過濾器布置方案對(duì)地浸采鈾浸出效果的影響分析

趙龍昊，李召坤，闕為民，杜志明，原 淵，陽奕漢，謝廷婷，李沁慈，李星浩，王嗣晨，張 宇

（1.中核礦業(yè)科技集團(tuán)有限公司，北京 101100；2.中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

0 引 言

地浸采鈾是一種在天然埋藏條件下，通過浸出劑與礦物的化學(xué)反應(yīng)選擇性地溶解礦石中的鈾，而不使礦石產(chǎn)生位移的集采、冶于一體的鈾礦開采方法[1]。地浸采鈾流場(chǎng)是溶液在地層中的對(duì)流運(yùn)動(dòng)、溶質(zhì)彌散及化學(xué)反應(yīng)的綜合場(chǎng)，三個(gè)場(chǎng)相互作用形成了浸出劑的流動(dòng)、擴(kuò)散及反應(yīng)[2]。有效對(duì)流場(chǎng)的空間范圍決定了地浸采鈾的可能浸出范圍，是評(píng)價(jià)地浸采鈾浸出率和資源回收率的重要指標(biāo)[3-5]。

隨著數(shù)字技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)值模擬成為當(dāng)前地浸行業(yè)定量分析研究地下水流狀態(tài)，計(jì)算地下水對(duì)流場(chǎng)體積的一種重要研究方法[6-10]。陳松[11]針對(duì)宿南礦區(qū)分析了不同時(shí)間空間下流場(chǎng)的分布狀態(tài)，為后續(xù)水源識(shí)別模型做了鋪墊。周義朋等[12]利用粒子示蹤技術(shù)對(duì)浸出劑滲流路徑和范圍進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果的示蹤線指示出了浸出劑從注入孔進(jìn)入礦層后的不同滲流方向、速度及運(yùn)移路徑。呂禹[13]建立三維地質(zhì)模型后，對(duì)含水層概化并建立地下水?dāng)?shù)值模型，利用現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證期證實(shí)了地下水流場(chǎng)模型的準(zhǔn)確性。常云霞等[14]通過地下水動(dòng)力學(xué)模擬研究地下水的流速場(chǎng)，根據(jù)井場(chǎng)邊緣注液孔的地下水流速場(chǎng)特征來探討浸出范圍的確定方法和影響機(jī)制。汪潤(rùn)超[15]展開了水動(dòng)力場(chǎng)與水化學(xué)場(chǎng)作用下鈾浸出遷移研究，確定礦區(qū)地浸采鈾過程中伴生礦物的時(shí)空演化特征。石衛(wèi)等[16]結(jié)合梯度提升回歸樹算法，探索了地下空間對(duì)地下水流場(chǎng)產(chǎn)生影響的主控因子和作用機(jī)理。

鉆孔過濾器是地浸采鈾中浸出劑注入及提取的唯一匯流通道，在礦層巖性以及物性的非均質(zhì)性空間分布的影響下，過濾器的不同設(shè)計(jì)位置和長(zhǎng)度會(huì)直接引起單井的抽注液量，地下流場(chǎng)分布和浸出劑的浸出范圍的改變，產(chǎn)生不同的浸出效果，因此，針對(duì)某一礦體，一旦過濾器布置方案確定，人工構(gòu)建的地浸滲流場(chǎng)就已基本定型[17-21]。

針對(duì)過濾器設(shè)計(jì)方案對(duì)地浸采區(qū)流場(chǎng)的影響，相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)者們進(jìn)行了多方向研究。謝廷婷等[22-23]應(yīng)用地下水模擬軟件，對(duì)不同過濾器方案的地浸采鈾井場(chǎng)水動(dòng)力滲流場(chǎng)和溶質(zhì)彌散遷移場(chǎng)進(jìn)行了分析研究，并對(duì)目標(biāo)井場(chǎng)不同過濾器長(zhǎng)度的方案進(jìn)行了量化比較。周義朋等[24]采用數(shù)值模擬方法，研究了過濾器對(duì)溶液在礦層和圍巖中流量分布的影響，發(fā)現(xiàn)過濾器向圍巖的延伸長(zhǎng)度及方向是影響地浸溶液滲流分布的重要因素。秦淦等[25]利用地下水模型輔助切割式鉆井的過濾器設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊單元的單獨(dú)截取設(shè)計(jì)，極大地降低了設(shè)計(jì)難度和工作量。王藝等[26]分析鉆孔過濾器布置情況與浸出液鈾濃度、浸采率之間的關(guān)系，利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得出浸出率高、鈾濃度高的單元鉆孔過濾器布置規(guī)律。

學(xué)者們從地層水滲流場(chǎng)、溶質(zhì)彌散場(chǎng)、鉆孔流量、浸出液鈾濃度等方面對(duì)過濾器布置方法進(jìn)行了諸多分析，但仍不能量化計(jì)算分析不同過濾器長(zhǎng)度以及安裝位置對(duì)于地浸采鈾流場(chǎng)的影響，未形成系統(tǒng)的過濾器設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系。

本文以有效對(duì)流體積、有效對(duì)流礦體體積比、有效浸出礦體體積比、浸出對(duì)流體積比等地浸采鈾流場(chǎng)特征參數(shù)為計(jì)算分析依據(jù)，建立了一套地浸采鈾流場(chǎng)定量化分析評(píng)價(jià)方法，并基于該方法分析研究過濾器設(shè)計(jì)方案對(duì)于地浸采鈾浸出效果的影響。以內(nèi)蒙古某地浸采鈾礦山為研究對(duì)象，開展了多過濾器方案的地浸流場(chǎng)數(shù)值模擬研究；利用地浸采鈾流場(chǎng)定量化評(píng)價(jià)方法，對(duì)比分析在不同長(zhǎng)度及安裝位置的過濾器條件下地浸采鈾的浸出效果，為現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工推薦了最優(yōu)過濾器設(shè)計(jì)方案，對(duì)地浸采鈾井場(chǎng)的工程設(shè)計(jì)具有極其重要的科學(xué)意義。

1 地浸采鈾流場(chǎng)定量化分析評(píng)價(jià)方法

1.1 地浸采鈾流場(chǎng)特征體積

地浸采鈾投產(chǎn)過程中，注入的浸出劑在流體對(duì)流、彌散和化學(xué)反應(yīng)作用下進(jìn)行運(yùn)移，流場(chǎng)特征圖如圖1所示。由圖1可知，在一定時(shí)間t內(nèi)，注入井的部分流線并不能滲流至抽出井，這部分區(qū)域雖然屬于地浸采鈾流場(chǎng)的對(duì)流場(chǎng)，但浸出劑不能回流至抽出井，可認(rèn)為這部分對(duì)流場(chǎng)對(duì)浸出液無效。由此定義：時(shí)間t內(nèi)地浸采鈾流場(chǎng)中浸出劑無法回流至抽出井的對(duì)流場(chǎng)區(qū)域稱為無效對(duì)流范圍（Ve）[27-28]。

圖1 地浸采鈾流場(chǎng)特征區(qū)域示意圖Fig.1 Schematic diagram of characteristic region of flow field in in-situ leaching of uranium

地浸采鈾流場(chǎng)由無效對(duì)流范圍（Ve）與有效對(duì)流范圍（Vq）組成，有效對(duì)流范圍（能從注入井滲流至抽出井的流線所控制的區(qū)域）指征了地浸采鈾流場(chǎng)所控制的巖體范圍，這是一個(gè)隨時(shí)間變化的體積變量。有效對(duì)流范圍越大，采區(qū)控制巖體體積越大；有效對(duì)流范圍越小，采區(qū)控制巖體體積越?。▓D1）[29]。

根據(jù)上述定義可知，有效對(duì)流范圍（Vq）與目標(biāo)開采礦體范圍（VM）并不完全重合，二者在空間上共同切割出了三塊區(qū)域。首先是有效浸出范圍（VU），其表征了有效對(duì)流范圍與目標(biāo)開采礦體的空間交集，Vq∩VM={VU|VU∈Vq,且VU∈VM}。在這個(gè)空間范圍內(nèi)，浸出劑在礦體內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并生成含鈾化合物，最終被回收至地表。其次是有效對(duì)流范圍（Vq）與目標(biāo)開采礦體范圍（VM）的兩個(gè)差集，屬于有效對(duì)流但是不屬于礦體范圍的差集（有效對(duì)流非礦體范圍）Vq-M，Vq-VM={Vq-M|Vq-M∈Vq,且Vq-M?VM} ；在差集Vq-M的空間范圍內(nèi)，所注入浸出劑可被回收，但由于不在礦體內(nèi)，無法生成目標(biāo)產(chǎn)物。除此之外，有效對(duì)流范圍（Vq）與無效對(duì)流范圍（Ve）的并集為總對(duì)流范圍（Va），Vq∪Ve={Va|Ve∈Va,且Vq∈Va}，代表著在一定時(shí)間內(nèi)，所有從注入井進(jìn)入巖體的浸出劑所滲流的范圍。

以上由流場(chǎng)衍生的有效對(duì)流范圍（Vq）、有效浸出范圍（VU）、總對(duì)流范圍（Va）等特征參數(shù)均是隨時(shí)間變化的變量。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同開采工藝對(duì)地浸采鈾的影響，采用各方案表達(dá)比例明顯的相對(duì)值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并定義了以下三種地浸采鈾流場(chǎng)特征參數(shù)，包括：有效對(duì)流體積比（ka）、有效對(duì)流浸出礦體體積比（kb）、浸出對(duì)流體積比（kc），計(jì)算見式（1）～式（3）。

式中：ka為有效對(duì)流體積比，有效對(duì)流體積占據(jù)總對(duì)流體積的比例，是評(píng)價(jià)井間有效連通性的重要指標(biāo)；kb為有效對(duì)流浸出礦體體積比，有效浸出體積占據(jù)總礦體區(qū)域的比例，指征礦體中可能被浸出回收的體積比例，是評(píng)價(jià)不同工藝條件下地浸開采能力的重要指標(biāo)；kc為浸出對(duì)流體積比，有效浸出體積與有效對(duì)流體積的比值，是浸出劑從注液井滲流至抽液井所形成的有效對(duì)流空間中礦體所占的比例，指征有效對(duì)流場(chǎng)的控礦效率。

1.2 地浸采鈾三維流線計(jì)算方法

利用流線可視化技術(shù)，研究地浸采鈾地下水流場(chǎng)展布情況，計(jì)算各類地浸采鈾流場(chǎng)特征體積。粒子在通過無限小的平行六面體單元時(shí)，X方向的速度分量變化率計(jì)算見式（4）～式（6）[30-32]。

將式（5）和式（6）代入式（4），重新排列方程見式（7）。

式（7）積分及估值計(jì)算見式（8）

利用已知方向的速度分量，粒子在后續(xù)任意時(shí)間（t2）的坐標(biāo)可以直接從式（8）計(jì)算到式（10）來獲取，進(jìn)而模擬出未來任意時(shí)間內(nèi)流線的展布情況，然后結(jié)合相關(guān)算法，計(jì)算有效對(duì)流體積、總對(duì)流體積、有效浸出體積等流線波及范圍的具體數(shù)值。

2 實(shí)例研究

2.1 過濾器設(shè)計(jì)方案

根據(jù)目標(biāo)采區(qū)的地質(zhì)參數(shù)、巖性參數(shù)、水文參數(shù)、物探參數(shù)等，以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，定義每口井除泥巖段之外的高品位礦層為待定層，綜合分析優(yōu)選較厚的待定層作為過濾器目標(biāo)層，并按照以下原則進(jìn)行過濾器設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)了8種過濾器布置方法，見表1、圖2和圖3。

表1 目標(biāo)采區(qū)過濾器設(shè)計(jì)方案Table 1 Filter design scheme of target mining area

表2 方案2過濾器設(shè)計(jì)原則Table 2 Design principles of scheme 2 filter

圖2 某兩個(gè)單元不同過濾器設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of different filter designs of two units

圖3 某兩個(gè)單元方案2設(shè)計(jì)原則示意圖Fig.3 Schematic diagram of the design principle of two units

2.2 目標(biāo)含礦含水層特征

研究礦區(qū)位于內(nèi)蒙古中北邊陲的二連盆地內(nèi)，盆地總體走向?yàn)闁|西向，東西長(zhǎng)約1 000 km，南北寬20～240 km，總面積約11×104km2。剖面上，含礦含水層總體為一層，礦體分布范圍內(nèi)，橫向上，含礦含水層厚度變化較小，總體仍為層狀，分布穩(wěn)定、連續(xù)，說明含礦含水層砂體厚度變化相對(duì)穩(wěn)定（圖4）。

圖4 目標(biāo)礦床橫向水文地質(zhì)剖面示意圖Fig.4 Sketch map of target deposit transverse hydrogeological section

根據(jù)目標(biāo)礦層水文地質(zhì)井抽水試驗(yàn)資料，含礦含水層厚度一般為10～65 m，平均厚度為35.71 m，水位埋深16.23～19.67 m，承壓水頭60.83～92.07 m，礦層滲透系數(shù)8.94 m/d。

2.3 目標(biāo)礦層地下水?dāng)?shù)學(xué)數(shù)值模型

本文采用Groundwater Modeling System（GMS）中的T-PROG、MODFLOW、MODPATH計(jì)算模塊分別進(jìn)行巖性及水動(dòng)力場(chǎng)的模擬，對(duì)不同過濾器方案下的地浸采鈾地下水動(dòng)力場(chǎng)特征進(jìn)行計(jì)算[33]；利用自主開發(fā)的專業(yè)程序計(jì)算目標(biāo)礦區(qū)在不同過濾器方案下的有效對(duì)流體積、有效對(duì)流體積比、有效浸出礦體比、浸出對(duì)流比的大小。

地浸采鈾對(duì)流場(chǎng)模型模擬區(qū)域共141組抽注單元，其中抽出井141個(gè)，注入井168個(gè)，抽注井間距均為27 m，采區(qū)幾何面積約220 000 m2。其中，已施工塊段的過濾器按實(shí)際情況概化為礦層中心5 m（圖5中陰影部分），待設(shè)計(jì)塊段過濾器方案將按照設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整（圖5中無陰影部分）。

圖5 目標(biāo)采區(qū)鉆孔平面布置圖Fig.5 Borehole layout of target mining area

1）井孔流量概化。為保持抽注平衡，并維持地下水流場(chǎng)，在進(jìn)行井孔流量概化時(shí)，抽出井采用現(xiàn)場(chǎng)的均一流量為120 m3/d，注入井流量劃分：邊角注入井流量為30 m3/h、邊緣注入井流量為60 m3/h、為3個(gè)抽出井提供液量的注入井為90 m3/h、內(nèi)部注入井流量為120 m3/h。

2）地層（巖性）概化、網(wǎng)格剖分。根據(jù)目標(biāo)礦區(qū)井孔的測(cè)井解釋資料將巖性概化為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、砂礫巖5種巖性。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)，各類巖性的滲透系數(shù)、孔隙度等計(jì)算參數(shù)如圖6所示。利用GMS軟件Borehole模塊對(duì)井孔進(jìn)行可視化；利用T-PROGS進(jìn)行非均質(zhì)巖性建模，模型垂向上共剖分為30層，單層厚度2.5 m（圖6）。

圖6 目標(biāo)礦區(qū)流場(chǎng)模型網(wǎng)格剖分及計(jì)算參數(shù)Fig.6 Mesh generation and calculation parameters of flow field model in target mining area

2.4 不同方案計(jì)算結(jié)果分析

通過計(jì)算目標(biāo)礦區(qū)在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下有效對(duì)流體積、有效對(duì)流體積比、有效浸出礦體比、浸出對(duì)流比的參數(shù)情況及變化特征，對(duì)比分析不同過濾器方案下地浸采鈾抽注對(duì)流場(chǎng)的特點(diǎn)。

2.4.1 有效對(duì)流體積

圖7為有效對(duì)流體積隨時(shí)間變化圖。由圖7可知，各過濾器方案的有效對(duì)流體積呈現(xiàn)三個(gè)階段特征，分別為100 d以前的陡增期階段，100～1 000 d的緩增期階段，1 000 d之后的漸穩(wěn)期階段，總體符合對(duì)數(shù)變化關(guān)系，說明抽注井在開發(fā)前期快速建立有效對(duì)流，而后逐漸增加對(duì)流范圍，后期對(duì)流場(chǎng)增加至一定廣度，穩(wěn)定對(duì)流場(chǎng)基本形成，整體對(duì)流范圍增加緩慢。

圖7 不同過濾器方案有效對(duì)流體積隨時(shí)間變化Fig.7 Effective convective volume varies with time of different filter schemes

為方便對(duì)不同過濾器方案的有效對(duì)流體積進(jìn)行定量對(duì)比，利用對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)其變化曲線進(jìn)行趨勢(shì)線擬合（表3），并定義了過濾器位置影響程度系數(shù) ?，計(jì)算見式（11）。

表3 不同過濾器方案有效對(duì)流體積的趨勢(shì)線方程Table 3 Trend line equations of effective convective volumes of different filter schemes

式中：k1、k2分別為相同開窗長(zhǎng)度，不同開窗位置過濾器方案趨勢(shì)線方程的系數(shù)，其中，k1為兩者中的較大值。

本次模擬共設(shè)計(jì)5種過濾器長(zhǎng)度，模擬期內(nèi)有效對(duì)流體積大小為：全礦段（方案1）＞10 m（方案5、方案8）＞5 m、10 m（方 案2）＞5 m（方 案4、方 案7）＞2.5 m（方案3、方案6），這說明有效對(duì)流體積與過濾器長(zhǎng)度成正相關(guān)；由表3可知，趨勢(shì)線對(duì)數(shù)方程系數(shù)隨過濾器長(zhǎng)度增加而變大，說明過濾器長(zhǎng)度越長(zhǎng)，其單位時(shí)間內(nèi)增加的有效對(duì)流體積也越大。

方案3、方案6的2.5 m過濾器設(shè)計(jì)方案，中心設(shè)計(jì)的對(duì)流體積與趨勢(shì)線方程系數(shù)更大，單位時(shí)間內(nèi)有效對(duì)流體積增加更多；而較長(zhǎng)的過濾器方案（5 m、10 m）中，錯(cuò)位設(shè)計(jì)的對(duì)流范圍、趨勢(shì)線方程系數(shù)、有效對(duì)流體積增加率更大。觀察過濾器位置影響程度系數(shù)可知，當(dāng)長(zhǎng)度大于5 m后，隨著過濾器長(zhǎng)度增加，過濾器位置對(duì)于有效對(duì)流體積的影響減少。

由各方案的趨勢(shì)線對(duì)數(shù)方程可知，隨過濾器長(zhǎng)度增加，相同時(shí)間內(nèi)有效對(duì)流體積增加量更多，形成穩(wěn)定對(duì)流場(chǎng)所需的時(shí)間增加，以單個(gè)抽注井有效對(duì)流體積日增速小于3 m3為穩(wěn)定對(duì)流場(chǎng)形成標(biāo)準(zhǔn)，8種方案形成穩(wěn)定對(duì)流所需時(shí)間見表4。

表4 不同過濾器方案穩(wěn)定對(duì)流形成時(shí)間Table 4 Stable convective formation time of different filter schemes單位：d

穩(wěn)定對(duì)流形成時(shí)間受過濾器長(zhǎng)度影響明顯，短過濾器的區(qū)間流量大，流體壓力高，形成穩(wěn)定對(duì)流場(chǎng)的時(shí)間短，而長(zhǎng)過濾器穩(wěn)定對(duì)流耗時(shí)長(zhǎng)，其中，方案1形成穩(wěn)定對(duì)流所需時(shí)間為870 d。對(duì)于中心設(shè)計(jì)和錯(cuò)位設(shè)計(jì)來說，由于礦層的非均質(zhì)性，錯(cuò)位設(shè)計(jì)過濾器有可能跨越多種巖層，增加了浸出劑的滲流難度；中心設(shè)計(jì)的垂向錯(cuò)位小，井間流場(chǎng)更接近規(guī)則紡錘體，地下水流速度更大，因此，中心設(shè)計(jì)的穩(wěn)定對(duì)流形成時(shí)間更少，且隨著過濾器長(zhǎng)度增加，錯(cuò)位設(shè)計(jì)會(huì)進(jìn)一步增加穩(wěn)定對(duì)流形成時(shí)間。

2.4.2 有效對(duì)流體積比

不同過濾器方案有效對(duì)流體積比如圖8所示。由于井間流線的排布近似于紡錘體，在相同抽注液量前提下，過濾器越長(zhǎng)，單位高度的流體流速較慢，外部流場(chǎng)溝通能力弱，無效對(duì)流相對(duì)少，使得有效對(duì)流體積比隨著過濾器長(zhǎng)度的減小而減少；對(duì)比圖8中方案3與方案6、方案4與方案7、方案5與方案8，中心設(shè)計(jì)與錯(cuò)位設(shè)計(jì)對(duì)于有效對(duì)流體積比的影響較小，但由于中心設(shè)計(jì)的過濾器集中布置于砂巖鈾礦層內(nèi)，井間紡錘體流線跨越的巖性較少，形態(tài)相對(duì)集中均勻，溝通的無效對(duì)流更少，因此，過濾器中心設(shè)計(jì)較錯(cuò)位設(shè)計(jì)的有效對(duì)流體積占比更大。

圖8 不同過濾器方案有效對(duì)流體積比Fig.8 Effective convective volume ratios of different filter schemes

不同長(zhǎng)度過濾器方案有效對(duì)流體積比峰值時(shí)間見表5。由表5可知，各個(gè)方案對(duì)流體積比峰值時(shí)間大小排布為：方案1（全礦段）＞方案5、方案8（10 m）＞方案2＞方案4、方案7（5 m）＞方案3、方案6（2.5 m）。這是由于過濾器越長(zhǎng)，紡錘體外邊緣流線距離紡錘體軸心越遠(yuǎn)，分布的流量及壓力更小，流速相對(duì)緩慢，溝通外邊緣流場(chǎng)耗時(shí)長(zhǎng)，因此，長(zhǎng)過濾器方案有效對(duì)流體積比達(dá)到峰值所需時(shí)間更長(zhǎng)。

表5 不同長(zhǎng)度過濾器方案有效對(duì)流體積比峰值時(shí)間Table 5 Peak time of effective convective volume ratio of different length filter schemes單位：d

2.4.3 有效浸出礦體體積比

利用有效浸出礦體體積比可分析浸出劑在礦體內(nèi)的浸出能力，有效浸出礦體體積比是評(píng)價(jià)地浸采鈾工藝優(yōu)劣的最直接標(biāo)準(zhǔn)。不同過濾器方案有效浸出礦體體積比如圖9所示。由圖9可知，有效浸出礦體體積比與有效對(duì)流范圍變化趨勢(shì)類似，具有陡增期、緩增期、穩(wěn)定期三個(gè)狀態(tài)，穩(wěn)定后8個(gè)方案的最終體積比相差明顯。

圖9 不同過濾器方案有效浸出礦體體積比Fig.9 Effective leaching volume ratio of ore body of different filter schemes

方案1（全礦段）體積比可達(dá)91.92%；方案5、方案8（10 m）體積比為80.00%～85.00%；方案2（5 m、10 m）體積比為79.64%；方案4、方案7（5 m）體積比為69.00%～78.00%；方案3、方案6（2.5 m）體積比為52.00%～62.00%（圖10）。過濾器長(zhǎng)度與有效浸出礦體體積比呈正相關(guān)，長(zhǎng)度由2.5 m增加至5 m時(shí)，浸出體積比最大可增加24.74%；由5 m增至10 m時(shí)，雖然長(zhǎng)度增大5 m，但浸出體積比最大僅增加11.64%，增加過濾器長(zhǎng)度對(duì)有效浸出體積比的增益效果減弱。由圖10可知，隨長(zhǎng)度增加，過濾器位置對(duì)于有效浸出礦體體積比的影響減少，長(zhǎng)度為2.5 m時(shí)，中心設(shè)計(jì)高于錯(cuò)位設(shè)計(jì)8.9%；長(zhǎng)度為5 m時(shí)，錯(cuò)位設(shè)計(jì)高于中心設(shè)計(jì)8.0%；長(zhǎng)度為10 m時(shí)，錯(cuò)位設(shè)計(jì)較中心設(shè)計(jì)高3.9%。過濾器長(zhǎng)度在2.5 m以下，更適合中心設(shè)計(jì)，過濾器在5 m和10 m或以上，宜采用錯(cuò)位設(shè)計(jì)以提高浸出劑在礦體內(nèi)的溶浸以及采出能力。

圖10 不同過濾器方案有效浸出礦體體積比穩(wěn)定值Fig.10 Stable value of effective leaching volume ratios of different filter schemes

2.4.4 浸出對(duì)流體積比

有效對(duì)流場(chǎng)的控礦效率是影響原位地浸采鈾的一個(gè)重要因素，可根據(jù)有效浸出體積在有效對(duì)流中的占比計(jì)算。不同過濾器方案浸出對(duì)流體積比如圖11所示。由圖11可知，浸出對(duì)流體積比與過濾器長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)，開采前期，浸出對(duì)流體積比有下降趨勢(shì)，300 d后浸出對(duì)流比趨于穩(wěn)定。

圖11 不同過濾器方案浸出對(duì)流體積比Fig.11 Volume ratios of leaching convection of different filter schemes

由圖12所示，穩(wěn)定后，方案2、方案3、方案6的浸出對(duì)流體積比最高，穩(wěn)定在31%左右，其他方案均在30%以下。8種方案中，方案2與方案3、方案6具有相當(dāng)?shù)慕鰧?duì)流體積比值，未遵循長(zhǎng)度越長(zhǎng)，浸出對(duì)流體積比值越低的情況。因此，在過濾器方案設(shè)計(jì)時(shí)，除了減少過濾器長(zhǎng)度外，依據(jù)礦層厚度差異設(shè)計(jì)過濾器，可以有效提升浸出劑的利用效率。

圖12 不同過濾器方案浸出對(duì)流體積比穩(wěn)定值Fig.12 Stable value of leaching convection volume ratio of different filter schemes

2.4.5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

綜合分析4種流場(chǎng)特征參數(shù)后發(fā)現(xiàn)，多種設(shè)計(jì)方案下，方案1（全礦段）與根據(jù)目標(biāo)層厚度進(jìn)行差異設(shè)計(jì)的方案2（5 m、10 m）以及10 m過濾器的方案5和方案8，在1 000 d時(shí)有效對(duì)流體積比均在35%以上，有效浸出礦體體積比均在80%左右，浸出能力較優(yōu)；三種方案中，方案2過濾器長(zhǎng)度較短，并有最大的浸采對(duì)流比（30.526%），控礦效率和浸出劑利用率最高，地浸開采成本最低，可作為目標(biāo)礦區(qū)的最優(yōu)過濾器設(shè)計(jì)方案。

在目標(biāo)采區(qū)后期的開拓施工中，結(jié)合方案2的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了抽注液井過濾器長(zhǎng)度、位置等參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，施工后實(shí)現(xiàn)采區(qū)過濾器長(zhǎng)度5 m+10 m混合布置，過濾器位置位于中心礦層，抽注液量動(dòng)態(tài)調(diào)控運(yùn)行。通過對(duì)比切割優(yōu)化設(shè)計(jì)的新采區(qū)與5 m常規(guī)切割老采區(qū)的整體運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)切割優(yōu)化設(shè)計(jì)后，采區(qū)整體浸出酸化周期降低了約35%，單井平均注液量增加了25%，抽液量增加了23%，浸出鈾濃度提高了約32%，資源回收率增加10%以上，進(jìn)一步提升了地浸采鈾井場(chǎng)工程設(shè)計(jì)效果。

3 結(jié) 論

本文以有效對(duì)流體積、有效對(duì)流礦體體積比、有效浸出礦體體積比、浸出對(duì)流體積比4種地浸采鈾流場(chǎng)特征參數(shù)為計(jì)算分析依據(jù)，建立了一套地浸采鈾流場(chǎng)定量化分析評(píng)價(jià)方法；并以內(nèi)蒙古某地浸采鈾礦山為對(duì)象，開展了不同長(zhǎng)度及安裝位置的過濾器條件下，地浸采鈾浸出效果的對(duì)比研究，并為現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工推薦了最優(yōu)過濾器設(shè)計(jì)方案，科學(xué)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔過濾器方案設(shè)計(jì)。具體結(jié)論如下所述。

1）長(zhǎng)過濾器方案能夠在地層中形成更大的對(duì)流場(chǎng)范圍，浸出更多的礦體，但過濾器長(zhǎng)度大于5 m時(shí)，其增加單位長(zhǎng)度帶來的增益效果降低。

2）過濾器安裝位置對(duì)有效對(duì)流體積和有效浸出體積影響明顯，短過濾器（2.5 m）宜采用中心布置，長(zhǎng)過濾器（5 m、10 m）宜采用錯(cuò)位布置。

3）方案2（5 m、10 m）具有最大的浸出對(duì)流體積比（30.526%），有效浸出礦體體積比在80%左右，浸出能力較優(yōu)，且過濾器長(zhǎng)度較短，控礦效率和浸出劑利用率最高，地浸開采成本最低，可作為目標(biāo)礦區(qū)的最優(yōu)過濾器設(shè)計(jì)方案。

4）經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，方案2過濾器設(shè)計(jì)原則降低了酸化周期約35%，增加了單井平均注液量25%，增加了抽液量23%，提高了浸出鈾濃度約32%，資源回收率增加10%以上，進(jìn)一步提升了地浸采鈾井場(chǎng)工程設(shè)計(jì)效果。