大倾角砂岩型铀矿体地浸开采技术探讨

张万亮，苏学斌，张 勇，原 渊，口文杰，董惠琦

(1.中核通辽铀业有限责任公司，内蒙古 通辽 028000；2.中国铀业有限公司，北京 100010)

按照原地浸出采铀理论，原地浸出采铀技术主要应用于矿体产状发育平缓的砂岩铀矿体开采。目前，国内已进入工业生产的地浸矿山开采的矿体倾角一般小于10°，产状平缓。如内蒙古钱家店钱Ⅱ块铀矿床主矿体倾角为2°～8°，新疆蒙其古尔铀矿床及内蒙古纳岭沟铀矿床矿体倾角均小于10°。国外采用地浸技术开采的砂岩型铀矿床多数矿体倾角较小，如美国的Highland铀矿和捷克STRAZ铀矿矿体倾角均近于水平[1]。

位于钱家店钱Ⅱ块铀矿床西北部的Ⅰ-2矿体受地层产状影响，矿体倾角变化较大，局部矿体倾角大于25°。2015年对Ⅰ-2矿体进行开拓建成C28采区，2016年6月投入运行，2016年9月浸出液铀峰值浓度达到65 mg/L，进入浸出高峰期，浸出效果较好。结合该矿体的开采实例，对大倾角砂岩型铀矿体地浸开采的井型布置、钻孔过滤器设计、生产运行等方面进行探讨，以期为其他地浸矿山同类矿体开采提供开采建议。

1 矿体地质及水文特征

1.1 矿体地质特征

钱家店钱Ⅱ块矿床为辫状河相砂体中后生层间氧化作用形成的层间氧化带型铀矿。矿床白垩统姚家组下段(K2y1)为铀矿化的主要分布层位，该地层发育氧化还原带，主要为泥砂结构，砂岩厚度一般为5～17 m，局部厚度可达30 m[2]，开采的Ⅰ-2号矿体分布于该层位内。

根据2015年Ⅰ-2矿体的补充勘探结果，该矿体平面呈菱形、镰刀形(图1)，剖面上多呈透镜状、板状和卷状，矿体长度230～440 m，平均260 m，宽度40～270 m，平均200 m。矿石结构及含矿岩石主要为细砂岩，部分为中砂岩。矿体围岩为中砂岩、细砂岩、粉砂岩及泥岩。顶底板隔水层为红色泥岩，发育较连续，矿石中CO2含量0.096%～8.400%，有机质含量较低，平均0.900%，以四价铀为主，所占比例为56.65%～93.84%，平均77.92%，矿体平均厚度4.27 m，平均品位0.077 8%，平均平米铀量为6.28 kg/m2。

图1 钱家店钱Ⅱ块铀矿床Ⅰ-2矿体平面图

图2为钱家店钱Ⅱ块铀矿床Ⅰ-2矿体005线横剖面图。由图2可知，矿体倾向北东，矿体埋深350～490 m，平均埋深390 m，西北方向矿体埋深逐渐增加，平均每100 m长度矿体埋深增加185 m，矿体倾角10°～25°，沿西北方向矿体逐渐增加。

图2 钱家店钱Ⅱ块铀矿床Ⅰ-2矿体005线横剖面图

图3为钱家店钱Ⅱ块铀矿床Ⅰ-2矿体25线纵剖面图。由图3可知，矿体沿走向方向发育相对平缓，向北东向矿体埋深逐渐变浅。

图3 钱家店钱Ⅱ块铀矿床Ⅰ-2矿体25线纵剖面图

1.2 矿体水文特征

该矿体具有稳定的含矿含水层隔水顶板，岩石主要由紫红色泥岩为主，不透水、隔水作用良好。矿体静止水位埋深12 m，含矿含水层埋深372.50～375.60 m，厚度48.40～59.80 m，平均厚度54.74 m，局部夹有不透水的透镜状薄层2层～5层，岩性分别为紫红色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等，与矿层厚度比值为2.72～6.12。含矿含水层为承压水层，矿化度一般为3.64～4.89 g/L，pH值为7.15～7.79，水化学类型为HCO3·Cl-Na型及Cl·HCO3-Na型。

通过对Ⅰ-2矿体在不平衡条件下进行“一注一抽”抽注水试验，测得矿层单位涌水量尾矿0.080 m3/h，渗透系数0.1 m/d，试验结果见表1。

表1 钱家店钱Ⅱ块铀矿床Ⅰ-2矿体抽注水试验结果表

2 大倾角矿体对地浸开采的影响

采用原地浸出采铀技术一般要求矿体形态为水平层状或倾角小于15°的缓倾斜矿体，且矿体水平连续性好，横向宽度大，这种条件下便于抽注入井的布置，使浸出剂在含矿含水层中的矿层位置均匀流动，有利于实现抽注平衡和矿体有效浸出。对于倾角较大的陡倾斜矿体，由于其倾角较大，不利于浸出剂的渗流，实现浸出剂在含矿含水层中的矿层位置均匀流动难度较大，影响抽注液量及其平衡。同时，要求对地层要有全面的地质分析，查明地层的详细分布情况，尤其要关注矿体发育范围内地层是否存在断层、褶皱等现象，这主要是影响矿体开拓过程中地浸工艺钻孔过滤器设计。

3 大倾角矿体井网布置

3.1 井型布置

地浸采铀影响井型布置的因素很多，如矿体埋藏深度、矿层的连续性、矿石渗透性、钻井的抽注液能力等。只有通过合理的井型井距设计，增大浸出剂与矿层的接触面，控制浸出剂的流速，保证接触时间，才能获得最大的资源回收效率。因此，最优的井网参数设计对铀资源的高效开采具有实际意义[3]。

每个矿床采用的井型并不固定，而是随矿体条件的变化而改变。常用的井型主要包括“五点型”“七点型”“行列式”等多种形式。国内地浸铀矿山以“五点型”井型为主，部分矿床采用“七点型”网格式井型；美国的Smith Ranch矿采用“五点型”井型布置[4]。

地浸井场井型布置原则包括以下两方面。①保持井场抽液量与注液量基本平衡原则。布置地浸生产井时应根据钻孔的抽注液能力来确定钻井的排列方式，做到抽出的浸出液量大于注入的浸出剂量0.3%。②保证浸出剂的合理分配。钻井的布置方式要做到浸出剂在矿层中的均匀分配，尽可能消除溶浸死角，获得较高的回收率，同时应保证采区的均匀开采。

对于矿体倾角较小、产状平缓的矿体，采用上述常用井型基本可满足要求。对于大倾角矿体，在设计井网布置时，除了要考虑上述影响因素外，另外一个重要的因素就是如何保证单个浸采单元的抽注液量的平衡。由于矿体倾角较大，相邻两抽注入井的过滤器位置在垂向空间上相差较大，如采用常规的“五点型”“七点型”井网，可能会导致注入的浸出剂量与抽出的浸出液量无法达到平衡要求。

钱家店铀矿床Ⅰ-2矿体在设计井网布置时，重点考虑了单个浸采单元抽注液量平衡问题，由于矿体倾角较大，而矿体在走向方向上相对平缓，因此，选择在矿体倾向方向上增加注入井，与抽出井位于同一平面位置，起到对抽注平衡的补充作用(图4)。该矿体布置抽出井24个，注入井63个，抽注比1.0∶2.6。根据该采区2016年7月—2017年5月抽注的运行数据，单井抽液量3～5 m3/h，单井注液量1.5～3.2 m3/h，采区抽注液量比值在0.90～1.10范围，平均1.05，基本可满足抽注平衡要求。

图4 钱家店铀矿床Ⅰ-2矿体井网布置示意图

3.2 井距布置

井距决定着浸出剂的有效循环和资源回收率的高低，可以说地浸采铀成功与否主要决于井场工艺，而井场工艺首要面临的工作是选择合理的井距。与井型的确定相比，井距的确定更加复杂，井距布置的影响因素较多，主要包括矿层埋藏深度、矿石渗透性、金属浸出率等[5]。

过大增加井距或缩短井距都存在一些弊端，如过大增加井距会减少块段总抽液量和铀金属生产能力，延长浸出时间和增加生产费用，同时增加渗透路程，造成浸出剂耗量增加；过小缩短井距会增加钻孔数量，从而增加钻孔工程费用，同时易造成浸出剂“短路”，使浸出剂与矿石的反应不充分，导致浸出液中铀浓度低。矿体开拓井距既不能过大，也不能过小，对于每一个具体条件的矿床块段，应有一个合理值。选择合理的井距的原则为[4]：①正常抽液与注液条件下，浸出剂对矿体的覆盖率大于75%；②矿体浸出均匀，且贫富不同的部位能基本同步浸完；③采区服务年限一般为3～5 a；④在其他条件相同的情况下，应选取吨金属成本较低或经济效益最大时的井距。

对大倾角矿体开拓确定井距时，除了要考虑上述影响因素及原则外，另一个需要重点考虑的影响因素就是矿体的浸出速率，要保证浸出剂在抽注孔之间运移时间合理。钱家店铀矿床Ⅰ-2矿体在井型确定的条件下，充分考虑上述因素后，选择抽注孔井距为30.0 m和37.5 m。

选择上述井型、井距布置后，根据实际生产运行后采区浸出液铀浓度监测结果，在注液压力1.6 MPa条件下，浸出剂从注入井注入运移至抽出井需要6 d，浸出液铀浓度达到10 mg/L需要25 d，与钱家店06勘探线～07勘探线倾角为3°～5°的Ⅱ号矿体浸出剂运移时间基本相同(图5)。

图5 钱家店铀矿床Ⅰ-2矿体浸出初期铀浓度曲线图

4 大倾角矿体钻孔过滤器位置设计

钻孔过滤器的位置在钻孔套管下部，安装在矿层段，具有一定孔隙率可供液体进出，是矿体开采唯一的“大门”。因此，正确设计过滤器位置对矿体有效开采有着至关重要的作用。在地浸采铀中，如果矿层渗透性较好，矿体产状平缓，绝大多数情况下矿层位置即为过滤器设计位置。在这种情况下，过滤器作用可得到充分发挥，溶液会在压力作用下从注入井渗过矿体流向抽出井。

但对于大倾角矿体而言，由于其一般赋存于存在断层等较复杂的地层中，倾角普遍较大，相邻钻孔矿层垂向相差较大。同时，由于受可能存在的断层影响，矿层位置可能相差较多。在这种情况下，钻孔的过滤器位置就不能简单地根据矿层位置来确定，而是要重点以地层走向为参考，严格按照地层产状结合矿层位置设计钻孔过滤器。在钱家店铀矿床Ⅰ-2矿体钻孔过滤器设计过程中，首先根据已经施工完成的工艺钻孔地层及见矿情况，绘制钻孔柱状图，进而绘制单个浸采单元剖面图，并勾画主要地层发育方向。绘制单元剖面图时，应重点确定地层的标志层，如泥岩顶板或底板等，有利于正确确定地层产状，对确定矿体走向、倾向有较好的指导作用，尤其是地层存在多层矿体时，显得尤为重要。

以实际设计钻孔过滤器为例，开拓钱家店铀矿床Ⅰ-2矿体时，待设计单井存在上下两层矿层(图6)。通过绘制两钻孔单元剖面发现，两钻孔位置地层存在较大倾角，因此，按照地层产状发育，对待设计单井设计过滤器位置时选择下层矿层为目标矿层。如果矿体层位确定不准确，按照缓倾斜矿体设计该孔过滤器，很有可能选择上层矿层为目标矿层，造成过滤器设计位置失误，进而影响后续生产浸出效果。

图6 大倾角矿体单钻孔过滤器设计示意图

5 生产运行现状分析

钱家店铀矿床Ⅰ-2矿体开拓区为C28采区，采用CO2+O2原地浸出采铀工艺技术，通过改变铀沉积的地球化学环境，调节CO2浓度来控制地下水pH值为中性，O2作为氧化剂将U(IV)转为U(VI)溶于浸出液，并与碳酸氢根离子络合形成碳酸铀酰后抽出至地表，进入浸出液处理系统[6]。

图7 钱家店铀矿床C28采区浸出液铀质量浓度等值线图

6 结 论

1)针对大倾角砂岩型铀矿体的地浸开采，选择设计布置合理的井型尤为重要。通过在矿体倾向方向增加注入井并增加注入井井距，有利于在浸出运行过程中实现抽注平衡，可合理控制浸出剂运移时间，实现较高浸出速率。

2)正确设计钻孔过滤器位置是保证矿体有效浸出的先决条件，地层产状发育是大倾角矿体钻孔过滤器位置设计的重要依据。

3)通过合理选择井网布置、精准设计钻孔过滤器位置，生产采区可以获得较高的浸出液铀浓度，实现对大倾角矿体的有效浸出。