原地浸出采铀合理井型与井距研究

原地浸出采铀合理井型与井距研究
The research of reasonable well spacing and well pattern on in-situ leaching of uranium
苏 学 斌1,2 王海峰2 韩青涛2
Su xuebin W ang Haifeng Han qingtao
（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149）
（1. China University of Geosciencs （Beijing ），Beijing 100083； 2.Beijing Research Institute of Chemical Engineering and
Metallurgy,CNNC ，Beijing 101149）
摘要：选择合理的井网布置是原地浸出采铀研究重要内容。

本文通过对矿体埋藏深度、矿石渗透性、矿体形态、矿石平米铀量、单孔抽液量及抽注液量比值等多种因素的分析, 提出了确定原地浸出采铀的井型与井距的原则。

通过运用溶浸液运移的模拟和技术经济比较等方法，指出了选择合理井型时，应根据砂岩铀矿床的具体条件而选择与之相适应的井型；当确定了井型时，应选取吨金属成本较低或经济效益最大时的井距作为合理的井距。

关键词：原地浸出采铀 井型 井距 溶浸液运移
Abstract: It is important that the well pattern and well spacing are detemined reasonably during in-situ leaching mining of uranium.This paper analyzes various factors that inf luence the pattern and spacing of well, f or example: the depth of mineralization, the permeability of ore, the f orms of orebodies, uranium contents per square meter, the rate of pumping well and the ratio of the pumping to injecting, etc.. The reasonable principles of well pattern and well spacing are brought f orward: by the simulations of lixiviant transport models and the compares of technique economy, the appropriat e well patterns based on the actual conditions of the uranium deposits are pointed out; when reasonable well patterns are chosed, the reasonable well spacing may be detemined by the biggest economic benef its or the lower cost products.
Key words: in-situ leaching of uranium; well pattern; well spacing; lixiviant transport; echnique economy
前言
原地浸出采铀是通过钻孔工程，借助化学试
剂，从天然埋藏条件下把矿石中的铀溶解出来的
集采、选、冶于一体的铀矿开采方法。

由于原地
浸出采铀技术具有投资少、生产成本低，劳动强
度小等优点，因而该技术自20世纪70年代取得
成功以来，已引起了世界铀矿业界的极大关注。

井网布置包括井型与井距两个方面，在其研
究的过程中，一直存在矛盾问题：从矿床地质、
水文地质特点看，目前我国可地浸砂岩铀矿床渗
透性为0.1～1.0m/d ，该条件下应采用较小的井距
和多个注液孔的井型才能取1得较好的开采效果，
但因井距小导致投资较大，最终影响企业的经济效 作者简介：苏学斌（1968—），男，湖南常德人，研究员，长期从事地浸采铀工艺研究与设计，中国地质大学（北京）在读博士研究生。

图1 确定井型与井距方案框图 Fig.1 Sketch of studying on well pattern and well spacing
图3 浸出速度（Ve ）与渗透速度（V ）的关系 Fig.3 Relations of the leaching rate( Ve)to the transport speed( V)
益。

为了解决该问题，本文从原地浸采铀成本分析与资源回收率的角度,对井网布置进行了定量与定性的论证，客观地选择合理井型与井距，其过程如图1所示。

1 影响井型与井距的因素
1.1 矿体埋藏深度
矿体埋藏深度对开采钻孔结构和它的费用有影响，在单位面积钻孔数固定的情况下，其深度直接影响矿术开采费用。

如图2所示，在已确定原地浸出采铀井型与井距时，地浸采铀成本与矿体埋深成正比增加。

Fig.2 Relations of the well spacing to the orebody depth and the ISL cost in 5-spot well pattern
1.2 矿石渗透性
地浸采铀不能开采非渗透的矿床。

矿石渗透性对
单孔抽注液能力、溶液的运移、矿石浸出时间等参数
有影响，而这些参数直接影响地浸采铀井型与井距。

在一定操作条件下，即水力梯度为定值时，渗透系数
愈大，愈能保证溶浸液供给，浸出反应速度越快，为
了保持一定的浸出液铀浓度，应增大井距；渗透系数
愈小，溶浸液的供给和浸出液的迁移越受到限制，为
了加快浸出速度，应减少井距。

渗流速度与矿石浸出
速度间的关系如图3所示[1]。

图2 5点型时井距与矿体埋深及地浸成本关系图
1.3 矿石品位、平米铀量
矿石品位、平米铀含量是影响原地浸出采铀经济效益的主要因素，它决定了浸出液铀浓度和产品成本的高低。

在常规铀矿开采中，矿石品位是划分矿石品级、衡量矿床质量的内在标准。

在原地浸出开采的铀矿床中，反映矿床储量内在质量高低的标准是矿体（层）平面上单位面积内铀金属量——平米铀量（kg/m2）。

矿体平米铀量越大，浸出液铀浓度越高。

因此，当矿体平米铀量高时，即使钻孔间距较小，钻孔数目较多，吨金属成本也可能较低。

1.4 单孔抽液量与抽注液的比值
单孔抽液量大小受矿石渗透性、提升方式等因素影响。

单孔抽液量较大的铀矿床，地浸产品成本亦较低，这时可以采用较小的井距；单孔抽液量较小的矿床，则用较大的钻孔网较合理，单孔抽液量与井距及原地浸出产品成本关系如图4所示。

图4 井距与单孔抽液量及地浸产品成本关系图
原地浸出过程中，保证整个采区的抽注液量平衡是原地浸出采铀的基本准则。

由于钻孔抽注液能力的不同，要求抽、注钻孔数量也相应变化。

当钻孔抽注液量比例为1:1时，常选择5点型；当钻孔抽注液量比例为2:1时，常选择7点型或行列式井型。

1.5 矿体形态
当矿体宽度较大，形态较规则，各部位矿石的渗透性较均匀，采用网格式或行列式井型均能满足原地浸出的要求。

矿体宽度较小，形态不规则，各部位矿石渗透性差异较大，常采用行列式井型。

行列式井型布置灵活，可以根据矿体形态的变化进行调整，管道布置也简便。

2不同井网布置溶浸液运移特征
2.1 不同井型的溶浸液运移特征
抽注液钻孔在平面上的位置不同，溶浸液在矿体中上的分配和浸出的均匀性也有所差异。

采用网格式井型时溶浸液从周边注液钻孔沿多个（4个或6个）方向向中心抽液钻孔渗流的，如图5、图6
所示，这种井型能比较均匀原地浸出矿体；而行列式井型的注液钻孔行对称地分布于抽液钻孔行的两侧，溶浸液是从两侧向中心抽液钻孔渗流的，因而这种井型对矿体浸出的均匀性相对较差。

图5 5点型溶液流线图图6 7点型溶液流线图
Fig.5 The stream lines of 5-spot pattern Fig.6 The stream lines of 7-spot pattern 在相同的条件下(渗透系数为0.5 m/d，井距50m)，采用溶浸液运移软件，通过圈定不同井型的溶浸面积，得到了不同井型的溶浸液覆盖率：5点型为85%；7点型为90%；行列式为85%。

上述结果表明：在一定条件下，井距相同时，无论采用那种井型，均可以获得较高的溶液覆盖率。

实际应用过程中，每个类型的井型都有其优点和不足，均有成功的应用事例，因此，在未获得原地浸出采铀所需的较准确的地质、水文地质和工艺资料之前，不能轻易地评价各种井型的适宜性。

3.4 不同井距溶浸液运移特征
溶液的运移规律符合地下水运动学特征，其平面形态呈纺锤形。

纺锤形流体所流经范围内的矿石在一定时间内可以被有效浸出，纺锤形流体所不能覆盖的范围，称之为“溶浸死角”[2]。

一般来说，井距越大，可能出现“溶浸死角”的面积越大，溶浸液覆盖率越小，金属浸出率也低；井距越小，“溶浸死角”的面积越小，溶浸液覆盖率越大，金属浸出率也高。

因此，井距与金属浸出率的关系，可以通过井距与溶浸液覆盖率来体现。

以5点型为例说明溶浸液覆盖率随井距的变化：当矿石渗透系数为0.5m/d，抽注液量比值为1.02时，采用溶浸液运移计算机摸型作出15、25m两种不同井距的流线流网图，计算出溶浸面积和溶浸液覆盖率：相同条件下的同一种井型，由于井距的变化，溶浸液平均渗透速度减小了20%，溶浸液覆盖率减少了4.8%[3]。

4确定合理井型的原则和方法
4.1 确定原则
原地浸出采铀井型的确定主要根据矿体形态、单井抽液量与注液量比值、浸出剂覆盖率等，其基本原则是：
(1) 由井型所控制的抽出井与注入井数在生产过程中应保持抽液量与注液量基本平衡；
(2) 由井型所控制的浸出剂覆盖率应尽可能消灭溶浸死角；
(3) 井型布置应充分考虑矿体平面的几何形态，并保证用在相同的面积内钻孔数量最少。

4.2 确定方法
设井场抽出井数为N
抽，单井平均抽液量为Q
抽
；注入井数为N
注
，单井平均注液量为Q
注。

为了
保持井场抽注平衡，则：
N
抽Q
抽
=N
注
Q
注
5点型抽出井与注入井是一一对应关系，抽出井数与注入井数的比为1:1，因此，这两种井型只适用于单井抽液量与单井注液量相等的条件。

而在7点型和行列式井型中，一个抽出井对应着两个注入井，抽出井数与注入井数的比大于1，因此，它们适用于单井注液量与单井抽液量之比大于1的条件。

从理论上讲，井型所对应的抽出井数与注入井数的比值应等于单井抽液量与单井注液量之比才能保持井场的抽注平衡。

实际上，矿床地质、水文地质条件的变化是十分复杂的，井场单井注液量与单井抽液量比值也不会正好是1:1或1:2。

因此，选择井型时，只能选用抽出井数与注入井数之比更接近于单井注液量与单井抽液量之比的井型来布置井场抽出井与注入井。

然后，在实际生产中适当调整。

综合考虑影响井型的因素和国内外地浸矿山的情况，可以得出不同条件下选择井型的主要依据。

5点型：适用于单井抽液量与注液量基本相等,含矿岩层渗透性相对均匀,矿体宽度较大(≥150m)的矿床；
7点型：适用于单井抽液量是注液量2倍,含矿岩层渗透性比较均匀,矿体宽度较大(≥150m)的矿床；
行列式Ⅱ型：适用于单井抽液量是注液量数倍，含矿岩层渗透性较大但不均匀，且矿体宽度较小(<150m)的矿床；
5 确定合理井距的原则与方法
5.2确定原则
井距的设计不仅要保证井场的生产能力，还要保证浸出率较高和在服务期间总生产成本最低。

如果增加井距，可以减少钻孔数量和钻孔工程等费用，但易产生如下弊端[4]：
(1) 减少单位面积内的生产能力；
(2) 增加渗透路程，降低渗透速度和浸出速度，延长浸出时间和增加生产成本；
(3) 增加化学试剂酸耗；
(4) 易降低浸出剂覆盖率，从而增加溶浸死角的面积，降低浸出率。

缩短井距，虽可以避免井距过大产生的问题，但又将产生以下弊端：
(1) 增加钻孔数量，从而增加钻孔工程费用；
(2) 增加抽液与注液设备的费用；
(3) 易造成浸出剂“短路”。

综上所述，选择合理的井距，主要有以下原则：
(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) 钻孔服务年限合理，一般为3～5年；
(4) 在其它条件相同的情况下，应选取吨金属成本较低或经济效益最大时的井距。

5.2确定方法
在已知地质条件的块段上，井距与井场投资、生产能力、服务年限及产品成本间存在一定的规律性，有一个函数关系。

井距的确定方法就是利用技术经济评价的方法，寻找出井距与上述因素的函数关系，从而提出优化分析结果。

主要步骤如下：
(1) 资料的收集与整理。

主要包括矿床地质、水文地质和原地浸出工艺资料，矿床所在地经济地理情况、原材料供应与价格、国家及地方政府有关经济政策与法规等。

(2) 选择可能合理的井距。

根据块段条件，参照国内外原地浸出采铀矿山常采用的井距，选择合理井距的范围。

(3) 确定抽出井和注入井的数目。

已知块段面积(S)、采用的井型及已选出的可能是合理的井距后，可计算出不同井距条件下的抽出井与注入井数目，计算公式为：
5点型井型： 22L S N =抽 2L 2S N =
注 7点型井型： 2L 6.2S N =抽 2L 3.1S N =
注 行列式井型: LR 4S N =抽 LR 2S
N =注
式中： N 抽 ---- 抽出井数，个； N 注 ---- 注入井数，个；
L ---- 抽出井与注入井间的距离，m ；
R ---- 注入井与注入井间的距离；个；
(4) 绘制流网或流线图。

(5) 计算块段所需的浸出剂量、块段日抽液量、块段服务年限、块段生产能力。

(6) 投资估算与产品成本分析；
(7) 做出井距与投资、生产能力、服务年限和产品成本的关系曲线图，选出合理的井距。

5.3实例分析
某砂岩铀矿床，经条件试验证明可以采用酸法浸出。

其基本数据如下：矿体形态为简单，矿体宽度>150m ；试验块段面积为75625m 2；平米铀量为 9.96kg/m 2；矿层厚度3.79m ；浸出率为75%；含矿含水层有效厚度为9.75m ；含矿含水层渗透系数为0.73m/d ；矿石密度为1.73；矿石量为495.85×103t ；单孔平均抽液量为4.0m 3/h ；单孔平均注液量为2.0m 3
/h ；矿体埋深为210m ；液固比为3.5。

据试验块段条件得知，钻孔抽液量与注液量的比值为2:1，为了保证整个试验块段抽液量与注
液量基本平衡，要求抽出井数与注入井数的比例为1:2，这与7点型或行列式井型抽出井与注入井数比例相同。

根据井型确定的原则、方法和矿体的形态，可确定井型为7点型。

井距的确定：
(1) 确定抽出井和注入井的数量。

根据试验块段的面积，可计算不同井距时抽出井与注入井数量，见表1。

表1 不同井距时抽出井与注入井数量
井距(m) 抽出井数(个) 注入井数(个) 井总数(个)
20 73 146 219
30 32 64 96
40 18 36 54
50 12 24 36
(3) 绘制流网图
利用圈定溶浸范围计算机软件对上述4种井距绘制流网图。

结果表明，采用7点型井型，井距20～50m时，浸出剂流经矿石的覆盖率可达75%以上。

(5) 计算浸出块段所需浸出剂量和块段日抽液量。

不同井距时日抽液量列于表2中。

表2 不同井距时块段日抽液量
井距(m) 抽出井数(个) 日抽液量(m3)
20 73 7008
30 32 3072
40 18 1728
50 12 1152
(6) 做出井距与井场投资、生产能力、服务年限的关系曲线，见图7。

(7) 做出井距与产品成本曲线图，见如图8所示。

图7 井场投资、生产能力、服务年限图8 井距与产品成本关系曲线
与井距关系曲线
Fig7. The relate curves of investment, produce ability, Fig.8 The relate curve of well interval and product cost service time and well spacing
(8) 井距的确定
由图7、图8可知，当井距小于20m时，井距的变化会引起井场投资、产品成本显著变化；当井距大于30m时，井距的变化对井场生产能力、井场投资与产品成本等的影响逐渐减弱，而井场服务年限近于直线延长。

因此，从节省投资、降低产品成本、保证井场有一个合理的服务年限等综合考虑，井距在20～30m时可保证该矿床在较佳的状态下进行原地浸出。

应用效果分析：
该矿床经过近5年时间的运转，得出了下列有关参数：
(1) 浸出液平均铀浓度为220.63mg/L；
(2) 浸出率达91%；
(3) 抽液量大于注液量0.57%，整个试验过程中井场抽液量与注液量基本平衡；
(4) 井场服务年限约5年，井场服务年限合理；
(5) 井场开拓费用占单位总成本10%～15%，表明试验产品成本与成本构成基本合理。

6.结论
a. 原地浸出采铀井网布置，应根据矿床矿体埋藏深度、矿石渗透性、矿体形态、矿石平米铀量、单孔抽液量及抽注液量比值、矿石矿物成分与化学成分等因素来确定。

b. 通过溶浸液运移特征的模拟研究，当井距20～50m时，无论采用那种井型，均可以获得较高的溶液覆盖率，其中7点型与行列式型井型溶浸液覆盖率最大。

当井型一定时，随着井距增大，矿石浸出率逐渐减小。

c．确定合理井型时，钻孔抽注液量及其比值是影响井型的重要因素，也是选择合理井型的重要依据。

保持井场抽注液量基本平衡是最重要的原则。

d. 确定合理井距时，要求浸出剂的覆盖率大于75%；矿体浸出均匀，且贫富不同的部位能基本同步浸完；钻孔服务年限合理。

在其它条件相同的情况下，应选取吨金属成本较低或经济效益最大时的井距。

参考文献
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2 王海峰，苏学斌. 新疆伊宁地浸矿山井场抽注平衡问题刍议.铀矿冶，1999.3，145-149
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