CN112443304A - 地浸开采用爆破增渗法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种地浸开采用爆破增渗法，属于铀矿开采技术领域。地浸开采用爆破增渗法包括施工准备、开设竖直井、开设水平井并布置炸药和爆炸增渗。本发明提供的地浸开采用爆破增渗法，通过在赋矿岩层中设置水平井并在水平井中布设药包，相对于水力(高能气体)压裂技术、复合射孔技术等常用增渗方法，能够使赋矿岩层产生大量连通的微小裂隙网以形成缝网体系，提高了透赋矿岩层的渗透性；并且水平井爆破产生的增渗效果远远大于多条传统的竖直井爆破增渗效果，节省了大量的人力物力。
Description
技术领域
本发明属于铀矿开采技术领域，更具体地说，是涉及一种地浸开采用爆破增渗法。
背景技术
天然铀是核电“粮仓”、核军工“基石”，天然铀产量缺口巨大，加大天然铀开发力度、提升天然铀自给率是我国当前面临的重大需求和挑战。
砂岩型铀矿是我国最主要的铀资源类型(约占铀资源总量的43％，占第一位)，其首选的开采方式是原地浸出工艺(简称“地浸”)，即通过注入溶浸液从天然埋藏条件下的矿石中有选择的浸出有用成分并抽取反应生产化合物的采矿方法，这就是地浸采矿。采用地浸开采工艺的基本要求和关键控制因素是赋矿岩层具有一定程度的渗透性，而我国目前探测的砂岩铀矿层渗透性普遍偏低，低渗透资源占砂岩铀资源的70％以上(渗透性系数<0.1m/d，即低渗透性；渗透性系数在0.1～1m/d，即弱渗透性；渗透性系数在1.0～10m/d，即最优渗透性；渗透性系数>10m/d，即强渗透性)，铀储层的低渗透性已经造成了“难注、难抽、高成本、低采收”等诸多突出矛盾，严重阻碍了此类资源的开发利用，因此，如何有效提高铀储层的渗透性成为当前开采此类资源面临的关键难题。
根据地浸开采的工艺要求，铀储层渗透性提升过程中不能产生具有显著几何尺寸的长大裂隙，以免出现溶浸液的优势流，造成地浸开采失败，因此无法利用水力(高能气体)压裂技术、复合射孔技术等常用增渗方法，而一般的在竖直井中布置药包的爆破增渗方法虽然能产生网状裂纹体系，但是由于爆炸裂隙的扩散半径有限，要想贯通整个赋矿岩层的渗透性，便需要在赋矿岩层覆盖区域上方挖掘大量的竖直井，这显然将浪费大量的人力物力，不利于项目的实施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地浸开采用爆破增渗法，旨在解决现有砂岩铀矿在开采时存在的低渗透性的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种地浸开采用爆破增渗法，包括以下步骤，
施工准备：获取赋矿岩层的地质信息，并依据所述赋矿岩层的地质信息确定竖直井和水平井的预设位置；
开设竖直井：所述竖直井自砂岩矿床的覆盖岩层一直开通至所述赋矿岩层；
开设水平井并布置炸药：在所述赋矿岩层中，以所述竖直井为起始端、且以所述赋矿岩层的边缘位置为终端钻取水平井，并在所述水平井内安置药包；
爆炸增渗：引爆所述药包，以使所述赋矿岩层形成裂隙。
进一步地，所述“并在所述水平井内安置药包”采用钻杆顶推装药的方式进行药包的放置。
进一步地，所述“并在所述水平井内安置药包”采用不耦合装药的药包安装形式以及间隔装药的药包安装结构形式，相邻所述药包之间填充炮泥。
进一步地，所述不耦合装药的药包安装形式的不耦合系数k范围为1.5-3。
进一步地，相邻所述药包之间的间隔L的取值范围为1/2H-3/4H，其中，H为所述赋矿岩层的等效厚度。
进一步地，相邻所述药包之间的间隔L的取值为2/3H，其中，H为所述赋矿岩层的等效厚度。
进一步地，所述“引爆所述药包，以使所述赋矿岩层形成裂隙”包括：
自该层所述水平井的起始端向所述水平井的终端方向进行微差爆破。
进一步地，所述自该层所述水平井的起始端向所述水平井的终端方向进行微差爆破的微差爆破时间范围为25ms-50ms。
本发明提供的地浸开采用爆破增渗法的有益效果在于，通过在赋矿岩层中设置水平井并在水平井中布设药包，相对于水力(高能气体)压裂技术、复合射孔技术等常用增渗方法，能够使赋矿岩层产生大量连通的微小裂隙网以形成缝网体系，提高了透赋矿岩层的渗透性；并且水平井爆破产生的增渗效果远远大于多条传统的竖直井爆破增渗效果，节省了大量的人力物力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。
图1为本发明实施例提供的地浸开采用爆破增渗法的流程示意图；
图2为应用本发明实施例提供的地浸开采用爆破增渗法时的施工过程的剖面原理图。
图中：1、竖直井；2、钻杆；3、赋矿岩层；4、水平井；5、覆盖岩层；6、上顶板岩层；7、药包；8、下底板岩层。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参见图1至图2，现对本发明提供的一种地浸开采用爆破增渗法进行说明。图1示出了本发明的一个实施例提供的一种地浸开采用爆破增渗法的实现流程，其过程详述如下：
在步骤S100中，进行施工准备操作，施工准备主要包括地质勘探(确定多层砂岩矿床的地表范围等)，以获取赋矿岩层的地质信息，并依据赋矿岩层3的地质信息确定(之后步骤中需要开设的)竖直井1和水平井4的预设位置。当然，地质勘探获取的地质信息还应该包括取样测定岩心孔隙率、渗透性、抗拉强度、铀含量及其他矿物成分与含量等信息(以衡量矿层进行爆破增渗的必要性、预估装药量等)。
在步骤S200中，进行开设竖直井操作，竖直井1自砂岩矿床的覆盖岩层5(即从地表开始)沿着竖直方向开通至赋矿岩层3。当然竖直井1未必是要沿着厚度方向贯穿整个赋矿岩层3，竖直井1的下端位置主要与水平井4在赋矿岩层3内的设置位置有关。
在步骤S300中，进行开设水平井和布置炸药的作业。在赋矿岩层3中，以竖直井1为起始端、且以赋矿岩层3的边缘位置为终端钻取水平井4，并在水平井4内安置药包7。没有竖直井1就无法直接开设水平井4，所以水平井4的开设必须以竖直井1为起始端，而延伸至赋矿岩层3的边缘的水平井4可以尽可能地扩大水平井4在赋矿岩层3中的蔓延范围。当然，水平井4的走向必然是与赋矿岩层3的地质走向是一致的，例如赋矿岩层3若是基本水平的，那么水平井4也就是水平设置的。
在步骤S400中，进行爆炸增渗的操作。引爆安装在赋矿岩层3中的药包7，以使所述赋矿岩层形成裂隙。完成增渗的操作，就可以着手进行后续的地浸开采操作。
这里需要理解的是，赋矿岩层3不一定只有一个水平井4，因为赋矿岩层3在水平面上投影范围实际是一个二维区域，所以一个水平井4可能无法满足赋矿岩层3的增渗目的，所以在赋矿岩层3可能会开设3-6个以赋矿岩层3的中心位置为中心的呈放射状分布的水平井4组合。
在本实施例中，针对性的在赋矿岩层3的水平井4中布置药包7，且设置于赋矿岩层3中的水平井4为岩层中裂隙的产生提供了有效的扩散空间，也使爆炸的能量得到了充分的利用，通过引爆药包7使赋矿岩层3产生大量连通的微小裂隙网形成缝网体系，避免了长大裂隙优势流的产生，很大程度上提高了低渗透赋矿岩层3的渗透性，在地浸开采过程中有效的增加了溶浸液与富矿岩层中有用成分的接触面积，提高了深部资源的开采利用率。
从上述实施例可知，本发明实施例提供的地浸开采用爆破增渗法，通过在赋矿岩层中设置水平井并在水平井中布设药包，相对于水力(高能气体)压裂技术、复合射孔技术等常用增渗方法，能够使赋矿岩层产生大量连通的微小裂隙网以形成缝网体系，提高了透赋矿岩层的渗透性；并且水平井爆破产生的增渗效果远远大于多条传统的竖直井爆破增渗效果，节省了大量的人力物力。
请参见图2，作为本发明提供的地浸开采用爆破增渗法的一个具体实施例，水平井4大体设置在赋矿岩层3厚度方向的中间位置，也就是说竖直井1的下端也是延伸到赋矿岩层3厚度方向上的中间位置，然后从竖直井1的下端直接进行水平井4的开设。
请参见图2，作为本发明提供的地浸开采用爆破增渗法的一个具体实施例，步骤S300开设水平井并布置炸药中“并在水平井4内安置药包7”具体采用钻杆顶推装药的方式放置药包7。事实上，竖直井1和水平井4的钻孔也可以通过钻杆2完成。钻杆顶推装药的方法为现有技术，在此不再赘述。
作为本发明提供的地浸开采用爆破增渗法的一个具体实施例，步骤S300开设水平井并布置炸药中的“并在水平井4内安置药包7”采用不耦合装药的药包安装形式，同时也采用间隔装药的药包安装结构形式。不耦合装药能有效地降低爆生气体的逃逸速度,能大幅度地降低爆炸作用在水平井4壁上的初压和最高压,减小炮孔周围的粉碎区，降低压力的衰减速度,使压力曲线变得平缓,也就是降低了炸药爆炸的冲击作用。相应地提高了静压作用的比例。相邻药包7之间通过钻杆顶推方式来填充炮泥，以增加爆炸应力波的横向传播强度。
作为本发明提供的地浸开采用爆破增渗法的一个具体实施例，不耦合装药的药包安装形式的不耦合系数k范围为1.5-3。
请参见图2，作为本发明提供的地浸开采用爆破增渗法的一个具体实施例，相邻药包7之间的间隔L的取值范围为1/2H-3/4H，其中，H为赋矿岩层3的等效厚度(由于赋矿岩层3各个地点的厚度可能不尽相同，所以这里采用赋矿岩层3的等效厚度)。通过模拟验证，相邻药包7之间的间隔L的取值范围为1/2H-3/4H时，两药包7之间的的裂纹贯通相对良好。
请参见图2，作为本发明提供的地浸开采用爆破增渗法的一个具体实施例，相邻药包7之间的间隔L的取值为2/3H，其中，H为赋矿岩层3的等效厚度。
爆炸荷载随传播距离的增加而衰减，根据已有的研究成果，可推导出当应力波传播到某点时，其应变峰值为
式(1)中，ρ1为炸药的密度；D为炸药的爆速；
为炮孔半径与药包半径的比值；n为炮轰产物碰撞炮孔壁时的压力增大系数，一般n＝8～11；E为赋矿岩层岩石的弹性模量；
为某点距爆破孔的距离与炮孔半径的比值；α为应力波衰减系数，
μ为赋矿岩层岩石的泊松比。
通过对现场岩样的实验研究得到应变ε与裂纹密度表征的损伤变量Dc之间的函数关系为：
Dc＝exp(-21.50+3352.69ε-128968.32ε2) (2)
式(2)中，Dc为赋矿岩层砂岩的损伤变量，ε为砂岩在冲击荷载作用下的应变。
以松辽盆地钱家店铀矿床的岩样为例，依据该岩样的动态力学性质，取损伤变量Dc为0.7，通过式(1)和式(2)计算出相邻药包7之间的间隔L的取值为2/3H，并通过数值模拟验证得到当
时，两药包7之间的的裂纹贯通良好。事实上，相邻药包7之间的间隔L的取值为2/3H时，两药包7之间的的裂纹贯通最好，而“相邻药包7之间的间隔L的取值范围为1/2H-3/4H”是以
这个最佳值的扩展范围。
作为本发明提供的地浸开采用爆破增渗法的一个具体实施例，步骤S400“引爆药包7，以使赋矿岩层3形成裂隙”包括：自该层水平井4的起始端向水平井4的终端方向进行微差爆破。
通过微差爆破法依次起爆药包7，起爆方向为离竖直井1由近至远，药包7产生的爆炸应力波和爆生气体不仅可对该药包7周围的赋矿岩层产生损伤而且可对邻近的赋矿岩层产生二次损伤，相邻药包7之间起到了相互促进的效果，该水平井4分段式爆破增渗的方法使爆炸的能量得到了充分的利用，前一段爆炸产生的裂缝能对后一段爆炸裂纹的起裂产生诱导应力，后一段爆炸能量能更好的促进上一段裂缝的扩展与细化，该水平井4分段式爆破增渗的方法使爆炸的能量得到了充分的利用，能使赋矿岩层3中产生区域更大、裂隙更加密集的缝网体系，避免了长大裂隙优势流的产生，充分提高了赋矿岩层的渗透性。利用微差爆破法可充分的利用爆炸应力波和爆生气体的能量，使赋矿岩层中产生区域更大、裂隙更加密集的缝网体系，增加了容浸液与矿物成分的比表面积，大大提高了地浸开采的效率。
作为本发明提供的地浸开采用爆破增渗法的一个具体实施例，同一水平井4内药包7的微差爆破时间范围为25ms-50ms。
作为本发明提供的地浸开采用爆破增渗法的一个具体实施例，不同水平井4之间也采用微差爆破形式，相邻水平井4之间的微差爆破时间范围为25ms-50ms。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.地浸开采用爆破增渗法，其特征在于，包括以下步骤，
施工准备：获取赋矿岩层的地质信息，并依据所述赋矿岩层的地质信息确定竖直井和水平井的预设位置；
开设竖直井：所述竖直井自砂岩矿床的覆盖岩层一直开通至所述赋矿岩层；
开设水平井并布置炸药：在所述赋矿岩层中，以所述竖直井为起始端、且以所述赋矿岩层的边缘位置为终端钻取水平井，并在所述水平井内安置药包；
爆炸增渗：引爆所述药包，以使所述赋矿岩层形成裂隙。
2.如权利要求1所述的地浸开采用爆破增渗法，其特征在于，所述“并在所述水平井内安置药包”采用钻杆顶推装药的方式进行药包的放置。
3.如权利要求1所述的地浸开采用爆破增渗法，其特征在于，所述“并在所述水平井内安置药包”采用不耦合装药的药包安装形式以及间隔装药的药包安装结构形式，相邻所述药包之间填充炮泥。
4.如权利要求3所述的地浸开采用爆破增渗法，其特征在于，所述不耦合装药的药包安装形式的不耦合系数k范围为1.5-3。
5.如权利要求3所述的地浸开采用爆破增渗法，其特征在于，相邻所述药包之间的间隔L的取值范围为1/2H-3/4H，其中，H为所述赋矿岩层的等效厚度。
6.如权利要求5所述的地浸开采用爆破增渗法，其特征在于，相邻所述药包之间的间隔L的取值为2/3H，其中，H为所述赋矿岩层的等效厚度。
7.如权利要求1-6任一项所述的地浸开采用爆破增渗法，其特征在于，所述“引爆所述药包，以使所述赋矿岩层形成裂隙”包括：
自该层所述水平井的起始端向所述水平井的终端方向进行微差爆破。
8.如权利要求7所述的地浸开采用爆破增渗法，其特征在于，所述自该层所述水平井的起始端向所述水平井的终端方向进行微差爆破的微差爆破时间范围为25ms-50ms。
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2020
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