基于层次分析法的砂岩型铀矿地质-水文地质条件评价研究

朱 婷，陈梅芳，贠晓锋，段柏山，王新贵，李 勇

(新疆中核天山铀业有限公司，新疆 伊宁 835000)

原地浸出采铀(简称地浸采铀)适用于砂岩型铀矿的开采，是集地质、水文地质、采矿、选矿、冶金于一体的采矿新方法。地浸采铀具有工艺简单、对地表环境保护好、成本低等优点，是目前世界各国主要采用的铀矿开采方法。砂岩型铀矿的地质-水文地质条件是决定地浸采铀是否可行的重要条件之一，相关地质-水文地质条件主要包括矿体埋藏深度、平米铀量、矿石化学成分、矿层顶底板稳定性、含矿层厚度、矿石的渗透性、地下水埋深及矿化度等[1]。在砂岩型铀矿工业建设和开发前进行地质-水文地质条件评价，对下一步开采方式和开采工艺的选择具有重要的指导意义。

国内许多学者对砂岩型铀矿的地浸地质-水文地质条件评价方法进行了研究；但定性研究较多，综合定量研究较少，缺乏一套直观的综合定量评价方法。也有专家从影响地浸的各因素着手，结合其对地浸的影响程度，赋予不同的权重，通过建立地浸指数模型来评价铀矿是否利于地浸开采。此方法虽综合考虑了各因素的影响，但未能反映出各指标之间既相互促进又相互牵制的关系。所以，笔者从影响地浸开采的地质-水文地质因素出发，采用层次分析法客观合理地确定各因素的权重，建立地浸地质-水文地质条件评价标准和评分等级，综合定量评价分析地浸开采的可行性。

1 地浸地质-水文地质条件评价指标体系的构建

由于砂岩型铀矿的地质-水文地质条件有所差异，所以许多学者进行评价时采用的评价参数有所不同，但差别不大。在设计评价指标时，按照各因素间的相互关联和隶属关系，在尽量与前人建立的评价指标体系[2-5]保持一致的基础上，将地浸地质-水文地质条件评价指标体系分为总体层、系统层和评价指标层3个层次，选取了15个影响力较大、可度量的因素作为评价指标，见表1。

表1 地浸地质-水文地质条件评价指标体系

2 基于层次分析法指标权重的计算

层析分析法(AHP)是将一个复杂的多目标决策问题分解为若干层次和多个指标，通过定性指标模糊量化，进而优化决策的一种系统方法。层析分析法用于解决难以定量描述的决策问题，具有简便实用的特点，对影响砂岩型铀矿地浸开采这样一个多因素评价目标来说比较适合[6]。

2.1 判断矩阵的构建与计算

2.1.1 判断矩阵的构建

采用1-9标度法，组织相关专家对同层指标间的相对重要性进行两两比较，将指标间的相对重要程度定量化，形成以下判断矩阵。

2.1.2 判断矩阵的一致性检验

首先，计算判断矩阵的最大特征值λmax；其次，计算一致性指标CI，CI值越小，判断矩阵一致性越高，当判断矩阵一致性完全一致时，CI=0；然后引入修正系数——平均随机一致性指标RI，消除矩阵阶数对判断矩阵一致性的影响。当CR=CI/RI<0.1时，认为判断矩阵具有满意的一致性；否则需要进行必要的调整，使其具有满意的一致性[7]。

通过计算得出各判断矩阵的一致性检验结果见表2。通过检验，判断矩阵A-B具有完全一致性，B1-C、B2-C具有满意一致性。

表2 各判断矩阵的λmax、CI、CR及一致性检验结果[8]

2.2 权重的确定

2.2.1 指标的相对权重

对通过计算所求的判断矩阵最大特征值对应的特征向量，进行归一化处理，可求得以上判断矩阵中各指标的相对权重。

2.2.2 指标的综合权重

以上层指标的权重为权数，计算本层各指标的对应加权和，所得结果即为该层指标的综合权重；以综合权重进行层次总排序，得到WA=(WC11,WC12,…,WC17,WC21,WC22,…,WC28)。计算结果见表3第4列。根据分析结果，15个指标中，权重值较大的含矿层渗透系数、矿层单位涌水量、矿体埋藏深度等指标对判断砂岩型铀矿能否地浸开采具有重要影响。

表3 评价指标权重总排序

3 地浸地质-水文地质条件评价标准

3.1 建立评价标准

根据已构建的地浸地质-水文地质条件评价指标体系，采用地浸水文地质条件评价系统的常用标准，将指标评价等级确定为“最有利(V1)、有利(V2)、较有利(V3)、不利(V4)”。为了定量反映各级指标对于砂岩型铀矿地浸开采的影响程度，对4个评价等级进行评分，分别为V1=100，V2=80，V3=60，V4=40，分值越高，表明越有利于地浸开采[9-10]。评价分级标准见表4。

表4 砂岩型铀矿地浸地质-水文地质条件评价分级标准

3.2 计算评价结果

根据表3～4中各评价指标所对应的综合权重WCij和评分VCij，即可求出砂岩型铀矿地质-水文地质条件的综合评价值U；然后依据U对矿床进行综合评价和分析，确定其是否适宜地浸开采。U的计算公式为

U=∑WCij·VCij，

(1)

式中：U—综合评价值；WCij—评价指标的组合权重；VCij—评价指标评分。

利用U值对结果进行评价，得出的U值越大，说明矿床的地质-水文地质条件越有利于地浸开采；反之，对地浸开采越不利。

4 伊犁盆地砂岩型铀矿地浸地质-水文地质条件评价

新疆伊犁盆地是中国最早的地浸采铀温床，孕育有多个大型工业化生产的砂岩型铀矿床；因其地质-水文地质条件的差异性，各铀矿采用的地浸采铀工艺有所不同，主要分为硫酸浸出和CO2+O2浸出。选取伊犁盆地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ砂岩型铀矿床进行地浸地质-水文地质条件评价，分析其地浸开采的可行性。

4.1 地浸地质-水文地质条件评价

依据Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿床地质-水文地质实际情况，结合砂岩型铀矿地浸地质-水文地质条件评价分级标准(表4)对各指标进行等级评定，评定结果见表5。

依据砂岩型铀矿地浸地质-水文地质条件适宜度评价表(表6)，对伊犁盆地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿床地浸地质-水文地质条件适宜度进行评定。

表6 砂岩型铀矿地浸地质-水文地质条件适宜度评价

根据表5中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿床各评价指标评定的等级进行打分，运用式(1)计算得到Ⅰ矿床综合评分UⅠ为70.32，评价结果为“有利于地浸”；Ⅱ矿床综合评分UⅡ为84.70，评价结果为“有利于地浸”；Ⅲ矿床综合评分UⅢ为65.71，评价结果为“较有利于地浸”。

表5 伊犁盆地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿床地质-水文地质指标等级评定

4.2 评价结果分析

将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿床按子系统分类对比，如图1所示。评价结果与采区浸采情况对照见表7。可以看出，Ⅱ矿床各项指标在3个矿床中为最优，其次是Ⅰ矿床、Ⅲ矿床。Ⅰ矿床的矿体埋藏深度、矿石矿物成分等大部分指标与Ⅱ矿床对应指标相当，利于地浸；但矿石平米铀量低、岩石颗粒均匀性差，对地浸开采不利。Ⅲ矿床矿体埋藏深度、矿石平米铀量等指标较好；但矿石矿物成分复杂，可溶矿物含量较高、矿层单位涌水量小、矿层厚度与含矿含水层厚度比值偏小、地下水矿化度高，不利于地浸开采。

表7 评价结果与采区浸采情况对照

综合表5、表7可看出，3个矿床中地浸地质-水文地质条件较好的采区，浸采效果相对较好。运用构建的评价指标体系及评价方法，对新疆Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ砂岩型铀矿床进行地浸地质-水文地质条件适宜度综合评价，得出的评价结果与实际浸采情况相吻合，说明利用层次分析法计算多因素权重构建的评价指标体系较为合理。

5 结论

构建了包含矿体埋藏深度等15个具体指标的砂岩型铀矿地浸地质-水文地质条件评价指标体系，采用层次分析法分层计算各指标的权重，建立了砂岩型铀矿地浸地质-水文地质条件评价分级标准。以伊犁盆地Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ矿床为例，开展了地浸地质-水文地质条件适宜度评价实例研究，通过对各项评价指标进行等级评定，计算得出铀矿床综合评分，与实际浸采情况较为吻合。

层次分析法具有较强的适用性和实用价值，建立的砂岩型铀矿地浸地质-水文地质条件评价指标体系合理、可行，对砂岩型铀矿地浸开采工艺的选择具有一定的指导意义。