基于管狀浸出實驗的地浸開采井間距研究

陳梅芳，蘇學斌，陳箭光，王旨儒，張傳飛，劉 科，李召坤，程 威

(1.核工業北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中國鈾業有限公司，北京 100013；3.新疆中核天山鈾業有限公司，新疆 伊寧 835000)

在地浸采鈾礦床開拓技術研究與工程實踐中，井間距是指抽出井與注入井之間的距離，合理井間距的研究一直是熱點問題[1]。井間距的大小，關系到礦床開發鉆井投資、鈾礦體浸出速率、浸出鈾濃度以及浸出率，直接影響地浸礦山開發的經濟效益[2-3]。地浸開采井間距的確定需要考慮礦層厚度、連續性、滲透性、埋藏深度、礦體平米鈾量、含礦含水層厚度、礦砂比、礦巖的耗酸量等因素，當礦層厚度大、連續好、滲透性好、埋藏深度大、礦體平米鈾量小、含礦含水層厚度小(浸出劑稀釋小)、礦巖的耗酸量小時，從浸采技術層面和鉆井投資成本考慮，宜采用較大的井間距[4]；反之，宜選取較小的井間距。

增大井間距可降低鉆井投資成本，但會加大浸出劑的流失并增加耗酸，擴大“溶浸死角”范圍，延長采區浸采年限，增加運行成本，造成單位鈾金屬浸出成本增加。縮小井間距可提高浸出劑流速加快鈾礦體的浸出，但明顯增加了鉆井投資成本，同時溶浸路徑短鈾礦體浸出不充分，抽出井產出的浸出液鈾濃度低，也會相應增加井場電力損耗及水冶成本等[5-6]。 國外地浸開采針對不同井型一般常用的井間距為10～80 m，最常采用的是30～50 m；國內地浸開采一般常用20～40 m，最常用的為25～30 m[10]。在合理井間距的選取上，國外多用構建地下水動力學模型的方法揭示不同井間距的溶液運移特征，結合技術經濟對比法綜合確定井間距；國內關于地浸開采井間距的選定，也有較豐富的研究，如采用井控制面積來計算井間距大小，再用生產能力和生產條件對估算的井間距進行驗算；在地浸井場實踐基礎上，引入經濟學投入與產出的因素，得出經濟最佳井網密度計算公式，用迭代法求得經濟最佳井網密度，進一步求得經濟最佳井間距的方法[5]；利用Visual Modflow軟件建立地浸三維地下水流數值模型，通過不同井距的模型模擬井場抽注液運移狀態，從浸出劑覆蓋礦體范圍的角度出發，確定地浸井場最優抽注液井距的方法[7-8]。以上方法，一般以經濟指標、浸出率為核心，在工程實踐中對地浸開采合理井距設計有重要指導意義。

在浸出劑配方一定的情況下，鈾的遷移與沉淀、浸出液中鈾元素的累積與溶浸路徑的長短密切相關[9-10]，本文從管狀浸出(長距離浸出)實驗入手，重點研究浸出液鈾濃度與浸出劑運移距離的關系，探討新疆某鈾礦床Ⅰ-Ⅱ旋回低滲透礦體地浸開采合理井間距確定的問題。

1 實驗方法

1.1 實驗原理

地浸采鈾過程是浸出劑與含鈾礦巖之間的水巖作用及溶質對流、彌散運移的復雜過程，由于這一過程無法直接進行觀測，因此，選取礦樣在室內開展浸出實驗，模擬浸出劑在含礦含水層中運移的物理化學過程，是研究地浸過程中浸出劑與礦石作用機理的有效手段。滲流狀態下管狀浸出實驗是一種能較為客觀地反映地浸的物理化學過程的實驗研究方法，其水動力及水化學條件與實際地浸井場具有一定的可比性，是研究地浸過程中浸出劑與礦石作用關系的有效方法[9-11]。

針對采用硫酸浸出的管狀實驗，就可研究特定礦體硫酸溶浸開采的酸耗指標、鈾浸出率指標、浸出劑與圍巖的水巖作用、水動力作用下的酸與溶解鈾的運移規律等，包括礦石的溶浸狀態、pH值、鐵離子濃度差異的時空變化規律，以及鈾濃度上升的時空變化規律，從而研究鈾濃度峰值與浸出劑運移距離的關系，為采區開拓過程中合理確定井間距提供依據。

1.2 實驗裝置

管狀浸出實驗裝置由進液口、管體、水頭觀測口、取樣孔以及浸出液收集口五部分組成(圖1)，管體為一根內徑80 mm、總長5 m(多段組成)的PVC管，端口用橡皮塞密封。 使用溢流集液瓶以恒定水頭向管體內補給浸出劑，溢流口控制水頭恒定。 由注液端向出液端，在管體的0.50 m、1.25 m、2.25 m、3.50 m、5.00 m處，順序布設5個監測斷面。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Experimental device

1.3 樣品處理與裝填

鈾礦石樣品來源為新疆某鈾礦床Ⅰ-Ⅱ旋回，填裝礦樣經破碎充分混合后，采取分段填裝逐一拼式。填裝礦石量為25.37 kg，密度為1.58×103kg/m3，平均品位為0.023 9%。

1.4 實驗過程

第一階段：管體飽水和無試劑浸出。采用蒸餾水對填裝礦樣后的管體進行飽水，并形成較穩定的滲流場，歷時1 546 h。流場穩定后平均滲流流速為2.46 m/d。

第二階段：酸法浸出。管體滲流達到相對穩定狀態后，使用質量濃度為5 g/L的硫酸溶液作為浸出劑進行浸出，研究酸浸過程中鈾及其他相關組分的浸出和運移規律；歷時851 h，平均流速為3.13 m/d。

1.5 化學測試與分析

每8 h采集各取樣口浸出液樣品，對浸出液樣品進行pH值、Eh值、U、Fe3+、∑Fe等參數分析；浸出液中的Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Al3+、Si等參數可定期擇樣分析，本文未開展研究。

2 結果與分析

2.1 主要溶質組分濃度變化及運移規律

2.1.1 鈾濃度變化及鈾的運移

將酸法浸出過程中各斷面浸出液的鈾濃度變化情況繪制成圖2。1#斷面～5#斷面呈現的峰值鈾濃度見表1。因鈾濃度峰值出現速度較快，受監測密度所限，未能監測到1#斷面鈾濃度的上升過程。

表1 各斷面峰值鈾濃度Table 1 Peak uranium concentration of each section

由圖2鈾濃度變化情況分析鈾運移過程，主要特征如下所述。

圖2 酸浸浸出各斷面鈾濃度變化圖Fig.2 Variation of uranium concentration of each sectionin acid leaching stage

1) 浸出液鈾濃度上升速度快。鈾濃度鋒面在24 h內通過了1#斷面、2#斷面，在36 h內通過3#斷面；48 h內通過4#斷面，72 h內通過5#斷面。

2) 鈾濃度峰值從進液向出液端順序升高。 1#斷面～5#斷面鈾濃度峰值呈現逐漸升高的梯度變化，并順序出現，反映出在浸出劑的作用下，礦石中的鈾逐步被浸出并隨溶液流動向前運移累積的過程。

3) 浸出周期較短。各斷面鈾濃度在到達峰值以后下降速度較快，酸浸第11 d降至1.9 mg/L，并在此后25 d的持續浸出中保持在2 mg/L以下。可見，實驗礦石樣中能被5 g/L硫酸溶液浸出的鈾在10 d這一較短的時間里基本已溶解進入溶液中，浸出周期較短。

另外，根據實驗情況，在滲透路徑為5.0 m處，浸鈾前鋒線出現在48～72 h之間，取均值60 h(2.5 d)，則浸鈾前鋒線移動速度V=5.0 m/2.5 d=2 m/d，與實驗過程中的浸出劑平均流速3.13 m/d的比值為0.64，與文獻[9]和文獻[10]中的關于浸出前鋒線運移速度與滲濾速度為一定值0.67的結論較吻合。

2.1.2 pH值的變化及H+的運移

各斷面浸出液pH值的變化總體上可以反映浸出劑在管體內滲流運移過程，但由于浸出劑與礦石發生的水巖作用而消耗損失部分H+，相對于浸出劑的對流運移而言，pH值的變化會略有滯后。實驗過程中各斷面pH值變化過程如圖3所示。

圖3 酸浸浸出階段各斷面pH值變化圖Fig.3 Change of pH value of each sectionin acid leaching stage

酸法浸出階段，各斷面pH值變化比較快，具體變化情況如下所述。

1) 第5 h，1#斷面pH值即降至1.82，2#斷面及其下游pH值在6.34以上，浸出劑鋒面已通過1#斷面，但尚未抵達2#斷面。

2) 第24 h，2#斷面、3#斷面pH值分別降至1.47和1.92，而此時4#斷面、5#斷面pH值分別為5.19和5.49，表明溶浸對流運移液鋒面尚位于3#斷面與4#斷面之間，因彌散作用，少量酸液已運移穿透管體末端，集合液pH值也降至5.87。

3) 第48 h，位于管體末端的5#斷面pH值降至2.05，可見浸出劑主體已運移至該斷面。隨后的3 d里pH值降速明顯減緩，3 d末降至1.94(酸度約0.5 g/L)，浸出劑從管體始端運移至末端，酸度從5 g/L降至0.5 g/L，90%的酸被礦石消耗。

pH值的空間變化規律與鈾濃度相似，從進液端向出液端呈梯度變化，反映出酸法浸出期間浸出劑向前運移并且H+離子被礦石不斷消耗的過程。根據水動力觀測數據，酸浸初期3 d的浸出劑平均滲流速度為3.32 m/d，按此速度，浸出劑對流運移至5#斷面所需時間為1.65 d，即：若僅是簡單對流運移，5#斷面水化學特征應在第1.65 d達到與入水端的浸出劑完全一致，但事實上，溶質在孔隙介質中的運移遠比對流要復雜得多，還包括彌散、吸附與解吸、生化反應等。

由圖3可知，浸出劑所攜H+在運移過程中由于水動力對流和彌散，以及與耗酸礦物的化學反應等作用，其運移過程表現出兩個主要特征。

1) 少量H+運移速度大于平均滲流速度，從而引起5#斷面pH值早于1.65 d就出現下降，這主要是彌散作用所致。

2) 水動力彌散以及礦石的耗酸反應，致使H+的主體晚于1.65 d抵達5#斷面，并形成H+含量向下游梯度遞減的空間分布特征；至酸浸第10 d后，H+含量的空間分布差異逐步消除，5#斷面pH值也與入水端大致相當，表明此時礦石表面絕大部分耗酸物質被浸出。

2.1.3 Fe3+、∑Fe濃度變化及運移

在硫酸的作用下，礦石中的鐵礦物被侵蝕溶解，浸出液中Fe3+、ΣFe含量逐步上升，如圖4和圖5所示。從各斷面Fe3+、ΣFe濃度變化過程可見，Fe3+、ΣFe是伴隨著酸的運移而不斷累積和運移的。Fe3+受pH值和氧化還原電位控制更為明顯，呈現與ΣFe不同的變化特征，具體表現如下所述。

圖4 酸浸浸出階段各斷面Fe3+濃度變化圖Fig.4 Variation of Fe3+ concentration of each sectionin acid leaching stage

圖5 酸浸浸出階段各斷面ΣFe濃度變化圖Fig.5 Variation of ΣFe concentration of each sectionin acid leaching stage

1) Fe3+含量上升略滯后于ΣFe。實驗第5 h，4#斷面、5#斷面ΣFe分別達310 mg/L和250 mg/L，Fe3+仍低于10 mg/L。該斷面氧化還原電位較低(<250 mV)，更主要的原因是pH值在5以上，Fe3+水解沉淀。

2) Fe3+與ΣFe濃度峰值的空間分布特征略有不同。Fe3+濃度峰值沒有明顯的從1#斷面到5#斷面的遞增規律，除了1#斷面相對較低外，其余斷面基本相當；而5個斷面的ΣFe濃度峰值呈遞增的特征。這主要是由于氧化還原電位從1#斷面到5#斷面成梯度遞減，抑制了Fe3+與Fe2+同步升高。

3) 酸浸期間浸出液中鐵含量較高。浸出路徑最長的5#斷面ΣFe濃度峰值達到2.9 g/L，峰后穩定濃度為1.5 g/L；而即便最短的1#斷面，ΣFe濃度峰值也達到了1.5 g/L，峰后穩定濃度也在1.3 g/L左右的水平。

在浸出的ΣFe中，Fe3+所占比例受氧化還原電位控制。實驗期間Fe3+與ΣFe的比值為30%左右，實驗初期接近入水端的位置，Fe3+/ΣFe略高一些(最高達到42%)，但很快降至30%以下，如圖6所示。前期兩者比例偏高主要是由于試驗未加入氧化劑，而試驗初期近水端的浸出液含有一定量的溶解氧。

圖6 酸浸階段各斷面Fe3+與ΣFe濃度比值變化圖Fig.6 Variation of Fe3+ and ΣFe concentrationratio of each section in acid leaching stage

2.2 鈾濃度峰值與溶浸距離關系探討

2.2.1 鈾濃度峰值與溶浸距離的關系

本實驗酸法浸出期間，各斷面鈾濃度峰值與浸出劑運移距離關系如圖7所示。

因實驗未監測到1#斷面鈾濃度峰值，以浸出劑初始濃度及2#斷面～5#斷面鈾濃度峰值為縱坐標、以對應的浸出劑運移距離為橫坐標做出兩者之間的關系曲線，如圖7所示。兩者關系基本符合自然對數變化趨勢，擬合趨勢函數見式(1)。式中的決定系數R2達0.96，與斷面峰值的實際觀測值擬合程度較高。

f(x)=29.65ln(x)+135.98

(1)

從圖7中還可以看出，隨著溶浸距離增加，鈾濃度峰值增速逐步減緩(圖8)，增速函數見式(2)。

圖7 酸法浸出階段各斷面鈾濃度峰值與溶浸距離關系圖Fig.7 Relationship between peak uranium concentrationand leaching distance at each sectionin acid leaching stage

圖8 鈾濃度峰值增速與溶浸距離關系圖Fig.8 Relationship between uranium concentrationpeak growth rate and leaching distance

(2)

根據式(2)，當溶浸距離達30 m以上時，鈾濃度峰值增速降低至1 mg/(L·m)以下，即鈾濃度鋒面每向前運移1 m，鋒面鈾濃度增加值低于1 mg/L。浸出劑運移距離在40 m以內，鈾濃度鋒面在不同位置濃度值相對于40 m處濃度值的百分比函數見式(3)。

y=12.08ln(x)+55.42

(3)

在鈾濃度鋒面運移過程中，鈾濃度峰值逐步累積升高，但累積效率降低，式(3)反映了累積效率與溶浸距離的關系。 據式(3)計算，鈾濃度鋒面運移27 m即達到最終累積濃度(40 m所對應243.45 mg/L)的95.25%，在40 m的溶浸過程中，如果以累積率95%為評價指標，去除累積效率最低的5%的溶浸段，溶浸距離應該控制在27 m以內，如圖9所示。

圖9 鈾濃度峰值與浸出劑運移距離關系分析圖Fig.9 Relationship between peak uranium concentrationand leaching agent migration distance

2.2.2 鈾濃度峰值與溶浸距離的探討

鈾濃度峰值的影響因素包括浸出劑滲流強度、溶質的彌散作用、固液相之間鈾的勢差等。定量區分出每一個影響因素很難做到，因此實踐中往往將整個作用過程看作一個“黑箱”，鈾礦化條件、滲流強度和浸出劑化學性質作為輸入條件，而浸出液鈾濃度是該“黑箱”作用后的輸出結果，在既定條件下，各斷面鈾濃度峰值是一個基本可估計的值。本實驗在1-5#斷面上獲得的鈾濃度峰值隨距離遞增，即使是5#斷面，其鈾濃度峰值仍未飽和。與文獻[9]和文獻[10]中長距離浸出試驗比較(新疆某鈾礦鈾品位0.152%，浸出劑為5 g/L H2SO4溶液)，可得知以下兩個方面的內容。①鈾濃度峰值的大小與浸出劑濃度、鈾礦石品位正相關，鈾濃度峰值出現的快慢與滲透速度的大小成正比。②鈾濃度峰值并不隨著溶浸路徑的增加而線性增加，因此，在地浸過程中就存在著如何確定合理抽注井的間距問題。距離短可以將浸出劑運移控制在鈾濃度快速上升的高效率區間內，有利于提高浸出劑使用效率，但鉆井工程成本增加；長距離有利于降低鉆井工程成本，但增加了浸出劑在鈾濃度上升緩慢的低效率區間運移，降低了浸出劑使用效率。

上述推算過程雖然是基于管狀浸出實驗條件下的理想一維流，而地浸采鈾生產實踐中浸出劑在含礦含水層中的滲流是三維流，但若將地浸流場中沿著每一條滲流路徑看成是一個管流(絕大部分是彎曲的)，則地浸可概化成大量不同長度、和不同流速以及不同品位礦石的管浸疊加，最終在抽液孔表現出來的鈾濃度峰值是來自這些管浸的和依次陸續抵達抽液孔鈾濃度峰值的總和。因此，管狀浸出實驗依然可用來研究地浸浸出液鈾濃度與溶浸距離的關系，對確定合理井間距具有良好的指導意義。

3 結 論

1) 驗證了地浸采鈾過程是一個浸出鈾逐漸累積的過程，且其累積速率受井間距控制。

2) 酸法浸出期間，鈾濃度峰值與浸出劑運移距離呈對數關系，鈾濃度峰值隨著溶浸距離的增加而增加，但增速減緩。

3) 針對新疆某礦床Ⅰ-Ⅱ旋回礦體的管狀浸出實驗的研究，則有溶浸距離達到30 m以上時，鈾濃度峰值增速降低到1 mg/(L·m)以下，浸鈾效率顯著降低；在40 m的溶浸過程中，鈾濃度峰值的累積量的95%在前27 m內完成，因此該地段礦體地浸開采較合理的井間距為27 m左右。