陳梅芳，譚亞輝，張傳飛，許 影，蘇學(xué)斌

（1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.中國鈾業(yè)股份有限公司，北京 100013）

0 引言

地浸采鈾井網(wǎng)布置，即鉆井的井型設(shè)計(jì)和井距設(shè)計(jì)，是地浸采鈾工程設(shè)計(jì)的重要組成部分，設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到礦山投資、資源利用率和浸出效果。井型設(shè)計(jì)的主要影響因素是礦體形態(tài)和鉆井抽注能力，基本原則是采區(qū)抽注液量要達(dá)到平衡。井距設(shè)計(jì)的影響因素很多，一般來講，礦體連續(xù)、厚度大、可浸出性和滲透性好、品位低、埋藏深，則采用大井距開采；反之，宜采用小井距開采[1]，但尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系。闕為民[2]提出井距設(shè)計(jì)的影響因素主要包括礦體埋藏深度、礦體滲透性、礦體發(fā)育的連續(xù)性、鉆井的抽注液能力和礦體浸出率；徐強(qiáng)等[3]認(rèn)為礦體埋深、礦體厚度、礦體傾角、鉆井成本、浸出液鈾濃度、回采時(shí)間、礦體滲透性、井型等是影響井距設(shè)計(jì)的主要因素；姚益軒[4]認(rèn)為井距設(shè)計(jì)的主要影響因素是礦體品位和礦體滲透性，并且應(yīng)根據(jù)礦體的變化，在不同的部位采用不同的間距來布置抽注液鉆井，但未指明礦體變化的具體方面及其井距調(diào)整的具體措施；張建華等[5]認(rèn)為影響井距的主要因素有礦體埋藏深度、礦巖滲透性和金屬浸出率。

基于井網(wǎng)設(shè)計(jì)影響因素多，且未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，本文對(duì)地浸采鈾井網(wǎng)影響因素分析與評(píng)價(jià)指標(biāo)開展研究，討論井網(wǎng)布置的主要影響因素，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，為砂巖型鈾礦開發(fā)設(shè)計(jì)和井網(wǎng)布置方案科學(xué)制定提供技術(shù)支撐。

1 井網(wǎng)布置影響因素分類及存在的問題

前述研究表明，井網(wǎng)布置受到鈾礦床地質(zhì)和地理?xiàng)l件、鈾金屬收購價(jià)格等多方面因素影響，但均未考慮到單個(gè)因素對(duì)井網(wǎng)密度的確切影響程度[1-5]，存在部分影響因素疊加使用[3]，或存在對(duì)礦床自然因素與人為因素混合使用[2]，以致對(duì)結(jié)果產(chǎn)生疊加影響。如浸出液鈾濃度是礦體地浸開發(fā)過程的結(jié)果，與礦體的厚度、品位、浸出劑濃度和井距等因素有關(guān)；又如浸出率，本身就是受開發(fā)條件影響的表征開發(fā)效果的指標(biāo)。

近年來，有學(xué)者從礦體埋藏深度與浸出效果方面開展了定性研究。王輜鵬[6]通過建立地浸開采的凈現(xiàn)值模型，研究了五點(diǎn)型和七點(diǎn)型兩種井型條件下井距與礦體埋藏深度的定量關(guān)系，給出了確定埋深條件下礦體開發(fā)的合理井距范圍；陳梅芳等[7]從礦巖滲透性和浸出距離出發(fā)，以浸出液鈾濃度累積效率作為指標(biāo)探討了某礦床相對(duì)合理的井距。在某一具體的砂巖鈾礦床中，影響地浸開發(fā)井網(wǎng)布置的主要地質(zhì)因素及這些因素的組合配置可能會(huì)出現(xiàn)極大差別，單一因素可能至關(guān)重要，但對(duì)于大多數(shù)礦床而言，井網(wǎng)的合理設(shè)計(jì)由各種地質(zhì)和開發(fā)因素的綜合配置集體決定。因而，單因素的確定性評(píng)價(jià)研究，尚不能滿足礦床開發(fā)最終合理井距設(shè)計(jì)的需要。

2 分類方法

2.1 按影響因素的來源分類

2.1.1 內(nèi)在因素

礦床內(nèi)在因素是指礦床開采的地質(zhì)（水文地質(zhì)）條件，主要包括礦體埋深、滲透性、連續(xù)性，以及礦石品位、礦體厚度、礦石與圍巖物質(zhì)成分等。

1）礦體埋深。礦體埋深大，鉆井成本高，常采用較大的井距開發(fā)；礦體埋藏淺，則可用較小的井距。如礦體埋深50 m 以內(nèi)，井距可為6～15 m；當(dāng)?shù)V體埋深為100～200 m，井距常為20～25 m。

2）礦體滲透性。礦體滲透性對(duì)單井抽注液能力、溶液運(yùn)移、鈾浸出時(shí)間等參數(shù)有影響，而這些參數(shù)直接影響井距設(shè)計(jì)。在一定條件下，滲透性越強(qiáng)，越能加快鈾浸出反應(yīng)速率，縮短浸出周期，應(yīng)增大井距，以保證一定的浸出液鈾濃度；相反，滲透性越弱，浸出劑的供給和浸出液的遷移受到限制，井距應(yīng)縮短。

3）礦體連續(xù)性。對(duì)于含礦砂體分布范圍大、連續(xù)性好的礦體，地浸開采時(shí)宜采用較大井距；而對(duì)于含礦砂體分布范圍小、連續(xù)性差的礦體，應(yīng)采用較小井距。

4）礦石品位。礦石品位是影響地浸采鈾經(jīng)濟(jì)效益的主要因素，其決定了浸出液鈾濃度和產(chǎn)品成本。礦石品位高，浸出液鈾濃度高，無論是采用大井距或是小井距，都具備經(jīng)濟(jì)開發(fā)價(jià)值；礦石品位低的礦床，一般只適宜采用大井距開采。

5）礦體厚度。礦體厚度越大，開采經(jīng)濟(jì)效益越高，浸出過程浸出劑利用率越高、稀釋越小，可采用較大的井距開發(fā)；礦體厚度薄，浸出劑稀釋大，從浸出角度考慮，適宜采用較小井距。

6）礦石和圍巖物質(zhì)成分。一些主要地浸工藝參數(shù)很大程度上都取決于礦石和圍巖的礦物成分。如果礦石難浸、試劑消耗低，浸出劑不與圍巖物質(zhì)大量反應(yīng)，從提高浸出液鈾濃度和減少鉆井投資費(fèi)用等角度考慮，適當(dāng)加大井距有好處；若礦石浸出性能好則井距的選擇更加靈活，可根據(jù)礦山生產(chǎn)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

2.1.2 工程經(jīng)濟(jì)因素

工程經(jīng)濟(jì)因素主要包括鉆井工程費(fèi)用、礦山生產(chǎn)能力和產(chǎn)品銷售價(jià)格。

1）鉆井工程費(fèi)用。若鉆井工程的單價(jià)不高、礦體埋藏深度不大，即使井距小一些、鉆井?dāng)?shù)目多一些，對(duì)浸出金屬成本的影響也不會(huì)太大；反之，則對(duì)浸出金屬的成本影響較大。因此，在確定井距時(shí)，應(yīng)充分考慮鉆井工程的成本問題，這與礦層的埋藏深度參數(shù)存在一定的疊加影響。

2）礦山生產(chǎn)能力。礦山生產(chǎn)能力由多個(gè)單井（或浸采單元）的生產(chǎn)能力構(gòu)成，而單井生產(chǎn)能力與單井控礦量有關(guān)，如不考慮礦床內(nèi)在因素影響，單井生產(chǎn)能力與井距有關(guān)，井距越大，控礦量越大，則單井生產(chǎn)能力越強(qiáng)。

3）產(chǎn)品銷售價(jià)格。產(chǎn)品銷售價(jià)格直接影響礦床最低工業(yè)品位劃定和開采礦量核定。產(chǎn)品銷售價(jià)格高，地浸開發(fā)過程中既可以接受大井距，也可以接受小井距，都能滿足經(jīng)濟(jì)性；反之，產(chǎn)品銷售價(jià)格低，礦體適宜采用較大井距開發(fā)。

由于工程因素不是獨(dú)立指標(biāo)，在考慮內(nèi)在因素和工程因素同時(shí)作用時(shí)，存在疊加影響，不利于開展井網(wǎng)優(yōu)化研究的目標(biāo)函數(shù)及優(yōu)化參數(shù)設(shè)定。

2.2 按影響因素的獨(dú)立性分類

2.2.1 完全獨(dú)立因素

完全獨(dú)立因素是只與本身有關(guān)，與其他因素?zé)o關(guān)，主要是礦床開發(fā)的地質(zhì)因素和水文地質(zhì)因素，但需區(qū)別半獨(dú)立因素。地質(zhì)因素主要包括礦體埋藏深度、含礦含水層厚度、礦體厚度、礦石品位、礦體連續(xù)性、礦體傾角、礦石和圍巖物質(zhì)成分、水頂?shù)装濉?/p>

1）隔水頂?shù)装?。隔水頂?shù)装宓拇嬖趯?duì)于使用地浸采礦工藝十分重要，關(guān)系到浸出劑在含礦中的運(yùn)移和擴(kuò)散情況。有穩(wěn)定的隔水頂?shù)装?，能將溶浸范圍控制在有頂?shù)装寮s束的含礦含水層之間，防止在上下含水層中串流，減小浸出劑額外消耗，節(jié)約成本。在實(shí)施地浸采鈾工藝時(shí)，含礦層應(yīng)具備穩(wěn)定的隔水頂?shù)装濉?/p>

2）礦體傾角。大部分砂巖鈾礦近乎水平發(fā)育，傾角＜10°，對(duì)井網(wǎng)布置的影響較少考慮。

水文地質(zhì)因素主要包括涌水量、地下水礦化度、靜水位埋深、承壓水頭高度、礦體滲透性、礦體滲透性與圍巖滲透性比值和礦體滲透性的空間均質(zhì)性等。

1）含礦層涌水量、靜水位埋深和承壓水頭高度，均對(duì)井網(wǎng)布置有一定影響。涌水量小、靜水位埋深大，浸出液提升能耗高，進(jìn)而影響井距的選擇；同時(shí)，涌水量大小和承壓水頭高度，也影響注液能力，承壓水頭高，注液難度增大。

2）礦體滲透性與圍巖滲透性比值。礦體滲透性與圍巖滲透性比值是影響浸出劑運(yùn)移與稀釋的一個(gè)指標(biāo)，如礦體滲透性大于圍巖滲透性，井距的選擇靈活性就大；如果礦體滲透性低于圍巖滲透性，則適宜選用小井距以減少稀釋。

3）礦體滲透性的空間均質(zhì)性。如果礦體滲透性的空間非均質(zhì)性強(qiáng)，適宜小井距浸采。因小井距條件下能獲得較大的抽注液壓力梯度，非均質(zhì)礦體也能得到較好浸出效果；反之，井距選擇可更靈活。

2.2.2 半獨(dú)立因素

各個(gè)因素之間無明顯關(guān)系，但受一個(gè)完全獨(dú)立因素或者多個(gè)完全獨(dú)立因素的影響。如地浸采鈾過程中常用的鈾儲(chǔ)量和平米鈾量，都屬于半獨(dú)立因素。

1）鈾儲(chǔ)量。由礦體或塊段面積、礦體品位、礦石密度與平均厚度組成的一個(gè)綜合性指標(biāo)，是地浸采區(qū)設(shè)計(jì)過程中重要參數(shù)之一。

2）平米鈾量。平米鈾量是我國砂巖型鈾礦開發(fā)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)，由礦體的品位、礦石密度與平均厚度組成的一個(gè)綜合性指標(biāo)，是衡量地浸開采是否經(jīng)濟(jì)可行與經(jīng)濟(jì)效益好壞的一個(gè)重要尺度。但由于平米鈾量受到礦石密度的影響，同一個(gè)等級(jí)的平米鈾量，在不同礦床使用時(shí)，實(shí)際開采經(jīng)濟(jì)價(jià)值出現(xiàn)較大偏差，建議在地浸采鈾設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中不要使用該指標(biāo)[8]。

2.2.3 非獨(dú)立因素

非獨(dú)立因素指不但受獨(dú)立因素、半獨(dú)立因素的影響，且各個(gè)因素間能相互影響。地浸采鈾過程中最典型非獨(dú)立因素，如浸出液鈾濃度和浸出率等，受多個(gè)因素影響和制約，是鈾礦體開發(fā)呈現(xiàn)的結(jié)果。為避免疊加影響，半獨(dú)立因素和非獨(dú)立因素均不應(yīng)納入指標(biāo)體系。

3 指標(biāo)體系構(gòu)建及權(quán)重計(jì)算

3.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

通過對(duì)影響因素進(jìn)行獨(dú)立性分析，選擇上述完全獨(dú)立因素中對(duì)井網(wǎng)設(shè)計(jì)影響較大的參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合層析分析法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行歸類整理，建立系統(tǒng)層和指標(biāo)層、共12 個(gè)獨(dú)立指標(biāo)的“二層次多因子”評(píng)價(jià)指標(biāo)，見表1。

表1 影響地浸采鈾井網(wǎng)布置的“二層次多因子”評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1 “Two-level and multi factor” evaluation index system affecting the well pattern layout of in-situ leaching uranium

3.2 權(quán)重確定

為厘清上述不同因素的重要程度，采用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重。層次分析法（Analytical Hierarchy Process，AHP）是美國運(yùn)籌學(xué)家A.L.Saaty 教授在20 世紀(jì)70 年代提出的一種在處理復(fù)雜決策問題中，進(jìn)行方案比較排序的方法，為解決難以定量描述的決策問題帶來了極大方便。現(xiàn)已應(yīng)用于幾乎任何科學(xué)領(lǐng)域，成為決策與評(píng)價(jià)工具中最為普及的有效方法之一，主要步驟是根據(jù)標(biāo)度理論構(gòu)建判斷矩陣，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，由判斷矩陣計(jì)算比較元素的相對(duì)權(quán)重，計(jì)算各層元素的組合權(quán)重[9-13]。

3.2.1 構(gòu)建判斷矩陣

層次分析法在地浸采鈾可行性評(píng)價(jià)中已有應(yīng)用實(shí)例[14]。根據(jù)1～9 標(biāo)度法[12]，組織地浸開采地質(zhì)專家和采礦專家對(duì)指標(biāo)之間的重要性進(jìn)行兩兩比較，量化指標(biāo)的相對(duì)重要程度，形成判斷矩陣。如果將12個(gè)指標(biāo)構(gòu)建一個(gè)大的判斷矩陣，一致性檢驗(yàn)難以通過，計(jì)算量較大，故將其分為2 個(gè)層次，每個(gè)層次6 個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建出3 組判斷矩陣，見表2～表4。

表2 系統(tǒng)層判斷矩陣BTable 2 Judgment matrix B of system layer

表3 地質(zhì)因素指標(biāo)判斷矩陣C1Table 3 Judgment matrix C1 of geological factors index

表4 水文地質(zhì)因素指標(biāo)判斷矩陣C2Table 4 Judgment matrix C2 of hydrogeological factors index

3.2.2 判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)

一致性指標(biāo)（CI）用于衡量判斷矩陣與其特征矩陣的偏離程度，矩陣的階數(shù)越高，達(dá)到一致性的難度就越大，因而一般不直接用一致性指標(biāo)CI進(jìn)行判斷矩陣一致性程度的判定，而是通過與矩陣階數(shù)有關(guān)的隨機(jī)一致性指標(biāo)（RI）加以修正，見表5。判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)方法成熟，一般先計(jì)算判斷矩陣的最大特征值（λmax），通過式（1）求解一致性指標(biāo)CI，通過式（2）求解隨機(jī)一致性指標(biāo)的比率CR，若CR＜0.10，則認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要進(jìn)行調(diào)整，使其滿足CR＜0.10。

表5 1～10 階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RITable 5 1-10th order average random consistency index RI

式中，n為矩陣階數(shù)。

本文采用MATLAB 軟件進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果見表6。通過檢查，判斷矩陣B具有完全一致性，判斷矩陣C1、C2 具有滿意一致性，無需調(diào)整。

表6 各判斷矩陣的λmax、CI、CR 及一致性檢驗(yàn)結(jié)論Table 6 Values of each judgment λmax、CI、CR and consistency test conclusion

3.2.3 求解各指標(biāo)的組合權(quán)重

依據(jù)上述判斷矩陣的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，進(jìn)行歸一化處理，得各指標(biāo)的權(quán)重特征向量：W=（w1,w2,···,wn）T，可使用MATLAB 軟件中的eig、diɑg等函數(shù)，求得以上判斷矩陣中各指標(biāo)的權(quán)重，見式（3）～式（5）。

以上層指標(biāo)的權(quán)重（wB）為權(quán)數(shù)，計(jì)算對(duì)應(yīng)本層各指標(biāo)的組合權(quán)重，見式（6）和式（7）。

3.3 重要指標(biāo)篩選

依據(jù)3.2.3 部分計(jì)算結(jié)果，按照權(quán)重大小對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行排序，見表7，并繪制帕累托圖（圖1）。

圖1 各獨(dú)立指標(biāo)的權(quán)重及排序Fig.1 Weights and ranking of independent index

表7 指標(biāo)排序及對(duì)應(yīng)權(quán)重值Table 7 Index ranking and corresponding weight values

由圖1 可知，12 個(gè)獨(dú)立指標(biāo)中，礦體埋深C11、礦體品位C14、礦體厚度C12、礦體滲透性C21 和礦體連續(xù)性C15 等5 項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重累積頻率達(dá)81.33%，為地浸采鈾井網(wǎng)布置的主要影響因素。礦體埋藏深度直接關(guān)系到砂巖鈾礦地浸開發(fā)鉆井成本，礦體埋深大應(yīng)加大井距，以增加單井控礦量，減少礦體開發(fā)的鉆井成本；礦體品位和礦體厚度，是反映礦體品質(zhì)的最主要因素，礦體品質(zhì)高，井網(wǎng)布置可根據(jù)礦床開發(fā)周期和產(chǎn)量來靈活選擇，但若礦體品質(zhì)不好，則井網(wǎng)布置存在一個(gè)相對(duì)合理區(qū)間，需要進(jìn)行系統(tǒng)研究和優(yōu)化；礦體滲透性是5 項(xiàng)指標(biāo)中唯一一個(gè)水文地質(zhì)因素類的指標(biāo)，礦體滲透性好，溶浸過程中滲透速度快，可以加大井距，以獲得良好的浸出液鈾濃度，礦體滲透性差，浸出速率受制于溶浸液流速，適宜采用小井距開發(fā)；礦體的連續(xù)性，關(guān)系到井網(wǎng)布置形式及規(guī)模，影響礦床開發(fā)經(jīng)濟(jì)性，被列入重要指標(biāo)也相當(dāng)合理。

與引言中的文獻(xiàn)調(diào)研情況相比，包括了闕為民[2]、徐強(qiáng)等[3]、姚益軒[4]、張建華等[5]等共同認(rèn)為的礦體埋深、礦體滲透性，也包含闕為民[2]認(rèn)為的礦體發(fā)育連續(xù)性、徐強(qiáng)等[3]認(rèn)為的礦體厚度、姚益軒[4]認(rèn)為的礦石品位等指標(biāo)，且避免了引入浸出率、浸出液鈾濃度、回采時(shí)間等非獨(dú)立復(fù)合型指標(biāo)。研究結(jié)論既能與現(xiàn)有專家學(xué)者呈現(xiàn)一定的交叉性，又有自身特點(diǎn)，有望在地浸采鈾領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

當(dāng)然，含礦含水層厚度、礦體滲透性與圍巖滲透性比值這兩個(gè)指標(biāo)與礦體連續(xù)性指標(biāo)的權(quán)重相當(dāng)，在井網(wǎng)布置過程中也不應(yīng)忽略。

4 結(jié)論

1）建立了井網(wǎng)影響因素指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。分析了影響地浸采鈾井網(wǎng)布置因素以往分類中存在的問題，厘清了各因素之間的關(guān)系，提出按“完全獨(dú)立、半獨(dú)立、非獨(dú)立”的指標(biāo)分類方法，構(gòu)建了以完全獨(dú)立因素為指標(biāo)的“二層次多因子”評(píng)價(jià)體系。

2）研究得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，明確了影響井網(wǎng)布置的主要因素。采用層次分析法作為指標(biāo)權(quán)重量化的工具，根據(jù)1～9 標(biāo)度理論，對(duì)影響地浸采鈾井網(wǎng)布置的評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要性進(jìn)行定量描述，研究得出了各個(gè)指標(biāo)的重要性排序及對(duì)應(yīng)權(quán)重值，其中礦體埋深、礦石品位、礦體厚度、礦體滲透性和礦體連續(xù)性等5 項(xiàng)為影響井網(wǎng)布置的主要因素，其權(quán)重累積頻率達(dá)81.33%，以上研究為砂巖型鈾礦開發(fā)設(shè)計(jì)和井網(wǎng)優(yōu)化提供了依據(jù)。