地浸采铀砂粒在抽出井中的运动规律与沉砂的产生

王海峰

(核工业北京化工冶金研究院)



地浸采铀砂粒在抽出井中的运动规律与沉砂的产生

王海峰

(核工业北京化工冶金研究院)

摘要为探索地浸采铀矿山抽出井沉砂管设置的必要性，根据地浸采铀工艺的特点，分析了井场和抽出井内液流的类型和状态，讨论了浸出液和砂岩型铀矿床砂粒的特点以及砂粒直径与液流运动的关系，计算了抽出井提升速度和防止沉砂的临界速度。结果表明：抽出井浸出液流速超过提升砂粒的临界流速，不具备沉砂产生的条件，因此，地浸采铀矿山抽出井无需设置沉砂管。

关键词地浸采铀砂粒抽出井运动规律沉砂

经过在40多年研究实践，我国地浸采铀技术取得了极大进步。近年来，国际市场铀价格持续低迷，激励了低成本地浸采铀技术的发展，矿山产能不断增大，特别是CO2+O2地浸采铀技术在我国的规模性应用，实践了反渗透废水处理、无集液池和配液池的浸出液闭路循环、盐酸在线注入井清洗等工艺，提升了我国地浸采铀的技术水平。引进和开发并举的思路，一直主导我国地浸采铀技术的研究和实践，通过资料学习、专家讲课和现场调研等手段，引进了外骨架钻孔过滤器、密实移动床浸出液吸附系统、脉冲洗井和中子测井等技术。绝大多数引进技术在我国地浸采铀领域发挥了积极的作用，但也有部分技术或工艺的引进作用不明显，主要原因是对技术自身的机理和应用条件理解不透彻，盲目照搬。如在地浸钻孔沉砂管设置方面，我国一直沿用前苏联4 m沉砂管的设计思路，且将抽注井一并考虑，但随着地浸技术的进步和我国实践经验的丰富，对沉砂管设置的必要性、长度以及抽注井一并考虑的依据等提出质疑。

1井场液流类型与垂直管道提升

1.1井场抽注液平面径向流

在地浸采铀矿山，钻孔是人类与矿体打交道的惟一通道。井场布置成百上千个抽注井，矿山生产能力直接与抽出井的数量、抽液量和浸出液铀浓度相关。多井同时抽注的井场，可视为液流呈对称形态在等厚度的矿层内渗流，流线呈放射状在平面上向一点聚集，为典型的平面径向流。由平面径向流压力分布极坐标形式[1]可知，从供给边界到钻孔过滤器，压力降落过程呈对数关系分布，空间形态酷似漏斗，因此称之为降落漏斗。该类液体流动形式是以抽出井为圆心形成漏斗状陷落，近过滤器处过水面积减小，压力梯度急剧增大，流速达到最大。由流场特点可知，平面径向流的流线在平面上指向井点(抽出井)或由井点发散(注入井)。

1.2浸出液垂直管道提升

地浸采铀工艺与常规开采的本质区别在于，采出的是含铀液体而非固体矿石。为最大限度地确保开采过程注入的浸出剂在矿层中运移并在垂向浸遍矿体，地浸采铀要求矿体平缓，倾角越小越好。因此，地浸采铀矿山所有抽出井均垂直于矿体(地面)，且要求偏斜度不超过2%，因此浸出液的抽出属垂直管道提升。目前，潜水泵是国内外地浸采铀矿山应用较普遍的浸出液提升设备，潜水泵提升抽液量稳定，功效高且不受地下水静水位埋深的限制。

2液流状态与抽出井的提升速度

2.1井场与抽出井中的液流运动状态

衡量地下水运动状态常用雷诺数Re表示，该数值为惯性力与黏性力之比，当Re<10时，地下水处于层流状态[2]；当Re增大甚至超过其临界值时，惯性力成为主导，沿流动方向的黏性力对质点的束缚能力减弱，质点易偏离其原有的运动方向，形成无规则的紊流。由于地浸矿山在抽注井的作用下液流流动速度较低(一般为1 m/d)，砂岩铀矿床的矿石粒径小(<1 mm占90%)，根据达西定律计算得出，Re<10。大量的地浸生产实践表明，无短路存在时，在抽注状态下地下水流速不超过5 m/d。因此，地浸采铀过程中地下水处于层流状态。由于地浸采铀液流的运动属平面径向流，在近抽出井处渗流面积减小，压力增大，流速加快，Re大于层流所要求的临界值(2 320)[3]，因此，抽出井内液流呈紊流状态。

2.2砂粒粒径与液流运动的关系

砂粒粒径是影响沉降速度的重要因素之一， 粒径越大，沉速越大。砂粒密度对沉速也有较大的影响，密度越大，沉降速度越大。流速一定时，砂粒粒径的大小决定着液流的流动状态，对于密度相同的固体砂粒，砂粒的粒径越小，那么在液流中的悬浮、分散性能便越佳。根据粒径大小，可将实用流速范围内的液流流动状态分为：①悬移状态非均质流，砂砾粒径0.05～0.2 mm；②悬、跳移状态非均质流，粒径0.2 ～ 2 mm；③跳、滑移状态非均质流，粒径大于2 mm[4]。为此，本研究分别将粒径为0.05，0.2，2 mm作为区分液流流动状态的临界值。此外，以砂粒大小为基准的液流分类结果见表1。

表1　浆体流动状态分类

2.3抽出井浸出液提升速度

砂粒能否随液流在抽出井内被提升至地表与液流速度直接相关，只有流速达到临界值时砂粒方可连续上升。速度偏小时，管内砂粒无法随液流上升；速度若偏大，会增大阻力损失。因此，若确保控制提升速度大于砂粒的自由沉降终速度，砂粒便可被提升至地表。在抽出井内，当液流的速度较低时，砂粒静止不动，随着流速的增加，砂粒悬浮于流体之中但并不流动，其浮游速度与液流的速度相等，呈“流态化状态”。当液流的速度高于砂粒完全悬浮的速度时，砂粒便会得到一个有限的上升速度，此时固体砂粒将随着液流流动而被提升。

依据砂粒直径，地浸抽出井提升浸出液为非均质流，非均质流在垂直管道内向上提升时液流载体速度须大于砂粒的悬浮速度，否则便会停止运动或沉积于管底。砂粒由静止开始加速，经过一段加速时间后达到一个稳定的速度，并最终以该速度在管内向上运动，卷带砂粒。为确保固体物料管道水力输送的有效进行，粒径与管径之比不宜不超过0.2，质量分数不宜超过2 %，最小水流提升速度为颗粒沉降末速度的3倍[4]。我国地浸采铀抽出井一般使用4吋潜水泵提升浸出液，套管内径128 mm，满足砂粒直径与管道直径有关比值和质量分数的要求。抽出井抽液量为4～8 m3/h，据此计算的浸出液提升速度为0.086～0.172 m/s。

3砂粒在抽出井中的运动规律

3.1砂粒提升的影响因素

采用充填采矿法开采的常规矿山，一般利用管道水力输送固体物料。在煤炭行业，水力采煤也通过管道借助水力输送煤。在该类水力输送工程中，垂直输送管道处处可见。在垂直管道中，固体颗粒能否随液流提升，取决于颗粒的粒径、密度、流体的黏性系数、流体密度等因素。对于同种物料，颗粒大小成为水力提升的关键因素。在特定流速下，直径为2.3 mm 的颗粒无法随液流运动，而直径0.25 mm 或0.025 mm的颗粒可随水流运动[4]。因此，地浸采铀过程中即便浸出过程中溶液卷带一些砂粒进入抽出井，但也并非所有砂粒都能随浸出液被提升至地表。

3.2地浸采铀浸出液提升特征

地浸采铀浸出液提升过程中卷带的砂粒运动与管道输送固体物料有显著区别，前者目的是输送浸出液，其中不经意卷带数量甚微的砂粒；后者目的是利用水力运动承载固体，完成固体运输。利用水力运输固体物料在两相混合后为浆体，即两相流；而地浸浸出液为清液，其中砂粒含量不应超过100 mg/L(4吋潜水泵)或200 mg/L(6吋潜水泵)[5]。因此，与固体物料水力输送的根本区别在于，地浸抽出井内砂粒含量极少，无法形成浆体，失去浆体水力输送的特性，且不存在输送过程中颗粒碰撞的影响，可视为单相流。

4地浸采铀沉砂产生的判断

4.1地浸采铀砂粒直径特征

目前，世界范围内地浸采铀仅限于砂岩型矿床，相对于管道水力输送的固体物料，砂岩型矿床的砂粒直径较小。某4个典型矿床的砂粒粒度分布率见表2。

表2　矿床砂粒分布率

由表2可知：4个矿床的砂粒最大分布率对应的砂粒粒径为0.5～0.25 mm，直径小于0.5 mm的砂粒所占比例平均大于70%。因此，据表1 给出的分类标准，地浸砂岩型铀矿床属中颗粒沉降性，抽出井内呈悬、跳移状态非均质流。但必须认识到，该类划定方法仅考虑了颗粒粒径，尽管地浸砂岩型铀矿床的颗粒粒径达到上述所讨论的范围，但地浸采铀抽出井的目的并非提升砂粒，与管道水力输送固体物料存在本质区别。

4.2抽出井中沉砂产生的临界流速

抽出井工作时，由于潜水泵的抽液作用，驱使浸出液以一定的流速向上运动。地浸采铀以砂岩型铀矿床为开采实体，因此，浸出液在矿层和抽出井内运动，当具备一定条件时，会卷带细砂粒随液流运动，其中一个条件是Re值足够大；液体在管内运动时，管道中心速度最大，沿管壁速度为0。因此，当Re值足够大，砂粒离开管壁一定的距离时方可随液流一并运动。根据砂粒在液流中的运动规律，当随流体沿轴向上升时也沿径向管道中心迁移，当迁移至轴线位置后，径向速度梯度为0，砂粒仅能沿轴线随流体一并向上运动。综上分析，抽出井中的砂粒随液流上升或沉落于井底取决于临界流速。临界流速与颗粒粒径密切相关，由不同颗粒的临界流计算公式[6]可知，颗粒在液体中的沉降速度与颗粒的阻力系数(CD)直接相关，而CD是Re的函数，根据Re的范围，CD计算公式为[7]

以表2中4个矿床的砂粒分布率为计算依据，由不同颗粒的临界流计算公式[6]，可得出抽出井临界流速为0.088 9 m/s。对于使用4吋潜水泵提升浸出液的抽出井，当抽液量为4～8 m3/h 时，浸出液提升速度为0.086～0.172 m/s。在地浸采铀生产过程中，当抽出井的抽液量大于4.14 m3/h 时，井内砂粒被全部抽出，无沉砂产生。目前，我国生产地浸采铀矿山设计抽出井的抽液量均大于4 m3/h，最高达8 m3/h，并且在实践中基本达到了该指标，意味着抽出井内产生沉砂的可能性极小。

5抽出井沉砂管设置的必要性

抽注过程形成的水力梯度扰乱了原始地下水流场，加速了地下水的流动。由于目前地浸采铀仅限于可渗透砂岩型铀矿床，液流的流动偶尔卷带孔隙内砂粒进入抽出井。正常情况下，进入井内的砂粒在潜水泵的抽吸作用下，会随液流提升至地表；当砂粒过大或井内液体流速过小时，砂粒会沉落，造成沉砂；当潜水泵因故停止运转的瞬间，井内砂粒也会沉落。由于抽出井的临界流速计算得知，仅当抽液量小于4.14 m3/h时方有沉砂产生的可能，并且，潜水泵因故停止运转的瞬间沉落于井底的砂量极小(200 m 深的井以50 mg/L含砂量计算，沉砂128.61 mg)。况且，该类沉砂在潜水泵重新启动后会被抽出。因此，我国地浸采铀抽出井沉砂管设置的必要性令人质疑，其长度也应缩短。从钻孔施工工艺角度分析，因沉砂管段套管与钻孔壁之间的环形空间未封孔，存在非矿层地下水与矿层溶液沟通的隐患。某矿利用物探热测井方法检验浸出剂渗流范围时发现，沉砂管段完全与非矿砂岩层导通，形成浸出剂在砂体中渗流的通道，不但极大浪费了浸出剂，而且造成浸出液铀浓度下降。美国地浸矿山钻孔底端不设置沉砂管，或以0.5 m长的堵头代替，或因利用套管充填砾石工艺的需要在过滤器底端设计1 m长的管路，安装2个反向逆止阀。为探索钻孔沉砂管的必要性，我国曾在矿床酸法试验中有意将沉砂管长度缩短至0.5 m左右，经过数年的运行，并未产生任何问题。

6结论

(1)我国地浸铀矿床均为缓倾斜矿体，为有效控制液流在垂向上均匀浸遍矿体，抽出井宜垂直于地表(矿体)。

(2)地浸采铀的目的是提升液体，深海采矿和管道水力输送物料的目的是提升固体，前者的浸出液可视为清液、单相流，后者物料为浆体、两相流。

(3)生产中地浸采铀井场溶液流动为平面径向流，呈层流状态，但因过水面积急剧减小，压力增大，在抽出井内呈紊流状态。

(4)地浸采铀仅限于砂岩型铀矿床，与深海采矿和管道水力输送物料相比，砂粒粒径较小，90%砂粒直径小于1 mm。

(5)根据地浸铀矿床砂粒的特征和矿山抽出井抽液能力的计算结果，抽出井内不具备产生沉砂的条件。

(6)地浸采铀抽出井可不设置沉砂管或缩短其长度。

参考文献

[1]翟云方.渗流力学[M].北京：石油工业出版社，2003.

[2]王海峰，叶善东.原地浸出采铀工程技术[M].北京：中国原子能出版传媒有限公司，2011.

[3]于萍.工程流体力学[M].北京：科学出版社，2008.

[4]王秀兰.垂直管道大径固体颗粒水力提升摩阻损失的研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2005.

[5]王海峰，谭亚辉，杜运斌，等.原地浸出采铀井场工艺[M].北京：冶金工业出版社，2002.

[6]姜龙，李鹏程，田龙，等.垂直管水力提升临界淤堵流速的实验[J].有色金属，2006，58(1)：82-85.

[7]申炎华，毛纪陵，凌胜.垂直管道固液两相流的最小提升水流速度[J].北京科技大学学报，1999(6)：519-522.

(收稿日期2016-03-23)

王海峰(1948—)，男，研究员，101149 北京市通州区九棵树145号。