松遼盆地砂巖型鈾礦地浸采冶與生態(tài)保護(hù)
—以錢(qián)家店鈾礦為例

湯慶四，楊俊泉，田超，金若時(shí)，李建國(guó)，奧琮，張澤貴（.中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古通遼08000；.天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津0070 、貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局七總隊(duì)，貴陽(yáng)550000）

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松遼盆地砂巖型鈾礦地浸采冶與生態(tài)保護(hù)
—以錢(qián)家店鈾礦為例

湯慶四1，楊俊泉2，田超3，金若時(shí)2，李建國(guó)2，奧琮2，張澤貴1
（1.中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古通遼028000；2.天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170 3、貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局七總隊(duì)，貴陽(yáng)550000）

摘要：核電的快速發(fā)展帶動(dòng)了鈾資源需求的增加，地浸采冶技術(shù)極大地推進(jìn)了我國(guó)砂巖型鈾礦的開(kāi)采。本文以松遼盆地正在開(kāi)采的錢(qián)家店鈾礦床為實(shí)例，對(duì)砂巖型鈾礦的地浸采冶技術(shù)特征進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)開(kāi)采給環(huán)境帶來(lái)的影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)。錢(qián)家店的中性地浸采冶技術(shù)，采用CO2+H2O作為浸出劑，解決了高碳酸鹽含量鈾礦石的采冶，更為重要的是該類(lèi)浸出劑不會(huì)對(duì)地下水造成污染，開(kāi)采過(guò)程十分環(huán)保，是值得在我國(guó)北方推廣的一種采冶技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：砂巖型鈾礦；地浸；生態(tài)環(huán)境保護(hù)

核電作為一種重要的清潔能源，已成為世界眾多國(guó)家關(guān)注的焦點(diǎn)。為滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防現(xiàn)代化對(duì)鈾資源的需求，尋找新的鈾資源基地，加強(qiáng)鈾礦找礦勘查和科技工作，是我國(guó)鈾礦地質(zhì)戰(zhàn)線面臨的十分緊迫的戰(zhàn)略任務(wù)。由于地浸砂巖型鈾礦具有礦量大、開(kāi)采成本低和有利于環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，目前已成為世界鈾礦找礦領(lǐng)域的主攻類(lèi)型之一。鑒于我國(guó)特定的地質(zhì)背景條件，該類(lèi)型已成為我國(guó)鈾礦勘查工作的主攻方向，也是我國(guó)鈾礦地質(zhì)科技工作的重點(diǎn)。

然而，由于相關(guān)知識(shí)的缺乏，多數(shù)人認(rèn)為鈾礦床的開(kāi)采會(huì)造成放射性污染，對(duì)環(huán)境危害較大。鑒于此，本文以松遼盆地砂巖型鈾礦的地浸采冶為例，對(duì)砂巖型鈾礦的開(kāi)采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)系進(jìn)行討論，以期對(duì)砂巖型鈾礦的開(kāi)采產(chǎn)生新的認(rèn)識(shí)。

1　國(guó)內(nèi)外地浸采鈾現(xiàn)狀

1.1國(guó)外地浸采鈾現(xiàn)狀

美國(guó)于1957年提出地浸采礦原理，20世紀(jì)60年代首次在俄明州謝利盆地鈾礦山中采用硝酸作為溶浸劑進(jìn)行鈾礦地浸試驗(yàn)和小規(guī)模生產(chǎn)，1973年在得克薩斯州首次采用堿性的碳酸鹽作為溶浸劑進(jìn)行了新的鈾礦地浸試驗(yàn)［1］。基于經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的考慮，20世紀(jì)80年代地浸采礦迅速發(fā)展，目前已成為美國(guó)鈾工業(yè)的主要生產(chǎn)手段，采礦深度達(dá)到700 m。

前蘇聯(lián)地浸采鈾于20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始半工業(yè)性試驗(yàn)［2］，70年代中期在烏茲別克斯坦和哈薩克斯坦兩國(guó)采用大規(guī)模酸法浸出，一般鈾的浸出率70%～75%，條件好的礦山達(dá)80%～85%［3］。目前，哈薩克斯坦天然鈾幾乎全部產(chǎn)自地浸礦山，國(guó)內(nèi)共18個(gè)地浸鈾礦山正在開(kāi)采，總生產(chǎn)能力約20000 tU/a［4］。近幾年來(lái)，加拿大、澳大利亞、法國(guó)、德國(guó)等許多國(guó)家都開(kāi)展了地浸采礦工作，其中美國(guó)與烏茲別克斯坦地浸產(chǎn)鈾國(guó)產(chǎn)量比較穩(wěn)定，哈薩克斯坦產(chǎn)量則迅速增加。

1.2國(guó)內(nèi)地浸采鈾現(xiàn)狀

我國(guó)于20世紀(jì)70年代開(kāi)始地浸采鈾技術(shù)的研究，先后在廣東和黑龍江進(jìn)行小型探索性試驗(yàn)，在地浸技術(shù)、裝置和方法等方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn)；80年代開(kāi)始在云南、新疆開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)地浸試驗(yàn)；90年代中期，在新疆512鈾礦床按照地浸砂巖鈾礦理論來(lái)評(píng)價(jià)、開(kāi)采，這成為我國(guó)第一座大型酸法地浸采鈾礦山［5］。

21世紀(jì)初，隨著我國(guó)鈾找礦方向重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到砂巖型鈾礦上來(lái)，各地勘隊(duì)伍在西北、東北地區(qū)先后找到了一批砂巖型鈾礦床，取得了突破性進(jìn)展。然而，這些位于中國(guó)北方的鈾礦床，具有礦石品位低、滲透性差、碳酸鹽含量高的特點(diǎn)，在新疆、內(nèi)蒙古等地采用酸法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采冶試驗(yàn)中，耗酸量大、堵塞嚴(yán)重、成本高，導(dǎo)致采冶難以維持下去。2006年開(kāi)始，在松遼盆地錢(qián)家店鈾礦床開(kāi)展了CO2+O2中性地浸采鈾試驗(yàn)研究，歷時(shí)四年，終于攻克了該區(qū)地浸采鈾的難題，于2010年，在松遼盆地錢(qián)家店鈾礦床建立了我國(guó)第一座CO2+O2中性地浸采鈾礦山。

2　松遼盆地采鈾區(qū)地質(zhì)條件

松遼盆地是我國(guó)東北最大的沉積盆地，是在前中生代海西褶皺帶基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的中新生代沉積盆地［6］?；诪楣派冑|(zhì)巖系，蝕源區(qū)巖性為中生代火山巖、海西期和燕山期花崗巖及古生代變質(zhì)巖。蓋層主要為下白堊統(tǒng)斷陷湖盆沉積，以及上白堊統(tǒng)坳陷型河流-湖相沉積。白堊系之上為新近系及第四系松散碎屑堆積物。

下白堊統(tǒng)地層主要由義縣組（K1y）-九佛堂（K1jf）-沙海組（K1sh）-阜新組（K1f）地層組成。上白堊統(tǒng)地層主要由泉頭組（K2q）-青山口組（K2qn）-姚家組（K2y）-嫩江組（K2n）-四方臺(tái)組（K2s）-明水組（K2m）地層組成。姚家組地層可分為上下兩段，下段與下伏青山口組為平行不整合接觸，是松遼盆地南部主要的含鈾礦地層。姚家組巖性為淺灰色及灰白色細(xì)砂巖、中砂巖、泥質(zhì)砂礫巖、鈣質(zhì)砂礫巖，灰色、深灰色的粉砂巖和泥巖。其中以細(xì)砂巖、中砂巖為佳，膠結(jié)致密。砂體分布連續(xù)，且有多層特點(diǎn)，傾角5～10°。頂?shù)装寰鶠槟鄮r，具有典型的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，主要含礦層滲透系數(shù)為0.025～0.223 m/d。

3　地浸采鈾方法

3.1地浸采鈾原理

地浸采鈾又稱(chēng)原地浸出采鈾技術(shù)，國(guó)際稱(chēng)為In-situ Leaching，是一種通過(guò)浸出劑與天然產(chǎn)狀條件下的鈾礦石化學(xué)反應(yīng)，有選擇性地溶解礦石中鈾，集采、選、冶于一體的新型鈾礦開(kāi)采方法。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)從地表鉆進(jìn)至含礦層的鉆孔，將配制好的浸出劑注入到礦層，浸出劑與礦石中鈾礦物接觸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性化合物，形成含鈾溶液。在擴(kuò)散和對(duì)流作用下，含鈾溶液經(jīng)過(guò)礦層，再通過(guò)鉆孔提升至地表，送至回收車(chē)間，經(jīng)離子交換等工藝處理，最終得到合格產(chǎn)品。

在工業(yè)上，地浸采鈾根據(jù)浸出劑的不同通常分為兩種基本方法：一種是哈薩克斯坦、烏孜別克斯坦等國(guó)廣泛采用的酸法原地浸出采鈾，化學(xué)試劑主要為工業(yè)硫酸，浸出劑中H2SO4濃度0.5%～3.0%；另一種是美國(guó)使用的堿法（中性）原地浸出采鈾，浸出劑主要由O2、H2O2和重碳酸鹽或CO2組成。浸出液經(jīng)加工后直接獲得鈾產(chǎn)品——黃餅（UO3·2H2O）。

3.2地浸采鈾的特點(diǎn)

開(kāi)采方法簡(jiǎn)潔、工藝流程簡(jiǎn)短。地浸采鈾只有地表的鉆孔工程、溶液輸送管網(wǎng)、浸出液處理設(shè)施，不需要投入地下井巷及礦石提升與運(yùn)輸、井下通風(fēng)和排水，礦石破磨、攪拌堆浸場(chǎng)等設(shè)施，將采冶一體化，簡(jiǎn)化采礦工藝、縮短采礦流程。

礦山建設(shè)周期短、基建投資少。地浸采鈾采冶融為一體，工程建設(shè)期一般1.0～1.5 a，是常規(guī)礦山建設(shè)的四分之一。工程建設(shè)基建投資一般為常規(guī)礦山建設(shè)的50%～70%。

自動(dòng)化程度高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低。地浸采鈾生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)工控機(jī)、變頻器、流量計(jì)、液位計(jì)、在線監(jiān)測(cè)儀、泵類(lèi)、電磁閥等設(shè)備，以生產(chǎn)系統(tǒng)智能化軟件為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)工序的智能監(jiān)測(cè)、集中控制和自動(dòng)化運(yùn)行。工人勞動(dòng)工作以設(shè)施設(shè)備的監(jiān)控和參數(shù)調(diào)節(jié)為主，極大改變了采礦工人的作業(yè)環(huán)境、勞動(dòng)強(qiáng)度。礦山變工廠，極大提高了采礦的本質(zhì)安全度。

生產(chǎn)效率高、資源利用率高。國(guó)內(nèi)地浸采鈾礦山工人人數(shù)僅為常規(guī)鈾礦山的20%～30%，人均生產(chǎn)效率高出5～10倍。由于地浸采鈾的低成本，使得大量低品位礦（0.01%～0.02%）可以經(jīng)濟(jì)開(kāi)采利用。如果礦床中伴生發(fā)育Se、Sc、Mo、Ge、V、Re等元素可以考慮同步浸出和回收。目前，烏孜別克斯坦地浸礦山已開(kāi)展鈾與其伴生元素的綜合回收，我國(guó)鈾伴生元素的綜合回收尚處于試驗(yàn)性探索階段。

4　錢(qián)家店地浸采鈾方法與生態(tài)保護(hù)

錢(qián)家店的地浸采鈾原理與國(guó)外的地浸采鈾并無(wú)二致，也是通過(guò)浸出劑將鈾礦物提取至地表，所不同的是，由于礦石中碳酸鹽含量較高，錢(qián)家店礦床并未采用國(guó)際上常用的酸法或堿法浸出，而是自主創(chuàng)建了一套以CO2和O2作為浸出劑的采冶方法。該方法不僅有效提高了鈾礦的采冶效率，在浸出劑的選擇上也更為環(huán)保，同時(shí)，在礦山建設(shè)過(guò)程中，還采取了一系列舉措，最大限度地降低了對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。

4.1綠色生態(tài)的CO2和O2浸出劑

松遼盆地錢(qián)家店鈾礦床采用CO2+O2原地浸出采鈾工藝，化學(xué)試劑僅為CO2和O2，無(wú)其它試劑。溶浸液主要為富含CO2和O2的地下水，pH為6.8～7.5，化學(xué)性能溫合，在地下選擇性溶解礦體的鈾礦物，而不與含礦砂體的重金屬離子產(chǎn)生反應(yīng)，地下浸出為砂巖型鈾礦床成礦的逆過(guò)程。主要特征污染離子為因溶解O2的氧化作用而改變濃度的鈾離子和硫酸根離子［7］（表1）。相對(duì)酸法原地浸出采鈾工藝，較大程度的改善了原地浸出工藝對(duì)地下水的影響。相對(duì)其他采礦方法，該開(kāi)采方法更為綠色環(huán)保。

4.2循環(huán)封閉采冶的環(huán)保型地下浸出和地表處理工藝

地下浸出采用“抽取地下浸出液—地表處理—尾液配制溶浸液回注—再抽取地下浸出液”的工藝，地下水循環(huán)利用、采區(qū)獨(dú)立運(yùn)行，形成循環(huán)封閉的浸采體系。浸出液地表處理采用“溶液離子交換吸附、樹(shù)脂淋洗轉(zhuǎn)型、漿體老化沉淀”的工藝，樹(shù)脂反復(fù)利用、試劑循環(huán)配制、廢水反滲透處理再次使用，形成循環(huán)封閉的地表浸出液處理體系［8］。

松遼盆地錢(qián)家店鈾礦床在開(kāi)采流程設(shè)計(jì)過(guò)程中，突出地浸采鈾工藝的特點(diǎn)。同時(shí)，浸出液地表處理引入反滲透裝置，將廢水處理、生產(chǎn)水循環(huán)利用與工藝融為一體，使得生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)更為和諧，基本實(shí)現(xiàn)無(wú)廢水外排、無(wú)廢石堆放。

4.3謹(jǐn)遵環(huán)保理念的工程施工和生產(chǎn)運(yùn)行

原地浸出采鈾的鉆孔施工和管道安裝會(huì)對(duì)地表破壞，工藝事故的溶液流失對(duì)地表水產(chǎn)生影響。為此，工程建設(shè)過(guò)程中根據(jù)環(huán)境預(yù)評(píng)價(jià)報(bào)告，制定了相應(yīng)的工程施工環(huán)境保護(hù)方案，在采冶過(guò)程中遵循了以下具體要求：

（1）施工遵守最小占地原則。鉆機(jī)占地面積不大于1畝，單孔影響面積不超過(guò)1m2。

（2）廢物最小化原則。鉆探泥漿必須循環(huán)使用，廢泥漿分類(lèi)存放、集中處理。

（3）場(chǎng)地恢復(fù)原貌原則。采區(qū)施工完成，投入運(yùn)行以后，必須進(jìn)行地表土壤復(fù)原，植被恢復(fù)等。

（4）安全質(zhì)量有保障原則。采用綜合物探測(cè)井技術(shù)進(jìn)行礦體定位、井管定位、鉆孔成井質(zhì)量檢驗(yàn)，確保每個(gè)投入使用的生產(chǎn)鉆孔完整、完好。

（5）設(shè)計(jì)最大化，系統(tǒng)能防控的原則。溶液輸送根據(jù)工藝壓力要求采取高一等級(jí)設(shè)計(jì)，管道選擇耐酸、耐腐、耐壓材料。系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警及聯(lián)鎖控制裝置，確保采區(qū)工作時(shí)運(yùn)行有監(jiān)控、管道無(wú)滲漏、溶液無(wú)跑冒。同時(shí)，設(shè)計(jì)防滲蒸發(fā)池，集中匯集洗孔等工藝廢水，通過(guò)自然和強(qiáng)制蒸發(fā)處理該部分廢水。

4.4采冶過(guò)程中地下水污染的防控措施

浸出液對(duì)地下水的污染，主要集中在采區(qū)含礦含水層。這是因?yàn)镃O2和O2的加入浸出鈾金屬，地下水鈾濃度升高，同時(shí)因?yàn)榈V體位于不透水的頂板和底板之間，浸出液在垂直方向被限制在含礦含水層之內(nèi)，主要存在沿含水層位的水流方向擴(kuò)散。為保證采區(qū)下浸出范圍有效控制，采用以下措施：

（1）采區(qū)設(shè)計(jì)考慮礦床地下水流向因素，按照從地下水上游逐漸向下游設(shè)計(jì)、布置采區(qū)。

（2）采區(qū)邊界的抽液孔與注液孔合理布置，易于調(diào)節(jié)采區(qū)抽注平衡。

（3）采區(qū)運(yùn)行采用抽大于注的原則，實(shí)現(xiàn)局部的地下水形成負(fù)壓區(qū)，周邊地下水向采區(qū)匯集，防止采區(qū)浸出范圍的外擴(kuò)。

（4）采區(qū)外圍設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)孔，并制定年度監(jiān)測(cè)計(jì)劃，定期監(jiān)測(cè)地下水?dāng)U散程度。

5　結(jié)論

松遼盆地錢(qián)家店鈾礦床的原地浸出采冶，采用CO2+O2作為浸出劑，改善了地浸采鈾對(duì)地下水的影響；地下浸出和地表處理工藝循環(huán)封閉采冶一體，材料循環(huán)利用、廢水反復(fù)利用，最大限度降低了對(duì)環(huán)境的影響；工程施工、生產(chǎn)運(yùn)行注重了地表土壤及地表水保護(hù)。錢(qián)家店鈾礦床的地浸采冶，基本實(shí)現(xiàn)了開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)的統(tǒng)一。我國(guó)北方砂巖型鈾礦的礦床地質(zhì)、水文地質(zhì)條件基本符合該開(kāi)采方法的要求，錢(qián)家店地浸采冶的推廣，將使我國(guó)鈾礦采冶工業(yè)在21世紀(jì)呈現(xiàn)嶄新面貌。

表1　溶浸液及浸出液成分分析數(shù)據(jù)①（單位：mg/L）Table1　Analysis results of solution liquid and leaching liquid①夏毓亮，林錦榮，鄭懋公，等.錢(qián)家店（錢(qián)II塊）鈾礦床06-07線地質(zhì)勘探報(bào)告［R］.北京：核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，2001，4.（Unit：mg/L）

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資助項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2015CB45300）；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查“華北地區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)進(jìn)展跟蹤與工作部署研究”（1212011220844）

中圖分類(lèi)號(hào)：P619.14

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-4135（2016）02-0136-04

收稿日期：2016-01-26

作者簡(jiǎn)介：湯慶四（1975-），男，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事鈾礦地浸采鈾試驗(yàn)及生產(chǎn)開(kāi)發(fā)工作，Email：tqs2004@sina.com。

In-situ leaching for sandstone type uranium deposit in Songliao basin and ecological conservation

TANG Qing-si1，YANG Jun-quan2，TIAN Chao3，JIN Ruo-shi2，LI Jian-guo2，AO Cong2，ZHANG Ze-gui3
（1.CNNC Tongliao Uranium industry Limited Liability Company，Inner Mongolia Tongliao 028000，China；2.Tianjin Centre，China Geological Survey，Tianjin 300170，China；3.Guizhou Province Non-ferrous metal and Nuclear industry Geological Survey Seventh unit，Guiyang 550000，China）

Abstract：With the rapid developing of nuclear power industry，the demand for uranium resources is increasing year by year.In-situ leaching has greatly enhanced exploitation of sandstone-type uranium deposit in China.In this paper，characteristics of In-situ leaching for sandstone-type uranium deposit are summarized with an example of being exploited uranium deposits in Songliao basin，which is named Qianjiadian uranium deposit.Meanwhile，affect for the environment by the process of exploitation is evaluated.The result shows that In-situ leaching of Qianjiadian uranium deposit has characteristics of low input and high efficiency.Furthermore，the most important is that leaching liquid which mainly consist of CO2+H2O makes extremely low pollution on underwater.The whole process of exploiting in Qianjiadian uranium deposit is consistent with ecological conservation.Therefore，In-situ leaching for sandstone type uranium deposit is worth promoting.

Key words：sandstone-type uranium deposit；in-situ leaching；ecological conservation