过滤器布置方案对地浸采铀浸出效果的影响分析

赵龙昊，李召坤，阙为民，杜志明，原 渊，阳奕汉，谢廷婷，李沁慈，李星浩，王嗣晨，张 宇

（1.中核矿业科技集团有限公司，北京 101100；2.中核内蒙古矿业有限公司，内蒙古 呼和浩特 010000）

0 引 言

地浸采铀是一种在天然埋藏条件下，通过浸出剂与矿物的化学反应选择性地溶解矿石中的铀，而不使矿石产生位移的集采、冶于一体的铀矿开采方法[1]。地浸采铀流场是溶液在地层中的对流运动、溶质弥散及化学反应的综合场，三个场相互作用形成了浸出剂的流动、扩散及反应[2]。有效对流场的空间范围决定了地浸采铀的可能浸出范围，是评价地浸采铀浸出率和资源回收率的重要指标[3-5]。

随着数字技术的高速发展，数值模拟成为当前地浸行业定量分析研究地下水流状态，计算地下水对流场体积的一种重要研究方法[6-10]。陈松[11]针对宿南矿区分析了不同时间空间下流场的分布状态，为后续水源识别模型做了铺垫。周义朋等[12]利用粒子示踪技术对浸出剂渗流路径和范围进行了模拟，模拟结果的示踪线指示出了浸出剂从注入孔进入矿层后的不同渗流方向、速度及运移路径。吕禹[13]建立三维地质模型后，对含水层概化并建立地下水数值模型，利用现场验证期证实了地下水流场模型的准确性。常云霞等[14]通过地下水动力学模拟研究地下水的流速场，根据井场边缘注液孔的地下水流速场特征来探讨浸出范围的确定方法和影响机制。汪润超[15]展开了水动力场与水化学场作用下铀浸出迁移研究，确定矿区地浸采铀过程中伴生矿物的时空演化特征。石卫等[16]结合梯度提升回归树算法，探索了地下空间对地下水流场产生影响的主控因子和作用机理。

钻孔过滤器是地浸采铀中浸出剂注入及提取的唯一汇流通道，在矿层岩性以及物性的非均质性空间分布的影响下，过滤器的不同设计位置和长度会直接引起单井的抽注液量，地下流场分布和浸出剂的浸出范围的改变，产生不同的浸出效果，因此，针对某一矿体，一旦过滤器布置方案确定，人工构建的地浸渗流场就已基本定型[17-21]。

针对过滤器设计方案对地浸采区流场的影响，相关领域内的学者们进行了多方向研究。谢廷婷等[22-23]应用地下水模拟软件，对不同过滤器方案的地浸采铀井场水动力渗流场和溶质弥散迁移场进行了分析研究，并对目标井场不同过滤器长度的方案进行了量化比较。周义朋等[24]采用数值模拟方法，研究了过滤器对溶液在矿层和围岩中流量分布的影响，发现过滤器向围岩的延伸长度及方向是影响地浸溶液渗流分布的重要因素。秦淦等[25]利用地下水模型辅助切割式钻井的过滤器设计，可实现对特殊单元的单独截取设计，极大地降低了设计难度和工作量。王艺等[26]分析钻孔过滤器布置情况与浸出液铀浓度、浸采率之间的关系，利用现场数据得出浸出率高、铀浓度高的单元钻孔过滤器布置规律。

学者们从地层水渗流场、溶质弥散场、钻孔流量、浸出液铀浓度等方面对过滤器布置方法进行了诸多分析，但仍不能量化计算分析不同过滤器长度以及安装位置对于地浸采铀流场的影响，未形成系统的过滤器设计评价体系。

本文以有效对流体积、有效对流矿体体积比、有效浸出矿体体积比、浸出对流体积比等地浸采铀流场特征参数为计算分析依据，建立了一套地浸采铀流场定量化分析评价方法，并基于该方法分析研究过滤器设计方案对于地浸采铀浸出效果的影响。以内蒙古某地浸采铀矿山为研究对象，开展了多过滤器方案的地浸流场数值模拟研究；利用地浸采铀流场定量化评价方法，对比分析在不同长度及安装位置的过滤器条件下地浸采铀的浸出效果，为现场钻孔施工推荐了最优过滤器设计方案，对地浸采铀井场的工程设计具有极其重要的科学意义。

1 地浸采铀流场定量化分析评价方法

1.1 地浸采铀流场特征体积

地浸采铀投产过程中，注入的浸出剂在流体对流、弥散和化学反应作用下进行运移，流场特征图如图1所示。由图1可知，在一定时间t内，注入井的部分流线并不能渗流至抽出井，这部分区域虽然属于地浸采铀流场的对流场，但浸出剂不能回流至抽出井，可认为这部分对流场对浸出液无效。由此定义：时间t内地浸采铀流场中浸出剂无法回流至抽出井的对流场区域称为无效对流范围（Ve）[27-28]。

图1 地浸采铀流场特征区域示意图Fig.1 Schematic diagram of characteristic region of flow field in in-situ leaching of uranium

地浸采铀流场由无效对流范围（Ve）与有效对流范围（Vq）组成，有效对流范围（能从注入井渗流至抽出井的流线所控制的区域）指征了地浸采铀流场所控制的岩体范围，这是一个随时间变化的体积变量。有效对流范围越大，采区控制岩体体积越大；有效对流范围越小，采区控制岩体体积越小（图1）[29]。

根据上述定义可知，有效对流范围（Vq）与目标开采矿体范围（VM）并不完全重合，二者在空间上共同切割出了三块区域。首先是有效浸出范围（VU），其表征了有效对流范围与目标开采矿体的空间交集，Vq∩VM={VU|VU∈Vq,且VU∈VM}。在这个空间范围内，浸出剂在矿体内发生化学反应并生成含铀化合物，最终被回收至地表。其次是有效对流范围（Vq）与目标开采矿体范围（VM）的两个差集，属于有效对流但是不属于矿体范围的差集（有效对流非矿体范围）Vq-M，Vq-VM={Vq-M|Vq-M∈Vq,且Vq-M∉VM} ；在差集Vq-M的空间范围内，所注入浸出剂可被回收，但由于不在矿体内，无法生成目标产物。除此之外，有效对流范围（Vq）与无效对流范围（Ve）的并集为总对流范围（Va），Vq∪Ve={Va|Ve∈Va,且Vq∈Va}，代表着在一定时间内，所有从注入井进入岩体的浸出剂所渗流的范围。

以上由流场衍生的有效对流范围（Vq）、有效浸出范围（VU）、总对流范围（Va）等特征参数均是随时间变化的变量。

为进一步评价不同开采工艺对地浸采铀的影响，采用各方案表达比例明显的相对值作为评价标准，并定义了以下三种地浸采铀流场特征参数，包括：有效对流体积比（ka）、有效对流浸出矿体体积比（kb）、浸出对流体积比（kc），计算见式（1）～式（3）。

式中：ka为有效对流体积比，有效对流体积占据总对流体积的比例，是评价井间有效连通性的重要指标；kb为有效对流浸出矿体体积比，有效浸出体积占据总矿体区域的比例，指征矿体中可能被浸出回收的体积比例，是评价不同工艺条件下地浸开采能力的重要指标；kc为浸出对流体积比，有效浸出体积与有效对流体积的比值，是浸出剂从注液井渗流至抽液井所形成的有效对流空间中矿体所占的比例，指征有效对流场的控矿效率。

1.2 地浸采铀三维流线计算方法

利用流线可视化技术，研究地浸采铀地下水流场展布情况，计算各类地浸采铀流场特征体积。粒子在通过无限小的平行六面体单元时，X方向的速度分量变化率计算见式（4）～式（6）[30-32]。

将式（5）和式（6）代入式（4），重新排列方程见式（7）。

式（7）积分及估值计算见式（8）

利用已知方向的速度分量，粒子在后续任意时间（t2）的坐标可以直接从式（8）计算到式（10）来获取，进而模拟出未来任意时间内流线的展布情况，然后结合相关算法，计算有效对流体积、总对流体积、有效浸出体积等流线波及范围的具体数值。

2 实例研究

2.1 过滤器设计方案

根据目标采区的地质参数、岩性参数、水文参数、物探参数等，以及现场实际生产经验，定义每口井除泥岩段之外的高品位矿层为待定层，综合分析优选较厚的待定层作为过滤器目标层，并按照以下原则进行过滤器设计，共设计了8种过滤器布置方法，见表1、图2和图3。

表1 目标采区过滤器设计方案Table 1 Filter design scheme of target mining area

表2 方案2过滤器设计原则Table 2 Design principles of scheme 2 filter

图2 某两个单元不同过滤器设计方案示意图Fig.2 Schematic diagram of different filter designs of two units

图3 某两个单元方案2设计原则示意图Fig.3 Schematic diagram of the design principle of two units

2.2 目标含矿含水层特征

研究矿区位于内蒙古中北边陲的二连盆地内，盆地总体走向为东西向，东西长约1 000 km，南北宽20～240 km，总面积约11×104km2。剖面上，含矿含水层总体为一层，矿体分布范围内，横向上，含矿含水层厚度变化较小，总体仍为层状，分布稳定、连续，说明含矿含水层砂体厚度变化相对稳定（图4）。

图4 目标矿床横向水文地质剖面示意图Fig.4 Sketch map of target deposit transverse hydrogeological section

根据目标矿层水文地质井抽水试验资料，含矿含水层厚度一般为10～65 m，平均厚度为35.71 m，水位埋深16.23～19.67 m，承压水头60.83～92.07 m，矿层渗透系数8.94 m/d。

2.3 目标矿层地下水数学数值模型

本文采用Groundwater Modeling System（GMS）中的T-PROG、MODFLOW、MODPATH计算模块分别进行岩性及水动力场的模拟，对不同过滤器方案下的地浸采铀地下水动力场特征进行计算[33]；利用自主开发的专业程序计算目标矿区在不同过滤器方案下的有效对流体积、有效对流体积比、有效浸出矿体比、浸出对流比的大小。

地浸采铀对流场模型模拟区域共141组抽注单元，其中抽出井141个，注入井168个，抽注井间距均为27 m，采区几何面积约220 000 m2。其中，已施工块段的过滤器按实际情况概化为矿层中心5 m（图5中阴影部分），待设计块段过滤器方案将按照设计进行调整（图5中无阴影部分）。

图5 目标采区钻孔平面布置图Fig.5 Borehole layout of target mining area

1）井孔流量概化。为保持抽注平衡，并维持地下水流场，在进行井孔流量概化时，抽出井采用现场的均一流量为120 m3/d，注入井流量划分：边角注入井流量为30 m3/h、边缘注入井流量为60 m3/h、为3个抽出井提供液量的注入井为90 m3/h、内部注入井流量为120 m3/h。

2）地层（岩性）概化、网格剖分。根据目标矿区井孔的测井解释资料将岩性概化为泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、砂砾岩5种岩性。根据相关试验，各类岩性的渗透系数、孔隙度等计算参数如图6所示。利用GMS软件Borehole模块对井孔进行可视化；利用T-PROGS进行非均质岩性建模，模型垂向上共剖分为30层，单层厚度2.5 m（图6）。

图6 目标矿区流场模型网格剖分及计算参数Fig.6 Mesh generation and calculation parameters of flow field model in target mining area

2.4 不同方案计算结果分析

通过计算目标矿区在不同时间节点下有效对流体积、有效对流体积比、有效浸出矿体比、浸出对流比的参数情况及变化特征，对比分析不同过滤器方案下地浸采铀抽注对流场的特点。

2.4.1 有效对流体积

图7为有效对流体积随时间变化图。由图7可知，各过滤器方案的有效对流体积呈现三个阶段特征，分别为100 d以前的陡增期阶段，100～1 000 d的缓增期阶段，1 000 d之后的渐稳期阶段，总体符合对数变化关系，说明抽注井在开发前期快速建立有效对流，而后逐渐增加对流范围，后期对流场增加至一定广度，稳定对流场基本形成，整体对流范围增加缓慢。

图7 不同过滤器方案有效对流体积随时间变化Fig.7 Effective convective volume varies with time of different filter schemes

为方便对不同过滤器方案的有效对流体积进行定量对比，利用对数函数对其变化曲线进行趋势线拟合（表3），并定义了过滤器位置影响程度系数 ∅，计算见式（11）。

表3 不同过滤器方案有效对流体积的趋势线方程Table 3 Trend line equations of effective convective volumes of different filter schemes

式中：k1、k2分别为相同开窗长度，不同开窗位置过滤器方案趋势线方程的系数，其中，k1为两者中的较大值。

本次模拟共设计5种过滤器长度，模拟期内有效对流体积大小为：全矿段（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），这说明有效对流体积与过滤器长度成正相关；由表3可知，趋势线对数方程系数随过滤器长度增加而变大，说明过滤器长度越长，其单位时间内增加的有效对流体积也越大。

方案3、方案6的2.5 m过滤器设计方案，中心设计的对流体积与趋势线方程系数更大，单位时间内有效对流体积增加更多；而较长的过滤器方案（5 m、10 m）中，错位设计的对流范围、趋势线方程系数、有效对流体积增加率更大。观察过滤器位置影响程度系数可知，当长度大于5 m后，随着过滤器长度增加，过滤器位置对于有效对流体积的影响减少。

由各方案的趋势线对数方程可知，随过滤器长度增加，相同时间内有效对流体积增加量更多，形成稳定对流场所需的时间增加，以单个抽注井有效对流体积日增速小于3 m3为稳定对流场形成标准，8种方案形成稳定对流所需时间见表4。

表4 不同过滤器方案稳定对流形成时间Table 4 Stable convective formation time of different filter schemes单位：d

稳定对流形成时间受过滤器长度影响明显，短过滤器的区间流量大，流体压力高，形成稳定对流场的时间短，而长过滤器稳定对流耗时长，其中，方案1形成稳定对流所需时间为870 d。对于中心设计和错位设计来说，由于矿层的非均质性，错位设计过滤器有可能跨越多种岩层，增加了浸出剂的渗流难度；中心设计的垂向错位小，井间流场更接近规则纺锤体，地下水流速度更大，因此，中心设计的稳定对流形成时间更少，且随着过滤器长度增加，错位设计会进一步增加稳定对流形成时间。

2.4.2 有效对流体积比

不同过滤器方案有效对流体积比如图8所示。由于井间流线的排布近似于纺锤体，在相同抽注液量前提下，过滤器越长，单位高度的流体流速较慢，外部流场沟通能力弱，无效对流相对少，使得有效对流体积比随着过滤器长度的减小而减少；对比图8中方案3与方案6、方案4与方案7、方案5与方案8，中心设计与错位设计对于有效对流体积比的影响较小，但由于中心设计的过滤器集中布置于砂岩铀矿层内，井间纺锤体流线跨越的岩性较少，形态相对集中均匀，沟通的无效对流更少，因此，过滤器中心设计较错位设计的有效对流体积占比更大。

图8 不同过滤器方案有效对流体积比Fig.8 Effective convective volume ratios of different filter schemes

不同长度过滤器方案有效对流体积比峰值时间见表5。由表5可知，各个方案对流体积比峰值时间大小排布为：方案1（全矿段）＞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）。这是由于过滤器越长，纺锤体外边缘流线距离纺锤体轴心越远，分布的流量及压力更小，流速相对缓慢，沟通外边缘流场耗时长，因此，长过滤器方案有效对流体积比达到峰值所需时间更长。

表5 不同长度过滤器方案有效对流体积比峰值时间Table 5 Peak time of effective convective volume ratio of different length filter schemes单位：d

2.4.3 有效浸出矿体体积比

利用有效浸出矿体体积比可分析浸出剂在矿体内的浸出能力，有效浸出矿体体积比是评价地浸采铀工艺优劣的最直接标准。不同过滤器方案有效浸出矿体体积比如图9所示。由图9可知，有效浸出矿体体积比与有效对流范围变化趋势类似，具有陡增期、缓增期、稳定期三个状态，稳定后8个方案的最终体积比相差明显。

图9 不同过滤器方案有效浸出矿体体积比Fig.9 Effective leaching volume ratio of ore body of different filter schemes

方案1（全矿段）体积比可达91.92%；方案5、方案8（10 m）体积比为80.00%～85.00%；方案2（5 m、10 m）体积比为79.64%；方案4、方案7（5 m）体积比为69.00%～78.00%；方案3、方案6（2.5 m）体积比为52.00%～62.00%（图10）。过滤器长度与有效浸出矿体体积比呈正相关，长度由2.5 m增加至5 m时，浸出体积比最大可增加24.74%；由5 m增至10 m时，虽然长度增大5 m，但浸出体积比最大仅增加11.64%，增加过滤器长度对有效浸出体积比的增益效果减弱。由图10可知，随长度增加，过滤器位置对于有效浸出矿体体积比的影响减少，长度为2.5 m时，中心设计高于错位设计8.9%；长度为5 m时，错位设计高于中心设计8.0%；长度为10 m时，错位设计较中心设计高3.9%。过滤器长度在2.5 m以下，更适合中心设计，过滤器在5 m和10 m或以上，宜采用错位设计以提高浸出剂在矿体内的溶浸以及采出能力。

图10 不同过滤器方案有效浸出矿体体积比稳定值Fig.10 Stable value of effective leaching volume ratios of different filter schemes

2.4.4 浸出对流体积比

有效对流场的控矿效率是影响原位地浸采铀的一个重要因素，可根据有效浸出体积在有效对流中的占比计算。不同过滤器方案浸出对流体积比如图11所示。由图11可知，浸出对流体积比与过滤器长度呈负相关，开采前期，浸出对流体积比有下降趋势，300 d后浸出对流比趋于稳定。

图11 不同过滤器方案浸出对流体积比Fig.11 Volume ratios of leaching convection of different filter schemes

由图12所示，稳定后，方案2、方案3、方案6的浸出对流体积比最高，稳定在31%左右，其他方案均在30%以下。8种方案中，方案2与方案3、方案6具有相当的浸出对流体积比值，未遵循长度越长，浸出对流体积比值越低的情况。因此，在过滤器方案设计时，除了减少过滤器长度外，依据矿层厚度差异设计过滤器，可以有效提升浸出剂的利用效率。

图12 不同过滤器方案浸出对流体积比稳定值Fig.12 Stable value of leaching convection volume ratio of different filter schemes

2.4.5 现场应用研究

综合分析4种流场特征参数后发现，多种设计方案下，方案1（全矿段）与根据目标层厚度进行差异设计的方案2（5 m、10 m）以及10 m过滤器的方案5和方案8，在1 000 d时有效对流体积比均在35%以上，有效浸出矿体体积比均在80%左右，浸出能力较优；三种方案中，方案2过滤器长度较短，并有最大的浸采对流比（30.526%），控矿效率和浸出剂利用率最高，地浸开采成本最低，可作为目标矿区的最优过滤器设计方案。

在目标采区后期的开拓施工中，结合方案2的设计原则进行了抽注液井过滤器长度、位置等参数的优化设计，施工后实现采区过滤器长度5 m+10 m混合布置，过滤器位置位于中心矿层，抽注液量动态调控运行。通过对比切割优化设计的新采区与5 m常规切割老采区的整体运行情况，发现切割优化设计后，采区整体浸出酸化周期降低了约35%，单井平均注液量增加了25%，抽液量增加了23%，浸出铀浓度提高了约32%，资源回收率增加10%以上，进一步提升了地浸采铀井场工程设计效果。

3 结 论

本文以有效对流体积、有效对流矿体体积比、有效浸出矿体体积比、浸出对流体积比4种地浸采铀流场特征参数为计算分析依据，建立了一套地浸采铀流场定量化分析评价方法；并以内蒙古某地浸采铀矿山为对象，开展了不同长度及安装位置的过滤器条件下，地浸采铀浸出效果的对比研究，并为现场钻孔施工推荐了最优过滤器设计方案，科学指导现场钻孔过滤器方案设计。具体结论如下所述。

1）长过滤器方案能够在地层中形成更大的对流场范围，浸出更多的矿体，但过滤器长度大于5 m时，其增加单位长度带来的增益效果降低。

2）过滤器安装位置对有效对流体积和有效浸出体积影响明显，短过滤器（2.5 m）宜采用中心布置，长过滤器（5 m、10 m）宜采用错位布置。

3）方案2（5 m、10 m）具有最大的浸出对流体积比（30.526%），有效浸出矿体体积比在80%左右，浸出能力较优，且过滤器长度较短，控矿效率和浸出剂利用率最高，地浸开采成本最低，可作为目标矿区的最优过滤器设计方案。

4）经现场验证，方案2过滤器设计原则降低了酸化周期约35%，增加了单井平均注液量25%，增加了抽液量23%，提高了浸出铀浓度约32%，资源回收率增加10%以上，进一步提升了地浸采铀井场工程设计效果。