(diǎn)為［16］：①浸出液成分復(fù)雜，水冶難度大；②地下水污染風(fēng)險(xiǎn)大，修復(fù)困難；③儀器管路腐蝕嚴(yán)重。

（2）堿法地浸。堿法地浸利用HCO3-與六價(jià)鈾反應(yīng)生成易溶解絡(luò)合物的原理，采用Na2CO3、NaHCO3、（NH4）2CO3、NH4HCO3等作為溶浸液［17］。堿法地浸工藝比酸法浸出選擇性好，Ca、Me、Fe、Al等元素在堿性浸出環(huán)境下很難溶解，堿性浸出液的腐蝕性較小。該工藝適用于碳酸鹽含量較高的礦床，不足之處在于浸出率較低、浸出時(shí)間長(zhǎng)。

（3）CO2+O2地浸。CO2+O2地浸采鈾工藝是在堿法地浸基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的第三代鈾礦采冶技術(shù)，是在自然埋藏條件下，通過(guò)注入CO2+O2溶浸液，將非溶性鈾（IV）氧化為可溶鈾（VI），形成絡(luò)合陰離子，隨浸出液抽出地表［18］。由于CO2+O2地浸方法具有生產(chǎn)成本低、地下水污染風(fēng)險(xiǎn)低、腐蝕性較小、浸出液鈾濃度穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，因此該工藝已成為國(guó)內(nèi)外砂巖型鈾礦的主要開(kāi)采方式。

1.2 砂巖型鈾礦CO2+O2地浸開(kāi)采滲透率影響因素

CO2+O2地浸開(kāi)采滲透率的主要影響因素有［3，6，10，16］礦層滲透性、化學(xué)沉淀堵塞等。

（1）礦層滲透性。CO2+O2地浸開(kāi)采過(guò)程中，含鈾礦層的滲透性是決定浸出效率的重要因素。受礦層礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、黏土及其他膠結(jié)物等因素影響，含鈾砂巖礦層多為低滲透性儲(chǔ)層［10］。以內(nèi)蒙古某盆地含鈾砂巖地浸開(kāi)采遠(yuǎn)景區(qū)為例，該區(qū)域砂巖型鈾礦礦物成分以石英、鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石為主，多為灰色疏松或次疏松結(jié)構(gòu)，發(fā)育有以蒙脫石、綠泥石、高嶺石等黏土礦物為主的孔隙式膠結(jié)，遇水后黏土礦物膠結(jié)物體積膨脹，嚴(yán)重降低了礦層的滲透性［3，9-10］?？讖椒治霰砻?，該區(qū)域礦層孔隙度為15.5%～20.1%，孔喉半徑為2.95～4.07 μm，平均孔喉半徑僅為3.45 μm，因此礦層的低孔隙度、低孔喉分布也是造成滲透率低的因素之一。

（2）化學(xué)沉淀堵塞。CO2+O2地浸開(kāi)采過(guò)程中化學(xué)沉淀主要受浸出過(guò)程中溶浸液與礦層中的礦物質(zhì)一系列化學(xué)反應(yīng)影響。由于含鈾砂巖礦層中分布大量碳酸鹽礦物質(zhì)，CO2+O2地浸開(kāi)采過(guò)程中，CO2與碳酸鹽反應(yīng)生成HCO3-的同時(shí)，也產(chǎn)生了大量的Ca2+、Mg2+離子，在礦層中形成鈣、鎂沉淀，堵塞礦層中溶浸液運(yùn)移通道［16，19］。另一方面，礦層中黃鐵礦與氧化劑O2反應(yīng)生成鐵離子，在一定的酸性條件下水解形成氫氧化鐵沉淀，堵塞孔隙。由此可見(jiàn)，化學(xué)沉淀會(huì)堵塞礦層孔隙，減少溶浸液運(yùn)移通道，嚴(yán)重影響礦層的滲透性，從而影響了地浸開(kāi)采效率。

1.3 提高CO2+O2地浸開(kāi)采砂巖滲透性的方法

（1）堵塞產(chǎn)生。抑制堵塞產(chǎn)生主要的措施有［16］：①合理控制CO2、O2用量，控制礦層中碳酸鈣、硫酸鈣、氫氧化鐵沉淀。但此方法在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)降低氧化劑氧化鈾的效率，影響浸出鈾的效率。②降低鈣鎂離子濃度，采用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂來(lái)降低Ca2+、Mg2+離子的濃度，減少化學(xué)沉淀。該方法的不足為，長(zhǎng)時(shí)間離子吸附后，會(huì)增加地下水中其他離子濃度，引起黏土膨脹問(wèn)題。③降低礦化度，通過(guò)向礦層注入淡水，控制溶浸液pH值，降低碳酸鈣沉淀，但對(duì)于淡水缺乏的我國(guó)北方地區(qū)，此方法不適用。

（2）鉆孔洗井。在CO2+O2地浸開(kāi)采過(guò)程中，在化學(xué)反應(yīng)作用下，產(chǎn)生的沉淀不斷積累，會(huì)造成礦床滲透率降低。以往的鉆孔洗井技術(shù)是采用強(qiáng)酸浸泡洗孔，但由于強(qiáng)酸作用下會(huì)對(duì)礦層產(chǎn)生二次傷害，如產(chǎn)生水鎖效應(yīng)、鐵離子沉淀、黏土膨脹等問(wèn)題。目前常用的鉆孔洗井解堵方法是利用表面活化劑作為前置液，鹽酸為主酸與其他各類添加劑配置形成綜合解堵劑，預(yù)防鐵離子沉淀，并防止黏土礦物膨脹［7-8］。

（3）深孔爆破。深孔爆破增透技術(shù)已在煤層氣、石油開(kāi)采領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，但在低滲砂巖型鈾礦增透方面還處于試驗(yàn)研究階段［10］。該技術(shù)原理為利用爆破產(chǎn)生的爆炸沖擊波使得巖體產(chǎn)生裂紋，利用微差爆破產(chǎn)生大反射拉伸波場(chǎng)，使得破壞裂隙進(jìn)一步破碎；且爆破生成的高溫高壓氣體進(jìn)入巖體致裂裂隙，在應(yīng)力集中作用下，裂紋尖端持續(xù)擴(kuò)展，使得微裂隙貫通形成聯(lián)通裂隙，從而提高低滲透礦層的滲透性［10］。該技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中由于釋放能量大，會(huì)導(dǎo)致礦層頂?shù)装甯羲畬悠茐?，造成溶浸液滲透進(jìn)入地下水，造成水體污染，因此目前該技術(shù)還處于理論研究階段，尚未在鈾礦地浸開(kāi)采中進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。

2 低滲砂巖型鈾礦液態(tài)CO2相變致裂增透原理及影響半徑

2.1 液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)原理

液態(tài)CO2相變致裂器主要由釋放管、儲(chǔ)液管、定壓破裂片、發(fā)熱器、通纜鉆桿、封孔器及其他配件組成（圖2）。其中，儲(chǔ)液管直徑為150 mm，長(zhǎng)度為1 100 mm；破裂片閾值壓力為276 MPa。該技術(shù)的原理為：將內(nèi)含液態(tài)CO2、發(fā)熱器的致裂器置于低滲砂巖型鈾礦儲(chǔ)層，接通電流啟動(dòng)發(fā)熱器，管內(nèi)CO2迅速?gòu)囊簯B(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，使其壓力劇增，高壓液態(tài)CO2沖破定壓剪切片迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，體積膨脹600多倍［11］；高壓CO2氣體通過(guò)釋放管的排放孔，形成高壓CO2氣體射流，作用于孔壁，使砂巖型鈾礦儲(chǔ)層產(chǎn)生張拉裂隙，致使儲(chǔ)層破碎。

2.2 液態(tài)CO2相變致裂當(dāng)量理論計(jì)算

根據(jù)液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)原理可知，該技術(shù)是一個(gè)物理變化過(guò)程，該過(guò)程所釋放的能量主要與氣體壓力、容器容積以及介質(zhì)在容器內(nèi)的相態(tài)有關(guān)。目前對(duì)于介質(zhì)全部為液體、液化氣體與高溫飽和水、壓縮氣體3種物理狀態(tài)的相變爆炸能量計(jì)算方法較為常用［12］。在液態(tài)CO2相變致裂過(guò)程中，儲(chǔ)液管內(nèi)液態(tài)CO2瞬間受熱膨脹，處于壓縮氣體狀態(tài)，當(dāng)其壓力大于定壓破裂片額定壓力后，產(chǎn)生相變爆炸，忽略液態(tài)CO2受熱氣化過(guò)程做功，由壓縮氣體相變爆炸能量計(jì)算方法得到液態(tài)CO2相變致裂器釋放的爆破能量為［12］

式中，Eg為氣體的爆破能量，kJ；V為容器的容積，m3；p為容器內(nèi)絕對(duì)壓力，MPa；k為絕熱系數(shù)，液態(tài)二氧化碳?xì)怏wk=1.295。

本研究使用的定壓泄能片的破裂壓約276 MPa，儲(chǔ)液管的容積約4.99 L（儲(chǔ)液管內(nèi)徑為76 mm，長(zhǎng)度為1.1 m），能夠啟動(dòng)致裂的裝液量約1.46 kg。利用式（1）計(jì)算的液態(tài)CO2相變致裂裝置釋放的能量近似為4 658.67 kJ。

液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)的TNT當(dāng)量WTNT可進(jìn)行如下計(jì)算：

式中，QTNT為1 kg TNT炸藥的爆炸能，取4 250 kJ/kg。

經(jīng)式（2）計(jì)算，該型儲(chǔ)液管的致裂當(dāng)量為1.10 kg TNT。

2.3 液態(tài)CO2相變致裂影響半徑理論計(jì)算

2.3.1 液態(tài)CO2相變致裂裂隙區(qū)形成過(guò)程

孔內(nèi)液態(tài)CO2相變致裂器啟動(dòng)后，相變膨脹形成高壓氣體沖擊波，直接作用在砂巖鈾礦孔壁上，使得砂巖鈾礦破裂形成預(yù)裂破碎區(qū)。之后，沖擊波經(jīng)過(guò)衰減，能量不斷減小，高壓氣體進(jìn)入破碎裂隙及原生裂隙，使得破碎區(qū)尖端裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，形成交叉裂隙網(wǎng)，即裂隙區(qū)，整個(gè)過(guò)程如圖3所示。

2.3.2 液態(tài)CO2相變致裂裂隙區(qū)半徑理論分析

由上述分析可知：液態(tài)CO2相變致裂TNT當(dāng)量為1.10 kg，致裂器長(zhǎng)度為2.7 m，直徑150 mm，鉆孔直徑210 mm。本研究將液態(tài)CO2相變致裂等效為TNT孔內(nèi)爆炸，根據(jù)炸藥爆破工程中不耦合裝藥條件下的相關(guān)理論進(jìn)行致裂裂隙區(qū)半徑計(jì)算。

（1）破粉碎區(qū)半徑。液態(tài)CO2相變致裂器在孔內(nèi)啟動(dòng)后，會(huì)在孔內(nèi)形成高壓氣體沖擊波。由于沖擊波的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于孔壁砂巖鈾礦巖體的抗壓強(qiáng)度，巖體將被強(qiáng)烈壓縮粉碎，形成壓碎圈。根據(jù)TNT當(dāng)量計(jì)算結(jié)果，結(jié)合彈性力學(xué)及斷裂力學(xué)相關(guān)理論，可以得到破碎區(qū)半徑為［20］

式中，Rc為破碎區(qū)半徑，m；ρ0為等效裝藥密度，根據(jù)TNT當(dāng)量與致裂器封孔器隔斷部分鉆孔空間體積計(jì)算得到，取15.12 kg/m3；D為TNT爆速，取3 600 m/s；n為爆轟產(chǎn)物碰撞炮孔壁的壓力增大系數(shù)，取10；K為裝藥徑向不耦合系數(shù)，K=db/dc；dc為致裂器直徑，取0.15 m；db為鉆孔直徑，取0.21 m；γ為膨脹絕熱指數(shù)，取1.29；le為裝藥軸向不耦合系數(shù)，取0.53；α為載荷傳播衰減指數(shù)，α=2+μd/(1-μd)；μd為砂巖鈾礦巖體動(dòng)態(tài)泊松比，取0.16；σcd為砂巖鈾礦巖體動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，取21 MPa；b為側(cè)向應(yīng)力系數(shù)，b=μd/(1-μd)。

（2）裂隙區(qū)半徑。液態(tài)CO2相變膨脹產(chǎn)生的沖擊波在傳遞過(guò)程中逐漸衰減。衰減后的高壓氣體對(duì)孔壁圍巖產(chǎn)生切向拉伸作用，當(dāng)切向拉伸強(qiáng)度大于巖體抗拉強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生的徑向裂隙區(qū)半徑為［20］

式中，σR為徑向應(yīng)力，MPa，；σtd為砂巖鈾礦巖體的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度，5 MPa；β為應(yīng)力波向外傳播的衰減指數(shù)，β=2-μd/(1-μd)。

根據(jù)式（3）、式（5）計(jì)算的液態(tài)CO2相變致裂破粉碎區(qū)半徑Rc=0.28 m，裂隙區(qū)半徑Rp=6.25 m，故液態(tài)CO2相變致裂影響半徑R為6.53 m。

3 低滲砂巖型鈾礦液態(tài)CO2相變致裂增透技術(shù)特征

3.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)及工藝流程

CO2+O2地浸采鈾工藝流程主要分為［3，6］：①鉆孔施工；②將配制的溶浸液通過(guò)注液孔注入礦層；③溶浸液在礦層中滲透運(yùn)移，與鈾礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；④浸出液通過(guò)抽液鉆孔抽出地表。在上述工藝流程中，影響CO2+O2地浸采鈾效率的主要是流程③，主要影響因素為含鈾砂巖滲透率、溶浸過(guò)程中產(chǎn)生的化學(xué)沉淀堵塞。目前的增透技術(shù)主要針對(duì)化學(xué)沉淀堵塞進(jìn)行處理［16，19］，如抑制堵塞產(chǎn)生、鉆孔洗井等技術(shù)，但該類技術(shù)無(wú)法有效提高礦層本身的滲透率。深孔爆破增透技術(shù)雖然具有一定的應(yīng)用前景［10］，但由于炸藥爆破釋放能量大，不僅會(huì)對(duì)礦層頂?shù)装濉@孔產(chǎn)生一定程度的破壞，而且易造成溶浸液滲漏，污染地下水環(huán)境。

液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)與深孔爆破相比，屬于物理爆破范疇，其運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用可避免火工品管制帶來(lái)的繁瑣審批流程，無(wú)需驗(yàn)炮、操作簡(jiǎn)便，被廣泛應(yīng)用于煤層氣開(kāi)采、料倉(cāng)清堵、土石方開(kāi)挖等工程，因此可將其應(yīng)用于低滲透性砂巖鈾礦增透。本研究提出的低滲砂巖型鈾礦液態(tài)CO2相變致裂增透技術(shù)，是在CO2+O2地浸開(kāi)采工藝的基礎(chǔ)上，增加液態(tài)CO2相變致裂增透施工過(guò)程，即在注液孔和抽壓孔施工完畢后，將液態(tài)CO2相變致裂器安裝進(jìn)入目標(biāo)礦層，啟動(dòng)致裂器，在高壓氣體作用下使孔壁產(chǎn)生破壞裂隙，其施工工藝流程如圖4（a）所示，具體的液態(tài)CO2相變致裂增透施工流程如圖4（b）所示。該技術(shù)主要產(chǎn)物為CO2，進(jìn)入礦層可參與溶浸液pH調(diào)節(jié)，因此可與現(xiàn)有的CO2+O2地浸開(kāi)采工藝協(xié)同實(shí)現(xiàn)低滲砂巖型鈾礦高效開(kāi)采。

孔距為20 m的7點(diǎn)型網(wǎng)狀鉆孔布置及其致裂增透效果如圖5所示。由上述理論計(jì)算可知液態(tài)CO2相變致裂增透影響半徑為6.53 m，即在注液孔及抽液孔周圍6.53 m范圍內(nèi)產(chǎn)生裂隙區(qū)，增加溶浸液在該區(qū)域內(nèi)的滲漏速度及與礦體的接觸面積，可加快鈾礦與溶浸液的反應(yīng)速度。為了避免注液孔與抽液孔之間形成連通裂隙，產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)流通道，造成溶浸液滲流速度過(guò)快，不利于鈾礦溶浸反應(yīng)，在相鄰注液孔、抽液孔之間分別保留至少6.94 m、7.52 m的原始滲流區(qū)域，使得含鈾溶浸液在壓差作用下由注液孔向抽液孔滲流。

3.2 破巖致裂

為深入分析液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)的致裂破巖效果，研發(fā)了液態(tài)CO2相變致裂實(shí)驗(yàn)裝置［11］，如圖6所示。該系統(tǒng)主要由液態(tài)CO2相變致裂系統(tǒng)、三軸加載系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)展了地應(yīng)力條件下含鈾砂巖液態(tài)CO2相變致裂試驗(yàn)研究，采用尾礦砂、石膏、水泥按照5∶1∶3比例，澆筑制備成邊長(zhǎng)200 mm的立方體相似材料試件，干燥后保存?zhèn)溆谩?/p>

試驗(yàn)過(guò)程中，為模擬地層三維應(yīng)力狀態(tài)，將σX、σY、σZ均設(shè)置為4.5 MPa，試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)CO2初始?jí)毫υO(shè)置為14 MPa，得到該條件下試件破壞形態(tài)如圖7（a）所示。由該圖可以看出，液態(tài)CO2相變致裂后，致裂孔周邊產(chǎn)生明顯的致裂裂隙，結(jié)合CT層析掃描結(jié)果（圖7（b）和圖7（c）），可以看出巖石試件由致裂孔處產(chǎn)生的主裂隙已完全貫通試件，在致裂孔附近還有部分微裂隙產(chǎn)生，且微裂隙聯(lián)通形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，表明液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)三維應(yīng)力條件下巖體致裂破壞，能夠有效增加巖體損傷裂隙網(wǎng)絡(luò)分布。故該技術(shù)應(yīng)用于低滲砂巖型鈾礦進(jìn)行礦層致裂，可有效增加其聯(lián)通裂隙數(shù)量，提高溶浸液在礦層中的滲透率，增加溶浸液與礦層的接觸面積，實(shí)現(xiàn)低滲砂巖型鈾礦的高效開(kāi)采。

3.3 降低化學(xué)沉淀

由上述分析可知，化學(xué)沉淀堵塞之所以會(huì)降低CO2+O2地浸開(kāi)采過(guò)程礦層滲透率，主要是因?yàn)楫a(chǎn)生了Ca（Mg）CO3沉淀。目前預(yù)測(cè)Ca（Mg）CO3沉淀的主要方法為Stiff&Daivs飽和指數(shù)法，計(jì)算公式為［21］

式中：SI為飽和指數(shù)；lg[w(Ca2+)]為Ca2+離子濃度的對(duì)數(shù)值；lg[w(HCO3-)]為HCO3-離子濃度的對(duì)數(shù)值；pH為溶液pH值。當(dāng)SI=0時(shí)，Ca（Mg）CO3處于溶解平衡狀態(tài)，不產(chǎn)生沉淀；當(dāng)SI>0時(shí)；地下水呈過(guò)飽和狀態(tài)，Ca（Mg）CO3析出產(chǎn)生沉淀，且SI越大沉淀量越大；當(dāng)SI<0時(shí)，地下水呈不飽和狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生沉淀。

結(jié)合式（6）進(jìn)一步分析可知：Ca（Mg）CO3沉淀產(chǎn)生的主要因素為地下水中Ca2+濃度、Mg2+濃度、HCO3-濃度與pH值。地下水中，Ca2+濃度、Mg2+濃度、pH值增加，形成Ca（Mg）CO3沉淀的傾向性增加；溶液中pH值減小，形成Ca（Mg）CO3沉淀的傾向性減小。因此，在地浸開(kāi)采過(guò)程中如果發(fā)生Ca（Mg）CO3沉淀，通過(guò)改變Ca2+濃度、Mg2+濃度、HCO3-濃度與pH值，可使沉淀的Ca（Mg）CO3再次溶解。采用液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)進(jìn)行低滲砂巖鈾礦床增透過(guò)程中，產(chǎn)生的CO2氣體進(jìn)入礦床，降低了地下水pH值，增加了地下水中HCO3-濃度，可在一定程度上溶解部分Ca（Mg）CO3沉淀，避免化學(xué)沉淀堵塞降低礦層滲透率。

3.4 經(jīng)濟(jì)性

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，砂巖型鈾礦的滲透率不僅影響地浸開(kāi)采效率，而且對(duì)鉆孔間距會(huì)產(chǎn)生重要影響［22］。對(duì)于滲透性較好的礦層，在地浸開(kāi)采過(guò)程中可以適當(dāng)增加鉆孔間距。地浸采鈾過(guò)程中，鉆孔施工基建費(fèi)用一般占地浸產(chǎn)品成本的30%。因此采用液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)進(jìn)行低滲砂巖型鈾礦增透，不僅可以提高溶浸液滲流速度，還可以減少鉆孔施工量，有助于降低生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)性較顯著。

4 結(jié) 論

（1）針對(duì)我國(guó)低滲透性砂巖型鈾礦在地浸開(kāi)采中存在的浸出困難技術(shù)難題，提出了低滲砂巖型鈾礦液態(tài)CO2相變致裂增透高效開(kāi)采技術(shù)模式，采用理論方法計(jì)算了液態(tài)CO2相變致裂影響半徑，建立了液態(tài)CO2相變致裂增透地浸開(kāi)采流程，系統(tǒng)進(jìn)行了低滲砂巖型鈾礦液態(tài)CO2相變致裂增透高效開(kāi)采技術(shù)特征研究。研究成果對(duì)今后突破低滲透性砂巖鈾礦地浸浸出率低的難題具有重要的意義。

（2）理論分析得到液態(tài)CO2相變致裂器TNT當(dāng)量為1.10 kg，其致裂影響半徑為6.53 m。試驗(yàn)及分析表明：該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)三維應(yīng)力條件下巖體致裂破壞，能夠有效增加巖體損傷裂隙網(wǎng)絡(luò)分布，具有破巖致裂增透、降低化學(xué)沉淀的技術(shù)特點(diǎn)。

（3）低滲砂巖型鈾礦液態(tài)CO2相變致裂增透是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本研究?jī)H對(duì)該方法破巖致裂、降低化學(xué)沉淀及經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了初步研究，有關(guān)該技術(shù)的致裂破巖裂隙演化及分布規(guī)律、增透效果參數(shù)及其持久性等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題還需要進(jìn)一步深入研究。