大傾角砂巖型鈾礦體地浸開采技術探討

2022-10-19 11:12:40張萬亮蘇學斌口文杰董惠琦

中國礦業 2022年10期

張萬亮，蘇學斌，張勇，原淵，口文杰，董惠琦

(1.中核通遼鈾業有限責任公司，內蒙古通遼 028000；2.中國鈾業有限公司，北京 100010)

按照原地浸出采鈾理論，原地浸出采鈾技術主要應用于礦體產狀發育平緩的砂巖鈾礦體開采。目前，國內已進入工業生產的地浸礦山開采的礦體傾角一般小于10°，產狀平緩。如內蒙古錢家店錢Ⅱ塊鈾礦床主礦體傾角為2°～8°，新疆蒙其古爾鈾礦床及內蒙古納嶺溝鈾礦床礦體傾角均小于10°。國外采用地浸技術開采的砂巖型鈾礦床多數礦體傾角較小，如美國的Highland鈾礦和捷克STRAZ鈾礦礦體傾角均近于水平[1]。

位于錢家店錢Ⅱ塊鈾礦床西北部的Ⅰ-2礦體受地層產狀影響，礦體傾角變化較大，局部礦體傾角大于25°。2015年對Ⅰ-2礦體進行開拓建成C28采區，2016年6月投入運行，2016年9月浸出液鈾峰值濃度達到65 mg/L，進入浸出高峰期，浸出效果較好。結合該礦體的開采實例，對大傾角砂巖型鈾礦體地浸開采的井型布置、鉆孔過濾器設計、生產運行等方面進行探討，以期為其他地浸礦山同類礦體開采提供開采建議。

1 礦體地質及水文特征

1.1 礦體地質特征

錢家店錢Ⅱ塊礦床為辮狀河相砂體中后生層間氧化作用形成的層間氧化帶型鈾礦。礦床白堊統姚家組下段(K2y1)為鈾礦化的主要分布層位，該地層發育氧化還原帶，主要為泥砂結構，砂巖厚度一般為5～17 m，局部厚度可達30 m[2]，開采的Ⅰ-2號礦體分布于該層位內。

根據2015年Ⅰ-2礦體的補充勘探結果，該礦體平面呈菱形、鐮刀形(圖1)，剖面上多呈透鏡狀、板狀和卷狀，礦體長度230～440 m，平均260 m，寬度40～270 m，平均200 m。礦石結構及含礦巖石主要為細砂巖，部分為中砂巖。礦體圍巖為中砂巖、細砂巖、粉砂巖及泥巖。頂底板隔水層為紅色泥巖，發育較連續，礦石中CO2含量0.096%～8.400%，有機質含量較低，平均0.900%，以四價鈾為主，所占比例為56.65%～93.84%，平均77.92%，礦體平均厚度4.27 m，平均品位0.077 8%，平均平米鈾量為6.28 kg/m2。

圖1 錢家店錢Ⅱ塊鈾礦床Ⅰ-2礦體平面圖

圖2為錢家店錢Ⅱ塊鈾礦床Ⅰ-2礦體005線橫剖面圖。由圖2可知，礦體傾向北東，礦體埋深350～490 m，平均埋深390 m，西北方向礦體埋深逐漸增加，平均每100 m長度礦體埋深增加185 m，礦體傾角10°～25°，沿西北方向礦體逐漸增加。

圖2 錢家店錢Ⅱ塊鈾礦床Ⅰ-2礦體005線橫剖面圖

圖3為錢家店錢Ⅱ塊鈾礦床Ⅰ-2礦體25線縱剖面圖。由圖3可知，礦體沿走向方向發育相對平緩，向北東向礦體埋深逐漸變淺。

圖3 錢家店錢Ⅱ塊鈾礦床Ⅰ-2礦體25線縱剖面圖

1.2 礦體水文特征

該礦體具有穩定的含礦含水層隔水頂板，巖石主要由紫紅色泥巖為主，不透水、隔水作用良好。礦體靜止水位埋深12 m，含礦含水層埋深372.50～375.60 m，厚度48.40～59.80 m，平均厚度54.74 m，局部夾有不透水的透鏡狀薄層2層～5層，巖性分別為紫紅色泥巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖等，與礦層厚度比值為2.72～6.12。含礦含水層為承壓水層，礦化度一般為3.64～4.89 g/L，pH值為7.15～7.79，水化學類型為HCO3·Cl-Na型及Cl·HCO3-Na型。

通過對Ⅰ-2礦體在不平衡條件下進行“一注一抽”抽注水試驗，測得礦層單位涌水量尾礦0.080 m3/h，滲透系數0.1 m/d，試驗結果見表1。

表1 錢家店錢Ⅱ塊鈾礦床Ⅰ-2礦體抽注水試驗結果表

2 大傾角礦體對地浸開采的影響

采用原地浸出采鈾技術一般要求礦體形態為水平層狀或傾角小于15°的緩傾斜礦體，且礦體水平連續性好，橫向寬度大，這種條件下便于抽注入井的布置，使浸出劑在含礦含水層中的礦層位置均勻流動，有利于實現抽注平衡和礦體有效浸出。對于傾角較大的陡傾斜礦體，由于其傾角較大，不利于浸出劑的滲流，實現浸出劑在含礦含水層中的礦層位置均勻流動難度較大，影響抽注液量及其平衡。同時，要求對地層要有全面的地質分析，查明地層的詳細分布情況，尤其要關注礦體發育范圍內地層是否存在斷層、褶皺等現象，這主要是影響礦體開拓過程中地浸工藝鉆孔過濾器設計。

3 大傾角礦體井網布置

3.1 井型布置

地浸采鈾影響井型布置的因素很多，如礦體埋藏深度、礦層的連續性、礦石滲透性、鉆井的抽注液能力等。只有通過合理的井型井距設計，增大浸出劑與礦層的接觸面，控制浸出劑的流速，保證接觸時間，才能獲得最大的資源回收效率。因此，最優的井網參數設計對鈾資源的高效開采具有實際意義[3]。

每個礦床采用的井型并不固定，而是隨礦體條件的變化而改變。常用的井型主要包括“五點型”“七點型”“行列式”等多種形式。國內地浸鈾礦山以“五點型”井型為主，部分礦床采用“七點型”網格式井型；美國的Smith Ranch礦采用“五點型”井型布置[4]。

地浸井場井型布置原則包括以下兩方面。①保持井場抽液量與注液量基本平衡原則。布置地浸生產井時應根據鉆孔的抽注液能力來確定鉆井的排列方式，做到抽出的浸出液量大于注入的浸出劑量0.3%。②保證浸出劑的合理分配。鉆井的布置方式要做到浸出劑在礦層中的均勻分配，盡可能消除溶浸死角，獲得較高的回收率，同時應保證采區的均勻開采。

對于礦體傾角較小、產狀平緩的礦體，采用上述常用井型基本可滿足要求。對于大傾角礦體，在設計井網布置時，除了要考慮上述影響因素外，另外一個重要的因素就是如何保證單個浸采單元的抽注液量的平衡。由于礦體傾角較大，相鄰兩抽注入井的過濾器位置在垂向空間上相差較大，如采用常規的“五點型”“七點型”井網，可能會導致注入的浸出劑量與抽出的浸出液量無法達到平衡要求。

錢家店鈾礦床Ⅰ-2礦體在設計井網布置時，重點考慮了單個浸采單元抽注液量平衡問題，由于礦體傾角較大，而礦體在走向方向上相對平緩，因此，選擇在礦體傾向方向上增加注入井，與抽出井位于同一平面位置，起到對抽注平衡的補充作用(圖4)。該礦體布置抽出井24個，注入井63個，抽注比1.0∶2.6。根據該采區2016年7月—2017年5月抽注的運行數據，單井抽液量3～5 m3/h，單井注液量1.5～3.2 m3/h，采區抽注液量比值在0.90～1.10范圍，平均1.05，基本可滿足抽注平衡要求。

圖4 錢家店鈾礦床Ⅰ-2礦體井網布置示意圖

3.2 井距布置

井距決定著浸出劑的有效循環和資源回收率的高低，可以說地浸采鈾成功與否主要決于井場工藝，而井場工藝首要面臨的工作是選擇合理的井距。與井型的確定相比，井距的確定更加復雜，井距布置的影響因素較多，主要包括礦層埋藏深度、礦石滲透性、金屬浸出率等[5]。

過大增加井距或縮短井距都存在一些弊端，如過大增加井距會減少塊段總抽液量和鈾金屬生產能力，延長浸出時間和增加生產費用，同時增加滲透路程，造成浸出劑耗量增加；過小縮短井距會增加鉆孔數量，從而增加鉆孔工程費用，同時易造成浸出劑“短路”，使浸出劑與礦石的反應不充分，導致浸出液中鈾濃度低。礦體開拓井距既不能過大，也不能過小，對于每一個具體條件的礦床塊段，應有一個合理值。選擇合理的井距的原則為[4]：①正常抽液與注液條件下，浸出劑對礦體的覆蓋率大于75%；②礦體浸出均勻，且貧富不同的部位能基本同步浸完；③采區服務年限一般為3～5 a；④在其他條件相同的情況下，應選取噸金屬成本較低或經濟效益最大時的井距。

對大傾角礦體開拓確定井距時，除了要考慮上述影響因素及原則外，另一個需要重點考慮的影響因素就是礦體的浸出速率，要保證浸出劑在抽注孔之間運移時間合理。錢家店鈾礦床Ⅰ-2礦體在井型確定的條件下，充分考慮上述因素后，選擇抽注孔井距為30.0 m和37.5 m。

選擇上述井型、井距布置后，根據實際生產運行后采區浸出液鈾濃度監測結果，在注液壓力1.6 MPa條件下，浸出劑從注入井注入運移至抽出井需要6 d，浸出液鈾濃度達到10 mg/L需要25 d，與錢家店06勘探線～07勘探線傾角為3°～5°的Ⅱ號礦體浸出劑運移時間基本相同(圖5)。

圖5 錢家店鈾礦床Ⅰ-2礦體浸出初期鈾濃度曲線圖

4 大傾角礦體鉆孔過濾器位置設計

鉆孔過濾器的位置在鉆孔套管下部，安裝在礦層段，具有一定孔隙率可供液體進出，是礦體開采唯一的“大門”。因此，正確設計過濾器位置對礦體有效開采有著至關重要的作用。在地浸采鈾中，如果礦層滲透性較好，礦體產狀平緩，絕大多數情況下礦層位置即為過濾器設計位置。在這種情況下，過濾器作用可得到充分發揮，溶液會在壓力作用下從注入井滲過礦體流向抽出井。

但對于大傾角礦體而言，由于其一般賦存于存在斷層等較復雜的地層中，傾角普遍較大，相鄰鉆孔礦層垂向相差較大。同時，由于受可能存在的斷層影響，礦層位置可能相差較多。在這種情況下，鉆孔的過濾器位置就不能簡單地根據礦層位置來確定，而是要重點以地層走向為參考，嚴格按照地層產狀結合礦層位置設計鉆孔過濾器。在錢家店鈾礦床Ⅰ-2礦體鉆孔過濾器設計過程中，首先根據已經施工完成的工藝鉆孔地層及見礦情況，繪制鉆孔柱狀圖，進而繪制單個浸采單元剖面圖，并勾畫主要地層發育方向。繪制單元剖面圖時，應重點確定地層的標志層，如泥巖頂板或底板等，有利于正確確定地層產狀，對確定礦體走向、傾向有較好的指導作用，尤其是地層存在多層礦體時，顯得尤為重要。

以實際設計鉆孔過濾器為例，開拓錢家店鈾礦床Ⅰ-2礦體時，待設計單井存在上下兩層礦層(圖6)。通過繪制兩鉆孔單元剖面發現，兩鉆孔位置地層存在較大傾角，因此，按照地層產狀發育，對待設計單井設計過濾器位置時選擇下層礦層為目標礦層。如果礦體層位確定不準確，按照緩傾斜礦體設計該孔過濾器，很有可能選擇上層礦層為目標礦層，造成過濾器設計位置失誤，進而影響后續生產浸出效果。