СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕСУРСАМИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ДЛЯ ДОБЫЧИ УРАНА ПОДЗЕМНЫМ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕМ ИЗ СЛАБООБВОДНЕННЫХ РУДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ
METHOD FOR MANAGING GROUNDWATER RESOURCES FOR URANIUM MINING BY UNDERGROUND LEACHING FROM POORLY WATERED ORE DEPOSITS

Изобретение относится к добыче полезных ископаемых иных, чем углеводороды, растворением, например, с помощью щелочного или кислотного выщелачивающего вещества.
Изобретение, в частности, относится к добыче урана способом сернокислотного скважинного подземного выщелачивания (СИВ).
Известен способ выщелачивания урана из руд на месте их залегания методом СПВ, при котором разбавленные растворы серной кислоты подают в закачные скважины, растворы фильтруются через водопроницаемый рудоносный слой и селективно растворяют (выщелачивают) уран в рудах, а затем через систему откачных скважин обогащенные ураном продуктивные растворы извлекаются на поверхность для получения готового продукта на перерабатывающей гидрометаллургической установке [Добыча урана методом подземного выщелачивания / Мамилов В.А., Петров В.А., Шушания Р.П. и др. М.: Атомиздат, 1980, стр. 78-123].
Недостатками такого способа добычи урана методом СПВ из слабообводненных урановых залежей являются: 1) низкий темп отработки слабообводненных рудных залежей из-за низкой производительности технологических скважин; 2) невозможность добычи урана из таких залежей с приемлемыми технико-экономическими показателями; 3) не выполняется рециклинг остающейся в водоносных горизонтах остаточной серной кислоты после завершения процесса извлечения урана из руд до проектного уровня; 4) не используется природный окислитель урана - трехвалентное железо; 5) не выполняется реабилитация водоносных горизонтов в зоне, отработанных методом СПВ рудных залежей.
Известны способы рекультивации остаточных сернокислых растворов после завершения отработки урановых рудных залежей методом СПВ: 1) извлечение остаточных высокоминерализованных сернокислых растворов на поверхность, их нейтрализация и очистка от загрязняющих веществ методами химической технологии; 2) перекачка остаточных сернокислых растворов в более глубокие водоносные горизонты в трещиноватых карбонатных породах для нейтрализации серной кислоты; 3) перемещение остаточных сернокислых растворов в эксплуатируемом водоносном горизонте в область неизменных техногенезом проницаемых пород для нейтрализации серной кислоты (метод «протяжки» растворов) [Подземное выщелачивание полиэлементных руд / Лаверов Н.П., Абдульманов И.Г., Бровин К.Г. и др. - М.: Изд-во Академии горных наук, 1998, стр. 287, стр. 342-350].
Недостатками этих способов рекультивации участков водоносных горизонтов в области отработанных СПВ урановых рудных залежей являются: 1) высокая стоимость применяемых методов химических технологий для очистки растворов, формирование больших объемов отходов на поверхности земли и отсутствие рециклинга серной кислоты и трехвалентного железа; 2) высокая стоимость перекачки очень большого объема загрязненных сернокислых растворов в глубокие водоносные горизонты и также отсутствие рециклинга серной кислоты и трехвалентного железа; 3) непроизводственные затраты на перемещение линз загрязненных подземных вод в область неизмененных пород в одном и том же водоносном горизонте, увеличение размеров ореолов загрязнения подземных вод, не используется рециклинг серной кислоты и трехвалентного железа.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ рекультивации и рециклинга серной кислоты при перемещении остаточных растворов с отработанных блоков СПВ методом перекачки растворов на вновь вводимые в эксплуатацию блоки [Тимаков А.С., Данилов А.А., Кононеров Д.М. Проведение опыта использования растворов с ранее отработанных блоков при закислении вновь вводимых блоков с рекультивацией подземных вод // Сборник трудов IX Международной конференции «Актуальные проблемы урановой промышленности» // 7-9 ноября 2019, г. Алматы, Республика Казахстан, стр. 251-253].
Недостатками этого способа являются: 1) отсутствие предложений по его использованию для отработки слабообводненных участков рудных залежей или залежей в целом; 2) не предложен способ управления гидродинамическими процессами на блоке, в который перекачивают растворы; 3) нет метода количественной оценки количества откачных скважин, объема откачиваемых растворов и продолжительности перекачки растворов, а также их достаточности и продолжительности для закисления вновь вводимых в эксплуатацию блоков.
3
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание способа, позволяющего вовлечь в отработку методом СПВ слабообводненные урановые рудные залежи или их участки под управлением цифровой гидродинамической модели. До создания этого способа значительные запасы урана, приуроченные к этим залежам, не осваивались методом СПВ. К слабообводненным относятся залежи, приуроченные к безнапорным или слабонапорным водоносным горизонтам с приемлемой водопроницаемостью рудоносных отложений >1 м/сут, которые невозможно отрабатывать методом СПВ с экономически выгодной производительностью эксплуатационных ячеек >4 м/ч. Эксплуатационная ячейка состоит из одной откачной скважины и соответствующего количества закачных скважин, обеспечивающих баланс закачиваемых и откачиваемых растворов.
Техническая проблема решена путем создания способа, основанного на разработке цифровой гидродинамической модели уранового месторождения, с помощью которой выявляются слабообводненные урановые залежи или их участки, устанавливаются отработанные методом СПВ хорошо обводненные участки рудных залежей, оцениваются ресурсы техногенных подземных вод, достаточные для обводнения вновь вводимых в отработку методом СПВ слабообводненных залежей или их участков, выбирается режим, последовательность и продолжительность обводнения вводимой в эксплуатацию слабообводненной залежи или ее участка.
Решению технической проблемы способствует создание цифровой гидродинамической модели уранового месторождения, позволяющей выявлять хорошо и слабообводненные рудные залежи и их участки.
Решению технической проблемы также способствует определение на основе результатов численного гидродинамического моделирования очередности отработки методом СПВ сначала хорошо обводненных рудных залежей, а затем слабообводненных рудных залежей и/или их участков.
3
Решению технической проблемы также способствует то, что с помощью цифровой гидродинамической модели оцениваются ресурсы хорошо обводненных отработанных методом СПВ участков рудных залежей для использования остаточных сернокислых растворов для обводнения слабообводненных рудных залежей или их участков с целью увеличения производительности эксплуатационных ячеек до 4 м/ч и более.
3
Решению технической проблемы также способствует то, что процесс обводнения слабообводненных рудных залежей и их участков осуществляется под управлением цифровой гидродинамической модели. Управление ресурсами подземных вод осуществляется по основному критерию - увеличение напора на кровлю рудоносного водоносного горизонта должно обеспечивать производительность эксплуатационных ячеек >4 м/ч.
3
Техническим результатом изобретения является обеспечение производительности эксплуатационных ячеек >4 м/ч.
Решение проблемы выполнено в двух вариантах: Вариант 1 - перераспределение растворов между залежами; Вариант 2 - перераспределение растворов внутри одной и той же залежи.
Вариант 1
3
3
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Решению проблемы по Варианту 1 (фиг. 1) при обводнении слабообводненной (2) Залежи 2 остаточными сернокислыми растворами из хорошо обводненного участка (1) Залежи 1 способствует перекачка остаточных сернокислых растворов, откачиваемых из скважин (4а) и с помощью насосной станции (5а) перекачиваемых по водоводу (6) к насосной станции (5б). Насосная станция (5б) обеспечивает нагнетание растворов в скважины (4б) эксплуатационного блока 1. При достижении напора подземных вод в водоносном горизонте, достаточном для работы эксплуатационных ячеек с производительностью >4 м/ч начинают отработку методом СПВ блока 1 и переходят к заводнению блока 2. При достижении обводнения блока 2, обеспечивающего производительность эксплуатационных ячеек >4 м/ч, начинают его отработку и переходят к обводнению блока 3. Точно также заводняют и отрабатывают блок 4.
Вариант 2
Управление ресурсами подземных вод внутри рудных залежей осуществляется (фиг. 2) аналогично Варианту 1. В этом случае сначала отрабатывается хорошо обводненный участок залежи (1), а затем остаточные сернокислые растворы из этого участка перекачиваются в слабообводненный участок (2) рудной залежи.
Пример
Решение проблемы управления ресурсами подземных вод для отработки методом СПВ слабообводненных урановых рудных залежей реализовано на примере месторождения Хиагдинское, описание которого приведено в монографии [Машковцев Г.А., Константинов А.К., Мигута А.К. и др. Уран российских недр / М.: ВИМС, 2010, стр. 182-184]. Месторождение состоит из девяти залежей - 1, 2, 3а, 3, 4, 5а, 5, 6 и 7 (фиг. 3).
Построение цифровой гидродинамической модели месторождения Хиагдинское позволило выявить слабообводненную залежь Х-4 и маловодные участки залежей Х-1, Х-3а, Х-3 и Х-5а (фиг. 4).
Для обводнения выбрана залежь Х-4, а в качестве источника воды для ее заводнения выбраны остаточные растворы в отработанных блоках 3.1-3.4 в нижней части залежи Х-3 (фиг. 4 и 5).
3
Проектом предусмотрено вскрытие залежи Х-4 технологическими скважинами, сгруппированными в четыре эксплуатационных блока - 4.3-4.6 (фиг. 6). Блоки по проекту 4.3 и 4.4 введены в эксплуатацию. Попытка отработать эти блоки методом СПВ показала, что достигнутая производительность эксплуатационных ячеек не превышает 2 м/ч. Добыча урана методом СПВ с такой производительностью не рентабельна. Поэтому для повышения производительности отработки блоков 4.3-4.6 предложено произвести их обводнение методом управления ресурсов подземных вод с помощью цифровой гидродинамической модели.
3
3
3
3
3
3
Описанный ниже пример обводнения залежи Х-4 соответствует Варианту 1 решения проблемы. Для управления ресурсами подземных вод Хиагдинского месторождения разработана серия гидродинамических моделей. На первом этапе длительностью один год с помощью гидродинамической модели Хиагдинского месторождения (фиг. 4) выбран режим откачки остаточных сернокислых растворов из 20 откачных скважин в нижней части залежи Х-3 с суммарным дебитом 1500 м/сут (63 м/ч) (фиг. 5). На втором этапе длительностью полгода отбор растворов ведется из той же части залежи Х-3 из 14 откачных скважин с суммарным дебитом 1000 м/сут (42 м/ч) (фиг. 5). С помощью локальной гидродинамической модели залежи Х-4 обоснована оптимальная схема ее заводнения. Закачка растворов ведется с такой же производительностью, как и откачка - на первом этапе с дебитом 63 м/ч, на втором этапе - с дебитом 42 м/ч.
На первом этапе закачка ведется в группу из 10 скважин, расположенных в 4.5 блоке залежи Х-4 (закачные скважины первой очереди, фиг. 6а), а на втором этапе - в 10 скважин, расположенных в блоке 4.6 залежи Х-4 (закачные скважины второй очереди, фиг. 6а).
3
3
3
Результаты исследований проиллюстрированы на фиг. 6б и 7. Из этих данных видно, что при закачке растворов в течение 1 года с дебитом 1500 м/сут и полугода с дебитом 1000 м/сут в действующих эксплуатационных блоках 4.3 и 4.4 напор на кровлю водоносного горизонта увеличится на 40-45 м, а в блоках 4.5 и 4.6 возрастет на 13-25 м, что обеспечит производительность всех эксплуатационных ячеек более 4 м/ч. Изменение напора в наблюдательных скважинах 1н - 5н в процессе обводнения блоков 3 и 4 залежи Х-4 показано на фиг. 7.
Применение данного способа позволяет оценить массу повторного использования (рециклинга) остаточной серной кислоты (1735 т) и остаточного трехвалентного железа (435 т) в качестве окислителя четырехвалентного урана в рудах, оставшихся в отработанных методом СПВ блоках 3.1-3.4 залежи Х-3 (табл. 1).
2
Также предложенный способ дает возможность оценить размеры рекультивируемого участка залежи Х-3 в пределах блоков 3.1-3.4 -128,9 тыс. м (табл. 1).