Способ управления ресурсами подземных вод для добычи урана подземным выщелачиванием из слабообводненных рудных залежей

Изобретение относится к добыче полезных ископаемых, иных, чем углеводороды, растворением, например, с помощью щелочного или кислотного выщелачивающего вещества, а в частности к добыче урана способом сернокислотного скважинного подземного выщелачивания (СПВ). Способ управления ресурсами подземных вод для добычи урана подземным выщелачиванием из слабообводненных рудных залежей под управлением цифровой гидродинамической модели уранового месторождения включает: выявление хорошо и недостаточно обводненных рудных залежей и их участков; определение очередности отработки методом СПВ сначала хорошо обводненных рудных залежей, а затем слабообводненных рудных залежей или их участков; оценку ресурсов остаточных сернокислых растворов в хорошо обводненных отработанных методом СПВ участках рудных залежей, необходимых для обводнения слабообводненных рудных залежей или их участков, обеспечивающие производительность эксплуатационных ячеек более 4 м³/ч; количественную оценку рециклинга остаточной серной кислоты и окислителя урана Fe(III); оценку масштаба реабилитации отработанного участка залежи или залежи в целом, используемого для обводнения слабообводненных залежей или их участков. Технический результат – создание способа, позволяющего вовлечь в отработку методом СПВ слабообводненные урановые рудные залежи или их участки под управлением цифровой гидродинамической модели. 3 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл., 1 пр.

 

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.

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 м³/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.

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 м³/ч и более.

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 м³/ч.

Техническим результатом изобретения является обеспечение производительности эксплуатационных ячеек >4 м³/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

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 м³/ч начинают отработку методом СПВ блока 1 и переходят к заводнению блока 2. При достижении обводнения блока 2, обеспечивающего производительность эксплуатационных ячеек >4 м³/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).

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 м³/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.

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 м³/сут (63 м³/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 м³/сут (42 м³/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 м³/ч, на втором этапе - с дебитом 42 м³/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).

Результаты исследований проиллюстрированы на фиг. 6б и 7. Из этих данных видно, что при закачке растворов в течение 1 года с дебитом 1500 м³/сут и полугода с дебитом 1000 м³/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 м³/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).

Также предложенный способ дает возможность оценить размеры рекультивируемого участка залежи Х-3 в пределах блоков 3.1-3.4 -128,9 тыс. м² (табл. 1).

1. Способ управления ресурсами подземных вод для добычи урана подземным выщелачиванием из слабообводненных рудных залежей под управлением цифровой гидродинамической модели уранового месторождения, включающий: выявление хорошо и недостаточно обводненных рудных залежей и их участков; определение очередности отработки методом скважинного подземного выщелачивания (СПВ) сначала хорошо обводненных рудных залежей, а затем слабообводненных рудных залежей или их участков; оценку ресурсов остаточных сернокислых растворов в хорошо обводненных отработанных методом СПВ участках рудных залежей, необходимых для обводнения слабообводненных рудных залежей или их участков, обеспечивающие производительность эксплуатационных ячеек более 4 м³/ч; количественную оценку рециклинга остаточной серной кислоты и окислителя урана Fe(III); оценку масштаба реабилитации отработанного участка залежи или залежи в целом, используемого для обводнения слабообводненных залежей или их участков.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в отработку методом сернокислотного СПВ вовлекаются рудные залежи или их участки, ранее не осваиваемые традиционным СПВ с приемлемыми технико-экономическими показателями - производительность эксплуатационных ячеек более 4 м³/ч.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что площадь реабилитируемого участка оценивается/определяется с помощью цифровой гидродинамической модели.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что масса остаточной серной кислоты и трехвалентного железа, повторно используемые - рециклинг для отработки методом СПВ слабообводненной залежи или ее участка определяется с помощью цифровой гидродинамической модели.