某砂巖型鈾礦床地浸地質(zhì)—水文地質(zhì)條件評價

徐巧兵， 陳建昌， 朱 鵬， 尉小龍， 劉巍平

(核工業(yè)二○三研究所，陜西咸陽 712000)

某砂巖型鈾礦床地浸地質(zhì)—水文地質(zhì)條件評價

徐巧兵， 陳建昌， 朱 鵬， 尉小龍， 劉巍平

(核工業(yè)二○三研究所，陜西咸陽 712000)

礦床地質(zhì)—水文地質(zhì)條件是決定礦床是否適宜地浸開采的最重要條件之一。某砂巖型鈾礦床是近年來發(fā)現(xiàn)較大型砂巖型鈾礦床，通過對礦床地浸地質(zhì)—水文地質(zhì)條件進行系統(tǒng)性地分析后，引入“地浸指數(shù)”(LI)模型，結(jié)合各因素對地浸開采的影響程度，量化各指標(biāo)因素，并賦以權(quán)重，通過計算地浸指數(shù)可定量地了解礦床或塊段的地浸開發(fā)適宜程度。地浸指數(shù)LI值越大，說明該礦床地浸的地質(zhì)工藝性能越佳、越有利于地浸開發(fā)。計算結(jié)果認(rèn)為某礦床適宜地浸開采。

砂巖型鈾礦床;地浸開采;地浸指數(shù)

徐巧兵，陳建昌，朱鵬，等.2012.某砂巖型鈾礦床地浸地質(zhì)—水文地質(zhì)條件評價［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，35(3)：250-255.

Xu Qiao-bing，Chen Jian-chang，Zhu Peng，et al.2012.Evaluation on geology-hydrogeology condition of a sandstone type uranium deposit［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，35(3)：250-255.

原地浸出采鈾(又稱地浸采鈾)是集采、選、冶于一體的新型砂巖型鈾礦開采方法，目前已在我國新疆、內(nèi)蒙古等地進行鈾礦工業(yè)化開采生產(chǎn)。它是一門集水文地質(zhì)學(xué)、地球工藝學(xué)、化工及地球化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、冶金學(xué)和環(huán)境地質(zhì)學(xué)于一體的綜合性專業(yè)技術(shù)，涉及到礦床地質(zhì)、水文地質(zhì)、鉆孔施工、地質(zhì)工藝鉆孔的成建井、溶浸劑的配置和使用方法、地下流體的控制技術(shù)、浸出過程的物理—化學(xué)行為監(jiān)控，地下水污染防治技術(shù)等(雷奇峰等，2009)。

原地浸出采鈾區(qū)別于其它采礦方法是其具有開采成本低、環(huán)境破壞小等優(yōu)點，但是其開采條件受礦床的地質(zhì)—水文地質(zhì)條件影響較大，主要包括礦體埋深、礦石賦存形式、礦石化學(xué)成分、礦石品位及平米鈾量、礦石滲透性、含礦含水層隔水頂?shù)装暹B續(xù)性、地下水水位埋深、承壓水頭高度、礦層厚度與含礦含水層厚度之比、地下水礦化度等，這些因素是評價礦床能否地浸開采的關(guān)鍵(王海峰，2001)。

某鈾礦是近年來發(fā)現(xiàn)的較大型砂巖型鈾礦，本文試圖從研究砂巖型鈾礦床地浸開發(fā)工藝及影響地浸的各因素著手，結(jié)合其對地浸的影響程度，引用“地浸指數(shù)”(李德平等，2003)對礦床地浸地質(zhì)—水文地質(zhì)工藝性能(蘇學(xué)斌等，2006)進行綜合定量評價分析，評價地浸開采的可行性。

1 礦床地質(zhì)—水文地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

本礦床礦化類型為潛水—層間氧化帶型，礦體埋深為81.64 ～168.84 m，平均 100.55 m，礦體產(chǎn)狀平緩穩(wěn)定。含礦砂體主要由深灰色、灰色、淺灰色及亮黃色含礫-礫質(zhì)松散中粗砂巖，以及少量的灰綠色、灰色泥巖、粉砂巖組成，并見有炭化植物莖桿和炭化植物碎片(塊)。按國內(nèi)可地浸砂巖型鈾礦標(biāo)準(zhǔn)劃分，礦石品位按大于萬分之一計，本鈾礦床試驗段礦石加權(quán)平均品位0.0137%，平均鈾量2.48 kg/m2，屬于低品位級礦體。

礦石中碳酸鹽(以CO2計)和硫化物含量均小于1%，適宜采用酸法或堿法進行浸出。礦石中化學(xué)全分析結(jié)果見表1。

本礦床鈾在礦石中存在形式有吸附態(tài)鈾、鈾礦物和含鈾礦物。以吸附態(tài)鈾(＞90%)為主，鈾的吸附劑主要為雜基(粘土礦物)，次為有機碳(炭屑)，膠黃鐵礦。鈾礦物見有瀝青鈾礦、鈾黑、鈾石和鈾釷礦等。含鈾礦物見有含鈾鈦鐵礦、含鈾銳鈦礦和含鈾稀土礦物等。

表1 某砂巖型鈾礦床礦石全分析結(jié)果表Table 1 Analysis for uranium ore of a uranium deposit %

1.2 水文地質(zhì)概況

本礦床含礦含水層隔水頂板由泥巖、含砂礫泥巖及泥質(zhì)粉砂巖組成，厚度為3.4～120 m，一般為60～90 m。隔水底板巖性主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖(夾薄褐煤層)，厚度為2.2～66.6 m。由室內(nèi)滲透性試驗結(jié)果可知，含礦含水層隔水頂?shù)装寰鶠椴粷B透巖層，隔水性能良好，并且連續(xù)穩(wěn)定，含礦含水層與上下含水層間無水力聯(lián)系。

含礦含水層砂體主要由灰色、淺灰色、綠灰色砂質(zhì)礫巖、含礫粗砂巖、中細(xì)砂巖及少量含粉砂細(xì)砂巖組成，含礦含水層厚度變化較大，為13.8～90.0 m，多數(shù)為 30～80 m，厚度較大，平均厚度為59.7 m。巖礦石中泥粉質(zhì)含量1.3% ～16.5%，砂體分選性中等-差，磨圓度以次棱角狀—次圓狀為主，結(jié)構(gòu)松散，砂體含水性和透水性均較好。礦區(qū)地下水水位埋深平均為20.88 m，承壓水頭平均為71.48 m，水文地質(zhì)孔抽水試驗結(jié)果顯示，鉆孔涌水量大于480 m3/d，單位涌水量 1.70 L/(s·m)，滲透系數(shù) 7.8 m/d，導(dǎo)水系數(shù) 465.7 m2/d。

據(jù)該礦床水文地質(zhì)孔取樣分析可知，地下水化學(xué)類型為Cl·SO4·HCO3-Na型，礦化度為1.90 g/L，pH 值為6.92 ～7.03，地下水溫9 ℃，水中鈾含量較低，小于 0.048 mg/L。

2 影響原地浸出開采的地質(zhì)—水文地質(zhì)條件

2.1 礦體埋深

礦體埋深是影響原地浸出開采成本和井場設(shè)備安裝的重要因素。其對地浸鉆孔結(jié)構(gòu)、施工和鉆孔費用有直接影響(張振強，2002)。本礦床鈾礦化主要位置在100.55 m，埋深淺，鉆探施工簡單，成本不高，有利于地浸開采。

2.2 礦石化學(xué)成分

疏松砂巖型鈾礦大多是外生沉積的鈾礦，組成巖石和圍巖的主要礦物成分有石英、長石、云母、粘土礦物等，次要礦物有碳酸鹽礦物和硫化物等。礦石和圍巖的化學(xué)成分中，對浸出工藝有重要影響的是碳酸鹽和硫化物，它們是決定了浸出劑的選擇和溶浸劑的配方(朱鵬等，2011)。本礦床礦石中碳酸鹽和硫化物含量均低于1%，對地浸開采有利。

2.3 礦石品位及平米鈾量

礦石品位、平米鈾量是影響地浸采鈾經(jīng)濟效益的主要因素，它決定了浸出液鈾濃度和產(chǎn)品成本的高低(王海峰，1998)。地浸采鈾過程中，浸出液平均鈾濃度與平米鈾量的關(guān)系可以表示為:

式中，Ccp為浸出液平均鈾濃度(mg/L);Y為平米鈾量(kg/m2);E為浸出率(%);Mg為浸出有效厚度(m);F為液固比;rg為礦石比重(kg/cm3)。

從公式(1)可以看出，平米鈾量的大小是影響地浸井場浸出液鈾濃度高低的重要因素，本礦床平均平米鈾量為2.48 kg/m2。

2.4 礦石滲透性

地浸采鈾不能開采非滲透的鈾礦床。礦石的滲透性對鉆孔抽注液能力、溶液運移速度、浸出時間等有影響，而這些參數(shù)又會影響地浸企業(yè)的投資和生產(chǎn)成本，因而礦石滲透性是決定鈾礦床是否可以地浸的最重要因素(譚凱旋等，2006)。礦床滲透系數(shù)為7.8 m/d，有利于地浸開采。

2.5 礦層厚度與含礦含水層厚度之比

含礦含水層結(jié)構(gòu)是復(fù)雜多變的，實際上，一部分溶浸液在圍巖中循環(huán)和浸出液稀釋是客觀存在和不可避免的。礦層位于含礦含水層中，其厚度與含礦含水層厚度比值(Mv)可以反映溶浸液滲流到圍巖中量的大小和浸出液稀釋程度的高低。溶浸液在礦石和圍巖中的分配和浸出液在礦層滲流過程中的稀釋程度可表示為:

式中Qp，Qh分別表示流入礦層和圍巖的溶浸液量;Kv為礦層和圍巖滲透系數(shù)比值;Mv為礦層厚度與含礦含水層厚度比值;C'為稀釋后的浸出液鈾濃度;Cp為稀釋前的浸出液鈾濃度。

從公式(2)、(3)可以看出，當(dāng)?shù)V層和圍巖滲透系數(shù)比值為定值時，礦層厚度與含礦含水層厚度比值越大，溶浸液在礦石和圍巖中的分配和浸出液在礦層滲流過程中的稀釋程度就越小，有利于地浸。相反，如果礦層厚度與含礦含水層厚度比值過小，將造成溶浸劑大量消耗在圍巖中和浸出液嚴(yán)重稀釋，導(dǎo)致地浸采鈾經(jīng)濟效益差，甚至不能地浸。

2.6 地下水水位埋深及承壓水頭高度

地下水水位埋深是決定浸出液提升方式及能力的重要因素，當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^大時，獲取較大流量所需的水位降深常受到限制，因此，地下水水位埋深影響鉆孔抽液量大小。

承壓水頭高度是影響浸出液提升和溶浸液注入能力的重要因素。若礦層承壓水頭高度較小，則將增加溶液的提升能力，減小溶浸液的注入難度;反之，承壓水頭高度較大，則將減小溶液的提升能力，同時增加了溶浸液的注入難度。承壓水頭高度對原地浸出開采溶液的提升起主要作用，對注液能力的影響次之，因此對礦床地浸條件評價過程中主要考慮承壓水頭高度對浸出液提升能力的影響。

2.7 地下水水質(zhì)特征及礦化度

近年來在新疆、內(nèi)蒙等地相繼發(fā)現(xiàn)了一批儲量可觀的砂巖型鈾礦床，但由于砂巖鈾礦含礦層地下水礦化度較高或滲透性較低，使鈾礦開采難以按傳統(tǒng)的酸法和堿法地浸采鈾工藝進行，嚴(yán)重影響了鈾資源的經(jīng)濟合理利用。由于含礦含水層礦化度較高，酸法浸出過程中，硫酸根離子與鈣離子反應(yīng)生成硫酸鈣沉淀，堵塞地下水運移通道，降低地層滲透性;堿法浸出過程中，長期浸出過程碳酸氫根離子分解出碳酸根離子與鈣離子反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，同樣降低地層滲透性。也就是說，地下水礦化度過高(水中碳酸鹽、石膏接近沉淀臨界狀態(tài))是引起酸法與堿法地浸堵塞而使地浸采鈾工作難以繼續(xù)進行的主要原因。

針對高礦化度影響地浸開采的問題，2006年東華理工大學(xué)開展對礦床含礦含水層高礦化度地下水淡化處理，并進行室內(nèi)和現(xiàn)場浸出試驗研究，取得滿意的成果，但是淡化周期長，開采經(jīng)濟效益較差。按照國外可地浸砂巖型鈾礦劃分標(biāo)準(zhǔn)，含礦含水層地下水礦化度超過5 g/L的砂巖鈾礦定為不可地浸礦床(祝永進等，2010)。

綜上所述，試驗段地質(zhì)—水文地質(zhì)條件既有有利的地浸地質(zhì)—水文地質(zhì)條件，也有不利的地浸地質(zhì)—水文地質(zhì)條件。試驗段地浸地質(zhì)—水文地質(zhì)參數(shù)見表2，綜合分析認(rèn)為，本礦床具有地浸開采前景。

表2 砂巖型鈾礦地浸地質(zhì)—水文地質(zhì)條件評價參數(shù)表Table 2 Evaluation parameters of geology-hydrogeology condition for sandstone uranium deposit

3 礦床地浸地質(zhì)—水文地質(zhì)條件綜合分析評價

3.1 地浸指數(shù)參數(shù)量化分析

根據(jù)砂巖型鈾礦床地浸地質(zhì)—水文地質(zhì)影響因素分析，為了區(qū)分各因素對地浸的影響程度，分為決定性因素、主要因素及一般因素，將決定性因素權(quán)重賦值為10，主要因素權(quán)重賦值區(qū)間為5～6，一般因素權(quán)重賦值區(qū)間為1～3(李德平等，2003)，并考慮其地浸開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)及極限值，總結(jié)歸納了砂巖型鈾礦床地浸地質(zhì)工藝性能評價參數(shù)表(表3)。

3.2 地浸指數(shù)模型建立

針對砂巖型鈾礦地浸開采的特殊性，許多學(xué)者對有關(guān)影響因素進行了研究，本文在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上對各影響因素進行了分類:Ⅰ類比標(biāo)準(zhǔn)值越大越有利于地浸;Ⅱ類越接近標(biāo)準(zhǔn)值越有利于地浸;Ⅲ類比標(biāo)準(zhǔn)值越小越有利于地浸。為了能清楚判斷礦床是否可地浸開采，本文引入地浸指數(shù)模型對影響地浸開采的水文地質(zhì)條件因素進行量化分析。

表3 礦床地浸指數(shù)計算結(jié)果表Table 3 The LI result of the despoit

地浸指數(shù)是一種量化了的對地浸地質(zhì)工藝條件評價指標(biāo)，通過這一指標(biāo)，可直觀地了解礦床地浸開發(fā)的優(yōu)劣程度。

對于Ⅰ類指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)值/參數(shù)值的比值越大，越不利于地浸;Ⅱ類指標(biāo)，參數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)值之差的絕對值/標(biāo)準(zhǔn)值比值越大，說明參數(shù)值離標(biāo)準(zhǔn)值越遠(yuǎn)，越不利于地浸;Ⅲ類指標(biāo)，參數(shù)值/標(biāo)準(zhǔn)值的比值越大，越不利于地浸。

不同影響因素對地浸的影響程度不同，在構(gòu)建地浸指數(shù)時，須引進權(quán)重來進行衡量，統(tǒng)一評價尺度。這樣，綜合定量評價砂巖型鈾礦床地浸有利性的指標(biāo)——地浸指數(shù)的模型構(gòu)建如下:

式中S為標(biāo)準(zhǔn)值;F為礦床或塊段參數(shù)值;W為權(quán)重;i為取表3中1～7，9，11，14～16等12項參數(shù);j為取表3中8，10等2項參數(shù);k為取表3中12，13，17～21等7項參數(shù)。

從表3中可以看出，礦床或塊段地浸指數(shù)越大越有利于地浸開發(fā)，反之不利于地浸開發(fā)。

3.3 地浸指數(shù)與砂巖型鈾礦床地浸有利性的關(guān)系

通過地浸指數(shù)模型構(gòu)建，可以看出，地浸指數(shù)LI值越大越有利于地浸。假設(shè)某一砂巖型鈾礦床工藝參數(shù)值取標(biāo)準(zhǔn)值，代入模型后，計算得出地浸指數(shù)LI為100。據(jù)有關(guān)資料分析判定，LI值大于100，最有利于地浸開采;LI值介于80～100之間，有利于地浸開采;LI值小于80，不利于地浸開采。

本試驗段參數(shù)值參見表3，參數(shù)值代入模型，計算地浸指數(shù)LI為118.8，按照上述劃分方式，可以清楚看出，本礦床處于最有利地浸開采范疇，建議及早開展室內(nèi)和野外現(xiàn)場條件試驗研究工作。

4 結(jié)論

原地浸出開采需要多學(xué)科交叉，技術(shù)復(fù)雜，并且對礦床有著特殊要求。本文從砂巖型鈾礦床地浸地質(zhì)—水文地質(zhì)—地質(zhì)工藝條件出發(fā)，對某砂巖型鈾礦床地浸地質(zhì)—水文地質(zhì)影響因素進行綜合分析研究，主要取得如下認(rèn)識:

(1)本文通過資料整理分析，歸納整理了影響地浸開采的地質(zhì)—水文地質(zhì)因素，提出某砂巖型鈾礦床地浸開采的有利和不利因素，認(rèn)為某砂巖型鈾礦床具有地浸開采前景。

(2)本文通過建立地浸指數(shù)模型，對影響原地浸出砂巖型鈾礦床的地質(zhì)—水文地質(zhì)條件因素進行量化分析，通過該模型對試驗段進行試算得出地浸指數(shù)LI為118.8，屬于最有利地浸范疇，印證了上述地質(zhì)—水文地質(zhì)條件分析結(jié)果。

(3)通過對某鈾礦床試驗段地浸水文地質(zhì)條件綜合分析認(rèn)為，本礦床具有原地浸出開采前景，建議及早開展室內(nèi)工藝試驗研究和野外現(xiàn)場地浸水文地質(zhì)條件試驗研究工作。

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Evaluation on Geology-hydrogeology Condition of a Sandstone Type Uranium Deposit

XU Qiao-bing， CHEN Jian-chang， ZHU Peng， WEI Xiao-long， LIU Wei-ping
(NO.203 Research Institute of Nuclear Industry，Xianyang，SX 712000，China)

The geology-hydrogeology condition of deposit is one of the most important conditions which decide the feasibility of in-situ leach mining.A sandstone type uranium deposits are found larger sandstone type uranium deposits in recent years.，the“in-situ leach index”(LI)model is introduced by analysing the ore deposit geologyhydrogeology conditions.Combining with each factor to the influence degree of in-situ leaching mining，each index quantification factors，and attached to the weight，Knowing the value of LI，the suitability of the deposit(block)to be exploitated to the in-situ leach mining can be quantitatively assessed.The bigger the LI value，the more favourable the deposit is for in-situ leach mining，and the better the geologic-technologic properties of ores are.The calculation results show that a deposit dip for mining.

sandstone type uranium deposits;in-situ leaching mining;the in-situ leach index

TL212.1+2

A

1674-3504(2012)03-0250-06

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.03.008

2012-01-12 責(zé)任編輯:吳志猛

徐巧兵(1982—)，男，工程師，主要從事地浸采鈾工藝研究。E-mail:xuqiaobing@126.com