地浸采鈾砂粒在抽出井中的運動規律與沉砂的產生

王海峰

(核工業北京化工冶金研究院)

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地浸采鈾砂粒在抽出井中的運動規律與沉砂的產生

王海峰

(核工業北京化工冶金研究院)

摘要為探索地浸采鈾礦山抽出井沉砂管設置的必要性，根據地浸采鈾工藝的特點，分析了井場和抽出井內液流的類型和狀態，討論了浸出液和砂巖型鈾礦床砂粒的特點以及砂粒直徑與液流運動的關系，計算了抽出井提升速度和防止沉砂的臨界速度。結果表明：抽出井浸出液流速超過提升砂粒的臨界流速，不具備沉砂產生的條件，因此，地浸采鈾礦山抽出井無需設置沉砂管。

關鍵詞地浸采鈾砂粒抽出井運動規律沉砂

經過在40多年研究實踐，我國地浸采鈾技術取得了極大進步。近年來，國際市場鈾價格持續低迷，激勵了低成本地浸采鈾技術的發展，礦山產能不斷增大，特別是CO2+O2地浸采鈾技術在我國的規模性應用，實踐了反滲透廢水處理、無集液池和配液池的浸出液閉路循環、鹽酸在線注入井清洗等工藝，提升了我國地浸采鈾的技術水平。引進和開發并舉的思路，一直主導我國地浸采鈾技術的研究和實踐，通過資料學習、專家講課和現場調研等手段，引進了外骨架鉆孔過濾器、密實移動床浸出液吸附系統、脈沖洗井和中子測井等技術。絕大多數引進技術在我國地浸采鈾領域發揮了積極的作用，但也有部分技術或工藝的引進作用不明顯，主要原因是對技術自身的機理和應用條件理解不透徹，盲目照搬。如在地浸鉆孔沉砂管設置方面，我國一直沿用前蘇聯4 m沉砂管的設計思路，且將抽注井一并考慮，但隨著地浸技術的進步和我國實踐經驗的豐富，對沉砂管設置的必要性、長度以及抽注井一并考慮的依據等提出質疑。

1井場液流類型與垂直管道提升

1.1井場抽注液平面徑向流

在地浸采鈾礦山，鉆孔是人類與礦體打交道的惟一通道。井場布置成百上千個抽注井，礦山生產能力直接與抽出井的數量、抽液量和浸出液鈾濃度相關。多井同時抽注的井場，可視為液流呈對稱形態在等厚度的礦層內滲流，流線呈放射狀在平面上向一點聚集，為典型的平面徑向流。由平面徑向流壓力分布極坐標形式[1]可知，從供給邊界到鉆孔過濾器，壓力降落過程呈對數關系分布，空間形態酷似漏斗，因此稱之為降落漏斗。該類液體流動形式是以抽出井為圓心形成漏斗狀陷落，近過濾器處過水面積減小，壓力梯度急劇增大，流速達到最大。由流場特點可知，平面徑向流的流線在平面上指向井點(抽出井)或由井點發散(注入井)。

1.2浸出液垂直管道提升

地浸采鈾工藝與常規開采的本質區別在于，采出的是含鈾液體而非固體礦石。為最大限度地確保開采過程注入的浸出劑在礦層中運移并在垂向浸遍礦體，地浸采鈾要求礦體平緩，傾角越小越好。因此，地浸采鈾礦山所有抽出井均垂直于礦體(地面)，且要求偏斜度不超過2%，因此浸出液的抽出屬垂直管道提升。目前，潛水泵是國內外地浸采鈾礦山應用較普遍的浸出液提升設備，潛水泵提升抽液量穩定，功效高且不受地下水靜水位埋深的限制。

2液流狀態與抽出井的提升速度

2.1井場與抽出井中的液流運動狀態

衡量地下水運動狀態常用雷諾數Re表示，該數值為慣性力與黏性力之比，當Re<10時，地下水處于層流狀態[2]；當Re增大甚至超過其臨界值時，慣性力成為主導，沿流動方向的黏性力對質點的束縛能力減弱，質點易偏離其原有的運動方向，形成無規則的紊流。由于地浸礦山在抽注井的作用下液流流動速度較低(一般為1 m/d)，砂巖鈾礦床的礦石粒徑小(<1 mm占90%)，根據達西定律計算得出，Re<10。大量的地浸生產實踐表明，無短路存在時，在抽注狀態下地下水流速不超過5 m/d。因此，地浸采鈾過程中地下水處于層流狀態。由于地浸采鈾液流的運動屬平面徑向流，在近抽出井處滲流面積減小，壓力增大，流速加快，Re大于層流所要求的臨界值(2 320)[3]，因此，抽出井內液流呈紊流狀態。

2.2砂粒粒徑與液流運動的關系

砂粒粒徑是影響沉降速度的重要因素之一， 粒徑越大，沉速越大。砂粒密度對沉速也有較大的影響，密度越大，沉降速度越大。流速一定時，砂粒粒徑的大小決定著液流的流動狀態，對于密度相同的固體砂粒，砂粒的粒徑越小，那么在液流中的懸浮、分散性能便越佳。根據粒徑大小，可將實用流速范圍內的液流流動狀態分為：①懸移狀態非均質流，砂礫粒徑0.05～0.2 mm；②懸、跳移狀態非均質流，粒徑0.2 ～ 2 mm；③跳、滑移狀態非均質流，粒徑大于2 mm[4]。為此，本研究分別將粒徑為0.05，0.2，2 mm作為區分液流流動狀態的臨界值。此外，以砂粒大小為基準的液流分類結果見表1。

表1　漿體流動狀態分類

2.3抽出井浸出液提升速度

砂粒能否隨液流在抽出井內被提升至地表與液流速度直接相關，只有流速達到臨界值時砂粒方可連續上升。速度偏小時，管內砂粒無法隨液流上升；速度若偏大，會增大阻力損失。因此，若確保控制提升速度大于砂粒的自由沉降終速度，砂粒便可被提升至地表。在抽出井內，當液流的速度較低時，砂粒靜止不動，隨著流速的增加，砂粒懸浮于流體之中但并不流動，其浮游速度與液流的速度相等，呈“流態化狀態”。當液流的速度高于砂粒完全懸浮的速度時，砂粒便會得到一個有限的上升速度，此時固體砂粒將隨著液流流動而被提升。

依據砂粒直徑，地浸抽出井提升浸出液為非均質流，非均質流在垂直管道內向上提升時液流載體速度須大于砂粒的懸浮速度，否則便會停止運動或沉積于管底。砂粒由靜止開始加速，經過一段加速時間后達到一個穩定的速度，并最終以該速度在管內向上運動，卷帶砂粒。為確保固體物料管道水力輸送的有效進行，粒徑與管徑之比不宜不超過0.2，質量分數不宜超過2 %，最小水流提升速度為顆粒沉降末速度的3倍[4]。我國地浸采鈾抽出井一般使用4吋潛水泵提升浸出液，套管內徑128 mm，滿足砂粒直徑與管道直徑有關比值和質量分數的要求。抽出井抽液量為4～8 m3/h，據此計算的浸出液提升速度為0.086～0.172 m/s。

3砂粒在抽出井中的運動規律

3.1砂粒提升的影響因素

采用充填采礦法開采的常規礦山，一般利用管道水力輸送固體物料。在煤炭行業，水力采煤也通過管道借助水力輸送煤。在該類水力輸送工程中，垂直輸送管道處處可見。在垂直管道中，固體顆粒能否隨液流提升，取決于顆粒的粒徑、密度、流體的黏性系數、流體密度等因素。對于同種物料，顆粒大小成為水力提升的關鍵因素。在特定流速下，直徑為2.3 mm 的顆粒無法隨液流運動，而直徑0.25 mm 或0.025 mm的顆?？呻S水流運動[4]。因此，地浸采鈾過程中即便浸出過程中溶液卷帶一些砂粒進入抽出井，但也并非所有砂粒都能隨浸出液被提升至地表。

3.2地浸采鈾浸出液提升特征

地浸采鈾浸出液提升過程中卷帶的砂粒運動與管道輸送固體物料有顯著區別，前者目的是輸送浸出液，其中不經意卷帶數量甚微的砂粒；后者目的是利用水力運動承載固體，完成固體運輸。利用水力運輸固體物料在兩相混合后為漿體，即兩相流；而地浸浸出液為清液，其中砂粒含量不應超過100 mg/L(4吋潛水泵)或200 mg/L(6吋潛水泵)[5]。因此，與固體物料水力輸送的根本區別在于，地浸抽出井內砂粒含量極少，無法形成漿體，失去漿體水力輸送的特性，且不存在輸送過程中顆粒碰撞的影響，可視為單相流。

4地浸采鈾沉砂產生的判斷

4.1地浸采鈾砂粒直徑特征

目前，世界范圍內地浸采鈾僅限于砂巖型礦床，相對于管道水力輸送的固體物料，砂巖型礦床的砂粒直徑較小。某4個典型礦床的砂粒粒度分布率見表2。

表2　礦床砂粒分布率

由表2可知：4個礦床的砂粒最大分布率對應的砂粒粒徑為0.5～0.25 mm，直徑小于0.5 mm的砂粒所占比例平均大于70%。因此，據表1 給出的分類標準，地浸砂巖型鈾礦床屬中顆粒沉降性，抽出井內呈懸、跳移狀態非均質流。但必須認識到，該類劃定方法僅考慮了顆粒粒徑，盡管地浸砂巖型鈾礦床的顆粒粒徑達到上述所討論的范圍，但地浸采鈾抽出井的目的并非提升砂粒，與管道水力輸送固體物料存在本質區別。

4.2抽出井中沉砂產生的臨界流速

抽出井工作時，由于潛水泵的抽液作用，驅使浸出液以一定的流速向上運動。地浸采鈾以砂巖型鈾礦床為開采實體，因此，浸出液在礦層和抽出井內運動，當具備一定條件時，會卷帶細砂粒隨液流運動，其中一個條件是Re值足夠大；液體在管內運動時，管道中心速度最大，沿管壁速度為0。因此，當Re值足夠大，砂粒離開管壁一定的距離時方可隨液流一并運動。根據砂粒在液流中的運動規律，當隨流體沿軸向上升時也沿徑向管道中心遷移，當遷移至軸線位置后，徑向速度梯度為0，砂粒僅能沿軸線隨流體一并向上運動。綜上分析，抽出井中的砂粒隨液流上升或沉落于井底取決于臨界流速。臨界流速與顆粒粒徑密切相關，由不同顆粒的臨界流計算公式[6]可知，顆粒在液體中的沉降速度與顆粒的阻力系數(CD)直接相關，而CD是Re的函數，根據Re的范圍，CD計算公式為[7]

以表2中4個礦床的砂粒分布率為計算依據，由不同顆粒的臨界流計算公式[6]，可得出抽出井臨界流速為0.088 9 m/s。對于使用4吋潛水泵提升浸出液的抽出井，當抽液量為4～8 m3/h 時，浸出液提升速度為0.086～0.172 m/s。在地浸采鈾生產過程中，當抽出井的抽液量大于4.14 m3/h 時，井內砂粒被全部抽出，無沉砂產生。目前，我國生產地浸采鈾礦山設計抽出井的抽液量均大于4 m3/h，最高達8 m3/h，并且在實踐中基本達到了該指標，意味著抽出井內產生沉砂的可能性極小。

5抽出井沉砂管設置的必要性

抽注過程形成的水力梯度擾亂了原始地下水流場，加速了地下水的流動。由于目前地浸采鈾僅限于可滲透砂巖型鈾礦床，液流的流動偶爾卷帶孔隙內砂粒進入抽出井。正常情況下，進入井內的砂粒在潛水泵的抽吸作用下，會隨液流提升至地表；當砂粒過大或井內液體流速過小時，砂粒會沉落，造成沉砂；當潛水泵因故停止運轉的瞬間，井內砂粒也會沉落。由于抽出井的臨界流速計算得知，僅當抽液量小于4.14 m3/h時方有沉砂產生的可能，并且，潛水泵因故停止運轉的瞬間沉落于井底的砂量極小(200 m 深的井以50 mg/L含砂量計算，沉砂128.61 mg)。況且，該類沉砂在潛水泵重新啟動后會被抽出。因此，我國地浸采鈾抽出井沉砂管設置的必要性令人質疑，其長度也應縮短。從鉆孔施工工藝角度分析，因沉砂管段套管與鉆孔壁之間的環形空間未封孔，存在非礦層地下水與礦層溶液溝通的隱患。某礦利用物探熱測井方法檢驗浸出劑滲流范圍時發現，沉砂管段完全與非礦砂巖層導通，形成浸出劑在砂體中滲流的通道，不但極大浪費了浸出劑，而且造成浸出液鈾濃度下降。美國地浸礦山鉆孔底端不設置沉砂管，或以0.5 m長的堵頭代替，或因利用套管充填礫石工藝的需要在過濾器底端設計1 m長的管路，安裝2個反向逆止閥。為探索鉆孔沉砂管的必要性，我國曾在礦床酸法試驗中有意將沉砂管長度縮短至0.5 m左右，經過數年的運行，并未產生任何問題。

6結論

(1)我國地浸鈾礦床均為緩傾斜礦體，為有效控制液流在垂向上均勻浸遍礦體，抽出井宜垂直于地表(礦體)。

(2)地浸采鈾的目的是提升液體，深海采礦和管道水力輸送物料的目的是提升固體，前者的浸出液可視為清液、單相流，后者物料為漿體、兩相流。

(3)生產中地浸采鈾井場溶液流動為平面徑向流，呈層流狀態，但因過水面積急劇減小，壓力增大，在抽出井內呈紊流狀態。

(4)地浸采鈾僅限于砂巖型鈾礦床，與深海采礦和管道水力輸送物料相比，砂粒粒徑較小，90%砂粒直徑小于1 mm。

(5)根據地浸鈾礦床砂粒的特征和礦山抽出井抽液能力的計算結果，抽出井內不具備產生沉砂的條件。

(6)地浸采鈾抽出井可不設置沉砂管或縮短其長度。

參考文獻

[1]翟云方.滲流力學[M].北京：石油工業出版社，2003.

[2]王海峰，葉善東.原地浸出采鈾工程技術[M].北京：中國原子能出版傳媒有限公司，2011.

[3]于萍.工程流體力學[M].北京：科學出版社，2008.

[4]王秀蘭.垂直管道大徑固體顆粒水力提升摩阻損失的研究[D].阜新：遼寧工程技術大學，2005.

[5]王海峰，譚亞輝，杜運斌，等.原地浸出采鈾井場工藝[M].北京：冶金工業出版社，2002.

[6]姜龍，李鵬程，田龍，等.垂直管水力提升臨界淤堵流速的實驗[J].有色金屬，2006，58(1)：82-85.

[7]申炎華，毛紀陵，凌勝.垂直管道固液兩相流的最小提升水流速度[J].北京科技大學學報，1999(6)：519-522.

(收稿日期2016-03-23)

王海峰(1948—)，男，研究員，101149 北京市通州區九棵樹145號。