地浸采铀钻孔过滤器对溶液渗流影响的数值模拟

2018-09-14周义朋黎广荣徐玲玲

东华理工大学学报(自然科学版) 2018年4期

周义朋，黎广荣，徐玲玲，赵凯，李衡

(核资源与环境国家重点实验室(东华理工大学)，江西南昌 330013)

新疆某砂岩型铀矿床翼部矿体较薄，矿体厚度与含矿含水层厚度比达1∶8以上，地浸过程中溶浸液大部分都散失到围岩含水层中，溶浸液难以和矿体充分接触发生作用，而且围岩水对浸出液稀释也会增加，导致溶浸液工作效率低。地浸钻孔优化是改善地浸效率的重要途径(程宗芳， 2003)，钻孔过滤器的位置则是影响溶液在矿层和围岩渗流的关键因素。鉴于地层的复杂多变以及钻孔较高的施工成本，在野外施工大量钻孔进行平行或试错对比试验，技术和经济上都不可行，地下水数值模拟则是一个理想的途径。

自1960年代以来，数值模拟技术被越来越广泛应用于地下水问题的研究(薛禹群，2010;庞国兴等，2009)，近20年来在地浸采铀中也得到了多方面探索性应用，包括地浸溶液流态(赵春虎等，2003；吕俊文等，2008；姚益轩等，2015)、井型井距设计(张建华等，2017)、抽注流量优化(利广杰等，2011)、地浸流场控制(周义朋等，2013；谢廷婷等，2015；吉宏斌等，2017；张勇等，2017)、溶浸面积计算(周义朋等，2015)、地浸溶质运移与生产预测(谭凯旋等，2005；赵贺永，2015；赵贺永等，2015；曾晟等，2011)以及地浸地下水环境方面的研究(Bain et al.， 2001； Gómez et al.，2006； Wen et al.， 2018；周义朋等，2012；胡凯光等，2017；焦友军等，2015；谭凯旋等，2007；徐海珍等，2013)，数值模拟已经成为地浸采铀研究的重要方法。本文以新疆某地浸铀矿山的一个“四注一抽”地浸单元为例，运用数值模拟方法，计算地浸钻孔过滤器不同长度和位置条件下溶浸液在矿层和围岩含水层中的流量比例，研究钻孔过滤器变化对溶浸液渗流的影响规律，从而有针对性地进行钻孔优化，提高溶浸液在矿层渗流的比例和浸铀效率。

1 研究块段概况

1.1 地浸钻孔分布

研究块段钻孔呈“五点式”井型，共7个钻孔，SCK-1为抽液孔，SZK-1至SZK-4四孔为注液孔，抽注孔距14 m；SG-1和SG-2孔为观测孔，分别对矿层的上围岩和下围岩地下水进行监测(图1)。

图1 钻孔平面分布图Fig.1 Plane view of well distribution

SG-1、SCK-1及SG-2孔提前施工并开展水文地质试验，掌握所在块段含矿含水层地质与水文地质条件，运用地下水模拟软件Visual MODFLOW建立了试验块段地浸水动力模型，设计不同的钻孔过滤器位置与长度，模拟计算溶浸液的渗流特征，为后续需要施工的四个注液孔(SZK-1～SZK-4)的过滤器设计提供依据。

1.2 块段地质与水文地质概况

根据SG-1、SCK-1及SG-2孔的地质编录和物探测井成果，试验块段含矿含水层具有稳定的隔水顶板和隔水底板；厚度较稳定，从南到北(沿地下水流向)厚度略有增加，平均厚度为16 m；上围岩含水层厚度(平均8.52 m)大于矿层下部含水层(平均5.63 m)。矿体从南到北连续分布、厚度减小。SG-1孔见矿埋深176.7～179.1 m，厚度2.4 m；SCK-1孔揭露上、下两段矿体：上矿体埋深177.6～179.6 m，厚度2 m，下矿体埋深181.3～183.8 m，厚度2.5 m；上、下两矿体相距1.7 m。SCK-1孔过滤器贯穿上、下两个矿体，SG-1和SG-2为观测孔，过滤器分别位于上部矿体的上围岩和下围岩(图2)。

图2 试验块段地层及矿体剖面图Fig.2 Cross section of stratum and ore body at the study site

模型初始渗透系数、储水系数以及孔隙度岩芯样品水理性质参数采用野外水文地质试验成果以及岩芯土工试验测试数据(表1，表2)。

表1 含矿含水层水文地质参数

表2 岩芯水理性质参数

2 地浸渗流模型

2.1 模型空间范围

模型平面计算区域以SCK-1孔为中心，东西向和南北向宽均为200 m(图3A)。

图3 模型平面范围和垂向分层Fig.3 Plane view (A) and cross view (B) of the Model

将泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩统一概化为弱透水层，细砂岩、中砂岩、粗砂岩概化成透水层。垂向上分为7个大层(图3B)，由上至下依次为：顶板、上围岩含水层、矿层、下围岩含水层(含SCK-1孔揭露的下矿段透镜体)、含水层局部隔水底板、围岩含水层、底板。

为了计算含矿含水层中水流在垂向上的流动，将矿体上、下围岩含水层进一步平均细分为若干个亚层，因此模型在垂向上共分为19层，其中SCK-1孔揭露的位于下围岩含水层的下矿段单独分为一层(自上往下数第14层)。

2.2 模型边界条件和初始条件

据研究块段及相邻采区部分钻孔静水位监测结果设定模型四周水力边界，边界类型为第一类水力边界(恒定水位边界)。其中北侧处于采区内的计算单元均设为恒定水位边界，水位值按对该采区三次监测的静水位平均值951.35 m设置，东、南以及西侧边界水位值根据静水位监测计算的水力梯度0.053进行插值计算确定。初始条件按试验块段及相邻采区的静水位观测结果进行平面二维插值进行确定。

2.3 模型的检验与校正

地下水数值模型建立后，需要对其参数进行检验和校正，与实际观测数据较好且拟合后方可使用。以矿层抽水试验和水位恢复试验两组独立数据对模型进行检验和校正，具体方法与步骤笔者在相关论文中有详细论述(Zhou et al， 2013)。模型检验和校正后计算水位与实际观测水位拟合平均绝对误差为0.21～0.43 m，相对误差小于4.5%，表明所建立的模型与实际水文地质实验观测结果吻合理想，校正后的模型可应用于试验区地浸采铀流场的模拟。拟合校正获得率定后的模型水文地质参数如表3所示。

表3 模型率定后水文地质参数

3 模型钻孔过滤器设计及流量分析方法

3.1 模型注液孔过滤器长度及位置设计

注液孔过滤器从矿层顶部向上、矿层底部向下延伸不同长度，分别建立相应模型。在注液总量为200 m3/d、抽注平衡条件下，计算注液孔过滤器从矿层向上、下围岩延伸不同长度时溶浸液在矿层和围岩的流量比例，过滤器向围岩延伸长度为0.2 m的整数倍，向上延伸1～15倍，向下为0～10倍。

3.2 流量分析方法

运用Visual MODFLOW的MODFLOW先进行渗流计算，再采用Zone Budget模块(水均衡计算)对各个预先设定的水均衡区域的流量进行统计。Zone Budget模块能对发生在所设定区域之间的流量进行计算，因此可以根据计算的需要，将模型划分成若干个合适的水均衡区域，然后对各个区域之间的流量进行统计分析，得出溶浸液在各层位的渗流流量数据。鉴于上部矿层为主矿体，本文主要统计分析溶浸液在该矿层及其上下围岩中的渗流流量比例。

4 结果与讨论

4.1 过滤器从矿层向下围岩延伸计算结果分析

注液孔过滤器从上部矿层向下围岩延伸不同长度时，溶浸液在矿层和围岩含水层中的流量比例如表4所示。

表4 过滤器向下围岩延伸不同长度时溶液在上部矿层及其围岩中的流量比

由于下围岩渗透性相对较好，且抽液孔过滤器延伸至下围岩中，故当注液孔过滤器向下延伸时，流经下围岩进入抽液孔的溶浸液的流量增加。从表4可以看出，过滤器延伸长度从0增加至2.0 m时，从上矿体流入下围岩的溶浸液流量比例从70.06%递减至21.91%，从钻孔直接流入下围岩未与上部矿体接触的溶浸液流量比例从1.21%递增至56.01%(图4)。

图4 经过上矿层流入下围岩的溶浸液流量与过滤器向下延伸长度关系Fig.4 The relation between the leachate passing through the upper ore layer into the lower surrounding rock and the downwards extending length of the filter

由此可见，注液孔过滤器的位置及延伸长度对与矿体接触的溶浸液流量占比具有显著影响。过滤器向下围岩延伸长度越大，与矿体接触的溶浸液越少，对地浸明显不利。

4.2 过滤器从矿层向上围岩延伸计算结果分析

过滤器从矿层向上围岩延伸不同长度时，溶浸液在上矿层及其围岩中的流量比例如表5所示。

图5 自上围岩经过矿层流入下围岩溶浸液流量Fig.5 Flow of Leaching liquid from the upper surrounding rock into the lower surrounding rock

根据计算结果，流入上围岩含水层的溶浸液流量随着过滤器延伸长度的加大而增加，并导致从上围岩穿过矿层流入下围岩的溶浸液流量也随之增加，过滤器延伸长度从0.2 m增加至3.0 m，自上围岩穿过矿层流入下围岩的溶浸液流量从占比11.03%增至33.1%；在上矿层平流的溶液流量也从占比12.84%提升至33.91%(图5)。这两部分溶浸液流量比例的增加无疑对提升浸铀效率具有积极作用。

综上所述，当抽液孔过滤器位于矿层并延伸至下围岩中时，注液孔过滤器从矿层向上围岩延伸能够有效增加溶浸液流经矿层的比例，对地浸采铀有利。就本文研究块段钻孔布局而言，各注液孔过滤器合理的设计方案是下端与矿层底部齐平，上部则向矿层上围岩延伸2～3 m；同时，鉴于矿体呈南高北低的板状形态发育，考虑溶浸液渗流过程中的重力作用，各注液孔过滤器延伸长度可有一定差别，南侧高位注液孔过滤器向上围岩延伸长度可适当比北侧低位的小一些。