內(nèi)蒙古某鈾礦CO2+O2地浸采鈾浸出試驗(yàn)研究

董惠琦，李喜龍，張渤

(中核通遼鈾業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古通遼028000)

內(nèi)蒙古某鈾礦于2013年4月20日開展試驗(yàn)鉆孔施工，2013年9月5日開始聯(lián)動試運(yùn)行，先后完成了試驗(yàn)塊段地質(zhì)與水文地質(zhì)條件初步評價(jià)、室內(nèi)試驗(yàn)、條件試驗(yàn)，初步獲取了一系列地質(zhì)、水文地質(zhì)及地浸工藝參數(shù)，為項(xiàng)目建設(shè)試驗(yàn)打下了良好的基礎(chǔ)。

1 礦床特征

1.1 地層及構(gòu)造

內(nèi)蒙古某鈾礦的含礦地層為白堊系姚家組地層，含礦地層具有可地浸砂巖型鈾礦特征的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)。姚家組地層可分為2個沉積旋回，即姚家組下段和姚家組上段[1-2]。

姚下段及姚上段含礦砂體主要為細(xì)砂巖、中砂巖、夾泥巖、粉砂巖透鏡體。粒度以細(xì)粒結(jié)構(gòu)為主，其次為中粒結(jié)構(gòu)。姚下段含礦砂體中泥巖、粉砂巖主要集中在砂體下部層位，砂體中上部層位含泥巖、粉砂巖較少，在砂體中下部存在一較連續(xù)薄層狀(紫紅色)泥巖夾層；姚上段含礦砂體中泥巖、粉砂巖比姚下段多，且在不同部位均有分布，但較集中于中上部層位，下部層位較少。

1.2 鈾礦化特征

鈾礦石類型以細(xì)粒砂巖型鈾礦為主，部分中粒砂巖型鈾礦，局部泥質(zhì)含量較重。礦石顏色為淺灰色、灰白色、部分為深灰色。含礦細(xì)砂巖、中砂巖及粉砂巖主要為淺灰色，部分為灰白色；含礦泥巖為灰色、深灰色，少量灰黑色，泥巖含炭質(zhì)碎屑、條帶或團(tuán)塊，部分炭質(zhì)含量高的礦化較好。

鈾礦石中鈾的存在形式有鈾礦物、吸附鈾及含鈾礦物，鈾的主要存在形式為鈾礦物及吸附鈾，存在于含鈾礦物中的鈾很少。鈾礦物為瀝青鈾礦，吸附鈾主要為有機(jī)質(zhì)及黏土吸附，含鈾礦物主要是砂巖中的碎屑鋯石。

1.3 礦體厚度、產(chǎn)狀及埋深

礦體主要賦存于姚家組下段中下部層位，含礦主巖主要為淺灰-灰色厚層狀細(xì)砂巖，砂體厚90～110 m，礦化層厚2～15 m，其規(guī)模較大，分布較集中，厚度較均勻，礦體形態(tài)比較簡單，主要為板狀、似層狀，走向NE，傾角2°～7°，與含礦砂體產(chǎn)狀基本一致。主礦體埋深386.45～428.65 m，厚度0.80～3.60 m，品位0.01%～0.170 5%，單位面積鈾質(zhì)量0.15～11.29 kg/m2。

1.4 礦石礦物組分與特征

礦石中礦物成分主要為石英、鉀長石、斜長石、黏土礦物，礦石中含鐵白云石、方解石；重礦物中陸源礦物有石榴石、鋯石、白鈦礦等。

姚家組下段(K2y1)巖石顆粒組成仍以中、細(xì)粒組份為主。中粒砂巖中：中砂占6.5%～79.7%，平均值為46.1%；細(xì)粒砂巖中：細(xì)砂占10.4%～71.4%，平均值為32.7%。黏粉粒占2.6%～37.6%，平均值為16.9%。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 含礦含水層特點(diǎn)

上白堊統(tǒng)姚家組下段(K2y1)含水層是主要含礦含水層，含礦含水層厚度22.4～101.40 m，平均厚度為64.40 m。含礦含水層隔水頂板巖石主要為紫紅色泥巖，致密、不透水，埋深293.50～320.00 m，厚度3.60～7.00 m，為隔水性良好，分布穩(wěn)定的隔水層；底板巖石主要為紫紅色泥巖、紫紅色粉砂質(zhì)泥巖組成，其頂面埋深428.50～435.30 m，厚度不等，一般1.20～5.40 m，堅(jiān)硬、致密，隔水性良好，分布穩(wěn)定。含礦含水層單位涌水量0.033～0.115 L/(s·m)。滲透系數(shù)為0.144～0.220 m/d，平均值為0.185 m/d。

2.2 地下水化學(xué)特征

上白堊統(tǒng)姚家組下段含礦含水層承壓水礦化度一般為1.93～2.37 g/L，pH為8.21～8.75，水化學(xué)類型為HCO3-Na型。水文地球化學(xué)指標(biāo)：Eh為392～427 mV，溶解氧質(zhì)量濃度3.07～3.88 mg/L，無H2S，鐵離子總量不大，F(xiàn)e3+與Fe2+比值一般為1左右。水中鈾質(zhì)量濃度一般在182.0～455.0 μg/L，含礦層水中鈾質(zhì)量濃度一般略高于圍巖水中鈾質(zhì)量濃度，最高455.0 μg/L，水溫9～11 ℃。

3 室內(nèi)浸出條件試驗(yàn)

3.1 巖心樣

通常，巖心礦樣都在加密勘探孔中進(jìn)行采取。2012年10月，在孔號為01-02、02-01、03-01的加密勘探孔中采取巖心礦樣，并委托具有資質(zhì)的單位進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析、鑒定。巖心樣取樣分析、鑒定結(jié)果見表1。

表1室內(nèi)試驗(yàn)樣品分析鑒定結(jié)果

3.2 鈾礦物組成

通過巖石礦物分析，含礦層主要巖性為細(xì)粒、中細(xì)粒長石(雜)砂巖，其次為含砂礫粉砂質(zhì)泥巖及含砂泥巖粉砂巖[3]。礦石中的鈾礦物主要為瀝青鈾礦，分散的球體狀或條帶狀分布于填隙物中，部分鈾被礦石中的黏土、有機(jī)質(zhì)吸附，以分散狀態(tài)存在，鈾的存在形式利于浸出，瀝青鈾礦主要成分見表2。巖石中黏土-粉砂質(zhì)含量高，碳酸鹽膠結(jié)是影響礦石滲透的主要因素[4]。

3.3 室內(nèi) CO2+O2加壓浸出試驗(yàn)

3.3.1試驗(yàn)條件

礦石分段裝入浸出柱進(jìn)行搗實(shí)，搗實(shí)后密度為1.54 g/cm3。浸出柱直徑為70 mm，浸出劑經(jīng)脈沖泵從礦柱底部進(jìn)入礦層，與礦層中的礦石反應(yīng)浸出鈾。浸出液從礦柱頂部流出，進(jìn)入取樣量筒。采用定時(shí)取樣器取樣，每次取樣后，計(jì)量浸出液體積，并分析浸出液的U、pH、Eh和其他影響離子成分等參數(shù)[5]。當(dāng)浸出液鈾質(zhì)量濃度小于3 mg/L，或浸出率達(dá)到70%以上時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。室內(nèi)CO2+O2加壓柱浸試驗(yàn)條件見表3。

表3室內(nèi)CO2+O2加壓柱浸試驗(yàn)條件

3.3.2浸出結(jié)果與討論

鈾質(zhì)量濃度及其浸出率隨液固體積質(zhì)量比的變化如圖1所示，pH隨液固體積質(zhì)量比的變化如圖2所示。

圖1鈾質(zhì)量濃度及其浸出率的變化

圖2pH隨液固體積質(zhì)量比的變化

由圖1、2看出，采用組成為ρ(CO2)=400 mg/L、ρ(O2)=300 mg/L的浸出劑進(jìn)行室內(nèi)柱浸試驗(yàn)，浸出液中鈾質(zhì)量濃度峰值高達(dá)424 mg/L，浸出液中平均鈾質(zhì)量濃度為34.6 mg/L，浸出率為64.8%。pH略有降低，說明CO2的加入調(diào)節(jié)了pH。

圖質(zhì)量濃度隨液固體積質(zhì)量比的變化

4 現(xiàn)場浸出條件試驗(yàn)

4.1 鉆孔平面布置

為驗(yàn)證不同井型、井間距對抽注平衡及浸出液鈾濃度的影響，在現(xiàn)場試驗(yàn)階段，共布置了2種類型的井型形式，分別為“七點(diǎn)型”和“五點(diǎn)型”，現(xiàn)場試驗(yàn)鉆孔平面布置如圖4所示。

4.2 試驗(yàn)控制條件

圖4鉆孔平面布置

表4 現(xiàn)場條件試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)

在現(xiàn)場條件試驗(yàn)階段，“七點(diǎn)型”與“五點(diǎn)型”單元的抽注比均為1∶2.5，能夠滿足抽注液量平衡。隨著試驗(yàn)的運(yùn)行，抽液鉆孔水位降深基本保持穩(wěn)定，鈾質(zhì)量濃度上升比較明顯。

5 溶浸過程中浸出溶液成分變化規(guī)律分析

5.1 地下水化學(xué)組分變化情況

現(xiàn)場條件試驗(yàn)運(yùn)行期間地下水化學(xué)成分及參數(shù)分析平均結(jié)果見表5。

表5地下水化學(xué)成分與本底值對比

5.2 鈾、溶解氧和硫酸根變化情況

浸出液鈾質(zhì)量濃度、硫酸根質(zhì)量濃度和溶解氧變化如圖5所示。

從圖5可看出：浸出液鈾質(zhì)量濃度、硫酸根質(zhì)量濃度和溶解氧質(zhì)量濃度呈上升趨勢。運(yùn)行到100 d左右時(shí)，各組分質(zhì)量濃度基本達(dá)到穩(wěn)定；運(yùn)行到40 d左右時(shí)，三者濃度均有所下降，這是因?yàn)椴蓞^(qū)加入了新增浸采單元，對浸出液中質(zhì)量濃度起到了稀釋作用。鈾質(zhì)量濃度曲線與硫酸根質(zhì)量濃度曲線和溶解氧質(zhì)量濃度曲線變化趨勢基本一致說明氧氣起到了氧化作用，將U(Ⅳ)氧化成U(Ⅵ)，同時(shí)多余的溶解氧將黃鐵礦中的硫氧化成硫酸根。

5.3 浸出液中鈣、鎂離子變化

浸出液中Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度變化如圖6所示。

圖6浸出液中Ca2+、 Mg2+質(zhì)量濃度變化

從圖6可看出：Ca2+、 Mg2+對鈾的浸出過程幾乎沒有影響，雖然Ca2+、 Mg2+的質(zhì)量濃度有小幅度的上升，但與鈾質(zhì)量濃度不存在明顯的相關(guān)性。Ca2+、Mg2+濃度升高的主要原因是浸出劑除了與礦石中的鈾礦物反應(yīng)外，同時(shí)也與部分脈石礦物發(fā)生了反應(yīng)[7]。

5.4 pH和濃度變化

圖質(zhì)量濃度及pH變化

6 結(jié)論

1)含礦層的巖性、滲透率及鈾的存在形式等因素有利于浸出，采用ρ(CO2)為400 mg/L、ρ(O2)為300 mg/L的浸出劑，浸出液中峰值鈾質(zhì)量濃度可達(dá)424 mg/L，浸出液中平均鈾質(zhì)量濃度為34.6 mg/L，浸出率達(dá)64.8%。

2)“七點(diǎn)型”與“五點(diǎn)型”單元的抽注比均為1∶2.5，能夠滿足抽注液總量平衡。

3)浸出液中各離子濃度變化較小，采用CO2+O2地浸采鈾工藝對地下水環(huán)境影響較小。

4)單孔注液量為3.47 m3/h，單孔抽液量為8.98 m3/h，浸出液平均鈾質(zhì)量濃度43.05 mg/L，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果可為工程設(shè)計(jì)提供參考。