地浸采礦浸出結(jié)束點確定的新方法

李 兵，郝志華，陳 勇

(中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021)

0 引 言

地浸采礦是通過不斷向礦層注入溶浸劑，逐步選擇性地浸出含礦層中的可浸出鈾金屬[1]。含礦層中的可浸鈾金屬不可能實現(xiàn)全部回收，因為浸出液鈾濃度會隨著時間呈現(xiàn)“先升高后降低”的整體變化趨勢。當(dāng)鈾濃度降低到一定的數(shù)值時，如果繼續(xù)生產(chǎn)，企業(yè)將面臨虧損，因此，必須確定一個合理的浸出液鈾濃度，作為地浸采礦的結(jié)束依據(jù)，以保證地浸采礦的經(jīng)濟效益[2]。

地浸采礦最佳的生產(chǎn)狀態(tài)是實現(xiàn)同一采區(qū)內(nèi)的所有抽注單元同時達(dá)到退役狀態(tài)，但是，由于各抽注單元范圍內(nèi)的平米鈾量、滲透性、鉆孔施工質(zhì)量、抽注液量等方面存在差異，導(dǎo)致同一采區(qū)內(nèi)不同抽注單元的經(jīng)濟效益各不相同，如果不進(jìn)行準(zhǔn)確的定量計算，很難使采區(qū)達(dá)到最佳生產(chǎn)狀態(tài)。圖1為某采區(qū)生產(chǎn)640天時各抽液井抽液量與鈾濃度的對比圖，從圖中可以看出SC-02、SC-03和SC-04三個抽液井的鈾濃度較高，都在40 mg/L以上，還具有一定的經(jīng)濟效益，而SC-06抽液井的鈾濃度為11.6 mg/L，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗判斷，該孔鈾濃度已經(jīng)接近浸出結(jié)束點，甚至已經(jīng)低于浸出結(jié)束點。

由于地浸采礦受資源條件、采礦技術(shù)、原輔材料價格、人員工資等因素的影響，浸出結(jié)束點時時處于不斷變化之中。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字礦山、智慧礦山將成為未來地浸礦山建設(shè)的目標(biāo)，要實現(xiàn)地浸采礦的數(shù)字化和智能化，首先要掌握地浸采礦浸出結(jié)束點的動態(tài)變化情況，設(shè)定分析指標(biāo)和判別標(biāo)準(zhǔn)，通過自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)各鉆孔抽注液量的動態(tài)調(diào)節(jié)，使采區(qū)達(dá)到最佳生產(chǎn)狀態(tài)。

通過分析浸出結(jié)束點常規(guī)確定方法的局限性，以抽注單元和最短生產(chǎn)期間為基礎(chǔ)，建立了確定地浸采礦浸出結(jié)束點的新方法，結(jié)合采區(qū)生產(chǎn)的實際數(shù)據(jù)對新方法進(jìn)行了驗證，并對采區(qū)的生產(chǎn)提出了對策分析。

圖1 某采區(qū)生產(chǎn)640天時各抽液井的抽液量與鈾濃度對比Fig.1 Comparison of pumping amount and uraniumconcentration from each pumping well ina mining area at 640 days

1 浸出結(jié)束點確定的常規(guī)方法

1.1 浸出結(jié)束點的認(rèn)識發(fā)展

我國關(guān)于地浸采礦的研究已經(jīng)有40多年的歷史，浸出結(jié)束點研究的傳統(tǒng)方法是單指標(biāo)法，即將浸出率、浸出液鈾濃度或液固比等指標(biāo)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，通過設(shè)定一個固定的參數(shù)值來判斷浸出結(jié)束點，實際生產(chǎn)中主要是采用浸出液鈾濃度來判斷浸出結(jié)束點。隨著生產(chǎn)研究的不斷發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到采用單指標(biāo)法無法對采區(qū)的生產(chǎn)情況進(jìn)行精細(xì)化判斷，很難準(zhǔn)確地指導(dǎo)實際生產(chǎn)，因此，綜合指標(biāo)法得到了全面的發(fā)展。綜合指標(biāo)法是通過考慮采區(qū)的抽注液量、浸出液鈾濃度、成本等指標(biāo)，綜合判定浸出結(jié)束點。目前，定量研究浸出結(jié)束點的常規(guī)方法主要有三種：①浸出率判定法；②浸出液鈾濃度判定法；③投入產(chǎn)出法。

1.2 浸出率判定法

浸出率是地浸采礦設(shè)計的一個重要參數(shù)，它反應(yīng)鈾浸出的難易程度、地浸的技術(shù)水平及經(jīng)濟效果，設(shè)計采用的浸出率均來自實驗室柱浸試驗或現(xiàn)場試驗的結(jié)果[3]。目前，我國酸法地浸礦山設(shè)計時采用的浸出率一般為75%左右，中性浸出礦山的設(shè)計指標(biāo)略低一些。

在實際生產(chǎn)過程中，浸出率與試驗值不可能完全吻合，礦床的浸出率受到資源條件、地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地浸技術(shù)水平、抽注液時間等多方面因素的影響。當(dāng)?shù)V床各方面條件優(yōu)越時，生產(chǎn)結(jié)束時浸出率往往會高于設(shè)計指標(biāo)，反之，則低于設(shè)計指標(biāo)。我國多座退役的酸法地浸礦山的浸出率全部超過了設(shè)計指標(biāo)，與之相反，美國德克薩斯州Rosita礦山停止生產(chǎn)時，浸出率僅達(dá)到40%～50%[4]。由此可見，將浸出率作為確定采區(qū)生產(chǎn)浸出結(jié)束點的標(biāo)準(zhǔn)顯然不合理，浸出率只能作為礦山設(shè)計階段的一個參考指標(biāo)，不能作為生產(chǎn)階段的一個判斷標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 浸出液鈾濃度判定法

浸出液鈾濃度判定法是地浸采礦實際生產(chǎn)中常用的一種方法，屬于單指標(biāo)法。這種方法是以固定的浸出液鈾濃度作為浸出結(jié)束點的依據(jù)，當(dāng)采區(qū)的鈾濃度降低至該數(shù)值時，即刻停止采區(qū)的生產(chǎn)。

這種方法的不足是：一方面僅考慮了浸出液鈾濃度，忽略了鉆孔抽液總量這一重要參數(shù)；另一方面采區(qū)由很多抽注單元所組成，并且每個抽注單元的浸出液鈾濃度各不相同，經(jīng)濟效益也存在差異，只采用浸出液鈾濃度無法對采區(qū)的生產(chǎn)進(jìn)行精細(xì)化判斷，更無法指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

1.4 投入產(chǎn)出法

投入產(chǎn)出法是指通過測算礦山企業(yè)生產(chǎn)每噸鈾金屬的成本與收益，計算在現(xiàn)有條件下能夠獲利的最低浸出液鈾濃度，即最小經(jīng)濟鈾濃度。

蘇學(xué)斌等[2]提出應(yīng)當(dāng)以經(jīng)濟效益為依據(jù)，采用投入產(chǎn)出法確定浸出結(jié)束點，計算公式見式(1)。

(1)

式中：Pf為效益因素；Md為日總產(chǎn)值；Cd為日生產(chǎn)費用。

當(dāng)Pf=1時，剛好達(dá)到盈虧平衡點，此時的鈾濃度為最低經(jīng)濟質(zhì)量濃度[2]。

這種方法綜合考慮了浸出液鈾濃度和抽液量兩個方面，真實地反映了礦床的實際生產(chǎn)情況。然而，這種方法也存在不足：一方面是以整個礦山為研究對象，生產(chǎn)費用中沒有考慮井場維簡費、補充勘探費、管理費用、財務(wù)費用等；另一方面這種方法僅討論了浸出液鈾濃度對效益系數(shù)的影響，沒有對抽液量進(jìn)行討論，因為浸出液鈾濃度和抽液量兩者不可分割，共同影響地浸采礦的經(jīng)濟效益。

2 浸出結(jié)束點計算的基礎(chǔ)原則

2.1 以抽注單元為基礎(chǔ)

地浸采礦各抽注單元不能同時達(dá)到最佳生產(chǎn)狀態(tài)的原因為：①資源量的差別導(dǎo)致各抽注單元浸出液鈾濃度曲線形態(tài)的差異；②礦床的孔隙度各異導(dǎo)致礦層滲透性的內(nèi)在差異，泥漿、碳酸鹽、硫酸鹽礦物等因素造成孔隙堵塞，也對礦床的滲透性產(chǎn)生不利影響；③人為因素造成各抽注單元抽注液量分配不均。以上原因?qū)е铝瞬蓞^(qū)內(nèi)各抽注單元鈾浸出強度不同，造成同一采區(qū)內(nèi)不同抽注單元很難同時達(dá)到浸出結(jié)束點，因此，應(yīng)當(dāng)以抽注單元作為研究浸出結(jié)束點的基礎(chǔ)，對采區(qū)的生產(chǎn)做到精細(xì)化評價。

2.2 以最短生產(chǎn)期間為基礎(chǔ)

根據(jù)地浸生產(chǎn)的實際情況，總結(jié)出在建設(shè)期與生產(chǎn)期內(nèi)，抽注單元的投資收益隨時間變化的一般規(guī)律，如圖2所示。圖2中A點為井場抽液開始時間，B點為鈾濃度達(dá)到峰值點的時間，C點為抽注單元實現(xiàn)盈利的時間，D點為浸出結(jié)束的時間，C點可能會出現(xiàn)在B點之前或與B點重合。從圖2中可以看出，分析浸出結(jié)束點應(yīng)當(dāng)綜合考慮浸出液鈾濃度和抽液量兩個方面，將最短生產(chǎn)期間作為研究浸出結(jié)束點的基礎(chǔ)。

采用盈虧平衡分析法計算出盈虧平衡點(BEP)，并將此時的鈾濃度和抽液量定義為該抽注單元當(dāng)前狀態(tài)下的最小經(jīng)濟鈾濃度和抽液量的組合值，抽注單元達(dá)到最佳的生產(chǎn)狀態(tài)。在計算過程中，可以將天作為最短生產(chǎn)期間的單位，也可以采用稍長的時間段作為最短生產(chǎn)期間的單位，比如：一周、一旬、半月等，因為在地浸采礦的后期，鈾濃度的降低速率非常緩慢。

圖2 抽注單元現(xiàn)金流量與利潤收益示意圖Fig.2 Schematic diagram of cash flow and profitability of the pumping units

3 浸出結(jié)束點計算的新方法及采區(qū)精細(xì)化評價

3.1 計算方法

以抽注單元和最短生產(chǎn)期間為基礎(chǔ)，采用盈虧平衡分析法，總結(jié)出如式(2)所示的計算公式。

(2)

式中：F為效益系數(shù)；M為日總產(chǎn)值，萬元/d；C為日總生產(chǎn)費用，萬元/d。

當(dāng)F=1時，該抽注單元達(dá)到生產(chǎn)的盈虧平衡點，說明此時剛好達(dá)到當(dāng)前狀態(tài)下的最小經(jīng)濟鈾濃度和抽液量的組合值，此時應(yīng)當(dāng)優(yōu)化該抽注單元的生產(chǎn)狀態(tài)或停止生產(chǎn)。其中，M的計算公式見式(3)，C的計算公式見式(4)。

M=S×ρd×Qd×n(3)

C=CS+CQ(4)

式中：S為產(chǎn)品收購價，萬元/t；ρd為抽液孔某天的鈾濃度，t/m3；Qd為抽液孔當(dāng)天抽液量，m3/d；n為水冶回收率，%；CS為日生產(chǎn)成本，萬元/d；CQ為日期間費用，萬元/d。

其中：CS的計算公式見式(5)，CQ的計算公式見式(6)。

(5)

其中：C1的計算公式見式(7)，C2的計算公式見式(8)，C3的計算公式見式(9)。

C1=C11+C12+C13(7)

C2=(C21/k1+C22/k2+C23/k3)/365(8)

C3=C31+C32(9)

式中：C11為礦山原輔材料日消耗費用，萬元/d；C12為礦山燃料動力日消耗費用，萬元/d；C13為礦山生產(chǎn)人員日工資，萬元/d；C21為扣除殘值的機器設(shè)備資產(chǎn)總價值，萬元；k1為機器設(shè)備折舊年限，a；C22為扣除殘值的建構(gòu)筑物資產(chǎn)總價值，萬元；k2為建構(gòu)筑物折舊年限，a；C23為扣除殘值的其他固定資產(chǎn)總價值，萬元；k3為其他固定資產(chǎn)折舊年限，a；C31為采區(qū)維簡費，萬元；C32為采區(qū)其他費用，萬元。

3.2 生產(chǎn)費用的含義

原輔材料消耗費用(C11)包括井場及水冶廠所需的溶浸劑、樹脂、淋洗劑、轉(zhuǎn)型劑、沉淀劑、化驗試劑及其他輔助材料的日消耗費用。

燃料動力費(C12)包括井場、水冶廠所需的電、水、油料、燃煤及各種維修耗材等日消耗費用。

生產(chǎn)人員工資(C13)包括井場、水冶廠、化驗室等生產(chǎn)人員日工資。

扣除殘值的固定資產(chǎn)日折舊費(C2)為所有機器設(shè)備、水冶廠房及其他與生產(chǎn)直接相關(guān)的固定資產(chǎn)價值按折舊計提比例計算的日折舊費。當(dāng)某項費用在之前已經(jīng)折舊完畢，則后面的計算過程中不再包括該項費用。

采區(qū)維簡費(C31)包括采區(qū)勘探、設(shè)計、鉆孔施工、管網(wǎng)設(shè)備、材料與安裝等相關(guān)費用。

采區(qū)其他費用(C32)包括采區(qū)開拓設(shè)計前進(jìn)行的補充勘探、試驗研究、租地、退役治理等其他相關(guān)費用。

3.3 采區(qū)精細(xì)化評價

地浸礦山的采區(qū)由很多抽注單元組成，研究抽注單元的浸出結(jié)束點主要是為了采區(qū)的精細(xì)化評價，實現(xiàn)采區(qū)經(jīng)濟效益最大化。根據(jù)新方法的計算結(jié)果，可以對抽注單元的生產(chǎn)情況作出準(zhǔn)確的判斷，并提出對策分析。

如果該抽注單元的抽液量處于正常值，說明此時抽注單元已經(jīng)達(dá)到了盈虧平衡點，應(yīng)當(dāng)停止生產(chǎn)，或繼續(xù)提高該抽注單元的抽液量，通過增大抽液量的手段，在短時間內(nèi)提高鈾金屬的浸出率。如果該抽注單元的抽液量明顯偏小，說明抽液量影響了抽注單元的經(jīng)濟效益，需要及時對抽液井進(jìn)行洗井，通過提高礦層的滲透性，增大抽液量，提高鈾金屬的浸出率。另外，企業(yè)還可以通過降低成本的手段，實現(xiàn)更低的最小經(jīng)濟鈾濃度，從而提高鈾金屬的浸出率，提高礦山的經(jīng)濟效益。

4 方法應(yīng)用

某地浸采鈾試驗采區(qū)，采區(qū)的生產(chǎn)能力為20 t/a，采區(qū)生產(chǎn)640天時各抽液孔的抽液量及鈾濃度見表1，采區(qū)投入與產(chǎn)出的相關(guān)費用指標(biāo)見表2。根據(jù)式(2)～(9)，對各個抽注單元的日總產(chǎn)值、日總生產(chǎn)費用以及效益系數(shù)分別進(jìn)行計算，如圖3所示。

表1 采區(qū)抽液井鈾濃度及抽液量Table 1 Uranium concentration and pumping volume ofpumping wells in a mining area

表2 地浸采鈾試驗采區(qū)投入與產(chǎn)出Table 2 Input and output of in-situ uranium mining test area

圖3 日總產(chǎn)值與日總生產(chǎn)費用對比圖Fig.3 Comparison of daily output value and total daily production cost

從圖3可知，SC-06、SC-07和SC-08三個抽注單元的效益系數(shù)小于1，應(yīng)當(dāng)停止生產(chǎn)。SC-03、SC-04兩個抽注單元的效益系數(shù)大于1，尚未達(dá)到浸出結(jié)束點，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)生產(chǎn)。SC-01、SC-02和SC-05三個抽注單元的效益系數(shù)稍大于1，說明它們已經(jīng)接近浸出結(jié)束點了。對于SC-01抽孔和SC-05抽孔而言，可以進(jìn)一步提高抽液量，實現(xiàn)短期內(nèi)抽注單元生產(chǎn)狀態(tài)的優(yōu)化；由于SC-02抽孔鈾濃度高，抽液量低，應(yīng)當(dāng)及時開展洗井工作，提高抽液量，優(yōu)化該抽注單元的生產(chǎn)狀態(tài)，提高該抽注單元的經(jīng)濟效益。

目前，試驗采區(qū)已經(jīng)生產(chǎn)了640天，由于在生產(chǎn)過程中沒有對浸出結(jié)束點進(jìn)行精細(xì)化評價，造成采區(qū)內(nèi)各抽注單元的經(jīng)濟效益差異很大，對采區(qū)的經(jīng)濟效益造成了不利影響，并且這種影響還會隨著生產(chǎn)的繼續(xù)不斷加劇。因此，對于地浸采礦而言，需要及時開展抽注單元浸出結(jié)束點的評價工作，保證采區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)最佳生產(chǎn)狀態(tài)。

5 結(jié) 論

1) 提出了計算浸出結(jié)束點的兩個基礎(chǔ)原則：①以抽注單元為基礎(chǔ)；②以最短生產(chǎn)期間為基礎(chǔ)。

2) 采用盈虧平衡分析法，建立了浸出結(jié)束點計算的新方法，總結(jié)了采區(qū)的精細(xì)化評價方法。

3) 應(yīng)用采區(qū)的實際數(shù)據(jù)對新方法進(jìn)行了驗證，并對采區(qū)的生產(chǎn)提出了對策分析。