雷明信，徐 強，霍晨琛

(中核礦業(yè)科技集團有限公司，北京 101149)

在今后一定時期內(nèi)，地浸采鈾將是中國鈾礦開采的主要技術(shù)[1]。當(dāng)鈾礦體位于承壓含水層中時，鈾礦要實現(xiàn)地浸開采，除了需滿足礦體是可滲透的，鈾礦物是可溶的，含礦砂體的有害組分及干擾元素含量少，礦體傾角不宜過大(一般<45°)，礦體與含礦砂體的厚度比不能太小(有效厚度比>1∶10)[2-5]這些條件外；還需要在開采時保持礦層以上始終有一定的承壓水頭。

在煤礦基建過程中，煤礦豎井排水會導(dǎo)致鈾礦床地下水位下降。若地下水位下降到地浸所需的最低水位以下，那么地浸采鈾將無法進行。因此，需要研究煤礦排水對鈾礦床地下水位下降的影響程度，并提出對地浸開采鈾礦影響最小的煤礦開采方案。

1 鈾煤礦區(qū)概況及開發(fā)現(xiàn)狀

1.1 鈾煤礦區(qū)概況

鈾礦床位于煤礦井田內(nèi)，鈾礦體位于可采煤層之上，平面位置與煤層重疊，垂向距離平均為139 m。主采煤層上部含水層，既是采用地浸方式開采鈾礦時所需要的含水層，也是開采煤礦時進行排水與減壓疏干的含水層，煤礦主立井距鈾礦區(qū)邊界最近距離僅為3 km(圖1)。因此，煤礦開采排水必然會引起鈾礦地下水位的下降。

在鈾礦床詳查過程中，施工了3個水文地質(zhì)長期觀測孔(WN1、WN2、WN3)。在2011年7月5日前，對WN1孔進行了連續(xù)1年的觀測，發(fā)現(xiàn)WN1水位基本沒有變化，隨后停止了觀測工作；但在2013年7月31日對該孔水位重新進行觀測時，發(fā)現(xiàn)該孔水位比2011年7月5日的水位下降了8.4 m。根據(jù)這種情況，對WN1、WN2、WN3觀測孔從2013年8月1日至2014年2月12日進行了觀測，發(fā)現(xiàn)3個觀測孔的水位均有明顯下降趨勢(圖2)。

1.2 鈾煤礦床開發(fā)現(xiàn)狀

1.2.1 鈾礦床開發(fā)現(xiàn)狀

目前，在鈾礦床現(xiàn)場開展了CO2+O2工藝的地浸條件試驗和小規(guī)模試生產(chǎn)，試驗結(jié)果證明該礦床采用地浸法開采是可行的。

1.2.2 煤礦床開發(fā)現(xiàn)狀

煤礦設(shè)計年產(chǎn)1 000萬噸。目前，井建工程基本完成。煤礦在開采前，先要進行開拓，開拓巷道標(biāo)高為+910 m；然后進行試采，以便取得采礦參數(shù)進行正式生產(chǎn)，每個開采面寬度為300 m，長度約為3 200 m；正式生產(chǎn)時的首采地段，在開拓巷道南側(cè)有2個開采面。

煤炭設(shè)計院在設(shè)計時根據(jù)開采情況對煤礦涌水量進行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見表1。

1—地層代號；2—下白堊統(tǒng)含水層；3—第四系含水層；4—中侏羅統(tǒng)直羅組含水層(氧化性含水層)；5—中侏羅統(tǒng)直羅組含水層(還原性含水層)；6—泥巖、粉砂巖；7—煤層；8—角度不整合界線；9—平行不整合界線；10—斷層；11—中侏羅統(tǒng)直羅組下段層間氧化帶；12—鈾礦體；13—下白堊統(tǒng)地下水位；14—地下水流向。圖1 礦區(qū)水文地質(zhì)剖面示意圖

圖2 觀測孔中的實測水位變化曲線

表1 煤礦井開采各階段完全疏干條件下涌水量預(yù)測結(jié)果

2 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 礦區(qū)地下水的分類

礦區(qū)地下水分為兩類，一類是第四系松散層孔隙潛水；另一類是孔隙-裂隙承壓水。第四系松散層孔隙潛水含水層巖性為灰黃色、棕黃色沖洪積砂礫石，殘坡積中細(xì)砂及風(fēng)積砂等，在井田內(nèi)廣泛分布；含水層厚度為1.50～7.50 m，地下水位埋深一般為3～5 m?？紫?裂隙承壓水賦存于砂巖中，含水層厚度為143.00～203.00 m(平均為174.20 m)，地下水位埋深為124～204 m，水位標(biāo)高為1 337.14～1 343.69 m，單位涌水量為0.03～0.20 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.015 4～0.232 7 m/d。

中侏羅統(tǒng)砂巖的富水性弱到中等，導(dǎo)水性中等，地下水的補給條件與徑流條件均較差，與上覆潛水含水層及大氣降水的水力聯(lián)系較差?？紫?裂隙承壓水層為煤礦開采需要排水的含水層和地浸開采需要利用的含水層。

2.2 礦區(qū)地下水的補給、徑流和排泄

2.2.1 第四系孔隙潛水

第四系孔隙潛水的主要補給來源為大氣降水。本區(qū)大氣降水量較小且集中，雨季潛水的補給量較大，降水多以徑流形式流出區(qū)外，降水的一部分滲入地下補給地下水。因此，潛水一般沿溝谷方向向北徑流，潛水的排泄方式有徑流排泄、人工開采排泄、泉水排泄、蒸發(fā)排泄等。

2.2.2 孔隙-裂隙承壓水

孔隙-裂隙承壓水的主要補給來源為區(qū)外承壓水的側(cè)向徑流補給，其次為上部潛水的越流補給，在溝谷兩側(cè)基巖出露處也接受大氣降水的垂直滲入補給。承壓水一般沿地層走向徑流，其排泄以側(cè)向徑流排泄為主，其次為打井開采排泄。

3 煤礦開采排水條件下鈾礦區(qū)地下水位下降預(yù)測

3.1 地浸采鈾需要的最低承壓水頭

根據(jù)礦石的化學(xué)成分，通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗驗證，該礦床適宜采用CO2+O2浸出工藝。地浸工藝要求礦層以上要有一定的壓力才能保證所需要的溶解氧濃度，當(dāng)壓力(承壓水頭)小于一定值時，加入的O2在未到達抽液井時就會從水中逸出。根據(jù)工業(yè)試驗結(jié)果，該鈾礦地浸開采時需要的最低溶解氧的濃度為400 mg/L。根據(jù)式(1)[6]，地下水的溫度取15 ℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓p0取0.1 MPa，則溶解氧達到400 mg/L時至少需要1 MPa以上(承壓水頭約100 m)的壓力。

(1)

式中：H—絕對水柱，m；T—溫度，℃；Q—氧氣溶解量，mg/L。

目前鈾礦含礦含水層承壓水頭為150～180 m，當(dāng)?shù)叵滤幌陆党^50 m時，在抽注狀態(tài)下承壓水頭將小于1 MPa，所加的O2就會從地下水中逸出。這將對地浸開采鈾產(chǎn)生影響：1)降低浸出強度，影響浸出效率，使浸出液鈾質(zhì)量濃度達不到開采要求；2)大量逸出的O2在含礦含水層中形成氣堵，影響抽注運行；3)在抽液時，逸出的O2會使?jié)撍卯a(chǎn)生氣蝕，影響潛水泵正常工作。因此，當(dāng)水位下降超過50 m時，地下水中的氧氣濃度為369.4～476.1 mg/L，將嚴(yán)重影響地浸采鈾的浸出效果。

3.2 解析法預(yù)測

3.2.1 計算原理

根據(jù)對收集到的資料的分析，煤礦豎井在處理事故期間，總排水量為55萬m3，平均排水量為150 m3/h。在預(yù)測時，參數(shù)確定和公式選擇均采用觀測孔資料。

采用非穩(wěn)定流解析法進行預(yù)測[7]，公式為

(2)

式中：s—離抽水井r處任意時間t(從抽水開始算起)的水位降深，m；T—含水層導(dǎo)水系數(shù)，m2/d，T=KM(K—滲透系數(shù)，m/d；M—含水層厚度，m)；a—導(dǎo)壓系數(shù)，m2/d；r—預(yù)測點與放水點的距離，m；t—預(yù)測時間，d；t0—水位降深為0時的時間起點，利用WB7孔不同時間的水位降深，采用圖解法確定，得t0=7.816 d。

3.2.2 滲透系數(shù)確定

由于缺乏抽水初期水位觀測資料，因此采用穩(wěn)定流公式計算滲透系數(shù)?？紤]到預(yù)測資料較多，滲透系數(shù)計算采用有2個觀測孔資料的穩(wěn)定流公式[8]

(3)

式中：K—滲透系數(shù)，m/d；Q—抽水井流量，m3/h；r1、r2—觀測孔孔徑，m；s1、s2—觀測孔水位降深，m。

以豎井為中心，在北西、南東和正東方向上選擇8組觀測孔的水位動態(tài)觀測數(shù)據(jù)計算滲透系數(shù)(圖3)。

1—鈾礦區(qū)；2—鈾礦觀測孔；3—煤礦豎井；4—煤礦觀測孔。圖3 煤礦豎井及地下水位觀測孔分布圖

計算時取排水量為150 m3/h，含礦含水層平均厚度為138 m，以各組滲透系數(shù)的平均值作為預(yù)測的滲透系數(shù)，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，由位于豎井正東側(cè)的WN1及WB7孔計算的滲透系數(shù)最大，為0.509 7 m/d。而鈾礦正是位于豎井正東側(cè)，因此煤礦排水對鈾礦采用地浸方式開采影響最大。

表2 滲透系數(shù)計算結(jié)果

3.2.3 預(yù)測方法驗證

利用公式(3)對3個不同方向的鉆孔水位降深進行了預(yù)測，預(yù)測采用2013年7月2日至2013年12月15日的數(shù)據(jù)，預(yù)測結(jié)果與實際測量結(jié)果見表3?？梢钥闯觯幸粋€鉆孔的預(yù)測誤差為62.36%，其他5個孔的誤差在26%以下，總體來看，公式的符合性較好，可以采用該公式進行初步預(yù)測。

3.2.4 預(yù)測結(jié)果

根據(jù)煤礦排水計劃，按不同時間段對WN1孔的水位降深進行了預(yù)測，結(jié)果見表4?？梢钥闯?，到煤礦排水第2年時，水位下降已超過60 m，將無法采用地浸工藝高效開采鈾礦。

3.3 數(shù)值模擬預(yù)測

為了比較準(zhǔn)確地預(yù)測煤礦生產(chǎn)排水對鈾礦地下水位的影響，采用VISUAL MODFLOW數(shù)值模擬軟件對鈾礦地下水位的下降進行了預(yù)測。

預(yù)測范圍長34 km、寬26 km，按照矩形網(wǎng)格剖分。水平方向上剖分為200 m×200 m的網(wǎng)格，垂直方向上剖分為4層，在鈾礦床位置對網(wǎng)格進行加密處理。

在模型預(yù)測之前，為了驗證模型與實際的符合性，采用WB6、WN1鉆孔的水位觀測資料對模型進行了識別和驗證。驗證結(jié)果表明，擬合效果很好，模型預(yù)測結(jié)果與實際觀測結(jié)果的趨勢一致；在置信度為95%時，水位計算值與觀測值吻合較好(圖4)。

表3 降深預(yù)測結(jié)果與實際測量結(jié)果對比

表4 根據(jù)煤礦排水預(yù)測WN1地下水位下降情況

圖4 WN1及WB6觀測孔地下水位擬合圖

根據(jù)地下水統(tǒng)計調(diào)查資料的詳實程度和2015年得到的資料，結(jié)合煤礦開采設(shè)計，到2031年排水量將達到峰值。為合理模擬最大排水量對鈾礦開采的影響，選擇模擬預(yù)測周期為2013—2031年，共計6 752 d。

預(yù)測時，以煤礦主立井為東側(cè)開采邊界，將煤礦開采方案分為從東部到西部、從中部到西部和從西部到東部3種方案，按煤礦預(yù)計的排水量進行預(yù)測。3種方案下，煤礦開采第1年的地下水流場如圖5～7所示，預(yù)測結(jié)果見表5。

圖5 煤礦從東部向西部開采時地下水流場

圖6 煤礦從中部向西部開采時地下水流場

圖7 煤礦從西部向東部開采時地下水流場

表5 煤礦不同開采順序下鈾礦WN1孔預(yù)測水位比較

由表5可知，在煤礦開采的前9年中，從西部往東部開采時地下水位下降最慢，對鈾礦范圍地下水影響最小；但到第10年以后，隨著降落漏斗向東擴展，影響逐漸增大。

因鈾礦平面位置與煤層重疊，垂向距離平均為139 m，若煤礦采用從西部往東部的開采順序，至第18年時總降深達177 m，鈾礦床的部分采區(qū)已開始進入疏干狀態(tài)；若煤礦采用從東部往西部的開采順序，第3年開始，鈾礦床將開始逐漸進入疏干狀態(tài)；而若煤礦采用從中部往西部的開采順序，開始階段對鈾礦開采的影響較大，隨著降落漏斗向西偏移，其影響逐漸變小，即使到第18年，鈾礦床也不會達到疏干狀態(tài)。

4 結(jié)論與建議

1)煤礦開采排水對鈾礦床地下水位影響很大，會造成地下水位持續(xù)下降。該鈾礦的地下水位下降超過50 m時，承壓水頭將低于100 m，該礦床采用地浸法開采將會受到影響。

2)對鈾礦開采影響最小的煤礦開采順序是從西部往東部進行。同時，鈾礦的開采順序也應(yīng)與煤礦保持一致，這樣才能使煤礦排水對鈾礦采用地浸方式開采的影響程度降到最低。在鈾煤礦區(qū)，應(yīng)做到鈾煤協(xié)同開采，使礦產(chǎn)資源利用達到最大化。