某铀煤矿区煤矿排水对地浸铀矿地下水位的影响

2021-08-13雷明信霍晨琛

铀矿冶 2021年3期

雷明信，徐强，霍晨琛

(中核矿业科技集团有限公司，北京 101149)

在今后一定时期内，地浸采铀将是中国铀矿开采的主要技术[1]。当铀矿体位于承压含水层中时，铀矿要实现地浸开采，除了需满足矿体是可渗透的，铀矿物是可溶的，含矿砂体的有害组分及干扰元素含量少，矿体倾角不宜过大(一般<45°)，矿体与含矿砂体的厚度比不能太小(有效厚度比>1∶10)[2-5]这些条件外；还需要在开采时保持矿层以上始终有一定的承压水头。

在煤矿基建过程中，煤矿竖井排水会导致铀矿床地下水位下降。若地下水位下降到地浸所需的最低水位以下，那么地浸采铀将无法进行。因此，需要研究煤矿排水对铀矿床地下水位下降的影响程度，并提出对地浸开采铀矿影响最小的煤矿开采方案。

1 铀煤矿区概况及开发现状

1.1 铀煤矿区概况

铀矿床位于煤矿井田内，铀矿体位于可采煤层之上，平面位置与煤层重叠，垂向距离平均为139 m。主采煤层上部含水层，既是采用地浸方式开采铀矿时所需要的含水层，也是开采煤矿时进行排水与减压疏干的含水层，煤矿主立井距铀矿区边界最近距离仅为3 km(图1)。因此，煤矿开采排水必然会引起铀矿地下水位的下降。

在铀矿床详查过程中，施工了3个水文地质长期观测孔(WN1、WN2、WN3)。在2011年7月5日前，对WN1孔进行了连续1年的观测，发现WN1水位基本没有变化，随后停止了观测工作；但在2013年7月31日对该孔水位重新进行观测时，发现该孔水位比2011年7月5日的水位下降了8.4 m。根据这种情况，对WN1、WN2、WN3观测孔从2013年8月1日至2014年2月12日进行了观测，发现3个观测孔的水位均有明显下降趋势(图2)。

1.2 铀煤矿床开发现状

1.2.1 铀矿床开发现状

目前，在铀矿床现场开展了CO2+O2工艺的地浸条件试验和小规模试生产，试验结果证明该矿床采用地浸法开采是可行的。

1.2.2 煤矿床开发现状

煤矿设计年产1 000万吨。目前，井建工程基本完成。煤矿在开采前，先要进行开拓，开拓巷道标高为+910 m；然后进行试采，以便取得采矿参数进行正式生产，每个开采面宽度为300 m，长度约为3 200 m；正式生产时的首采地段，在开拓巷道南侧有2个开采面。

煤炭设计院在设计时根据开采情况对煤矿涌水量进行了预测，预测结果见表1。

1—地层代号；2—下白垩统含水层；3—第四系含水层；4—中侏罗统直罗组含水层(氧化性含水层)；5—中侏罗统直罗组含水层(还原性含水层)；6—泥岩、粉砂岩；7—煤层；8—角度不整合界线；9—平行不整合界线；10—断层；11—中侏罗统直罗组下段层间氧化带；12—铀矿体；13—下白垩统地下水位；14—地下水流向。图1 矿区水文地质剖面示意图

图2 观测孔中的实测水位变化曲线

表1 煤矿井开采各阶段完全疏干条件下涌水量预测结果

2 矿区水文地质条件

2.1 矿区地下水的分类

矿区地下水分为两类，一类是第四系松散层孔隙潜水；另一类是孔隙-裂隙承压水。第四系松散层孔隙潜水含水层岩性为灰黄色、棕黄色冲洪积砂砾石，残坡积中细砂及风积砂等，在井田内广泛分布；含水层厚度为1.50～7.50 m，地下水位埋深一般为3～5 m。孔隙-裂隙承压水赋存于砂岩中，含水层厚度为143.00～203.00 m(平均为174.20 m)，地下水位埋深为124～204 m，水位标高为1 337.14～1 343.69 m，单位涌水量为0.03～0.20 L/(s·m)，渗透系数为0.015 4～0.232 7 m/d。

中侏罗统砂岩的富水性弱到中等，导水性中等，地下水的补给条件与径流条件均较差，与上覆潜水含水层及大气降水的水力联系较差。孔隙-裂隙承压水层为煤矿开采需要排水的含水层和地浸开采需要利用的含水层。

2.2 矿区地下水的补给、径流和排泄

2.2.1 第四系孔隙潜水

第四系孔隙潜水的主要补给来源为大气降水。本区大气降水量较小且集中，雨季潜水的补给量较大，降水多以径流形式流出区外，降水的一部分渗入地下补给地下水。因此，潜水一般沿沟谷方向向北径流，潜水的排泄方式有径流排泄、人工开采排泄、泉水排泄、蒸发排泄等。

2.2.2 孔隙-裂隙承压水

孔隙-裂隙承压水的主要补给来源为区外承压水的侧向径流补给，其次为上部潜水的越流补给，在沟谷两侧基岩出露处也接受大气降水的垂直渗入补给。承压水一般沿地层走向径流，其排泄以侧向径流排泄为主，其次为打井开采排泄。

3 煤矿开采排水条件下铀矿区地下水位下降预测

3.1 地浸采铀需要的最低承压水头

根据矿石的化学成分，通过室内试验和现场试验验证，该矿床适宜采用CO2+O2浸出工艺。地浸工艺要求矿层以上要有一定的压力才能保证所需要的溶解氧浓度，当压力(承压水头)小于一定值时，加入的O2在未到达抽液井时就会从水中逸出。根据工业试验结果，该铀矿地浸开采时需要的最低溶解氧的浓度为400 mg/L。根据式(1)[6]，地下水的温度取15 ℃，标准大气压p0取0.1 MPa，则溶解氧达到400 mg/L时至少需要1 MPa以上(承压水头约100 m)的压力。

(1)

式中：H—绝对水柱，m；T—温度，℃；Q—氧气溶解量，mg/L。

目前铀矿含矿含水层承压水头为150～180 m，当地下水位下降超过50 m时，在抽注状态下承压水头将小于1 MPa，所加的O2就会从地下水中逸出。这将对地浸开采铀产生影响：1)降低浸出强度，影响浸出效率，使浸出液铀质量浓度达不到开采要求；2)大量逸出的O2在含矿含水层中形成气堵，影响抽注运行；3)在抽液时，逸出的O2会使潜水泵产生气蚀，影响潜水泵正常工作。因此，当水位下降超过50 m时，地下水中的氧气浓度为369.4～476.1 mg/L，将严重影响地浸采铀的浸出效果。

3.2 解析法预测

3.2.1 计算原理

根据对收集到的资料的分析，煤矿竖井在处理事故期间，总排水量为55万m3，平均排水量为150 m3/h。在预测时，参数确定和公式选择均采用观测孔资料。

采用非稳定流解析法进行预测[7]，公式为

(2)

式中：s—离抽水井r处任意时间t(从抽水开始算起)的水位降深，m；T—含水层导水系数，m2/d，T=KM(K—渗透系数，m/d；M—含水层厚度，m)；a—导压系数，m2/d；r—预测点与放水点的距离，m；t—预测时间，d；t0—水位降深为0时的时间起点，利用WB7孔不同时间的水位降深，采用图解法确定，得t0=7.816 d。

3.2.2 渗透系数确定

由于缺乏抽水初期水位观测资料，因此采用稳定流公式计算渗透系数。考虑到预测资料较多，渗透系数计算采用有2个观测孔资料的稳定流公式[8]

(3)

式中：K—渗透系数，m/d；Q—抽水井流量，m3/h；r1、r2—观测孔孔径，m；s1、s2—观测孔水位降深，m。

以竖井为中心，在北西、南东和正东方向上选择8组观测孔的水位动态观测数据计算渗透系数(图3)。

1—铀矿区；2—铀矿观测孔；3—煤矿竖井；4—煤矿观测孔。图3 煤矿竖井及地下水位观测孔分布图

计算时取排水量为150 m3/h，含矿含水层平均厚度为138 m，以各组渗透系数的平均值作为预测的渗透系数，结果见表2。可以看出，由位于竖井正东侧的WN1及WB7孔计算的渗透系数最大，为0.509 7 m/d。而铀矿正是位于竖井正东侧，因此煤矿排水对铀矿采用地浸方式开采影响最大。

表2 渗透系数计算结果

3.2.3 预测方法验证

利用公式(3)对3个不同方向的钻孔水位降深进行了预测，预测采用2013年7月2日至2013年12月15日的数据，预测结果与实际测量结果见表3。可以看出，有一个钻孔的预测误差为62.36%，其他5个孔的误差在26%以下，总体来看，公式的符合性较好，可以采用该公式进行初步预测。

3.2.4 预测结果

根据煤矿排水计划，按不同时间段对WN1孔的水位降深进行了预测，结果见表4。可以看出，到煤矿排水第2年时，水位下降已超过60 m，将无法采用地浸工艺高效开采铀矿。

3.3 数值模拟预测

为了比较准确地预测煤矿生产排水对铀矿地下水位的影响，采用VISUAL MODFLOW数值模拟软件对铀矿地下水位的下降进行了预测。

预测范围长34 km、宽26 km，按照矩形网格剖分。水平方向上剖分为200 m×200 m的网格，垂直方向上剖分为4层，在铀矿床位置对网格进行加密处理。

在模型预测之前，为了验证模型与实际的符合性，采用WB6、WN1钻孔的水位观测资料对模型进行了识别和验证。验证结果表明，拟合效果很好，模型预测结果与实际观测结果的趋势一致；在置信度为95%时，水位计算值与观测值吻合较好(图4)。

表3 降深预测结果与实际测量结果对比

表4 根据煤矿排水预测WN1地下水位下降情况

图4 WN1及WB6观测孔地下水位拟合图

根据地下水统计调查资料的详实程度和2015年得到的资料，结合煤矿开采设计，到2031年排水量将达到峰值。为合理模拟最大排水量对铀矿开采的影响，选择模拟预测周期为2013—2031年，共计6 752 d。

预测时，以煤矿主立井为东侧开采边界，将煤矿开采方案分为从东部到西部、从中部到西部和从西部到东部3种方案，按煤矿预计的排水量进行预测。3种方案下，煤矿开采第1年的地下水流场如图5～7所示，预测结果见表5。

图5 煤矿从东部向西部开采时地下水流场

图6 煤矿从中部向西部开采时地下水流场

图7 煤矿从西部向东部开采时地下水流场

表5 煤矿不同开采顺序下铀矿WN1孔预测水位比较

由表5可知，在煤矿开采的前9年中，从西部往东部开采时地下水位下降最慢，对铀矿范围地下水影响最小；但到第10年以后，随着降落漏斗向东扩展，影响逐渐增大。

因铀矿平面位置与煤层重叠，垂向距离平均为139 m，若煤矿采用从西部往东部的开采顺序，至第18年时总降深达177 m，铀矿床的部分采区已开始进入疏干状态；若煤矿采用从东部往西部的开采顺序，第3年开始，铀矿床将开始逐渐进入疏干状态；而若煤矿采用从中部往西部的开采顺序，开始阶段对铀矿开采的影响较大，随着降落漏斗向西偏移，其影响逐渐变小，即使到第18年，铀矿床也不会达到疏干状态。