对地浸采铀常用参数的认识及应用
----问题和建议
王海峰
（核工业北京化工冶金研究院，北京 101149）
摘要：在无规范和标准的情况下，由于对一些常用概念的理解存在偏差，试验和报告的编写中经常出现异议甚至错误，诸如浸出面积、有效厚度、液固比、渗透率等的计算和换算，这些参数的使用条件等问题尚需斟酌、推敲和改进。研究认为，浸出面积计算的几何面积法易达成共识；厚度扩散法和系数法计算有效厚度应用广泛，易于对比；受众多因素影响的液固比不宜作为判断矿床浸出状况的参数；渗透率等参数在地浸采铀领域应用时应统一到渗透系数的概念上来。
关键词：浸出面积； 有效厚度； 液固比； 渗透率 中图分类号：TL212.12; P634.5 文献标志码：A
文章编号：1000-8063（2015）SI-doi:10.13426/j.cnki.yky.2015.SI.000
在我国几十年的地浸采铀技术开发和应用中，造就了一批人才，推动了地浸采铀的技术进步，但也应注意到，由于不同工作者对地浸采铀常用参数的认识深度差异，经常在利用这些参数描述矿床地质、水文地质、浸出状态的报告中出现歧义或错误。
为更接近地浸采铀地下浸出的实际情况，将开采单元的几何面积以一定比例放大以代表浸出面积的作法在我国一度盛行。但是，受准确获得浸出面积的技术和各矿床自然条件和浸出工艺的不同，至今无法精确地得出不同矿床不同阶段的浸出面积。致使在计算中因面积放大比例各异，导致金属量计算出现误差。在有效厚度计算上，我国通用扩散厚度法和系数法，但直接采用砂体厚度计算液固比的实例不乏列举，打破了相互比较的基础。长期应用在我国地浸采铀领域的液固比概念，即便不存在计算偏差，因矿床自然条件和浸出工艺的差异，也无法作为判断矿床浸出状态的指标，这一点已被大量实例证实。在我国地浸采铀领域，渗透率的引进来源于石油部门的测井和实验室岩矿渗透性能的测定。在实际应用中如何认识渗透率的内涵，怎样换算成易建立起量的概念的渗透系数困扰一些技术人员，亟待规范和统一。
1 浸出面积的确定
1.1 浸出面积计算现状
无论是地浸采铀现场试验还是工业生产，都不可避免地遇到试验块段或采区金属量的参数。特别是试验阶段，块段金属量是必不可少的参数。金属量的计算
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首先涉及到块段的面积，然而，正是这看似简单的几何运算，结果却千差万别，因迄今为止，我国无统一规定。
以5点型井型为例，早些年计算试验块段面积时，边长等于每端外推注入井到注入井长度的1/2或1/4再加上原距离。例如对于抽注井间距25m的5点型井型，计算浸出面积的边长为35.35+2×17.68=70.71m（每端外推1/2）或35.35+2×8.84=53.03m（每端外推1/4）。外推式计算浸出单元边长的作法由来已久，主要考虑在浸出过程中浸出面积大于几何面积。理论上这种计算方法有一定科学性，但同时存在缺欠。鉴于我国无相关规范和标准，未对浸出面积计算做出规定，因此，边长的计算因人而异，直接导致浸出面积和金属量的差异。再则，因矿床地质和水文地质条件的不同，使用的浸出剂和氧化剂不同，实际浸出面积和金属量也不能采用统一的计算公式。
近些年，在发现浸出面积计算的缺陷后，曾建议在无法准确计算浸出面积的情况下，使用单元几何面积计算金属量。这种方法虽然与实际浸出的范围和金属量有差异，但计算规范，不受人为因素干扰，结果统一。
1.2 地下水运动模拟方法
矿床地浸开采现场试验和生产期间，因矿体局部地质和水文地质条件的差异，更兼施工的影响，各钻孔抽注液量不同，导致平面上浸出面积变化，且随浸出时间而不断改变。如何根据矿床自然和工艺条件的变化，确定真实的浸出面积和金属量在世界地浸采铀界早已引起关注。
美国铀能源公司在Palangana地浸铀矿山溶浸范围控制时，使用pathCAD浸出面积模拟软件。在新采场开拓前进行钻孔布置模拟寻找最佳方案，对生产采场模拟不同时期的浸出面积，并根据模拟提出改善方案。该模拟主要描述浸出液、浸出剂和监测井内溶液运移和扩散特征，可计算不同阶段的浸出面积。
模拟根据需要设定时间间隔，通过一个阶段溶液运移的动态特征来模拟含矿含水层内溶液的动态变化过程，判断钻孔布置、钻孔抽注液量的分配是否合理。注液扩散和抽液覆盖模拟见图1和图2[1]（图中模拟时间1年，每两天取一个点）。
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图1 注液扩散模拟图 图2 抽液覆盖模拟图
综上分析，建议在计算试验块段和生产采区金属量时，采用几何面积法，如果考虑浸出特点而外推，必须说明外推量。有条件时，应研制地下水运动模拟软件，不但可随时掌握浸出面积，调整钻孔抽注液量，保证浸出的最佳状态，而且还可结合物探地表测定溶浸范围的研究，相互验证。
2 有效厚度的计算 2.1 扩散厚度法
随试验或生产的进行，计算不同阶段液固比的准确与否直接受有效厚度的影响。而鉴于浸出过程有效厚度受矿层和砂体水平和垂向渗透系数、钻孔间距、注液压力、矿层厚度与含矿含水层厚度比值等因素的影响而无法准确确定，试验和生产中都采用简化计算的办法。我国目前通用两种有效厚度的计算方法，引用前苏联的扩散厚度法和系数法。
根据《物理---化学地质工艺》书中介绍[2]，浸出过程有效厚度可通过扩散厚度法进行计算。
T有效=L过滤器+D上部+D下部 （1） 式中：T有效-----有效厚度，m；
L过滤器----过滤器长度，m；
D上部-----过滤器上部扩散厚度，m； D下部-----过滤器下部扩散厚度，m。
在无限厚的含矿含水层中，扩散厚度D等于;
D= D上部= D下部=0.4KeL
式中：Ke----渗透性能各向异性系数，0.5-1，随含矿含水层厚度增大；
L------钻孔间距，m。
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在有限厚度的含矿含水层中，将D分别与D上部= D下部比较，取小者。 该计算有效厚度的方法，考虑了浸出过程中溶液在垂向上渗出矿层上下的量，从这点上看，与实际情况吻合，较科学。特别是计算溶液上下渗出量时，考虑了矿层水平渗透系数和垂向渗透系数的差异，比较客观。同时，计算方法对无限厚度含矿含水层和有限厚度含矿含水层区别对待，考虑全面。
2.2 系数法
考虑准确计算浸出过程有效厚度的难度，推出了系数法，即将过滤器长度乘以某一系数得出有效厚度，系数一般取1.2。这种方法简单实用，但当矿层厚度与含矿含水层厚度极其接近时，会产生计算的有效厚度大于含矿含水层厚度的错误结果，必须引起注意。
上述介绍的两种方法在我国地浸采铀现场试验和生产中普遍应用，两种方法计算结果基本一致。值得提出的是，在我国液固比计算时，出现以含矿含水层实际厚度作为有效厚度的实例，得出的液固比很小，无法与其他采区对照，很难说明问题。特别是矿层厚度与含矿含水层厚度比值小时，计算得出的液固比更小，反映不了浸出实际，不可取。
除上述介绍的两种在我国常用的方法外，还有其他的方法，例如[3]： Mg=H(1－hD)FXZ (2)
式中：Mg——有效厚度，m； H ——含矿含水层的厚度，m；
hD——矿层厚度与含矿含水层比值； FXZ——浸出剂扩散到围岩的百分比。
与前面介绍的两种方法相比，该方法考虑的因素更多，除上述两种方法考虑的因素外，诸如浸出剂扩散范围、矿层在含矿含水层中的位置等都一并纳入。但该方法计算复杂，特别是浸出剂扩散的百分比需通过极限公式、计算机模拟绘图才能得出，一定程度上制约了应用。
建议采用扩散厚度法或系数法计算有效厚度，杜绝直接使用含矿含水层厚度作为有效厚度计算液固比的办法。
3 对液固比概念的理解 3.1 液固比的概念
地浸采铀现场试验和生产中计算的液固比，是指在一定浸出时间内所注入的浸出剂体积与被浸岩矿质量的比值。液固比是地浸采铀设计与生产中常用的参数，在一定条件下，通过液固比借助公式可预测浸出液铀浓度、所需浸出剂量等参数，为决策提供依据。
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f(v1n1v2vn)sT （3）
式中：f ---- 液固比；
vi --- 第i个钻孔的注液量，m3/h； n --- 总注液钻孔数量； s --- 溶浸面积，m2； T --- 矿层厚度，m； ρ--- 矿石密度。
3.2 液固比的应用
地浸采铀实践中，液固比参数仅限定于我国和前苏联国家使用，而美国、澳大利亚等西方国家很少触及。在我国，经常用液固比来判断矿床浸出阶段，描述浸出状态。但是，使用液固比评价浸出状态的缺欠很少引起重视，图3可反映这一点[4]。图中描述了3个采区不同时段的液固比与回收率的关系。图中的1号和3号采区获得60%浸出率时所用的液固比分别为2.7和1.7，相差1.0。从而看出，3号采区浸出状态均优于1号采区，达到同样浸出率时的液固比小。但是，如果以3号采区液固比为参照，1号采区液固比2.7应该接近浸出结束，可是这时的浸出率仅有60%，不能判定液固比达到某一值时浸出就应该结束。从而看出，因矿床地质、水文地质和浸出工艺的差异，不能将液固比作为评价矿体浸出效果的参数。
图3 不同采区液固比与回收率的关系
另外，不同矿床的比较更能说明问题，见表1。如果以液固比作为判断不同矿床浸出状态，浸出率的高低会相差很大，结果根本无法接受。
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表1 不同矿床液固比与浸出率
矿点 1号矿体 2号矿体 3号矿体 4号矿体
浸出方式 柱浸试验 柱浸试验 生产阶段 生产阶段
浸出剂
CO2+NH4HCO3+O2 NH4HCO3+O2 H2SO4 H2SO4
液固比 23.2 20.73 3.09 0.99
浸出率/% 58.76 54.99 157.74 77.87
综上分析，由于液固比作为判断矿床浸出状态指标的缺陷，会导致以液固比导出的其它指标也同样发生偏差，如浸出液铀浓度和所需浸出剂量，因计算公式中都将液固比作为变量。
建议不以液固比作为判断矿床浸出程度的指标，地浸采铀工程中浸出率和平均浸出液铀浓度等都可作为评价指标，但不能同时出现液固比。
4 渗透率的使用和换算 4.1 渗透率的概念
单位压力梯度下黏度为1厘泊（cP）的流体通过单位横截面积孔隙介质的体积流量称为渗透率，其单位与面积单位相同。渗透率是表征岩层渗透性能的常数，它仅取决于岩层的性质，与液体本身的性质无关[5]。
kK (4) g式中：k ---- 渗透率，cm2； K ---- 渗透系数，m/d； ν ---- 运动黏度系数，m2/s；
g ---- 重力加速度，m/s2。
4.2 渗透率的应用和换算
与石油部门的合作和实验室装备的改善，地浸采铀领域也使用了渗透率的概念。但是，鉴于长期使用渗透系数的概念，一些工作者尚对渗透率的概念、单位和应用存在理解偏差，以至于在报告中屡次出现概念混淆，单位错误，特别是对渗透率与渗透系数的换算茫然。
我国地浸采铀领域在描述矿层透水性能时通常使用渗透系数，单位m/d。而美国、澳大利亚等西方国家使用的渗透率，单位是达西（液体的动力黏度为0.001Pa·s，压强差为101325Pa的情况下，通过面积1cm2、长度1cm岩样的流量1cm3/s时，岩样的渗透率为1达西）。1D=9.8697×10-9cm2。
由于我国科技人员对渗透率单位达西建立不起量的概念，在查看西方国家地
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浸采铀文献时，经常以1D =0.827m/d的关系进行换算。但这种换算困惑一些从事地浸采铀行业的技术人员，对面积单位和速度单位之间的换算难以理解。
从公式（4）看出，渗透系数和渗透率是可以相互换算的，关键是运动黏度系数。由于动力黏度系数在换算成运动黏度系数时受介质类型和温度影响，因此，换算时必须首先假定介质（地浸采铀地下渗流介质为水）和温度，同时将单位统一，图4是地下水为18℃时的渗透系数m/d与渗透率cm2的关系换算图。值得注意的是，图5是在地下水温度18℃时导出的，当地下水温度变化时，渗透率与渗透系数之间的关系也会发生变化。图3给出当渗透系数为1m/d时不同温度下的渗透率。
43.5渗透率(cm2x10-8)21.8渗透率（cm2x10-8）00.511.5渗透系数(m/d)22.5332.521.510.501.61.41.210.80.60510152025温度（摄氏度）303540
图4 地下水渗透率与渗透系数的换算 图5 不同温度时下的渗透率
从图5看出，渗透率与渗透系数之间换算与温度有直接关系，随温度降低渗透系数与渗透率的比值增大，这是因为液体动力黏度随温度升高而降低的缘故。
必须注意，达西与渗透系数单位m/d的这种换算关系是在水温18℃时导出的，当水温变化时，它们之间的关系也随之变化。当然，其它液体因黏度系数不同，也不满足这种关系。
建议在地浸采铀报告中以渗透系数描述矿层和砂体的透水性能，以m/d为单位，实验室试验或测井直接得出的渗透率应换算成渗透系数，并对换算条件加以说明。
5 结论
虽然我国地浸采铀技术的研究和应用已有几十年的历史，但在很多概念的理解上，参数的计算上，评价矿床浸出状态的参数选取等方面还存在模糊、不规范、甚至错误。矿块或采区的浸出面积是金属量的计算基础，在无法精确确定外推量的情况下，宜采用几何面积法，这可以保证对计算结果的统一性。除非有充分理由或根据，否则不建议外推计算浸出面积和金属量。必须认识到，开发和应用地下水运动模拟软件，可以随时计算出浸出面积，但受拟合度制约，不可能精确。目前我国采用的扩散厚度法或系数法计算有效厚度经实践验证可行，且基本达成
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共识，应用广泛。直接使用含矿含水层厚度作为有效厚度计算液固比的办法，既无理论基础又无法相互对比，不宜采用。液固比受被浸矿床地质、水文地质、矿物成分、化学成分以及浸出工艺影响，达到同一浸出率时不同矿床差别较大，无法统一判断矿床浸出程度。随技术合作和交流的扩大，实验室设备和方法的更新和改善以及其他行业科研人员的介入，地浸采铀领域出现以百分数表示硫酸浓度和单位消耗指标、以达西表示渗透性、渗透率参数的现象，应在认可的程序下统一。
科学研究和实践建立在严谨的态度和不断解决问题的基础上，任何领域的新技术研究、开发和应用中都会出现各式各样的问题。问题一经发现，勿放任自流，必须执着追求解决或统一到科学的轨道上来。
参考文献
[1] 王海峰，刘乃忠，苏学斌，等.美国德克萨斯州地浸采铀考察报告.北京：2010. [2] E.A.托尔斯多夫.物理-化学地质工艺.北京：原子能出版社，2003:147-173. [3] 刘江.地浸采铀中有效厚度的计算.怀化学院学报,2006，25（5）：190-194.
[4] 王海峰，叶善东.地浸采铀工程技术.北京：中国原子能出版传媒有限公司，2011:12-14. [5] 薛禹群主编.地下水动力学. 北京：地质出版社，1997：14-17.
UNDERSTANDING AND APPLICATION OF COMMONLY USED
PARAMETERS FOR IN-SITU LEACH URANIUM MINING
----PROBLEMS AND PROPOSALS
WANG Haifeng
（Beijing Research Institute of Chemical Mining and Metallurgy, Beijing 101149）
Abstract：As lack of standards and regulations as well as difference in understanding for some commonly used concepts, mistakes are often found in test reports, for example the calculation and conversion for leaching area, calculation of effective thickness, evaluation of liquid-solid ratio, conversion of percolation rate，furthermore the application conditions should be elaborated, discussed and improved. From investigation, geometrical area can be accepted for leaching area calculation, the way of dispersion and coefficient are appropriated to calculate effective thickness, easy comparison as well, whereas the liquid-solid ratio influenced by so many factors is not suggested to take as a parameter for evaluation of deposit leaching behavior, the percolation rate should be consistent with permeability.
Key words：leaching area； effective thickness； liquid-solid ratio； percolation rate
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