铀资源既是核军工基石又是核电发展的粮仓，在当前复杂国际形势与大力发展核电的时代，更是一种不可或缺的重要资源[1]。因此，加强我国铀矿勘查开发，提高铀资源自给能力，确保我国天然铀安全供应具有十分重要的现实意义。当前我国已发现的铀矿床类型中，砂岩型铀矿所占资源量最大[2,3,4]、生产成本最低，主要分布在北方的各大沉积盆地[5,6,7],采用具有可开采低品位矿床、施工便易、污染小、低成本、见效快的地浸开采方式，目前全球每年地浸开采的铀矿资源已占到约50%[8]。事实证明，地浸采铀工艺能否正常实施，或地浸采铀过程中能否产生良好效益的一个最关键因素是含矿层的渗透性是否满足地浸要求，地浸中含矿层渗透性的变化是影响地浸采铀效益的重要因素。为此，十分有必要对地浸采铀过程中含矿层演化特征进行探讨[9]。

地浸过程中，含矿层渗透性能是决定浸出效率的重要因素。关于含矿层渗透性，前人做了很多研究工作。吉宏斌等[10]指出，对低渗透性砂岩型铀矿，影响砂岩渗透性的主要因素是碳酸盐、黏土矿物、夹层和隔层的物性，为进一步研究砂岩渗透性提供了依据。陈亮等[11]在新疆某砂岩铀矿利用压汞试验数据得出，大孔隙结构的分维值可判定含矿层的渗透性，并且其高值指示渗透性低，而小孔隙结构的分维值不能判定含矿层的渗透性。杜超超等[12]认为，可以借鉴石油、煤层的增渗机理进行适用于砂岩型铀矿的增渗方法研究，从而增加矿层的渗透性。赵海军[13]提出，在钻孔成井后，采用如泡沫洗井和焦磷酸钠洗井等合理的洗井方法可以有效改善矿层的渗透性。苏学斌[14]通过分析低渗透矿层特征和钻孔涌水量影响因素，认为缩短钻孔间距、提高注液压力、优化钻孔过滤器结构和利用高压气体脉冲方法可有效改善矿石的渗透性。本文试图通过示踪试验为含矿层渗透性(溶浸液流速)演化提供科学依据。

井间示踪试验是确定试验单元各钻孔间连通性、地下溶浸剂的流动方向和流速的有效手段[15,16,17,18]。巴彦乌拉铀矿含矿含水层结构稳定，厚度大，矿层渗透性好[19,20,21,22,23]。从地质找矿到矿山建设和运营，许多学者做过大量研究工作。祝虎林[24]通过总结区域地下水赋存条件及分布规律，证明了马尼特坳陷具备有利的可地浸砂岩型铀矿水文地质条件。陈万利[25]对巴彦乌拉铀矿石物质组成及浸出液成分进行系统分析，认为引起巴彦乌拉铀矿化学堵塞的主要矿物为石膏。郑和秋野等认为，酸法地浸工艺适合巴彦乌拉铀矿床，并对溶浸液酸度和抽注液量以及布孔方式给出了合理建议[26,27]。随着巴彦乌拉铀矿地浸采铀的生产运行，含矿层堵塞导致含矿层渗透性以及铀浸出量下降等问题逐渐浮现。本文以该铀矿C10采区某单元为试验单元开展井间示踪试验，探讨地浸采铀过程中溶浸液流速与含矿层渗透性演化特征。

1、井间示踪试验概况

1.1 试验场地

在巴彦乌拉铀矿C10采区中部选择一个有代表性的“1注4抽”单元开展井间示踪试验，获得地浸过程中(地浸初期、地浸一年与地浸二年)地浸采区溶浸液流速变化特征与含矿层渗透性演化特征。

现场示踪试验试验钻孔为五点式井间示踪，将2020年开始运行的C10采区中部一个“1注4抽”单元作为地下水示踪试验单元。抽液孔与抽注孔间距见图1所示。该单元分别在地浸开采初期(2020年8月5日至2020年11月8日),地浸一年(2021年8月5日至2021年10月31日)和地浸两年(2022年8月4日至2022年11月26日)进行了三组井间示踪试验。注液孔(示踪剂投源孔)孔号为KZ13238,抽液孔(示踪剂接收孔)孔号分别为KC13036、KC13038、KC13436、KC13438(图1)。

图1 井间示踪试验单元钻孔布置图   

1.2 示踪剂选择与测试

基于示踪剂需易溶于水、无毒、易分析检测、成本低等原则，并考虑试验区地下水中I-浓度低这一因素。本次示踪试验选择工业碘化钾作为示踪剂。测试仪器为便携式MP523型pH/离子浓度测量仪，通过一支双液接参比电极与一支离子选择电极配合测试离子浓度。

1.3 试验过程

在示踪试验“1注4抽”单元，第一次示踪试验于2020年8月5日开始，现场将50 kg的KI(纯度90%)溶于100 L清水中，KI溶解后5 min内向投源孔(注液孔)注入完毕，试验于11月8日结束，历时96天，以下称为地浸初期。第二次示踪试验于2021年8月5日开始，将25 kg的KI(纯度99%)溶于100 L清水中，5 min内向投源孔(注液孔)注入完毕，试验于10月31日结束，历时88天，以下称为地浸一年；第三次示踪试验于2022年8月4日开始，现场将25 kg的KI(纯度99%)溶于100 L清水中，快速向投源孔(注液孔)注入完毕，试验于11月26日结束，历时114天，以下称为地浸二年。3次示踪试验间隔时间正好一年。第三次示踪试验同第一、第二次试验一样，每天从4个观测孔中取样测试I-、K+浓度(表1)。

表1 地下水示踪试验单元基本情况 

2、含矿层渗透性演化特征

溶浸液中I-浓度低，其含量主要来自示踪剂KI的溶解；溶浸液中K+浓度相对较高，其含量来自示踪剂KI的溶解与含矿层中含钾矿物溶解的共同结果。因此，地下水流速与含矿层渗透性演化特征主要以I-浓度变化特征进行研究。

2.1 KZ13238-KC13036之间渗透性演化特征

2.1.1 I-迁移特征

含矿层渗透性演化特征主要根据地下水流速(示踪剂I-迁移速度)进行定量刻画来确定。KZ13238-KC13036方向上I-浓度变化特征如图2所示。

据2020年I-浓度数据，I-浓度呈现出两个明显峰值。试验0～6 d, I-浓度呈波动式上升，I-浓度为0.10～0.36 mg/L。第6天时，浓度小幅上升至0.36 mg/L,表明示踪剂前锋已经到达监测孔KC13036,计算得到示踪剂前锋运移速度为5.97 m/d。试验7～18 d, I-浓度从0.36 mg/L上升到17.4 mg/L(第一个峰值浓度),表明沿较快通道运移的示踪剂主体已到达监测孔KC13036,计算得到地下水流速为1.95 m/d。随后I-浓度持续下降，在试验第23天时降至波谷(9.43 mg/L),I-浓度第一峰结束。随后溶浸液I-浓度又开始上升。试验第26天，I-浓度到达第二个峰值(浓度为29.8 mg/L),计算得到地下水流速为1.35 m/d,表明沿第二条主要通道运移的示踪剂主体已到达监测孔KC13036。之后浸出液I-浓度又快速下降，在试验第30天时浓度降至0.057 mg/L,随后I-浓度保持在较低水平，示踪试验结束(91 d)时浓度降至0.009 mg/L。

图2 KC13036监测井I-浓度随时间变化特征   

该方向上2021年与2022年浸出液I-浓度同样呈现出两个峰值。所不同的是，2021年I-浓度前锋在试验第10天到达监测孔，I-浓度分别在第19天与第46天到达峰值。2022年I-浓度未出现明显的前锋，直接在试验第13天与第22天到达峰值。

2.1.2 地浸初期、地浸一年与地浸两年溶浸液运移特征对比分析

在溶浸液从KZ13238至KC13036方向，地浸初期、地浸一年与地浸二年示踪试验中溶溶浸液渗流速度参数和渗流速度变化特征见表2。

表2 KZ13238-KC13036地浸期间地下水示踪试验流速计算结果

根据井间示踪试验结果，含矿层渗透性演化具有如下特征：

1)注液孔KZ13238与抽液孔KC13036之间存在二条主要渗流通道。2020年、2021年和2022年示踪试验浸出液I-浓度均出现2个峰，表明从投源孔到监测孔溶浸液渗流方向上发育有2条不同的渗流通道。

2)同一渗流通道在不同时间示踪剂出现的时间不同。示踪剂沿第一条渗流通道在2020年、2021年与2022年到达监测孔时间分别为18、19与22 d。沿第二条渗流通道在2020年、2021年到达时间分别为26、46 d。

3)地浸过程中，各通道渗流速度呈下降趋势，存在含矿层堵塞现象且随时间堵塞趋于严重。I-经第一条渗流通道的溶浸液流速在2020年、2021年与2022年分别为1.95、1.86、1.63 m/d,呈现下降趋势，且下降幅度逐年增加，表明该渗流通道出现堵塞情况，且堵塞随时间趋于严重。经第二条渗流通道溶浸液流速2021年比2020年降低43.7%,表明在地浸过程中该渗流通道同样出现堵塞现象。

4)采区运行二年后，出现溶浸液优势流，产生了优势通道。2022年示踪试验浸出液I-浓度的第1个峰值出现时间仅13 d,远早于2021年，表明该溶浸液流动方向上渗流通道出现短路(即优势通道),使该方向含矿层中产生了新的优势渗流通道，示踪剂沿该通道迁移速度为2.76 m/d。

2.2 KZ13238-KC13038之间渗透性演化特征

2.2.1 I-迁移特征

KZ13238-KC13038方向上I-浓度变化特征如图3所示。2020年示踪试验浸出液I-经过8 d抵达监测孔，经计算I-前锋抵达监测孔的速度为4.41 m/d。浸出液I-浓度在第8天后增高，在17 d出现第一个I-浓度峰值(13.32 mg/L),沿该通道I-运移速度为2.05 m/d,第21天第一个峰结束。试验21～26 d,浸出液I-浓度又持续增高，从21 d的8.58 mg/L增加到26 d的29.69 mg/L峰值，第30天降至低值。计算得到I-运移速度为2.05 m/d。随后I-浓度持续下降，试验结束时(91 d)为0.565 mg/L。

2021年与2022年I-浓度同样呈现出两个峰值。2021年I-浓度前锋在试验开始第10天到达监测孔(I-浓度为0.080 mg/L),计算得到示踪剂前锋运移速度为3.50 m/d。I-浓度在第21天与第45天到达峰值，峰值浓度分别为0.401、0.985 mg/L,计算得到地下水流速分别为1.64、0.78 m/d。2022年I-浓度在示踪试验进行到第8天时开始出现增高波动，在试验第13天与第49天到达第一峰值与第二峰值，峰值浓度分别为0.103、0.080 mg/L,计算得到此时地下水流速分别为2.69、0.71 m/d。

图3 KC13038监测孔I-浓度随时间变化特征   

2.2.2 地浸初期、地浸一年与地浸二年溶浸液运移特征对比分析

溶浸液从KZ13238至KC13038方向，运行初期与运行一年、运行二年示踪试验中溶浸液渗流速度参数和渗流速度变化特征见表3所示。

表3 KZ13238-KC13038地浸期间地下水示踪试验流速计算结果

根据井间示踪试验结果，含矿层渗透性演化具有如下特征：

1)注液孔KZ13238与抽液孔KC13038之间存在两条主要的渗流通道。

2)示踪剂前锋在不同时间到达时间不同。示踪剂前锋在2020年、2021年与2022年到达监测孔时间分别为8、10、13 d,呈逐年推迟趋势。

3)同一渗流通道在不同时间示踪剂出现的时间不同。示踪剂沿第一条渗流通道在2020年、2021年与2022年到达监测孔时间分别为17、21、49 d。沿第二条渗流通道在2020年、2021年到达时间分别为26、45 d。

4)地浸过程中，该方向各通道渗流速度呈下降趋势。地浸一年后，示踪剂前锋流速由4.41 m/d下降到3.50 m/d,下降了20.63%。通过第一、第二渗流通道溶浸液流速分别降低20.00%和42.22%。地浸二年后，示踪剂前锋流速下降12.14%,通过第一渗流通道溶浸液流速降低56.71%。表明该方向上存在含矿层堵塞现象。

5)采区运行二年后，出现溶浸液优势流，产生了优势通道。2022示踪试验浸出液I-浓度出现增高的时间为8 d,远远早于2021年，表明含矿层产生了新的优势渗流通道，示踪剂沿该优势通道到达监测孔时间为8 d,示踪剂沿该通道迁移速度为4.37 m/d。

2.3 KZ13238-KC13436之间渗透性演化特征

2.3.1 I-迁移特征

KZ13238-KC13436方向上I-浓度变化特征如图4所示。从图4可知，2020年示踪试验抽液孔KC13436浸出液I-浓度出现2个峰。试验0～7 d, I-浓度为0.096～0.220 mg/L。试验第7.5天示踪剂抵达监测孔，计算I-前锋抵达监测孔的速度为4.65 m/d。在试验18 d出现第一个I-浓度峰值(15.23 mg/L),计算得到沿该通道I-运移速度为1.95 m/d,第一峰持续时间为13～21 d。在试验24 d出现第二个I-浓度峰值(31.85 mg/L),计算得到I-运移速度为1.44 m/d,第二峰持续时间为21～32 d。随后I-浓度持续下降，试验结束时(91 d)为0.35 mg/L。

图4 KC13436监测孔I-浓度随时间变化特征  

2021年与2022年I-浓度同样呈现两个峰值。2021年I-浓度前锋在试验10 d到达监测孔，计算得到示踪剂前锋运移速度为3.49 m/d。且分别在第23天与第43天分别到达第一峰值浓度(0.401 mg/L)和第二峰值浓度(0.878 mg/L)。计算得到相应地下水流速分别为1.52、0.81 m/d。2022年I-浓度前锋到达时间为19 d,其迁移速度为1.84 m/d。I-浓度在试验第37天与第72天分别到达第一峰值(0.188 mg/L)与第二峰值(0.075 mg/L),计算得到相应地下水流速分别为0.94、0.48 m/d。

2.3.2 地浸初期、地浸一年与地浸两年溶浸液运移特征对比分析

在溶浸液从KZ13238至KC13436方向，运行初期与运行一年、运行二年示踪试验中溶浸液渗流速度参数和渗流速度变化特征见表4。

根据井间示踪试验结果，含矿层渗透性演化具有如下特征：

1)注液孔KZ13238与抽液孔KC13436之间存在两条主要的渗流通道。

2)同一渗流通道示踪剂出现时间随采区运行逐年推迟。示踪剂前锋在2020年、2021年与2022年到达监测孔时间分别为7.5、10、19 d。示踪剂沿第一条渗流通道在2020年、2021年与2022年到达监测孔时间分别为18、23、37 d。示踪剂沿第二条渗流通道在2020年、2021年与2022年到达时间分别为24、43、72 d。

表4 KZ13238-KC13436地浸期间地下水示踪试验流速计算结果

3)地浸过程中，溶浸液渗流速度呈下降趋势，存在含矿层堵塞现象且随时间堵塞趋于严重。地浸一年后，示踪剂前锋流速由4.65 m/d下降到3.49 m/d,下降了24.95%。通过第一、第二渗流通道的溶浸液流速分别降低了22.05%和43.75%。地浸二年后，示踪剂前锋流速下降了47.28%,通过第一、第二渗流通道溶浸液流速分别降低了38.16%和40.74%。表明该方向上存在含矿层堵塞现象且堵塞逐渐严重。

2.4 KZ13238-KC13438之间渗透性演化特征

2.4.1 I-迁移特征

KZ13238-KC13438方向上I-浓度变化特征如图5所示。2020年示踪试验浸出液I-浓度随时间呈现出2个较短的峰。示踪试验0～7 d, I-浓度为0.108～0.206 mg/L,第8天时示踪剂前锋抵达监测孔，I-前锋运移速度为4.41 m/d。在17 d出现第一个I-浓度峰值(13.58 mg/L),计算得到溶浸液运移速度为2.06 m/d, I-浓度第一峰持续时段为13～20 d。试验20 d后I-浓度再次增加，峰值浓度出现在第26天(20.05 mg/L),通过计算该通道I-运移速度为2.05 m/d, I-浓度第二峰持续时段为20～29 d。随后I-浓度持续下降，试验结束时(91 d)I-浓度为0.662 mg/L。

2021年与2022年I-浓度也呈现出两个峰值。所不同的是，2021年I-浓度前锋(0.080 mg/L)到达时间为8 d,其运移速度为4.22 m/d。I-浓度在第24天与第44天分别到达第一、第二峰值，峰值浓度分别为0.82、0.68 mg/L,相应溶浸液流速分别为1.46、0.80 m/d。2022年I-浓度在试验第7天时出现小幅增高，在14 d与37 d分别到达峰值，峰值浓度分别为0.168、0.129 mg/L,计算得到溶浸液流速分别为2.69、0.71 m/d。

图5 KC13438监测孔I-浓度随时间变化特征   

2.4.2 地浸初期、地浸一年与地浸二年溶浸液运移特征对比分析

在溶浸液从KZ13238至KC13438方向，运行初期与运行一年、运行二年示踪试验中溶浸液渗流速度参数和渗流速度变化特征见表5。

根据井间示踪试验结果，含矿层渗透性演化具有如下特征：

1)采区运行初期与运行一年后，浸出液I-浓度峰值均为两个，表明从投源孔到监测孔溶浸液渗流方向上发育有两条不同的渗流通道。

表5 KZ13238-KC13438地浸期间地下水示踪试验流速计算结果

2)地浸过程中，采区溶浸液流速普遍下降，表明含矿层发生了堵塞现象且随时间堵塞趋于严重。采区运行一年后溶浸液流速普遍下降，I-浓度前锋运移速度从2020年的4.44 m/d降至2022年的4.22 m/d,下降幅度为4.95%。采区运行二年后I-浓度前锋运移速度持续下降，从2021年的4.22 m/d降至2022年的2.51 m/d,降幅40.52%。表明采区经过2年的运行含矿层堵塞情况较2021年更为严重，含矿层渗透性降低幅度更大。

3)采区运行二年后，出现溶浸液优势流，产生了优势通道。2022示踪试验浸出液I-浓度出现增高的时间仅为7 d,远早于2021年，含矿层中产生了新的优势渗流通道，示踪剂沿该通道迁移速度为5.02 m/d。

综上所述，试验单元含矿层渗透性演化特征可概括为：

1)从投源孔到各监测孔溶浸液渗流方向上均发育有2条主要的渗流通道；

2)同一渗流通道在不同时间示踪剂出现的时间不同；

3)地浸过程中，不同方向各通道渗流速度随时间呈下降趋势，表明含矿层渗透性随时间不断降低；

4)运行2年后在3个方向上出现溶浸液优势流，产生了新优势通道。

表6为试验单元地浸期间地下水示踪试验流速计算结果。

表6 试验单元地浸期间地下水示踪试验流速计算结果

3、结论

1)从注液孔到抽液孔各溶浸液流速均出现了不同程度下降，地浸一年同一渗流通道(途经)的地下水(溶浸液)流速普遍下降，表明含矿层砂岩孔隙度减小，渗透性降低，其原因与含矿层砂岩孔隙发生堵塞有关。

2)随着地浸采区的运行，含矿层堵塞具有不断加重的趋势，导致含矿层渗透性不断降低。

3)地浸二年在某些渗流方向上产生了新优势渗流通道。

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基金资助:国家自然科学基金核技术创新联合基金资助项目(U1967209);

文章来源:王伟豪,刘金辉,阳奕汉等.地浸采铀过程中含矿层渗透性演化的示踪试验[J].有色金属(冶炼部分),2024(02):72-82.