地浸采鈾砂粒在抽出井中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與沉砂的產(chǎn)生

王海峰

(核工業(yè)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(yùn)動(dòng)規(guī)律與沉砂的產(chǎn)生

王海峰

(核工業(yè)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(shè)置的必要性，根據(jù)地浸采鈾工藝的特點(diǎn)，分析了井場(chǎng)和抽出井內(nèi)液流的類(lèi)型和狀態(tài)，討論了浸出液和砂巖型鈾礦床砂粒的特點(diǎn)以及砂粒直徑與液流運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，計(jì)算了抽出井提升速度和防止沉砂的臨界速度。結(jié)果表明：抽出井浸出液流速超過(guò)提升砂粒的臨界流速，不具備沉砂產(chǎn)生的條件，因此，地浸采鈾礦山抽出井無(wú)需設(shè)置沉砂管。

關(guān)鍵詞地浸采鈾砂粒抽出井運(yùn)動(dòng)規(guī)律沉砂

經(jīng)過(guò)在40多年研究實(shí)踐，我國(guó)地浸采鈾技術(shù)取得了極大進(jìn)步。近年來(lái)，國(guó)際市場(chǎng)鈾價(jià)格持續(xù)低迷，激勵(lì)了低成本地浸采鈾技術(shù)的發(fā)展，礦山產(chǎn)能不斷增大，特別是CO2+O2地浸采鈾技術(shù)在我國(guó)的規(guī)模性應(yīng)用，實(shí)踐了反滲透廢水處理、無(wú)集液池和配液池的浸出液閉路循環(huán)、鹽酸在線注入井清洗等工藝，提升了我國(guó)地浸采鈾的技術(shù)水平。引進(jìn)和開(kāi)發(fā)并舉的思路，一直主導(dǎo)我國(guó)地浸采鈾技術(shù)的研究和實(shí)踐，通過(guò)資料學(xué)習(xí)、專(zhuān)家講課和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研等手段，引進(jìn)了外骨架鉆孔過(guò)濾器、密實(shí)移動(dòng)床浸出液吸附系統(tǒng)、脈沖洗井和中子測(cè)井等技術(shù)。絕大多數(shù)引進(jìn)技術(shù)在我國(guó)地浸采鈾領(lǐng)域發(fā)揮了積極的作用，但也有部分技術(shù)或工藝的引進(jìn)作用不明顯，主要原因是對(duì)技術(shù)自身的機(jī)理和應(yīng)用條件理解不透徹，盲目照搬。如在地浸鉆孔沉砂管設(shè)置方面，我國(guó)一直沿用前蘇聯(lián)4 m沉砂管的設(shè)計(jì)思路，且將抽注井一并考慮，但隨著地浸技術(shù)的進(jìn)步和我國(guó)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的豐富，對(duì)沉砂管設(shè)置的必要性、長(zhǎng)度以及抽注井一并考慮的依據(jù)等提出質(zhì)疑。

1井場(chǎng)液流類(lèi)型與垂直管道提升

1.1井場(chǎng)抽注液平面徑向流

在地浸采鈾礦山，鉆孔是人類(lèi)與礦體打交道的惟一通道。井場(chǎng)布置成百上千個(gè)抽注井，礦山生產(chǎn)能力直接與抽出井的數(shù)量、抽液量和浸出液鈾濃度相關(guān)。多井同時(shí)抽注的井場(chǎng)，可視為液流呈對(duì)稱(chēng)形態(tài)在等厚度的礦層內(nèi)滲流，流線呈放射狀在平面上向一點(diǎn)聚集，為典型的平面徑向流。由平面徑向流壓力分布極坐標(biāo)形式[1]可知，從供給邊界到鉆孔過(guò)濾器，壓力降落過(guò)程呈對(duì)數(shù)關(guān)系分布，空間形態(tài)酷似漏斗，因此稱(chēng)之為降落漏斗。該類(lèi)液體流動(dòng)形式是以抽出井為圓心形成漏斗狀陷落，近過(guò)濾器處過(guò)水面積減小，壓力梯度急劇增大，流速達(dá)到最大。由流場(chǎng)特點(diǎn)可知，平面徑向流的流線在平面上指向井點(diǎn)(抽出井)或由井點(diǎn)發(fā)散(注入井)。

1.2浸出液垂直管道提升

地浸采鈾工藝與常規(guī)開(kāi)采的本質(zhì)區(qū)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(kāi)采過(guò)程注入的浸出劑在礦層中運(yùn)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(guò)2%，因此浸出液的抽出屬垂直管道提升。目前，潛水泵是國(guó)內(nèi)外地浸采鈾礦山應(yīng)用較普遍的浸出液提升設(shè)備，潛水泵提升抽液量穩(wěn)定，功效高且不受地下水靜水位埋深的限制。

2液流狀態(tài)與抽出井的提升速度

2.1井場(chǎng)與抽出井中的液流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

衡量地下水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)常用雷諾數(shù)Re表示，該數(shù)值為慣性力與黏性力之比，當(dāng)Re<10時(shí)，地下水處于層流狀態(tài)[2]；當(dāng)Re增大甚至超過(guò)其臨界值時(shí)，慣性力成為主導(dǎo)，沿流動(dòng)方向的黏性力對(duì)質(zhì)點(diǎn)的束縛能力減弱，質(zhì)點(diǎn)易偏離其原有的運(yùn)動(dòng)方向，形成無(wú)規(guī)則的紊流。由于地浸礦山在抽注井的作用下液流流動(dòng)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(jù)達(dá)西定律計(jì)算得出，Re<10。大量的地浸生產(chǎn)實(shí)踐表明，無(wú)短路存在時(shí)，在抽注狀態(tài)下地下水流速不超過(guò)5 m/d。因此，地浸采鈾過(guò)程中地下水處于層流狀態(tài)。由于地浸采鈾液流的運(yùn)動(dòng)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(nèi)液流呈紊流狀態(tài)。

2.2砂粒粒徑與液流運(yùn)動(dòng)的關(guān)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(duì)沉速也有較大的影響，密度越大，沉降速度越大。流速一定時(shí)，砂粒粒徑的大小決定著液流的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)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(jù)粒徑大小，可將實(shí)用流速范圍內(nèi)的液流流動(dòng)狀態(tài)分為：①懸移狀態(tài)非均質(zhì)流，砂礫粒徑0.05～0.2 mm；②懸、跳移狀態(tài)非均質(zhì)流，粒徑0.2 ～ 2 mm；③跳、滑移狀態(tài)非均質(zhì)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(qū)分液流流動(dòng)狀態(tài)的臨界值。此外，以砂粒大小為基準(zhǔn)的液流分類(lèi)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　漿體流動(dòng)狀態(tài)分類(lèi)

2.3抽出井浸出液提升速度

砂粒能否隨液流在抽出井內(nèi)被提升至地表與液流速度直接相關(guān)，只有流速達(dá)到臨界值時(shí)砂粒方可連續(xù)上升。速度偏小時(shí)，管內(nèi)砂粒無(wú)法隨液流上升；速度若偏大，會(huì)增大阻力損失。因此，若確?？刂铺嵘俣却笥谏傲５淖杂沙两到K速度，砂粒便可被提升至地表。在抽出井內(nèi)，當(dāng)液流的速度較低時(shí)，砂粒靜止不動(dòng)，隨著流速的增加，砂粒懸浮于流體之中但并不流動(dòng)，其浮游速度與液流的速度相等，呈“流態(tài)化狀態(tài)”。當(dāng)液流的速度高于砂粒完全懸浮的速度時(shí)，砂粒便會(huì)得到一個(gè)有限的上升速度，此時(shí)固體砂粒將隨著液流流動(dòng)而被提升。

依據(jù)砂粒直徑，地浸抽出井提升浸出液為非均質(zhì)流，非均質(zhì)流在垂直管道內(nèi)向上提升時(shí)液流載體速度須大于砂粒的懸浮速度，否則便會(huì)停止運(yùn)動(dòng)或沉積于管底。砂粒由靜止開(kāi)始加速，經(jīng)過(guò)一段加速時(shí)間后達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的速度，并最終以該速度在管內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)，卷帶砂粒。為確保固體物料管道水力輸送的有效進(jìn)行，粒徑與管徑之比不宜不超過(guò)0.2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過(guò)2 %，最小水流提升速度為顆粒沉降末速度的3倍[4]。我國(guó)地浸采鈾抽出井一般使用4吋潛水泵提升浸出液，套管內(nèi)徑128 mm，滿(mǎn)足砂粒直徑與管道直徑有關(guān)比值和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的要求。抽出井抽液量為4～8 m3/h，據(jù)此計(jì)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(yùn)動(dòng)規(guī)律

3.1砂粒提升的影響因素

采用充填采礦法開(kāi)采的常規(guī)礦山，一般利用管道水力輸送固體物料。在煤炭行業(yè)，水力采煤也通過(guò)管道借助水力輸送煤。在該類(lèi)水力輸送工程中，垂直輸送管道處處可見(jiàn)。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(shù)、流體密度等因素。對(duì)于同種物料，顆粒大小成為水力提升的關(guān)鍵因素。在特定流速下，直徑為2.3 mm 的顆粒無(wú)法隨液流運(yùn)動(dòng)，而直徑0.25 mm 或0.025 mm的顆?？呻S水流運(yùn)動(dòng)[4]。因此，地浸采鈾過(guò)程中即便浸出過(guò)程中溶液卷帶一些砂粒進(jìn)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(guò)程中卷帶的砂粒運(yùn)動(dòng)與管道輸送固體物料有顯著區(qū)別，前者目的是輸送浸出液，其中不經(jīng)意卷帶數(shù)量甚微的砂粒；后者目的是利用水力運(yùn)動(dòng)承載固體，完成固體運(yùn)輸。利用水力運(yùn)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(yīng)超過(guò)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(qū)別在于，地浸抽出井內(nèi)砂粒含量極少，無(wú)法形成漿體，失去漿體水力輸送的特性，且不存在輸送過(guò)程中顆粒碰撞的影響，可視為單相流。

4地浸采鈾沉砂產(chǎn)生的判斷

4.1地浸采鈾砂粒直徑特征

目前，世界范圍內(nèi)地浸采鈾僅限于砂巖型礦床，相對(duì)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(gè)典型礦床的砂粒粒度分布率見(jiàn)表2。

表2　礦床砂粒分布率

由表2可知：4個(gè)礦床的砂粒最大分布率對(duì)應(yīng)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(jù)表1 給出的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，地浸砂巖型鈾礦床屬中顆粒沉降性，抽出井內(nèi)呈懸、跳移狀態(tài)非均質(zhì)流。但必須認(rèn)識(shí)到，該類(lèi)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(dá)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(zhì)區(qū)別。

4.2抽出井中沉砂產(chǎn)生的臨界流速

抽出井工作時(shí)，由于潛水泵的抽液作用，驅(qū)使浸出液以一定的流速向上運(yùn)動(dòng)。地浸采鈾以砂巖型鈾礦床為開(kāi)采實(shí)體，因此，浸出液在礦層和抽出井內(nèi)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)具備一定條件時(shí)，會(huì)卷帶細(xì)砂粒隨液流運(yùn)動(dòng)，其中一個(gè)條件是Re值足夠大；液體在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，管道中心速度最大，沿管壁速度為0。因此，當(dāng)Re值足夠大，砂粒離開(kāi)管壁一定的距離時(shí)方可隨液流一并運(yùn)動(dòng)。根據(jù)砂粒在液流中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，當(dāng)隨流體沿軸向上升時(shí)也沿徑向管道中心遷移，當(dāng)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(yùn)動(dòng)。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(guān)，由不同顆粒的臨界流計(jì)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(shù)(CD)直接相關(guān)，而CD是Re的函數(shù)，根據(jù)Re的范圍，CD計(jì)算公式為[7]

以表2中4個(gè)礦床的砂粒分布率為計(jì)算依據(jù)，由不同顆粒的臨界流計(jì)算公式[6]，可得出抽出井臨界流速為0.088 9 m/s。對(duì)于使用4吋潛水泵提升浸出液的抽出井，當(dāng)抽液量為4～8 m3/h 時(shí)，浸出液提升速度為0.086～0.172 m/s。在地浸采鈾生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)抽出井的抽液量大于4.14 m3/h 時(shí)，井內(nèi)砂粒被全部抽出，無(wú)沉砂產(chǎn)生。目前，我國(guó)生產(chǎn)地浸采鈾礦山設(shè)計(jì)抽出井的抽液量均大于4 m3/h，最高達(dá)8 m3/h，并且在實(shí)踐中基本達(dá)到了該指標(biāo)，意味著抽出井內(nèi)產(chǎn)生沉砂的可能性極小。

5抽出井沉砂管設(shè)置的必要性

抽注過(guò)程形成的水力梯度擾亂了原始地下水流場(chǎng)，加速了地下水的流動(dòng)。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(dòng)偶爾卷帶孔隙內(nèi)砂粒進(jìn)入抽出井。正常情況下，進(jìn)入井內(nèi)的砂粒在潛水泵的抽吸作用下，會(huì)隨液流提升至地表；當(dāng)砂粒過(guò)大或井內(nèi)液體流速過(guò)小時(shí)，砂粒會(huì)沉落，造成沉砂；當(dāng)潛水泵因故停止運(yùn)轉(zhuǎn)的瞬間，井內(nèi)砂粒也會(huì)沉落。由于抽出井的臨界流速計(jì)算得知，僅當(dāng)抽液量小于4.14 m3/h時(shí)方有沉砂產(chǎn)生的可能，并且，潛水泵因故停止運(yùn)轉(zhuǎn)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(jì)算，沉砂128.61 mg)。況且，該類(lèi)沉砂在潛水泵重新啟動(dòng)后會(huì)被抽出。因此，我國(guó)地浸采鈾抽出井沉砂管設(shè)置的必要性令人質(zhì)疑，其長(zhǎng)度也應(yīng)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(huán)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(cè)井方法檢驗(yàn)浸出劑滲流范圍時(shí)發(fā)現(xiàn)，沉砂管段完全與非礦砂巖層導(dǎo)通，形成浸出劑在砂體中滲流的通道，不但極大浪費(fèi)了浸出劑，而且造成浸出液鈾濃度下降。美國(guó)地浸礦山鉆孔底端不設(shè)置沉砂管，或以0.5 m長(zhǎng)的堵頭代替，或因利用套管充填礫石工藝的需要在過(guò)濾器底端設(shè)計(jì)1 m長(zhǎng)的管路，安裝2個(gè)反向逆止閥。為探索鉆孔沉砂管的必要性，我國(guó)曾在礦床酸法試驗(yàn)中有意將沉砂管長(zhǎng)度縮短至0.5 m左右，經(jīng)過(guò)數(shù)年的運(yùn)行，并未產(chǎn)生任何問(wèn)題。

6結(jié)論

(1)我國(guó)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(chǎn)中地浸采鈾井場(chǎng)溶液流動(dòng)為平面徑向流，呈層流狀態(tài)，但因過(guò)水面積急劇減小，壓力增大，在抽出井內(nèi)呈紊流狀態(tài)。

(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(jù)地浸鈾礦床砂粒的特征和礦山抽出井抽液能力的計(jì)算結(jié)果，抽出井內(nèi)不具備產(chǎn)生沉砂的條件。

(6)地浸采鈾抽出井可不設(shè)置沉砂管或縮短其長(zhǎng)度。

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(收稿日期2016-03-23)

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