王海峰，李建東，劉正邦，原 淵，陳梅芳，李建軍

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029；3.中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

在國際市場天然鈾價格低迷的背景下，一些國家關(guān)停了地下和露天鈾礦山，這為低成本地浸采鈾帶來了契機[1]。地浸采鈾在技術(shù)、生產(chǎn)效率、環(huán)境保護等方面具有一定的優(yōu)勢，為了地浸采鈾技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，必須不斷研究和應(yīng)用新技術(shù)，特別是研究和應(yīng)用主導(dǎo)地浸采鈾礦山的鉆孔施工和成井技術(shù)。

在中國地浸采鈾過程中，探索和實踐了酸法、堿法以及CO2+O2地浸采鈾技術(shù)，在技術(shù)更新、生產(chǎn)能力提高上取得了一定成就[2]。地浸鉆孔質(zhì)量的高低直接影響礦山生產(chǎn)能力和經(jīng)濟效益。為推動地浸采鈾技術(shù)進步，隨礦山生產(chǎn)規(guī)模的增大，不斷引入先進、新型、高效鉆機，提高了鉆孔施工和成井速度，縮短了礦山建設(shè)周期[3]。鉆孔成井逆向注漿技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，從根本上消除了混漿段產(chǎn)生的隱患，使鉆孔質(zhì)量更高。而貼礫式可更換過濾器的應(yīng)用，解決了過濾器堵塞后被動清洗的問題[4]。

與美國等國家相比，中國地浸砂巖型鈾礦床滲透性偏小。洗井是中國地浸采鈾礦山常態(tài)化的工作；洗井廢水排放不當(dāng)不但會造成環(huán)境污染，且廢水中的鈾金屬得不到回收[5]。洗井廢水回收裝置的研制與實踐，反映了中國地浸采鈾工作者綠色礦山建設(shè)意識的增強。廢棄鉆井液無害化處理與回用，消除了礦山廢棄鉆井液儲存池，減少了污染源。

1 中國鉆機使用進展

1.1 早期使用的鉆機

中國地浸砂巖型鈾礦床主要集中在新疆伊犁盆地、吐哈盆地，內(nèi)蒙古鄂爾多斯盆地、二連盆地等地區(qū)。這些地區(qū)地勢比較平坦，自然條件惡劣，干旱缺水，地表松軟。

因地浸采鈾初期所開采的礦床埋藏深度相對較淺，采區(qū)開拓早期主要使用重慶探礦機械廠XY-1000鉆機和張家口探礦機械總廠XU1000等固定式鉆機(表1)[6]。這類鉆機鉆進深度淺，額定功率小，鉆進時間長。對于XY-1000型鉆機，當(dāng)鉆桿直徑從42 mm增加到60 mm時，鉆井深度從1 400 m下降至850 m[7]。由于鉆桿直徑小，經(jīng)常出現(xiàn)鉆桿扭斷現(xiàn)象，制約了鉆孔施工進度。

表1 地浸采鈾早期使用的鉆機型號及參數(shù)Table 1 Drill type and parameters used in the early stage of in-situ leaching uranium mining

美國、澳大利亞及哈薩克斯坦等地浸采鈾礦山鉆孔施工主要使用車載式鉆機，這類鉆機由柴油發(fā)動機驅(qū)動，鉆進速度快且扭矩可控，因此不會發(fā)生鉆桿扭斷[8]。并且，地浸采鈾采區(qū)開拓鉆孔基本不取芯，取芯鉆進只在勘探階段進行，這無形中加快了鉆進速度[9]。

1.2 新型鉆機的使用

隨開采深度和礦山生產(chǎn)規(guī)模的增大，中國地浸采鈾礦山鉆機性能有了較大程度改觀，鉆進深度、額定扭矩、鉆桿直徑等都有提高(表2)[10]。目前使用的鉆機主要有拖車式和落地式鉆機，這2種鉆機可在嚴(yán)寒和風(fēng)沙條件下進行鉆孔施工。施工現(xiàn)場使用的鉆鋌直徑最小73 mm，最大178 mm；長度為6.7～9.5 m。

表2 地浸采鈾目前采用的鉆機型號及參數(shù)Table 2 Drill type and parameters currently used for in-situ leaching uranium mining

鉆機的更新增強了對施工地形的適應(yīng)性，特別是提高了鉆進效率。這為大埋深礦床和大規(guī)模礦山的生產(chǎn)和建設(shè)提供了保障。

2 中國逆向注漿技術(shù)進展

2.1 逆向注漿的優(yōu)勢

為隔離各含水層，使鉆孔中下入的套管與地層成為一體，并增強鉆孔強度和使用壽命，需在套管外壁與地層之間的環(huán)形空間注入水泥漿。美國地浸采鈾礦山鉆孔施工主要采用逆向注漿工藝，與中國地浸采鈾礦山普遍使用的正向注漿工藝相比，逆向注漿最大優(yōu)點是消除了混漿段，提高了鉆孔封孔質(zhì)量[11]。

2.2 逆向注漿技術(shù)的探索

2011年湖南中核勘探有限責(zé)任公司在新疆738廠380 m深的鉆孔封孔注漿中探索了逆向注漿工藝[12]。施工中，從套管內(nèi)將注漿管下至井底，經(jīng)注漿管注入水泥漿，置換鉆孔與套管環(huán)形空間內(nèi)的泥漿；而后注少量清水置換注漿管中的水泥漿，封閉套管口，待水泥漿終凝后在套管內(nèi)用小牙輪鉆頭清掃。試驗獲得成功，套管口閉鎖裝置簡單實用，閉鎖效果好；下部置換泥漿徹底，固井質(zhì)量好；泥漿泵輸出的高壓流體經(jīng)注漿管作用在井底，壓力被套管內(nèi)300 m泥漿柱抵消，安全性高。

2012年新疆737廠探索了逆向注漿工藝，施工中從套管內(nèi)下入注漿管，通過投入鋼球控制水泥漿注入與封堵，試驗獲得成功。

2.3 逆向注漿技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用

核工業(yè)北京化工冶金研究院于2011年在新疆采用逆向注漿工藝，共施工12個鉆孔[13]。在注漿過程中設(shè)計了球閥式和滑套式2種井下密封裝置和1種井口密封裝置，以確保水泥漿不會存留在套管內(nèi)，并保證封孔的安全。通過在套管內(nèi)下入注漿管實現(xiàn)注漿。

中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡稱：通遼鈾業(yè))于2017年開始開發(fā)逆向注漿技術(shù)，并采用水力噴砂割縫技術(shù)打通鉆孔與礦層的內(nèi)外聯(lián)系，置入可更換式過濾器[14]。施工中，首先下入φ40 mm注漿管，頂端加裝硬質(zhì)尼龍球防止損傷套管，下放速度不大于0.5 m/s；注漿管下放至預(yù)留注漿孔上端1 m處并封閉孔口；注入水泥漿，水泥漿通過套管底部切割的三角形豁口進入，待孔口返出水泥漿后向注漿管內(nèi)加注清水，關(guān)閉注漿管上的閥門并封閉井口；當(dāng)井口注漿管壓力表讀數(shù)為0時提出注漿管，完成注漿固井工藝。目前，通遼鈾業(yè)的生產(chǎn)礦山和新建礦山鉆孔成井已全面應(yīng)用所開發(fā)的逆向注漿工藝。

中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司(以下簡稱：內(nèi)蒙古礦業(yè))在二連盆地某礦段地浸采鈾鉆孔施工和成井中，采用了逆向注漿技術(shù)、地質(zhì)建模技術(shù)、套管切割技術(shù)、內(nèi)置過濾器技術(shù)、反向投礫技術(shù)[15]。這些技術(shù)優(yōu)化了鉆井和成井工藝流程，徹底改變了傳統(tǒng)地浸鈾礦山鉆井施工的工藝和工序，實現(xiàn)了對地浸鈾礦山工藝鉆井過濾器的精準(zhǔn)定位以及對地下溶浸范圍的可視化控制，提升了鉆井施工和成井的效率和質(zhì)量[16]。套管切割成井技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備專業(yè)化、施工流程化，單機臺施工效率提高30%以上，礦山運行成本降低10%以上。該項技術(shù)已應(yīng)用于內(nèi)蒙古千噸級砂巖鈾礦大基地建設(shè)中，經(jīng)濟效益可觀[17]。

3 中國過濾器技術(shù)進展

3.1 托盤式過濾器

中國在地浸采鈾技術(shù)開發(fā)初期，鉆孔普遍采用托盤式過濾器，將托盤放置在礦層上部的砂巖層中[18]。在使用中發(fā)現(xiàn)，托起托盤的砂巖層會隨鉆孔抽注而逐漸塌落，造成托盤上下串流；若將托盤置于上隔水層的泥巖中，則會加大過濾器滲流長度，增大浸出劑消耗和稀釋浸出液。

3.2 填礫式過濾器

為克服托盤式過濾器的不足，研發(fā)了填礫式過濾器，即在套管上施工φ10 mm的孔，而后用尼龍紗網(wǎng)將過濾器段套管纏繞，并以尼龍繩綁定[19]；下入過濾器后，在過濾器周圍投入礫石形成過濾層。這種過濾器能對液流起到過濾作用；但在過濾器下放過程中，因過濾器與孔壁摩擦，常造成過濾器外纏繞尼龍紗網(wǎng)的破損或脫落。

3.3 外骨架過濾器

目前，中國絕大多數(shù)地浸采鈾礦山使用從國外引進的外骨架過濾器。這種過濾器需在套管上鉆φ10 mm的孔，而后套入圓圈形過濾片(外骨架)；過濾器下入鉆孔內(nèi)后，周圍投入礫石形成過濾層[20]。這種過濾器長度可隨意確定；但因圓圈形過濾片與套管無膠結(jié)，個別外骨架斷裂會引起所有外骨架滑動[21]。

3.4 可更換式貼礫過濾器

通遼鈾業(yè)目前生產(chǎn)中使用可更換式貼礫過濾器，逐步淘汰外骨架過濾器[22]。這種過濾器在過水濾管上粘貼陶粒層，如圖1所示。

1—主體；2—濾管；3—陶粒貼礫層；4—過水縫。圖1 可更換式貼礫過濾器Fig. 1 Replaceable gravel filter

與環(huán)型外骨架過濾器相比，貼礫式過濾器可根據(jù)礦層砂體粒徑調(diào)整孔隙率，具有較好的防砂效果，耐腐蝕性好，強度高，柔韌性好，過水量大，使用壽命長。該過濾器目前已在生產(chǎn)礦山和新建礦山中大量使用[23]。

3.5 過濾器統(tǒng)一設(shè)計與建造技術(shù)

隨著鉆孔成井工藝的改進，新疆中核天山鈾業(yè)有限公司(以下簡稱：天山鈾業(yè))目前采用開采單元內(nèi)的鉆孔統(tǒng)一下入過濾器的新技術(shù)[24]。鉆孔施工后，下入套管并注漿封孔后進行測井；根據(jù)測井結(jié)果統(tǒng)一設(shè)計開采單元內(nèi)各鉆孔過濾器的位置和長度，再進行過濾器建造。這種技術(shù)改變了開采單元內(nèi)各鉆孔過濾器位置和長度獨立設(shè)計的工藝，有效避免了抽注井過濾器處于不同礦層現(xiàn)象的發(fā)生，改善了浸出條件。

美國地浸采鈾礦山鉆孔成井均在礦層部位擴孔，而后下入可更換式過濾器。Crow Butte地浸采鈾礦山，為統(tǒng)一協(xié)調(diào)各鉆孔見礦位置，保證浸出劑在礦層內(nèi)的有效滲流，待采區(qū)鉆孔全部施工完成后，根據(jù)測井結(jié)果進行擴孔，使浸出液鈾濃度顯著提高[25]。

4 中國洗井技術(shù)進展

4.1 鉆孔洗井現(xiàn)狀

中國砂巖型鈾礦床滲透性普遍偏低，一般小于0.5 m/d；因此地浸采鈾過程中，經(jīng)常出現(xiàn)鉆孔堵塞[26]。洗井是中國地浸采鈾礦山改善鉆孔堵塞的常規(guī)工序，頻繁的洗井不僅耗時、耗能，而且洗井水還可能造成二次污染。

目前，中國地浸采鈾礦山使用的洗井方法有壓縮空氣洗井、活塞洗井、化學(xué)試劑洗井、泡沫洗井、超聲波洗井、脈沖洗井、高壓水力洗井等。對于特殊地下水條件，當(dāng)單一洗井方法無法獲得理想效果時，也會選擇多種方法聯(lián)合洗井[27]。

4.2 新型洗井裝置的設(shè)計與應(yīng)用

4.2.1 高壓自控洗井與壓氣洗井

高壓自控洗井裝置由泄壓分散器、傘帽、集水倉三部分組成[28]。高壓氣水混合物被輸送至氣液分離器內(nèi)后，由泄壓分散器進行初步泄壓，徑向噴射至傘帽內(nèi)壁，分離為液和氣。液體在重力作用下向下跌落，進入過濾槽。被分離的洗井液順序經(jīng)過一級過濾板、二級過濾板、清液回收系統(tǒng)、濾渣回收系統(tǒng)等，去除含有的大量砂礫及黏土，實現(xiàn)洗井廢水的回收。

被回收的洗井廢水自流至附近正在運行的抽出井，既回收利用了洗井水，又無需新增輸液設(shè)備及人員。洗井水中的砂粒會沉降至槽體底部，當(dāng)沉積物積累到一定程度時進行清理。高壓自控洗井裝置可快速提放風(fēng)管并杜絕跑冒滴漏的發(fā)生，達到了高壓氣水混合物快速分離、自動除砂的目的，實現(xiàn)了洗井水的實時自動過濾及回收，切斷了污染源，回收了鈾金屬。

內(nèi)蒙古礦業(yè)在納嶺溝礦床采用壓氣-空壓機洗井技術(shù)，克服了因承壓水頭低造成的洗井困難[29]。實踐中共清洗鉆孔39個，洗井階段流量增幅均值為210.61%，7 d后流量增幅均值為172.20%。這種洗井技術(shù)對礦層作用面積大，疏通性強，特別對注入井效果明顯。

我科采用Braden評分量表,在其基礎(chǔ)上稍作改動,將摩擦力及剪切力改為頭部危險因素共4分,有雙側(cè)去骨瓣4分,單側(cè)去骨瓣者3分,血腫清除及鉆孔引流者2分,頸項強直者1分,小于等于12分者均為頭部壓瘡高危人群,必須懸掛高危警示牌,班班嚴(yán)格交接。

實踐表明，鉆孔流量與壓氣壓力和壓氣時間呈正相關(guān)。一般情況下，注入井壓氣壓力為2.0 MPa，壓氣時間為15 min；抽出井壓氣壓力為2.8 MPa，壓氣時間為20 min[30]。

4.2.2 活塞式洗井廢水回收再利用裝置

內(nèi)蒙古礦業(yè)巴彥烏拉地浸采鈾礦山研制了活塞式洗井廢水回收再利用裝置。該洗井裝置安裝在汽車上，便于在井場內(nèi)移動。洗井時，活塞上提帶出的水收集在井口圍堰中，通過管路輸送至洗井水處理系統(tǒng)[31]。

4.2.3 氣固液分離洗井裝置

通遼鈾業(yè)采用氣固液分離洗井裝置。洗井污水首先輸送至氣液分離器進行氣液分離，分離的液體通過管道泵輸送到固液分離器進行固液分離。將固液分離出較大顆粒的砂、泥等物質(zhì)排入廢棄泥漿池，和廢棄泥漿一起進行無害化處理[32]；分離出的液體通過自清洗過濾器、袋式過濾器進行兩級過濾，過濾后的清水輸送至清水箱，經(jīng)管道泵就近泵入抽出井。工藝流程如圖2所示。

圖2 氣固液分離洗井裝置工藝流程Fig. 2 Process flow of gas-solid-liquid separation well washing device

在8個注入井進行試驗，結(jié)果見表3。單孔洗井水量平均8.6 m3/h，洗井后注液量平均增加幅度115.9%。

表3 鉆孔清洗前后效果對比Table 3 Effect comparison before and after drill cleaning

5 廢棄鉆井液無害化處理技術(shù)

5.1 廢棄鉆井液回收再利用

為了達到快速鉆進的目的，地浸采鈾鉆孔施工使用的鉆井液類型及化學(xué)藥品的種類、數(shù)量越來越多，所產(chǎn)生的廢棄鉆井液的性質(zhì)、成分也越來越復(fù)雜；特別是對于難以自然降解的有毒污染物，如果不加妥善處理，將會導(dǎo)致資源浪費，和對土壤、地表水、地下水的污染[33]。

5.2 廢棄鉆井液地表固化

通過向廢棄鉆井液或廢棄鉆井液沉積物中加入固化劑，可使之轉(zhuǎn)化成像土壤一樣的固體后填埋在原處或用作建筑材料等[34]。為加快廢棄鉆井液固化速度和降低成本，在廢棄鉆井液固化時，可加入化學(xué)破乳劑、絮凝劑、凈水劑、固化劑等和采取機械分離等強化措施，并對固液分離后的污泥進行固化處理。

5.3 廢棄鉆井液轉(zhuǎn)化為固井液

在廢棄鉆井液中加入改性特種水泥及激活劑、激活助劑、流性調(diào)節(jié)劑等外加劑，可將其轉(zhuǎn)化為性能與水泥固井液相當(dāng)或更好的固井液[35]。對于地浸采鈾礦山，廢棄鉆井液轉(zhuǎn)化為固井液的最大優(yōu)勢在于能將礦層段的放射性廢棄鉆井液重新注入地下，消除潛在污染源，解決放射性廢物處置問題。同時，轉(zhuǎn)化后的固井液可有效避免固井液凝固過程放熱對套管的破壞。

5.4 廢棄鉆井液無害化處理及應(yīng)用

目前，中國地浸采鈾礦山廢棄鉆井液已達到100%的處理回用，通過加入固化劑、地表填埋、恢復(fù)地表植被等技術(shù)可處理20%～25%的廢棄鉆井液；通過凈化處理、再利用等技術(shù)可處理60%的廢棄鉆井液；通過加入輔助試劑、攪拌處理等技術(shù)可處理15%～20%的廢棄鉆井液。

廢棄鉆井液進行處理回用、地表固化和轉(zhuǎn)化為固井液，這套完整的廢棄鉆井液處理技術(shù)已應(yīng)用于通遼鈾業(yè)的鉆孔施工中[36]。

6 結(jié)論

鉆孔施工與成井新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用是中國近些年地浸采鈾領(lǐng)域的技術(shù)進步，提高了成井速度和成井質(zhì)量，消除了環(huán)境污染的潛在隱患，成為地浸采鈾綠色礦山建設(shè)的有力支撐。

新型鉆機的應(yīng)用加快了鉆孔施工和成井速度，有力促進了大埋深、大規(guī)模地浸采鈾礦山的生產(chǎn)和建設(shè)。逆向注漿技術(shù)開辟了鉆孔成井注漿的新途徑，從根本上消除了混漿段產(chǎn)生的隱患。貼礫式可更換過濾器增大了過水量，有效防止了過濾器下入過程所產(chǎn)生的破壞，解決了過濾器永久性堵塞無法清洗的難題。鉆孔洗井水處理技術(shù)有效控制了污染，并回收了鈾金屬，為地浸采鈾綠色礦山建設(shè)做出了貢獻。通過處理回用、地表固化和轉(zhuǎn)化為固井液技術(shù)，使廢棄鉆井液100%得到處理，消除了地表廢棄鉆井液儲池對環(huán)境的潛在影響，也降低了鉆井液的使用成本。