某多層砂巖型鈾礦床地浸開采工藝研究

閆紀帆，任錦榮，原 淵，劉佳斌，趙生祥

(中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

近年來，隨著地質(zhì)勘探及地浸鈾礦山生產(chǎn)探礦的開展，2層、3層甚至更多層礦體的砂巖型鈾礦床被揭露，多層礦體鈾礦床的資源量逐年增加[1]，地浸采鈾重疊礦體的分層開采在中國尚屬空白[2]。內(nèi)蒙古某鈾礦山隨著開采的深入，單層礦體的開采已不能滿足生產(chǎn)需求，對多層礦體的開采，逐漸成為需要解決的難題。本礦床Ⅰ-3和Ⅱ-4礦體位于同一含礦含水層中，垂向距離8.5～12.5 m。在礦體開發(fā)中，首次應(yīng)用獨立鉆孔法，實現(xiàn)了2層礦體同時浸采，取得了良好效果，為開采多層礦體積累了經(jīng)驗。

1 地質(zhì)與水文地質(zhì)特征

1.1 地質(zhì)特征

某礦床位于松遼盆地開魯拗陷錢家店凹陷北部偏西部邊緣，鈾礦的含礦地層為白堊系姚家組地層，姚家組地層可分為2個沉積旋回，即姚家組上段和姚家組下段。該鈾礦床02～33線間的Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體均位于姚家組下段地層，均為板狀結(jié)構(gòu)。Ⅰ-3礦體埋藏深度大于Ⅱ-4礦體，Ⅰ-3礦體與Ⅱ-4礦體間垂向距離8.5～12.5 m，2層礦體之間未見泥巖隔水層，其間地層巖性以淺灰、灰白色細粒砂巖為主，少量中細粒砂巖及粉砂巖。砂巖屬長石石英砂巖類，分選中等，次圓狀。

姚家組下段地層其頂部曲流河相泥巖為局部隔水層，具明顯泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，姚家組地層產(chǎn)狀平緩，且埋深淺[3]。含礦砂體主要為細砂巖、中砂巖、夾泥巖、粉砂巖透鏡體，粒度以細粒結(jié)構(gòu)為主，其次為中粒結(jié)構(gòu)。鈾礦石類型以細粒砂巖型鈾礦為主，部分為中粒砂巖型鈾礦，局部泥質(zhì)含量較高。礦石顏色為淺灰色、灰白色、部分為深灰色。鈾礦石中鈾的存在形式主要有鈾礦物、吸附鈾及含鈾礦物[4]。鈾礦物為瀝青鈾礦，吸附鈾主要為有機質(zhì)及黏土吸附[5]。

1.2 水文地質(zhì)參數(shù)

本礦床內(nèi)含水層主要有第四系孔隙潛水含水巖系和上白堊統(tǒng)碎屑巖孔隙-裂隙承壓水含水巖系。含礦含水層主要指位于上白堊統(tǒng)碎屑巖孔隙-裂隙承壓水含水巖系中的姚家組含水巖組，有穩(wěn)定的隔水頂板，巖石主要由紫紅色泥巖為主，不透水，隔水作用良好。通過對含礦含水層在不平衡條件下進行“一注一抽”抽注水試驗，含礦含水層單位涌水量為0.08 m3/(h·m)，滲透系數(shù)為0.1 m/d，試驗結(jié)果見表1。

Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體的靜水位埋深 12 m，含礦含水層埋深 241.4～302.4 m，厚度48.40～59.80 m，平均厚度54.74 m。含礦含水層為承壓水層，礦化度一般為3.64～4.89 g/L，pH 7.15～7.79，水化學(xué)類型為 HCO3·Cl-Na型及 Cl·HCO3-Na型。

表1 抽注水試驗結(jié)果

2 試驗方案

對于含多層礦體可地浸砂巖型鈾礦床的開采，目前國內(nèi)外研究的主要方法有一次鉆孔法和獨立鉆孔法。一次鉆孔法是對多層礦體共用同一組浸采單元，每個鉆孔分層建造過濾器的開采方法；獨立鉆孔法是對每層礦體獨立施工鉆孔構(gòu)建浸采單元的開采方法。

一次鉆孔法存在工藝鉆孔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度大的問題，鉆孔每層過濾器之間的封隔器制造成本較高，且無法實現(xiàn)多層礦體的同時開采。獨立鉆孔法，分別對每層礦體獨立施工鉆孔，每個鉆孔分層放置過濾器[6]，技術(shù)難度較低，成為優(yōu)先選擇的方法。綜合考慮，本次試驗選用獨立鉆孔法，開展多層礦體的浸出效果研究。

2.1 試驗塊段鉆孔布置

地浸采鈾井場鉆孔工程一般為網(wǎng)狀或行列式結(jié)構(gòu)。井型、井距依據(jù)礦體形態(tài)、厚度、連續(xù)性，單井抽液量與注液量比值、浸出劑覆蓋率等因素確定[7]。試驗塊段鉆孔布置如圖1所示。

1—勘探孔；2—抽液鉆孔；3—注液鉆孔；4—開采Ⅰ號礦體井型；5—開采Ⅱ號礦體井型。圖1 Ⅰ-3和Ⅱ-4礦體試驗塊段鉆孔布置示意

Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體平面上相互重疊，試驗采用獨立構(gòu)建浸采單元的方法，對2層礦體分別布置獨立的浸采單元，布置時充分考慮Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體埋藏深度、礦層的連續(xù)性、礦石滲透性等特點。

Ⅰ-3礦體試驗塊段共布置浸采單元11組，井型以五點型為主，局部為不規(guī)則五點型，井距30 m；Ⅱ-4礦體試驗塊段共布置浸采單元7組，井型以七點型為主，局部為不規(guī)則七點型，井距30 m。

2.2 試驗鉆孔結(jié)構(gòu)

在地浸采鈾礦山，工藝鉆孔是唯一與礦層接觸的通道[8]，試驗鉆孔采用填礫大孔徑結(jié)構(gòu)，環(huán)形骨架過濾器。套管采用UPVC材料，抽出井采用φ148 mm×12 mm套管，管箍連接，管箍直徑166 mm；注入井采用φ100 mm×10 mm套管，管箍連接，管箍直徑118 mm。

2.3 鉆孔過濾器位置設(shè)計

鉆孔過濾器是與鉆孔套管下部相連，安裝在礦層段具有一定孔隙率的、供液體進出的管路，是礦體開采的唯一“大門”，因此，正確設(shè)計過濾器位置對有效開采礦體有著至關(guān)重要的作用。對于滲透性較好、產(chǎn)狀平緩的礦體，礦層位置即為過濾器設(shè)計位置，過濾器作用可得到充分發(fā)揮，溶液會在壓力作用下從注入井滲過礦體流向抽出井。根據(jù)Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體在垂向上的位置特點，采用獨立構(gòu)建浸采單元，獨立構(gòu)建過濾器位置的設(shè)計思路，即每個鉆孔只針對1個礦體，設(shè)置1個層位的過濾器，如圖2所示。

2.4 試驗采區(qū)見礦參數(shù)

某鈾礦床Ⅰ-3和Ⅱ-4礦體形態(tài)均較為簡單，為板狀礦體，傾角3°～6°。開拓后，Ⅰ-3礦體平均單位面積鈾量為2.54 kg/m2，平均厚度4.49 m；Ⅱ-4礦體平均單位面積鈾量為2.91 kg/m2，平均厚度3.60 m。

1—嫩江組地層；2—姚家組上段地層；3—姚家組下段地層；4—泥巖；5—粉砂巖；6—細砂巖；7—地層界線；8—Ⅰ號礦體；9—Ⅱ號礦體；10—孔口標高；11—過濾器。圖2 Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體過濾器設(shè)計位置示意

2.5 試驗鉆孔施工主要技術(shù)措施

由于試驗需要對Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體分別獨立施工鉆孔，造成平面上出現(xiàn)相鄰鉆孔的間距僅為3～5 m的情況。為避免因鉆孔施工質(zhì)量問題對試驗造成影響，試驗鉆孔施工過程中采取了以下有效措施：1)鉆孔施工過程中，加強對裸孔井斜的控制，每百米對裸孔進行一次井斜校準，要求成孔后，裸孔井斜每百米低于1%，該措施有效避免了鉆孔施工過程中對臨近鉆孔井管造成損壞的可能性；2)優(yōu)先施工埋藏較淺礦體的鉆孔，施工完成后，再對埋藏較深礦體的鉆孔進行施工，該措施最大程度降低了鉆孔施工過程中泥漿對礦層的破壞；3)固井過程中應(yīng)用逆向注漿技術(shù)，增加固井強度，避免因鉆孔施工密集度高，降低地層固有穩(wěn)定性或因固井強度不夠，造成井管破裂的情況。

3 浸出過程及浸出數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場試驗條件

3.2 試驗運行結(jié)果

3.2.1抽注試驗

Ⅰ-3礦體試驗塊段共運行抽液孔11個，注液孔22個，抽注比2∶1，單孔平均抽液量為5.25 m3/h，單孔平均注液量為2.66 m3/h；Ⅱ-4礦體試驗塊段共運行抽液孔7個，注液孔16個，抽注比2.3∶1，單孔平均抽液量為6.55 m3/h，單孔平均注液量為2.94 m3/h。

分析浸出液量相關(guān)數(shù)據(jù)，Ⅰ-3、Ⅱ-4礦體屬同一含礦含水層，2層礦體同時開采時，開采不同礦體鉆孔的抽、注液量基本一致，且與某地浸采鈾礦山其他采區(qū)鉆孔抽、注液量平均水平一致。

3.2.2浸出試驗結(jié)果

試驗運行1年后，Ⅰ-3礦體試驗塊段浸出液中平均鈾質(zhì)量濃度為19.75 mg/L，峰值鈾質(zhì)量濃度為23.71 mg/L，累計鈾浸出率為22.06%；Ⅱ-4礦體試驗塊段浸出液中平均鈾質(zhì)量濃度為20.56 mg/L，峰值鈾質(zhì)量濃度為28.29 mg/L，累計鈾浸出率為24.99%，結(jié)果見表2。

試驗采區(qū)運行后，Ⅰ-3與Ⅱ-4礦體所屬試驗塊段，浸出液鈾質(zhì)量濃度上升速度基本一致，運行約4個月后鈾質(zhì)量濃度到達峰值，持續(xù)約5個月后緩慢下降，其變化規(guī)律與某地浸采鈾礦山其他采區(qū)浸出液鈾質(zhì)量濃度變化規(guī)律一致。

表2 試驗采區(qū)浸出試驗結(jié)果

3.3 溶浸過程浸出液離子成分變化規(guī)律分析

3.3.1地下水化學(xué)組分變化

試驗采區(qū)溶浸過程中，監(jiān)測了地下水化學(xué)成分，運行開始前360 d內(nèi)的地下水化學(xué)成分平均值見表3。

表3 地下水化學(xué)成分與本底值對比

3.3.2溶解氧與硫酸根濃度變化

圖3 Ⅰ-3礦體試驗段浸出液中ρ(U)、及ρ(溶解氧)變化

圖4 Ⅱ-4礦體試驗段浸出液中ρ(U)、及ρ(溶解氧)變化

隨著氧氣的加入，地下水中溶解氧逐步上升，但由于測定方法的原因，測定數(shù)據(jù)雖在一定范圍內(nèi)存在波動，但整體仍呈明顯上升趨勢。試驗周期內(nèi)，試驗塊段O2加注質(zhì)量濃度與該區(qū)域單層礦體開采時加注質(zhì)量濃度相同，其地下水中溶解氧質(zhì)量濃度上升速率與單層礦體開采時基本相同，不同礦層間不會互相稀釋。

4 結(jié)論

1)在內(nèi)蒙古某砂巖型鈾礦床的開發(fā)中，對位于同一含水層內(nèi)的、平面上相互重疊的Ⅰ-3和Ⅱ-4礦體，首次應(yīng)用獨立鉆孔法，成功實現(xiàn)了2層礦體的同時浸采。

2)施工過程中，通過合理布置鉆孔施工順序，控制鉆孔施工井斜與采用逆向注漿工藝等措施，有效控制了鉆孔施工的風(fēng)險。獨立鉆孔法在未來的2層或多層礦開采中具有較大的推廣價值。