我国地浸采铀技术存在的问题

我国地浸采铀技术存在的问题
王海峰1肖作学2
（1核工业北京化工冶金研究院，北京 101149，2 新疆天山铀业有限公司739厂，新疆伊宁
835000）
摘要：地浸采铀已是我国主要的天然铀生产方法之一，多年的实践使我国在低渗透、低品位、高承压自涌水、地下水高矿化度砂岩型铀矿床的地浸开采方面的研究和开发处于世界领先地位。

但必须认识到，在某些方面与世界先进国家的差距仍然存在。

高效，高自动化操作的车载钻机仍属空白；可避免产生混浆段，消除浸出剂与非矿层沟通隐患的逆向注浆工艺无人问津；解决碱法矿山碳酸钙结垢的过滤器更换办法和逆向填砾方法尚未尝试；降低钻孔成本的薄壁套管得不到实践；较有潜力和实用性的压裂封堵建造人工隔水层和压裂增大矿层渗透性的技术无人探索；降低碱法矿山成本的氧气大型液态贮罐未使用；无配液池和集液池的矿山模式未敢触及；地下水污染治理工艺迟迟不能实施；地浸基础理论研究未能深入，矿山规模、整体形象和劳动生产率仍未改善。

关键词：地浸；采铀；技术；问题
1 前言
我国地浸采铀技术的研究和开发可追溯到上世纪70年代初，自那时起，地浸采铀技术获得了飞速发展，无论是科学研究、试验还是生产都取得了长足进步。

地浸采铀已成为我国铀矿采冶的重要方法，地浸铀产量逐年增加。

在30多年的科研与生产中，研究和开发了成井工艺、浸出液处理、井场监控、实验室试验、铀矿床地浸评价等一系列新技术。

在开发新技术的同时，我国地浸生产企业还特别注重引进国外先进技术。

在钻孔洗井工艺上，成功使用了脉冲洗井方法，获得良好的效果；在探测地下浸出剂渗流范围上，采用热测井方法，方便准确地掌握溶液流动方向；在浸出液过滤技术上使用管道过滤器，效果显著；在浸出工艺上，开展了碱法试验，并成功建成了碱法地浸矿山；在钻孔过滤器形式上广泛应用外骨架过滤器，同时探索射孔过滤器和裸孔过滤器；在浸出液提升方式上，潜水泵提升已是有条件的地方的首选；在浸出液处理工艺上成功应用密实移动床和饱和再吸附技术，提高了合格液铀浓度；在地浸采铀现场试验技术上多次采用两孔法和九点法，缩短了浸出时间，提高了试验数据的准确性。

但是，也应认识到，无论从地浸技术研究的深度和广度，还是从钻孔施工、成井工艺、矿山生产规模、矿石实验室试验、劳动生产率、基础理论研究、地下水治理等方面，都与国
外先进国家有一定的差距，钻孔施工技术有待改进和提高，实验室试验矿石样品的保存方法可望突破，薄壁套管的应用需要探索，液态氧和二氧化碳的使用应尝试，地下水治理技术的研究和应用应得到应有重视，基础理论研究期望加强。

2 钻孔成井工艺
2.1 钻孔施工
在30多年的地浸采铀研究、试验和生产中，我国钻孔施工速度始终未得到突破性提高。

哈萨克斯坦、美国、澳大利亚等的地浸钻孔施工的速度是我国的几倍。

在这些国家1台钻机一d平均进尺100m，包括安装在内，2d完成1个钻孔（150～200m）。

而在我国一般情况下，200m深的孔需要7d完成，差距较大。

这主要因钻机能力小所致（图1）。

国外钻机能力很大（图2），且通过砾石层等苛刻岩层的能力强，故障率低，速度快，而且钻孔成本低。

再则，国外钻机多为车载式，移动方便。

图1 我国地浸钻机施工图2 美国地浸矿山钻机搬家
但国外钻机投资很大，1台钻机的价格是我国地浸千米钻机的几倍甚至十几倍，这也是为什么我国钻孔施工队伍宁愿使用功效低的国产钻机的原因之一。

同时，与国外相比我国地浸矿山规模小，钻孔施工量小，即便是在限定时间内工程量大，也是采用多台国产低效钻机，而不用国外高效钻机。

另外，美国等使用的地浸钻机都为柴油发动机驱动，而我国使用的地浸钻机都为电力驱动，再转换为动力。

为推动我国地浸技术的发展和进步，有必要尝试使用效率高、能力大的钻机，并评价其成本和投资的可行性。

2.2 钻孔逆向注浆
地浸矿山主要是通过钻孔来实现生产，钻孔成井质量的好坏直接影响矿山产量与成本。

为隔离各含水层，保护钻孔，在钻孔中下入套管后要对孔壁与套管之间的环形空间注水泥浆封孔。

我国目前采用的注浆方法为正向注浆，即将水泥浆从上向下注入。

这种方法最大弊端是产生混浆段，封孔质量得不到保证。

美国地浸矿山广泛使用的是逆向注浆封孔技术，水泥浆从套管内注入，水泥浆经套管上预留的小孔进入孔壁与套管之间的环形空间，排挤掉泥浆，上升至地表。

这种注浆方法避免了混浆段的产生。

我国自开展地浸采铀技术研究以来，钻孔施工中一直采用正向注浆方式。

2000年起着手逆向注浆的现场试验[1]，但目前为止，还未在生产中应用。

对于这项关键的钻孔施工技术，需进一步研究。

2.3 钻孔套管切割
为更好地保证钻孔封孔注浆质量，美国在施工中钻孔钻穿矿层部位至终孔深度，然后全段下入套管，成井时整个井的深度内注浆。

待水泥浆固结后，矿层段用切割刀具将套管和注浆水泥环一起切掉，形成裸孔过滤器或下入可更换式过滤器。

这种方法可保证注浆水泥与套管和孔壁紧密黏结，利于封堵溶液在矿层上下非矿砂岩中的通道，较托盘式和分段注浆的填砾式更可靠。

另一种过滤器形成方法是水力穿孔，即在成井时整个井的深度内下入套管，全段注浆，然后在矿层段用高压水穿透套管和管外固结的水泥，深入矿层，形成多孔型过滤器。

目前，在我国地浸采铀领域尚未开展套管和水泥环切割的成井技术以及水力穿孔技术的研究，最主要的原因是缺乏相应设备。

虽然在地浸现场开展了射孔成井工艺探索，但采用的是聚能射孔弹，且效果不明显。

我国无论是在地浸采铀试验还是生产阶段，普遍应用填砾式或托盘式钻孔，这种结构的钻孔，由于钻井泥浆的渗入，或多或少会影响矿层渗透性。

2.4 逆向填砾与过滤器的更换
套管内插入填砾管的逆向填砾法在美国普遍使用。

这种填砾方法工艺过程类似于逆向注浆，填砾过程中砾石从底部向上运动，可保证过滤器周围砾量均匀，密实。

如图3所示，过滤器底端装有2个反向单向阀，在下过滤器前，在地表将填砾管安装好，填砾管要穿过2个单向阀。

填砾时，用泵将水和砾石的混合物从填砾管上端注入到矿层位置，一般水和砾石混合物中砾石的质量含量在5%左右，填砾的流速约为1.83m/s。

填砾结束后，将填砾管抽出，关闭过滤器下端的2个单向阀，保证过滤器底端既不能出水也不能进水。

过滤器下部无沉砂管。

图3 逆向填砾示意图
过滤器是钻井的咽喉[2]，如果被破坏或不能正常工作都将不同程度使井失去作用，甚至导致生产中断。

在生产过程中，过滤器常发生的问题是堵塞。

地浸矿山1个采区的生产一般需2～5a时间，下入井内的过滤器由于受许多因素的影响，有的可以持续到生产结束，而有的则不能保证在整个生产阶段完好无损。

特别是在碱法地浸矿山，由于碳酸盐结垢会严重影响过滤器工作性能，使过滤器寿命大大缩短。

实践表明，依靠洗孔方法不但影响生产，而且无法从根本上解决问题，而且，在钻孔成井时，还可能发生因注浆管插入过猛而损坏过滤器的事故，所以更换过滤器是唯一有效的途径，既节省资金又节省时间。

美国地浸矿山采用的
可更换式过滤器如图4所示。

图4 可更换式过滤器
过滤器更换分破坏性更换和替换性更换。

破坏性更换是在孔内下入切割刀具，将过滤器切割成碎片，然后用高压水冲至地表，再下入新过滤器。

替换性更换是将已无法正常工作的过滤器从孔内提出，下入新过滤器。

我国尚未尝试逆向填砾法，而正向投砾管投砾或地表直接投砾的方法很难准确控制投砾量和投砾高度。

2000年我国在地浸现场开展了可更换式过滤器的试验，取得了初步成功。

可更换的过滤器是在叠圈过滤器的顶端接螺纹管，螺纹管上设有环扣，方便下入和取出过滤器。

单纯过滤器更换较易实现，特别是对于裸孔结构的井，但是当井采用填砾式结构时，如果不采用逆向填砾方法，过滤器更换便无法实施。

过滤器更换迄今为止尚未在生产中应用。

我国目前正建设多个碱法地浸矿山，过滤器堵塞现象时有发生，因此，开展过滤器更换技术的研究有重要意义。

3 套管壁厚与套管连接
在地浸实践中，一味追求增加套管壁厚来增加拉力的作法存在一些问题。

计算表明，无论是否考虑地下水浮力，壁厚6mm套管的安全系数都等于壁厚15mm套管的安全系数，并非壁厚15 mm的套管更保险。

这是因为套管在下放过程中只承担套管本身自重，而无任何外来载荷。

但是，同样材质的PVC套管，当长度200m时，壁厚6 mm套管比壁厚15 mm套管节省成本约1万元。

在美国地浸矿山中，薄壁管的使用已较广泛。

在Smith Ranch地浸矿山所用套管直径127 mm，壁厚6.55 mm，每根长6 m。

这种套管在Christensen和Crow Butte地浸矿山同样
也使用。

在我国，无论是现场试验还是生产绝大多数情况下使用的是厚壁套管，生产矿山全部使用厚壁套管。

因此，要在国内开展薄壁套管的研究与应用首先需正确认识薄壁套管的优缺点，突破习惯势力的束缚，纠正长期以来靠增大套管壁厚来增加套管拉力的作法，开展必要的探索性试验。

阻碍应用薄壁套管的另一个原因是注浆方式，我国的正向注入水泥浆方式不但保证不了注浆质量，增大套管的径向压力，而且套管外壁与孔壁的环形空间插入直径约40 mm 钢制注浆管，是否会伤害套管也值得商榷。

如果使用薄壁套管，则不可能采用丝扣连接方式。

因此，胶结被广泛应用，几十年的实践证明，这种连接方法是完全可行的。

在国内，套管连接均采用丝扣方式(图5)，如果采用胶结（图6）就必须找到或研制出强度高、凝固时间短的粘合剂，这是能否应用薄壁套管的关键。

图5 我国套管丝扣连接图6 美国套管黏结过程
4 压裂封堵与压裂助渗
4.1 压裂建造人工隔水层
近些年，为拓宽地浸采铀技术的应用范围，对于如何将地浸采铀技术应用于低渗透砂岩开展了大量的研究和试验，但多年的试验仍然无法摆脱矿层渗透性低、钻孔抽注液量无法满足生产需要的困扰。

为此，能否借鉴石油开采地层压裂技术增大铀矿层渗透性问题不至一次地被提出。

实际上，在地浸采铀中前苏联已经将压裂技术成功地应用在人工建造隔水层上。

某矿床以面积计算20%的地段矿层下部无隔水层，面积130×190m。

试验采用压裂方法注入防酸水泥，建造的隔水层面积24600m2。

试验中施工压裂孔9个，呈方格布置，间距60m [3]。

为检查压裂注入水泥的封堵效果，在该试验块段设置检查孔6个。

经检查和实践得出，经压裂
注入的水泥波及半径为12.5～17.5m。

人工建造隔水层后，抽注有效厚度由原来的25m减少到7m；注液量和抽浸量为原来的1/3；铀浓度是原来的3.25倍；酸化时间和开采时间是原来的0.67倍。

实践证明，在地浸开采中通过压裂技术人工建造隔水层是完全可行的，可显著地改善地下浸出条件。

我国近年来在地浸生产和试验中曾遇到一些矿床含矿含水层厚度大，而矿层厚度小的矿床。

对于这样的矿床，浸出过程不单浸出液铀浓度低，同时试剂耗量大。

针对这种类型的矿床压裂封堵是值得一试的措施，但至今我国尚未在地浸采铀领域实施压裂封堵技术。

为解决此类矿床的地浸开采问题，国内某地浸矿山已着手探索压裂封堵建造人工隔水层技术，方案正在制定之中。

4.2 压裂改变矿层渗透性
石油压裂助渗技术早在上世纪80年代前苏联已在地浸矿山进行试验，并获得较好的效果。

1984年，为在凝灰粉砂岩中建造强渗透带改善地浸条件，某矿床采用水力压裂技术进行试验[6]。

矿床渗透系数0.01m/d。

压裂钻孔呈5点型布置，中心孔与4个对角孔间距15 m，中心孔揭露矿层中部， 2对对角孔分别揭露矿层上部和下部，目的是通过水力压裂建造3条水平延伸的裂缝。

压裂使用水砂射孔器，压力17～22 MPa，流量8.3～8.8L/s，砂含量45～135g/L。

压裂后注水效率提高4～9倍，抽水效率提高1～2倍。

近几年我国一直在低渗透砂岩铀矿床开展地浸采铀试验，虽然在钻孔施工和成井工艺上采取了多种措施，但因矿层渗透性太低，钻孔抽注效果始终不理想。

这种矿床的存在为我们探索压裂增大矿层渗透性提供了试验条件。

5 液态氧的使用
氧气是普通的工业原材料，具有较强的氧化性能，而且，选择性好，无副作用，氧化效率高。

因此，一些地浸矿山特别是碱法浸出地浸矿山多用氧气作为氧化剂。

以氧气作为氧化剂成本低。

据报道，采用氧的费用仅为采用过氧化氢费用的10%～20%。

迄今为止，我国地浸领域以氧气作为氧化剂的研究已从实验室走向现场，但是采用液态氧作氧化剂的研究尚未开展。

二氧化碳大量被碱法地浸矿山所使用，通过二氧化碳有助于产生调节溶液pH值的碳酸氢根，既有利于金属铀的浸出又可抑制沉淀的发生。

目前，我国碱法地浸矿山均使用二氧化碳。

为降低成本，减小劳动强度，美国碱法地浸矿山多半使用液态氧和二氧化碳。

实践证明，使用液态氧和二氧化碳成本低，操作简单，劳动强度低，安全。

我国在几个矿山的试验中均
采用钢瓶装的氧气（图7），故生产成本高，而且劳动强度大，大规模生产时难以承受。

可喜的是我国某碱法地浸矿山已成功应用液态二氧化碳，受益匪浅，液态氧（图8）也在调研之中。

图7 我国氧气钢瓶使用状况图8 美国液态氧贮存塔我国碱法地浸从开始研究、试验、生产至今尚未探索液态氧的使用，主要受矿山邻近城镇工业基础的限制，不具备生产和提供液态氧的能力。

当然，也缺乏这方面经验。

但要发展碱法技术，扩大生产规模，开展采用液态氧气技术研究是十分必要的。

6 配液池和集液池的使用
另一项需突破的工艺是配液池和集液池，我国碱法试验现场和矿山都设计有配液池和集液池，与国外碱法矿山形成反差。

事实上，我国某碱法试验中曾一度不设配液池和集液池，运行2年，效果很好。

实践告诉我们，不设配液池和集液池是完全可行的，并非存在无法解决的问题。

坚持使用配液池和集液池一方面是传统习惯，另一方面是认为抽出的浸出液含有杂质和细颗粒有待过滤。

但这绝不是无法取消配液池和集液池的理由，因美国碱法地浸矿山浸出液中同样含有细颗粒或化学堵塞物质，且所有矿山都能不设配液池和集液池，更何况过滤还可采用管道方式（国内矿山已经采用）。

另外，一些人担心的各支管汇集主管时产生的冲突，在安装助力泵后也不存在。

配液池和集液池的设置固然有其优点，但从投资、占地、环境保护和防止风沙进入出发，其缺点也是无法掩饰的。

在某近饮用水系的矿山设计中，为监视泄露而不得不将集液池悬空建设，距地表0.9m左右；在风沙区的某矿山为防止风沙进入，集液池不得不全部封闭，困难显而易见。

总之，他人已应用几十年的工艺在技术上应无可非议。

随国内碱法地浸矿山数量的增加，尝试无配液池和集液池的设计，应该是推动井场工艺革新的进步。

我国目前还未建设地浸浸出液吸附卫星厂，即分散吸附集中淋洗（图9）。

在这方面不应局限在移动床，事实上国外固定床设卫星厂的例子不胜枚数。

当离子吸附塔内树脂饱和后可用清水加压把树脂压出吸附塔进入移动式储存槽，然后送主厂淋洗。

图9 美国卫星厂饱和树脂汽车运输至中心厂淋洗
7 地浸基础理论研究
在地浸基础理论研究方面，前苏联国家曾做过大量系统性的工作，诸如浸出率与浸出剂浓度的关系、浸出率与液固体积质量比的关系、浸出率与浸出剂消耗的关系、浸出剂运移与浸矿过程；浸出过程中气堵、机械堵塞和化学堵塞的形成及发展过程；井型与井距的类型及适用条件；地下水水力坡度在井场抽注状态下的变化及对生产的影响；铀矿床地浸评价；水成铀矿床的特性及成因等等方面并出版过大量书籍。

我国在砂岩型铀矿床浸出特性、浸出理论、地下水动力学理论等方面的基础研究做得还很不够，有关地浸采铀过程中注入矿层的化学试剂与矿物和非矿物发生反应，反应的生成物及影响范围，地下水在抽注条件下动力学形态等多年来仅依靠推断，尚未确切掌握。

特别是在一些工程的试验中，深深体会到由于基础理论研究跟不上对试验造成的影响。

要开展地浸基础理论的研究，还需加强我国现有实验室的装备，充实岩矿研究的仪器与设备，完善模拟地下水流动状态的地下浸出动力学装置。

对地浸基础理论研究一直重视不够，而且忙于工程性的试验和生产，理论研究与现场实践结合的不够。

另外，现场发现的问题，无法通过理论解决。

因此，应加强地浸基础理论的研究与现场试验的统一协调，使试验中发生的现象、存在的问题得以从根本上解决，不再停留在推测上。

一些基础理论和工艺改进并非要求具有高深理论知识或装备良好的实验室，例如对于钻
孔使用投砾管和不使用投砾管的投砾效果差别完全可以在任何地方模拟试验，获得感性认识；地下浸出后铀与非铀矿物的状态变化可以从检查孔取样，通过岩矿分析得出准确结果，但是，这些工作我们一直重视不够，而诸如岩矿层中矿物成分和化学成分的含量对浸出的影响的量化；浸出液铀浓度的预测及与浸出剂浓度的关系；抽注条件下溶液波及的范围与抽注压力和流量的关系等，这些问题尚需深入探讨和研究。

8 矿山生产规模与管理
8.1 地浸矿山生产规模
与美国、乌兹别克斯坦、哈萨克斯坦、捷克、澳大利亚这些地浸采铀生产国相比，我国地浸采铀矿山的生产规模偏小。

2006年哈萨克斯坦Akdala地浸矿山产铀1000t、美国Highland-smitch地浸矿山产铀786t，Crow Butte地浸矿山产铀318t，澳大利亚Beverley 地浸矿山产铀699t，已关闭的捷克Straz地浸矿山产铀700t,均比我国地浸矿山规模大。

由于规模小，在某种程度上限制了我们在地浸技术和生产管理技术的开发，造成成本高，劳动生产率低。

虽然近些年我国一直加大寻找可地浸砂岩型铀矿床的力度，但毕竟缺乏可建大型矿山的资源量。

从目前情况分析，建成年产量超过500 t的地浸矿山条件还不具备。

8.2 劳动生产率
据报道，美国地浸铀矿山由于生产规模大，生产和管理人员少，人均劳动生产率已达到10t U3O8/人·a以上。

但在国内，地浸矿山劳动生产率仅为1t U3O8/人·a，虽然井场和水冶厂实施计算机监测和控制减少了一些人员，但是劳动生产率仍然不高。

这主要是由矿山规模小，部门繁杂，管理人员多所致。

8.3 地浸矿山整体形象
对于我国已建成的地浸矿山，在建设中对矿山整体形象注重不够，与国外先进国家有一定的差距。

西方国家在矿山建设中比较注重矿山形象，井场集中控制室，管路、仪表、阀门排列整齐，进液与出液井场集中控制室管路分别漆不同的颜色，舒适、清晰。

采区周围严格按环保要求，圈定不同的区域，重视保护人类与野生动物。

我国地浸矿山在建设中也应在强调实用性的同时，考虑形象工程。

8.4 地浸专用设备
一些国家研制开发了地浸铀矿山快速高效的专用设备和装置，如潜水泵提升与下放设备、套管切割设备、射孔设备等，基本实现了地浸现代化，生产效率较高。

我国地浸铀矿山数量有限，规模不大，根本谈不上专用设备的研制与生产，不具备大规模生产的条件。

从目前现状来看，社会上不可能有专门生产地浸专用设备的厂家，这方面与
国外先进国家相比差距较大。

9 地下水污染治理
地浸采铀与常规采冶方法相比，虽然没有对环境造成污染的尾矿坝和废石场，但是由于浸出剂的注入，使含矿含水层的地球学环境发生变化，浸出反应在地下进行，注入的浸出剂除了与铀矿物反应外，还会与造岩矿物发生反应，从而导致含矿含水层水质发生变化。

因此，无论是酸法还是碱法浸出，都不同程度地污染地下水，这也是地浸采铀最致命的缺点。

美国在多年的地下水治理方面积累了丰富的经验，主要采用清除、反渗透和还原沉淀三种方法，配合深井注入，例如Zamzow和Lamprecht地浸工程，深井约2000m。

目前美国各矿山地下水治理时，地下水的抽出处理量约为6个孔隙体积数。

其中地下水清除：1～3个孔隙体积数，反渗透处理-再注入：1～5个孔隙体积数，尔后加H2S还原沉淀重金属，Christensen矿和Highland 矿都采用这种方法治理地下水。

直到1987年底，在怀俄明州、得克萨斯州、克罗拉多州和新墨西哥州约有30家工业试验和小型试验的地浸采铀井场复原。

美国核管理委员会收集了地下水复原的试验数据和有关信息，结果表明，地浸生产对环境没有严重影响，已经证实碱法浸出的地下水复原费用可以接受。

捷克地浸矿山Straz停产后即建造一个污水处理站，主要是通过蒸发方式来处理地下抽出的污染水。

1996年6月开始试车，现仍在试运行中。

乌兹别克斯坦在南Букинай矿床1968年开始用地浸法开采，1975年资源回收率达到84%。

为探索地浸矿山在开采后地下水中污染物迁移状况，对10号矿体进行监测。

11年的监测证实，采区盐扩散面积减小到原来的56.4%，含盐类的总量减少到原盐量的28.1%。

地浸采铀区地下的污水，经11年的自净，可将采区被污染的地下水恢复到一定的程度。

针对地下水治理工作我国对地浸矿山的采区进行了监测和治理试验研究，进行了室内和现场试验，研究了电渗析法处理污水技术。

但因该方法耗电量太高，地浸矿山难以承受，因而尚未得到应用。

随矿山开采的进行，不断有采区退役，更加国家对环境保护的要求日益严格，地浸矿山地下水治理必须列为日事日程。

10 结束语
虽然我国在研究和开发方面存在上述问题，但是，并非意味着我国地浸采铀技术各方面都落后于其它先进国家。

相反，我国在低渗透砂岩型铀矿床的地浸开采、高矿化度地下水条件下的碱法浸出、井场和水冶厂生产自动控制、微生物浸出在地浸采铀中的应用、高承压自涌水条件下的注液和抽注平衡控制、低品位矿床的开发等方面的研究和实践完全处于世界先进水平。

剖析我国存在问题的目的，正视在某些方面存在的差距，有利于我们有针对性地开。