王 艺， 杨 敬， 王如意， 王 菁

(中核内蒙古矿业有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

纳岭沟矿床是我国发现的大型铀矿床之一，资源丰富，矿体具有埋深大、含矿含水层厚的特点。钻孔是地浸采铀的主要生产设施，发挥着至关重要的作用(李博等，2017)，钻孔过滤器的位置布置是影响溶液在矿层和围岩渗流的关键因素(周义朋等，2018)。由于过滤器是连接目的层和外界的位移通道，浸出剂、溶浸剂、洗孔试剂等均需通过过滤器注入矿层(托尔斯多夫,2003)。设计合理的过滤器位置及有效长度是保证生产工艺稳定、连续运行的重要因素(姜岩等，2014)。许多学者采用数值模拟技术对地浸采铀过滤器溶液运移情况开展了大量试验，包括地浸溶液流态(姚益轩等，2015)，地浸流场控制(周义朋等，2013；常云霞等，2020；张勇等，2017)，抽注流量优化(李衡等，2019)等。笔者通过研究纳岭沟矿床钻孔过滤器布置对铀浓度的影响，以期为该矿床过滤器的优化布置和提高铀浸出效率提供参考。

1 矿床地质和水文地质条件

1.1 地质情况

纳岭沟矿床沉积盖层总体表现为北东高，南西低的单斜特征，地表断裂构造极不发育。直罗组下段顶界面总体表现为北东高，南西低，由北东部的“S”形向南西部位转换，呈北西-南东向近平行展布(图1)，地层倾角平均为1.2°，矿体发育较稳定，矿体厚度为1.10～9.30 m，平均厚度为3.46 m，含矿岩性以砂岩为主。铀矿体主要位于北部台阶上，矿体厚度较稳定、品位变化较均匀。北部台阶具备“三高一低”特征，即北西、北东和南东部均较主矿体部位高，便于含铀含氧水向矿床区汇集。

1.2 水文地质条件

矿床含矿含水层从下至上由多个从粗砂岩到细砂岩的正韵律层叠置而成，含矿含水层夹有粉砂岩、泥岩和钙质砂岩薄层，多呈厚度不等的透镜状断续产出，构成局部隔水层。含矿含水层厚度为70.00～170.00 m，平均厚度为119.14 m，其与矿层厚度之比为23～89。含矿含水层渗透系数为0.55～0.63 m/d，导水系数为17.34～72.55 m2/d。

2 钻孔布置和设计

纳岭沟矿床地浸采铀试验共有30个注孔和50个抽孔，过滤器均采用外骨架式过滤器(环形骨架加圆孔式过滤器组成)。过滤器包含矿体长度为4～11 m。抽液孔过滤器相对位置略低于矿层，注液孔过滤器略高于或与矿层在同一水平位置。对于多层矿体的过滤器布置，如多层矿体存在主矿体时，以主矿体为主布置一层过滤器；如无法确定主矿层，则布置两层过滤器。此外，为科学开展单元过滤器布置研究，对采区及各单元按照十字划分法作单元剖面图(图2)。

3 过滤器布置与单元浓度情况

根据纳岭沟矿床地浸采铀2014—2019年运行数据，对采区各单元金属量、浓度、水量等进行统计和分析。其中单元是指地浸采铀抽注液钻孔布置的计算单元(如五点式是一抽四注)，金属量指的是浸出的溶于溶液中的铀金属量。经数据统计，对于五点式井型布置下浸出率、铀浓度相对高的单元(图3)，其过滤器布置特点如下：①抽注单元内抽液孔位置低于周围注液孔位置约25%；②过滤器长度与矿层厚度差异率小，一般在20%以内；③单元与周边单元注液孔过滤器在同一水平错落布置，其布置位置误差不超过2.1 m。

对试验采区浸出率和铀浓度较低的单元进行统计，发现浸出率在30%以下的单元(表1)，其浓度均在30 mg/L以下，同时也是整个采区运行较差的单元。

针对上述单元，对其单元过滤器分布情况进行剖面作图，将过滤器在剖面上分布情况与浸出率、铀浓度相对高的单元进行研究，得出如下规律：

(1)第1种方式是抽注液孔过滤器布置差异化大，过滤器在单元内布置情况呈梯次分布(图4)。此种布置方式不利于抽注液漏斗和水力梯度的形成，且在运行中后期，由于钻孔堵塞，会进一步阻碍抽注孔溶浸剂有效运行。

(2) 第2种方式是多层矿过滤器布置未有效覆盖矿层。纳岭沟矿床地浸采铀在双层矿过滤器布置上均采取一层或者两层的布置方式，其总长度均超过5 m(图5)。理论研究认为在过滤器段矿层的渗透性均匀的情况下，过滤器沿长度方向进水量由上往下逐渐减少(王海峰等，2011)。为验证此现象，通过深井电视测井技术，对试验现场抽注液孔过滤器进行观察(图6)，发现过滤器在自上而下大概4～5 m处有比较明显的分界线，说明过滤器长度在5 m及以上时过水能力逐渐减弱，证明纳岭沟矿床地浸采铀项目在布置双层矿过滤器时，底层过滤器过水不足，未达到对矿层的有效覆盖，最终导致其浸出效果差、浸出率低。

表1 铀浸出率在30%以下的单元统计

(3)第3种方式是过滤器长度设置与矿层有效厚度不匹配。一般情况下，有效厚度通常为大于过滤器长度10%～20%，但纳岭沟矿床地浸采铀项目部分单元过滤器长度相较于矿体有效厚度过长，其过滤器长度最高达到矿体厚度的6倍，变化系数大，且在厚含矿含水层地质条件下，溶浸剂进一步稀释，降低其浸出效率(图7)。

(4)第4种方式是单元与单元之间过滤器布置未在同一水平位置上。在地浸采铀中，单元之间抽注液孔过滤器在水平上差异大，会导致地下水在各过滤器层位难以形成稳定的流场，使得溶浸剂在抽注液孔之间流动受阻，进而影响单元浸出(图8)。

4 过滤器一般布置原则

4.1 过滤器有效长度

地浸采铀实践证明，在一定量的抽水条件下，过滤器的有效长度是有限的。过滤器的有效长度指能达到过滤作用的实际长度。经钻孔抽注试验证实，在一定水位降深的条件下，井的抽液量与注液量随过滤器长度增加而增大，但增大到一定值时，抽液量与注液量不再增加。

过滤器有效长度可由下式计算：

L=QβD

(1)

式中，L为过滤器有效长度(m)，Q为涌水量(m3/h)，β为经验系数，取决于含矿含水层颗粒组成情况，细砂为90，中砂为60，粗砂为50，砾石为30，D为过滤器外径(mm)。

4.2 影响过滤器长度的因素

4.2.1 钻孔过液量

针对圆孔式过滤器(含外骨架式过滤器)，在水文地质条件和操作方法相同的情况下，钻孔抽液量与注液量取决于过水断面，其与过水断面呈正比。过水断面即过滤器的透水面积，为过滤器的表面面积与孔隙率之积。对于圆孔式过滤器：

ω=DπLρ

(2)

式中，ω为过滤断面(m2)，D为过滤器外径(m)，L为过滤器有效长度(m)，ρ为孔隙率(%)。

由于过水断面与过滤器长度成正比，因此过滤器的长短直接影响钻孔抽液量与注液量。在一定的渗透系数与水力梯度条件下，为使钻孔达到一定的抽液量与注液量，只能增大过滤器长度或直径。但在地浸采矿中受矿层厚度、含矿含水层厚度、矿体中非矿夹层厚度等因素影响，为防止浸出液被过量稀释，浪费浸出剂，增大采矿成本，过滤器长度不宜过长。

4.2.2 矿层有效厚度

过滤器长度依据矿层有效厚度的设计原则是：有效厚度小，过滤器长度大；有效厚度大，过滤器长度小。生产中要根据矿床地质、水文地质状况，分析有效厚度，确定过滤器长度，最大量地限制浸出剂在矿层中的流动。有效厚度与矿层渗透系数、矿层水平渗透系数与垂向渗透系数之比、水力梯度、围岩渗透系数、矿层渗透系数与围岩渗透系数之比、过滤器长度等有关(刘江，2006)。一般情况下，有效厚度通常超过过滤器长度的10%～20%。因此，过滤器长度不应和矿层厚度相当，而应略小于矿层厚度。

4.2.3 矿层厚度

将过滤器布置在矿层中时，矿层厚度是确定过滤器长度的主要因素，过滤器长度随矿层厚度变化而变化。在地浸采铀试验和生产中，通常是多井作业，不但要考虑单井的矿层厚度以确定过滤器的长度，而且要考虑附近井的见矿厚度，综合确定过滤器长度。

5 过滤器设置优化措施

由于纳岭沟矿床矿体厚度变化大，分布不规律，含矿含水层厚度大，因此，在钻孔过滤器布置上必须考虑整体性和系统性，统一规划布置，确保采区含矿层形成整体稳定的水力梯度，在平面和立体上形成稳定的散布通道。

5.1 钻孔过滤器位置布置

纳岭沟矿床矿体连续、平缓，且主矿体为单体矿(图9)，由于纳岭沟矿床纵向渗透性仅为横向渗透性的1/20，故在设计抽注液钻孔过滤器位置时，将过滤器尽量布置在矿体内部，减少溶浸剂稀释，确保经济性。

5.2 过滤器布置最佳长度

根据纳岭沟矿床矿体厚度、分布等地质情况，为确保采区整体水力梯度和溶浸通道的形成，结合过滤器有效长度理论计算结果和30组扩大试验过滤器运行、电视测井实际情况，确定最佳过滤器长度为6 m，可确保过滤器高效运行，达到最佳浸出效果。

6 结论

(1) 由于纳岭沟矿床地层倾角平均仅有1.2°，矿体发育较稳定、平缓，同时根据纳岭沟试验现场电视测井结果和目前试验过滤器实际运行结果，发现过滤器在自上而下4～5 m处有比较明显的分界线，经过计算并综合考虑，纳岭沟矿床下一步过滤器长度定为6 m，可满足要求。

(2) 由于纳岭沟矿床纵向渗透性仅为横向渗透性的1/20，且主矿体为单体矿，厚度稳定，考虑过滤器布置后矿层有效溶浸厚度和范围，在下一步工业建设期间，以采区为单元，在主矿体段将过滤器布置在矿体内部，利用抽注液形成的水力梯度达到最大的溶浸范围，确保在含矿含水层较厚的矿体赋存状态下，最大限度减少溶浸剂稀释，确保经济性。