某地浸铀矿山开采条件下地下水流场特征分析

霍晨琛，肖诗伟，陈 帅，王新锐，赵凯培

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

地下水流场对地浸采铀浸出效率、溶质运移和地下水环境保护具有重要意义。基于地浸采铀的地下水流场分布特征，可以模拟铀浓度范围[1]、确定采区合理抽注比[2-3]和提高铀矿山资源利用率及优化钻孔结构设计等[4]。地下水位是反映地下水流场的重要指标，地下水位动态变化是气象和人为因素对地下水系统作用的综合反映[5]。

中国铀矿山通过布置监测井，进行含水层地下水状态监测。目前，地浸铀矿山监测井通常布置在井场内的上下含水层和井场外围的含矿含水层中[6-7]，而对井场抽液井地下水位动态变化监测较少。实际上，抽液井的地下水位变化会直接影响矿山生产，增大抽液井内水位降深可显著提高钻孔涌水量[8]；若抽液井内动水位太低，超出了潜水泵下潜深度，则会出现潜水泵抽空、绝缘烧损等问题[9]。

根据地下水位降深、抽注液量和矿山水文地质条件，可得出开采条件下的导水系数分布规律[10]，对井场布置具有一定的指导意义。笔者以某地浸铀矿山为研究对象，对抽液井进行开采条件下的动水位监测，分析抽液井地下水位变化特征，阐明地下水位变化的控制因素；同时建立矿山地下水流数值模型，揭示矿山地下水流场分布特征，为该矿山开采过程中抽注液量调整和提高资源回收率提供依据。

1 研究概况

矿床位于二连盆地马尼特坳陷西部，矿区范围内自下而上揭露有下白垩统下段(K1s1)、赛汉组上段(K1s2)、古近系伊尔丁曼哈组(E2y)、第四系(Q)。其中，赛汉组上段(K1s2)为矿床含矿含水层，岩性为砂岩、砂质砾岩夹泥岩和粉砂质泥岩，厚度30～100 m，呈单一厚层状，分布稳定连续。含矿含水层具有地下水位埋深浅、承压性较强、富水性、渗透性良好的特点，静水位埋深18.99～26.02 m，承压水头40.01～71.48 m，单孔涌水量135.60～467.32 m3/d，渗透系数2.9～13.2 m/d[11]。

矿床地下水主要接受北东邻区地下水的侧向补给，以及北西和南东的侧向微弱补给。地下水总体从北东向南西缓慢径流，排泄于矿床南西部。含矿含水层的上部分布有5～20 m厚的泥岩隔水层，下部分布有5～15 m厚度的泥岩、粉砂质泥岩夹褐煤隔水层，具有稳定连续的泥-砂-泥地层结构，含矿含水层与其他含水层无水力联系。

2 抽液井动水位变化特征

2.1 监测方案

选取C9采区进行抽液井动水位监测，水位监测点布置如图1所示。C9采区采用酸法地浸采铀工艺，注入的酸性浸出剂使地下水pH降低，因此在进行地下水监测时选择耐酸水位计。为尽量不影响矿山正常生产开采，选择具有自动采集且能存储高密高频监测数据的地下水水位自动监测系统。

图1 C9采区水位观测点布置图Fig.1 Layout of water level observation points in C9 mining area

研究采用英国Impress-Sensor IMCL-G4000防酸水位计，水位计由数据采集端、水位监测探头和电缆组成，精度<±0.25%FS，响应时间10 ms，工作温度-20～+60 ℃，直径25 mm，长150 mm。

2.2 结果分析

各抽液井原始地下水位埋深见表1。根据地下水位监测数据和抽液井抽液量，绘制抽液井地下水水位埋深-抽液量综合动态曲线，如图2所示。

表1 抽液井原始地下水位埋深Table 1 Initial groundwater depth of pumping holes

图2 抽液井地下水位埋深-抽液量综合动态曲线Fig.2 Comprehensive dynamic curve of underground depth and pumping volume of pumping wells

从图2看出：1)水位变幅不均。在采区开采过程中，抽液井含矿含水层水位较初始水位发生了明显变化，各抽液井水位均有下降。受含水层水文地质条件非均匀性、补给条件，以及抽液量等影响，4个抽液井水位下降幅度不同，水位下降幅度为6.7～26.6 m。其中，KC8638地下水位埋深较大，在生产过程中要注意调整潜水泵位置，避免出现潜水泵抽空烧毁等问题。2)水位波动受抽液量影响明显。各抽液井水位曲线均随抽液量呈现多个峰谷形态。各抽液井水位埋深整体趋势随抽液量增加而增加，随抽液量减小而减小；若抽液量出现大幅下降，则地下水位埋深也随之骤降；抽液量较为稳定时，对地下水位扰动较小。

将各抽液井水位埋深和抽液量进行Pearson相关分析[12](表2)。Pearson相关系数大小体现相关关系的强弱，当相关系数的绝对值大于0.5时，相关关系较强。从表2看出，各抽液井水位埋深与抽液量均在0.01水平上显著正相关。

表2 各抽液井地下水位埋深和抽液量相关分析Fig.2 Correlation analysis between groundwater depth and pumping volume of pumping wells

3 地下水流场变化特征

3.1 地下水流数值模型

3.1.1 模拟范围及边界条件

结合地浸采铀工程分布与矿床附近区域地下水流场分布，最终圈定的模拟范围如图3所示，面积为86.06 km2。以948 m和936 m等水头线为东北和南西部边界，设置为通用水头边界，两侧分别延伸3 km和7 km；西侧边界设置为流量边界；东侧边界的北部平行于地下水流向，设置为隔水边界；南部设置为流量边界。

空间上，采用分别平行于x、y轴的2组正交网格对模拟区进行平面上的剖分，每个网格大小为50 m×50 m；在井场范围对网格进行加密处理，加密区网格大小为5 m×5 m。加密区网格可以反映抽注液井的位置，相邻抽注液井之间有多个网格分隔，避免因网格剖分造成抽注井流量发生抵消。将整个模拟区在平面上沿南北向剖分为676行，沿东西向剖分为781列。

图3 模拟范围与边界条件示意图Fig.3 Schematic diagram of simulation range and boundary conditions

3.1.2 含矿含水层结构特征

本模型模拟层位为赛汉组上段含矿含水层，根据模拟区内勘探孔和水文地质孔岩性编录数据，结合地质、水文地质及地形地貌等资料，利用Kring方法空间插值，获得含矿含水层顶底板高程数值模型(图4)。含矿含水层底板高程767～890 m，顶板高程851～921 m，含水层厚度为30～100 m。整体上，模拟区倾向北东方向，含水层南西向北东渐次增厚，矿床集中处于古河谷核部，高程相对较低。

图4 模拟区含矿含水层(赛汉组上段)顶底面数值高程模型Fig.4 Numerical elevation model of top and bottom surface of ore bearing aquifer (K1s2) in simulation area

3.1.3 源汇项

模拟区含矿含水层上下部均具有稳定连续的隔水层，模拟区内源汇项主要是矿床开采的抽液和注液，目前矿床开采的采区为C1～C9采区，共有685眼生产井，其中注液井404眼，抽液井281眼。本次数值模型选取2016年7月1日至2020年5月18日作为识别验证期，以自然月为应力期，统计每眼井在每个应力期的平均日流量；根据实际开采进度，对各采区井场赋值抽注液量作为源汇项。

3.1.4 数学模型

根据上述水文地质概念模型，建立如下数学模型：

式中：H0为初始水头，m；Kx、Ky、Kz分别为渗透系数在x、y、z方向的分量，m/d；h为含水层水头，m；Ss为弹性释水率，1/m；H1为第一类边界水位标高，m；Г1为一类边界；q为第二类边界上的单宽渗流量，m3/d；n为二类边界外法线方向的单位向量；Г2为二类边界；T为含水层导水系数，m2/d；Ω为模拟区范围。此处一类边界条件对应948 m和936 m等水头线边界，二类边界条件对应设定的流量边界。

3.2 地下水流场模拟结果分析

3.2.1 模型识别

结合矿床详查和勘探阶段区域流场分布，确定模拟区天然条件下初始流场，反映矿床投产前水头分布的初始状态。根据矿山勘查阶段所获取的水文地质参数，结合富水性进行赋值，含矿含水层渗透系数为3～10 m/d，孔隙度为0.3，弹性释水率为1×10-5(1/m)。

在使用Visual Modflow软件对模型进行求解时，大量试算表明WHS求解器对本模型有较好的适应性。在计算过程中，设定外部迭代最大次数为5 000，内部迭代最大次数为2 500，水位变化收敛标准为0.01 m，残差收敛标准为0.001 m，阻尼系数为0.8。

为保证建立的数值模型尽可能反映实际的水文地质条件，需要对模型进行识别和验证，校正其方程、参数及边界条件等。首先使用模型模拟井场开采前地下水流场，结果如图5所示。可以看出，计算初始流场与实测流场分布基本一致。利用矿床不同时间的实测水位数据对模型进行识别与验证，结果如图6所示。可以看出，模型计算水位与同时期实测水位拟合效果较好，模型可用来模拟矿山开采条件下地下水流场动态变化特征。

图5 计算初始流场与实测流场对比(红色为计算流场，蓝色为实测流场)Fig.5 Comparison between calculated initial flow field and measured flow field (Red is the calculated flow field and blue is the measured flow field)

图6 监测井水位拟合对比Fig.6 Fitting comparison of groundwater level of monitoring wells

3.2.2 流场分析

在矿床现状开采条件下，应用地下水流数值模型分别输出矿山不同时间区域地下水流场等值线图(图7)。可以看出，在矿山开采初期，采区面积小，抽注液井的抽注活动仅引起采区及周围一定范围内的水位波动，对采区外围地下水位影响较小。2017年11月开始，C6、C7采区陆续进行生产，开采面积逐渐扩大，由于井场抽注液量变化引起的地下波动范围也逐渐增大，其中采区下游地下水流场受到的影响较大，地下水流场发生较大变化。2019年11月开始，C8和C9采区也逐步进行生产，区域水位波动范围均进一步扩大，在C8和C9采区形成了降落漏斗。由于采区分布不是完全连续的，在模拟期末，区域地下水流场形成了分别以C1～C7-1和C8～C9井场为中心的2个降落漏斗。

图7 区域地下水流场图Fig.7 Regional groundwater flow field

为了进一步分析采区内部地下水流场分布特征，根据地下水流数值模拟结果绘制了井场附近地下水三维流场图(图8)。可以看出，在地浸开采活动的作用下，采区内地下水流场与开采活动进行前明显不同，采区内形成了强烈的地浸渗流场，改变了原地下水流场。生产采区内的地下水流场在抽注液井附近，形成多个封闭的凹陷和凸起。凸起代表注液井，凹陷代表抽液井，溶浸液从凸起区(注液井部位)向凹陷区(抽液井部位)运移。从采区整体来看，由于总抽液量大于注液量，地下水等水位线形成了以C1～C7-1和C8～C9采区为中心的盆地状态。

图8 井场范围内地下水流场三维形态平面图Fig.8 Three dimensional shape plan of groundwater flow field within the well site

4 结论与建议

对抽液井进行地下水位监测能直观反映地下水位局部变化，开采条件下的抽液井地下水位低于初始水位。各抽液井地下水位埋深变化具有差异性，地下水位埋深动态变化规律与各孔抽液量变化趋势基本一致。地下水位埋深与抽液量显著正相关。

地浸铀矿山受采区分布和采区地下水抽注活动的影响，含矿含水层区域地下水流场与地浸活动开始前相比发生了较大变化，在井场及其周围一定范围内形成了明显的降落漏斗。采区内部地下水流场变化较为强烈，以注液井为中心形成高液压区，以抽液井为中心形成低液压区。

建议在矿山开采前、试验阶段及生产阶段开展抽液井长期水位监测，从而为抽液量调整、潜水泵调整以及精细化刻画含矿含水层非均匀性提供指导。