鄂尔多斯盆地铀煤共采研究：塔然高勒煤矿与纳岭沟铀矿共同开发研究
徐强;雷明信
【摘 要】鄂尔多斯地区赋存大量的铀煤共生矿床.塔然高勒煤矿和纳岭沟铀矿为典型,煤矿开采地下水位要求低于1060 m,而铀矿开采需要地下水位在1340 m以上.为解决这一矛盾,运用三维数值模拟技术,对矿区地下水进行了模拟,并首次运用水力帷幕,确定了水力帷幕的主要参数.运用数值模型对该方案进行了验证,证明运用水力帷幕可以保证水位维持在1340 m.解决铀煤共采的难题,为鄂尔多斯地区以及其他地区的铀煤共生矿床开发提供了解决方案.
【期刊名称】《中国矿业》
【年(卷),期】2018(027)0z2
【总页数】5页(P103-107)
【关键词】铀煤共生;地下水;水位;数值模拟;矿床
【作 者】徐强;雷明信东京辽阳府
【作者单位】中核第四研究设计工程有限公司 ,河北石家庄050021;中核第四研究设计工程有限公司 ,河北石家庄050021
【正文语种】中 文
【中图分类】TD82;TD868
0 引 言
纳岭沟铀矿位于神华杭锦能源集团所属塔然高勒煤矿井田内(图1和图2)，西距大营铀矿约25 km，其下伏为著名神府-东胜煤田。铀矿体空间上位于可采煤层之上，平面位置与煤层重叠，垂向距离平均139 m，主采3-1煤层上部间接充水含水层正是纳岭沟铀矿的含矿含水层，也是塔然高勒煤矿开采进行矿山排水与减压疏干含水层。因而，由于矿山排水产生的水位大幅下降必然会引起纳岭沟铀矿区乃至大营铀矿区地下水位的下降。
时间安排1 煤矿与铀矿开发现状
1.1 纳岭沟铀矿地浸试验
自2011年10月至今，在现场开展了CO2+O2工艺的地浸条件试验和扩大试验，证明该矿床采用CO2+O2原地浸出方法开采是可行的。
1.2 塔然高勒煤矿开发
神华集团塔然高勒煤矿设计年产规模1 000万t。目前，井建工程基本完成，正在开拓西翼的两个采区，预计在2015年下半年投产。
图1 铀矿与煤矿水平位置图
图2 铀矿与煤矿垂向位置图
2 矿床水文地质条件
2.1 矿床地下水分类
中侏罗统地下水承压水头自东向西自北向南往盆地腹地由低变高，纳岭沟WN1水文孔承压水头169.55 m，东部皂火壕地区为14.06～53.10 m，新庙壕B87号勘探线承压水头高度可达260 m。水位埋深纳岭沟为109.45 m，皂火壕地区为23.70～101.00 m，新庙壕地段为2
0.86 m。
2.1.1 含水层
1) 第四系(Q)松散层潜水含水层。岩性为灰黄色、棕黄色冲洪积砂砾石残坡积中细砂(Q3+4)，风积砂等，在井田内广泛分布。冲洪积物主要分布在沟谷河床及阶地上，地下水量较为丰富，构成松散层潜水的主要含水层；残坡积物与风积砂主要分布在山梁坡地及沟谷两侧，仅局部地段含水。含水层厚度1.50～7.50 m，地下水位埋深为1.30～8.50 m，一般埋深为3～5 m左右，水井涌水量Q=0.010～1.300 L/s。
2) 白垩系下统志丹群(K1zh)孔隙潜水-承压水含水层。岩性为灰绿色、深红色各种粒级的砂岩、砂砾岩及砾岩，夹砂质泥岩。在地表沟谷两侧广泛出露，主要出露在陡峭沟谷两侧及山坡之上与冲沟之中。
3) 侏罗系中统-侏罗系中下统延安组(J1-2y)裂隙孔隙承压含水层。侏罗系中统(J2)岩性为浅黄色、青灰色中粗粒砂岩、含砾粗粒砂岩，紫红色、杂色粉砂岩及泥岩与砂质泥岩，在井田内分布广泛，厚度巨大且稳定。侏罗系中统(J2)含水层与侏罗系中下统延安组(J1-2y)岩
性主要为浅灰色、灰白色中粗粒砂岩、灰色、深灰色砂质泥岩，次为细粒砂岩、粉砂岩等，含煤层，全区赋存，分布广泛。
含水层厚度为143～203 m，平均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q=0.03～0.2 L/s·m，渗透系数K=0.0154～0.2327 m/d；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。该含水层段为井田的直接充水含水层和主要充水含水层[1-7]。
寒燕儿2.1.2 隔水层
1) 侏罗系中下统顶部隔水层。位于白垩系底界以下至侏罗系中下统顶段，相当于区域地层中的安定组，总体沉积面貌由顶底界及中部三段紫红色泥岩、砂质泥岩夹两段中粗粒砂岩构成；厚度67.7～153.2 m，平均123.05 m。
2) 侏罗系中下统延安组(J1-2y)顶部隔水层。位于延安组顶部2煤组顶板以上，岩性主要由灰色泥岩、砂质泥岩等组成，隔水层厚度0.40～6.10 m，平均4.09 m，一般小于5 m，由
于受后期的风化剥蚀，隔水层的厚度不稳定，分布也不连续，存在很多透水天窗，隔水性能较差，只起局部隔水作用。
3) 侏罗系中下统延安组底部隔水层。位于6煤组底部，岩性以深灰色砂质泥岩为主，隔水层厚度0.90～13.89 m，平均7.85 m，地层比较稳定，隔水性能较好[8-11]。
3 煤矿排水对铀矿地浸开采影响及水位下降计算
3.1 煤矿开采排水对铀矿地浸开采的影响
纳岭沟砂岩型铀矿只能采用地浸方式开采，根据矿石的化学成份，通过室内实验和现场试验验证，该矿床适宜采用CO2+O2浸出工艺。O2的溶解度受地下水的水温和压力影响，针对地浸工艺而言，就是要求钻孔地下水要有一定的承压水头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，纳岭沟铀矿地浸开采时需要溶解氧的浓度为400～800 mg/L，至少需要1 MPa(承压水头100 m)压力才可以保证地下水中的溶解氧大于400 mg/L，才能实现地浸法开采[12-16]。
目前，铀矿含矿含水层水头在150～180 m之间，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就会从地下水中溢出，将对地浸开发产生三方面的影响：一是降低浸出强度，影响浸出效率，使浸出液铀含量达不到开采要求；二是大量逸出的O2在含矿含水层中形成气堵，影响抽注运行；三是在抽液时，逸出的O2会使潜水泵产生气蚀，影响潜水泵正常工作。因此，当水位降低超过50 m时，将无法采用地浸法开采纳岭沟铀矿，使该铀矿成为无法开采的呆矿[17-18]。
3.2 煤矿开采水位下降计算
3.2.1 解析法预测
预测时采用非稳定流的直线图解法进行预测。预测结果见表1。
表1 预测WN1孔地下水位下降结果时间/a按正常涌水量计算按最大涌水量计算正常涌水量/(m3/h)降深/m最大涌水量/(m3/d)降深/m124635.15 29542.15237763.91 45376.77345285.86 542102.995590123.18 709147.9410740179.82 888215.8916872234.74 1 046281.66
3.2.2 数值法预测
在查清矿床水文地质条件的基础上，运用数值模拟软件Visual-modflow软件建立矿床地下水数值模型(图3)，并对矿床所建立的模型进行识别和验证。
运用模型进行地下水水位下降模拟和计算，对煤矿开采时水位下降情况进行预测(图4)。预测结果表明随着煤矿的开采，地下水会逐年下降。
图3 三维模型剖视图
图4 煤矿开采过程中地下水水位预测
由于煤矿在开采18 a后年开采量不再变化，而且铀矿计划15 a内完成生产并实施退役，故仅计算18 a内的水位下降情况。
4 防止地下水下降方案
4.1 防止地下水下降方案的选择
根据纳岭沟铀矿和塔然高勒煤矿的具体情况，对国内外防治水方法进行研究的基础上提出了水力帷幕法用来保证铀矿水位，这在国内铀煤共采工程中尚属首例。
4.2 水力帷幕工程参数
根据煤矿每年排水量的变化计算得到年排水量见表2。
表2 不同年份每小时需注入水量开采年数每小时注入水量/(m3/h)16102630367057301079016900
根据注入水量要求，布置工程方案按照900 m3/h，在注入水量需要较小时，仅使用相应数量的井。抽注水孔布置见图5。
图5 抽注液孔布置示意图
抽液孔根据现场试验数据及计算结果，单孔抽液量为20 m3/h按照抽液量需要计算得到为48个。抽液孔间距，考虑到群孔抽水的影响和总体抽液量较大，故将间距定为1 200 m。注液孔根据现场试验数据及计算结果，单孔注液量为10 m3/h，注液孔为45个。
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5 防治水方案采取前后防治水效果预测
在确定了使用水力帷幕方法后，在模型上按照工程需要，在模型上布置了相应的抽注液孔。在模型中对抽注液井进行实际验证后水位见图6。
图6 采取工程措施后等水位线图品牌授权书模板
从图6可以看出工程效果比较好，在铀矿区水位能够维持在1 340 m左右。
6 结 论
1) 矿床的主要充水因素是构造裂隙水，特别是F2、F1及F25三条构造裂隙带对矿床开采影响最大，因此，防治构造裂隙水是减小矿坑涌水量关键。
梦见蛇咬自己的脚2) 经过对三个防治水方案进行技术经济比较，工作面预注浆是可行的方案。
3) 防治水方案实施后，平均涌水量和最大涌水量下降了60%～75%，防治水效果显著。
参考文献
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