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(guò)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(guò)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(guò)過(guò)濾器注入礦層(托爾斯多夫,2003)。設(shè)計(jì)合理的過(guò)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(guò)濾器溶液運(yùn)移情況開(kāi)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(guò)研究納嶺溝礦床鉆孔過(guò)濾器布置對(duì)鈾濃度的影響，以期為該礦床過(guò)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(guò)濾器均采用外骨架式過(guò)濾器(環(huán)形骨架加圓孔式過(guò)濾器組成)。過(guò)濾器包含礦體長(zhǎng)度為4～11 m。抽液孔過(guò)濾器相對(duì)位置略低于礦層，注液孔過(guò)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(guò)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(guò)濾器；如無(wú)法確定主礦層，則布置兩層過(guò)濾器。此外，為科學(xué)開(kāi)展單元過(guò)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(guò)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(guò)濾器布置特點(diǎn)如下：①抽注單元內(nèi)抽液孔位置低于周?chē)⒁嚎孜恢眉s25%；②過(guò)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(guò)濾器在同一水平錯(cuò)落布置，其布置位置誤差不超過(guò)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(guò)濾器分布情況進(jìn)行剖面作圖，將過(guò)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(guò)濾器布置差異化大，過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)5 m(圖5)。理論研究認(rèn)為在過(guò)濾器段礦層的滲透性均勻的情況下，過(guò)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(guò)深井電視測(cè)井技術(shù)，對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)抽注液孔過(guò)濾器進(jìn)行觀察(圖6)，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器在自上而下大概4～5 m處有比較明顯的分界線，說(shuō)明過(guò)濾器長(zhǎng)度在5 m及以上時(shí)過(guò)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(guò)濾器時(shí)，底層過(guò)濾器過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)濾器長(zhǎng)度相較于礦體有效厚度過(guò)長(zhǎng)，其過(guò)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?zhuān)档推浣鲂?圖7)。

(4)第4種方式是單元與單元之間過(guò)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(guò)濾器在水平上差異大，會(huì)導(dǎo)致地下水在各過(guò)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(guò)濾器一般布置原則

4.1 過(guò)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(guò)濾器的有效長(zhǎng)度是有限的。過(guò)濾器的有效長(zhǎng)度指能達(dá)到過(guò)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(guò)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(guò)濾器有效長(zhǎng)度可由下式計(jì)算：

L=QβD

(1)

式中，L為過(guò)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(guò)濾器外徑(mm)。

4.2 影響過(guò)濾器長(zhǎng)度的因素

4.2.1 鉆孔過(guò)液量

針對(duì)圓孔式過(guò)濾器(含外骨架式過(guò)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(guò)水?dāng)嗝?，其與過(guò)水?dāng)嗝娉收?。過(guò)水?dāng)嗝婕催^(guò)濾器的透水面積，為過(guò)濾器的表面面積與孔隙率之積。對(duì)于圓孔式過(guò)濾器：

ω=DπLρ

(2)

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

由于過(guò)水?dāng)嗝媾c過(guò)濾器長(zhǎng)度成正比，因此過(guò)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(guò)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(guò)量稀釋?zhuān)速M(fèi)浸出劑，增大采礦成本，過(guò)濾器長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)。

4.2.2 礦層有效厚度

過(guò)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(guò)濾器長(zhǎng)度大；有效厚度大，過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)過(guò)濾器長(zhǎng)度的10%～20%。因此，過(guò)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(guò)濾器布置在礦層中時(shí)，礦層厚度是確定過(guò)濾器長(zhǎng)度的主要因素，過(guò)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(guò)濾器的長(zhǎng)度，而且要考慮附近井的見(jiàn)礦厚度，綜合確定過(guò)濾器長(zhǎng)度。

5 過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)濾器位置時(shí)，將過(guò)濾器盡量布置在礦體內(nèi)部，減少溶浸劑稀釋?zhuān)_保經(jīng)濟(jì)性。

5.2 過(guò)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(guò)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(guò)濾器運(yùn)行、電視測(cè)井實(shí)際情況，確定最佳過(guò)濾器長(zhǎng)度為6 m，可確保過(guò)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(guò)濾器實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，發(fā)現(xiàn)過(guò)濾器在自上而下4～5 m處有比較明顯的分界線，經(jīng)過(guò)計(jì)算并綜合考慮，納嶺溝礦床下一步過(guò)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(guò)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(guò)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?zhuān)_保經(jīng)濟(jì)性。