鈾、煤共生資源有序開采研究

夏子通，王瑋，鄒兆莊，石鈺婷

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

早在1875年就在美國丹佛附近發(fā)現(xiàn)煤中的鈾含量高達2%，后來在美國其他許多地方都發(fā)現(xiàn)富鈾煤，英國、德國、匈牙利、巴西和前蘇聯(lián)等也都有發(fā)現(xiàn)，中國的富鈾煤主要在北方的侏羅系和南方的古-新近系中發(fā)現(xiàn)［1］。

本文討論的鈾煤共生資源，煤和鈾并沒有成因聯(lián)系，兩者只是空間上的關(guān)系，鈾礦在上，煤礦在下，兩者相距百余米。這種在空間上共存的鈾礦、煤礦在我國內(nèi)蒙古自治區(qū)多處發(fā)現(xiàn)。如何在同一空間上有序開發(fā)，從而充分利用資源和保護環(huán)境是共同關(guān)注的問題。

本文以鄂爾多斯盆地北部鈾礦床為例，從煤礦、鈾礦形成的地質(zhì)背景、開采技術(shù)及環(huán)境影響幾方面來研究和討論。

1 研究區(qū)鈾礦床地質(zhì)概況

1.1 礦床地質(zhì)特征

研究區(qū)鈾礦床產(chǎn)于鄂爾多斯盆地北部伊陜單斜區(qū)的北中部，鈾礦體產(chǎn)于中侏羅統(tǒng)直羅組下段（J2z1）辮狀河沉積體系中。研究區(qū)鈾礦床鈾成礦的主要控制因素為古層間氧化帶、巖石地球化學(xué)環(huán)境、直羅組辮狀河砂體的非均質(zhì)性和還原介質(zhì)特征等。礦床含礦巖性以灰色砂巖為主，根據(jù)研究區(qū)鈾礦床N11～N88號勘探線，共圈出5個工業(yè)礦體，分別為I、II1、III2、II、III號礦體。I號礦體為礦床的主礦體， 以其為例予以描述［2］。

平面上，I號礦體具有沿走向發(fā)育穩(wěn)定，連續(xù)性好的特征，水平投影圖上呈北東窄、南西寬的不規(guī)則帶狀。I號礦體產(chǎn)于直羅組下段古氧化砂巖下翼的灰色砂巖中，為礦床的主礦體，礦體沿走向控制到的連續(xù)長度為5 050 m。

剖面上，礦化體呈板狀、似層狀，產(chǎn)于遠離頂、底板的綠色砂巖和灰色砂巖過渡部位的灰色砂巖中，次級礦體多呈透鏡狀產(chǎn)于主礦體的上（下）兩側(cè)或主礦體的邊部。礦體頂界埋深為315～434 m，平均埋深392 m，總體上具有由東向西、自北向南礦體頂界埋深逐漸加大的規(guī)律；礦體頂界標高為1 053.08～1 110.85 m，平均標高為1 074.24 m；礦體底界埋深為321～4 356 m，平均埋深為399 m；礦體底界標高為1 011.15～1 102.45 m，平均標高為1 068.01 m。礦體由北東向南西緩傾斜，傾角 1°～2°。

1.2 水文地質(zhì)特征

1.2.1 含水層

研究區(qū)鈾礦床含水層在平面上呈北西-南東向展布，向南西微傾。在局部地段，直羅組下段含礦含水層垂向上沉積規(guī)律特征明顯，頂、底部細粒巖石構(gòu)成相對隔水層，礦體產(chǎn)于相對隔水層間的含水層內(nèi)。

含礦含水層上部為砂質(zhì)辮狀河沉積體系的河流相沉積砂體，下部為礫質(zhì)辮狀河沉積的砂礫巖。含水層巖性由淺綠、綠、灰色中砂巖、粗砂巖及砂礫巖組成，具上細下粗的特點。上部砂巖以中、中粗粒為主，其次為細粒；泥質(zhì)膠結(jié)為主，巖石固結(jié)程度低，膠結(jié)疏松；夾有1～9層厚度不大于1.4 m的鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖透鏡體；底部砂礫巖與上部砂巖層構(gòu)成同一含水層，平面上呈北西-南東向展布，寬9～10 km，厚5～80 m，總體上具有北東薄南西厚的特點，砂礫巖以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，巖石致密堅硬，部分鉆孔中可見厚度不等的粗砂巖、中粗砂巖。局部地段，含礦砂體上部常見泥巖夾層，單層厚度0.2～13 m，平均厚度為1.43 m，含礦含水層厚度為36.8～214.4 m，一般在70～170 m之間，平均厚度為119.14 m，含水層厚度變化小，穩(wěn)定性較好，向東西兩側(cè)含水層厚度變化較大。研究區(qū)局部地段的含礦含水層厚度為19.55～60.4 m，平均厚度為 40.09 m［2］。

1.2.2 隔水層

研究區(qū)含礦含水層隔水頂板由泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，粉砂巖組成，厚度一般在2～20 m，最小厚度0.4 m，最大厚度26.8 m，平均為7.56 m，厚度變化較大。隔水頂板底面埋深一般在270.4～414.6 m，最大可達578.3 m，最小133.7 m，平均埋深334.85 m，埋深變化較小。據(jù)個別鉆孔和煤田鉆孔資料，隔水底板為延安組灰色粉砂巖、泥巖，單層厚度大于6.8 m，穩(wěn)定性好。

1.2.3 地下水

鈾礦床下白堊統(tǒng)含水層地下水水動力條件受氣候、地貌、巖性等因素控制，而中侏羅統(tǒng)含水層地下水水動力條件主要受地層產(chǎn)狀和巖性的控制，礦區(qū)水位埋深為109.45 m。

下白堊統(tǒng)含水巖組地下水的補給途徑主要是大氣降水，其逕流、排泄條件受地貌、地層結(jié)構(gòu)控制明顯，地下水的逕流方向以梁地為分水嶺，總的流向分為向北和向南逕流，排泄方式主要是以泉的形式形成地表逕流或補給其它含水層。在礦區(qū)南部承壓水通過“天窗”頂托越流補給上部潛水，最終在地形低凹處排出地表。

中侏羅統(tǒng)含水巖組地下水的補給存在兩種方式，大氣降水和上部下白堊統(tǒng)含水層補給。大氣降水補給受地層出露范圍的限制。礦區(qū)內(nèi)由于直羅組上段隔水層相對穩(wěn)定，上覆下白堊統(tǒng)含水層對下部直羅組下段含水層的補給作用小。在上下含水層之間隔水性差的地段補給量大，補給作用強，使中侏羅統(tǒng)各組中含水層地下水富水性較好。

礦區(qū)內(nèi)地下水總體流向從北西向南東逕流，但由于地層傾角較小，水動力相對較弱，逕流緩慢，在南東部烏蘭木倫河流域具備出露條件的地段排泄［2］。

2 塔然高勒礦區(qū)煤礦地質(zhì)概況

塔然高勒礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯境內(nèi)，是國家大型煤炭基地神東基地中的國家規(guī)劃礦區(qū)之一，礦區(qū)規(guī)劃面積2 379 km2，劃分為5個井田，規(guī)劃煤礦開采總規(guī)模達2.6×107t/a。

塔然高勒南部地區(qū)含煤地層主要為侏羅系中下統(tǒng)延安組（J1-2y）（鈾礦系統(tǒng)標為J2y，煤炭系統(tǒng)標為J1-2y），其沉積基底為三疊系上統(tǒng)延長組（T3y）。全區(qū)可采煤層分2～5層，東部地區(qū)可采煤層主要為3-1、4-1煤層，3-1下煤層位于延安組第二巖段（J1-2y2）上部，煤層厚度0～1.65 m，平均0.49 m?？刹珊穸?.8～1.05 m，平均0.89 m。4-1煤層位于延安組第二巖段（J1-2y）中下部，全區(qū)發(fā)育，大部可采。煤層厚度0.47～5.34 m，平均2.56 m?？刹珊穸?.8～4.79 m，平均2.46 m，可采區(qū)主要分布在本區(qū)西部及中東部［3-4］。

3 鈾礦與煤層的關(guān)系

研究區(qū)地段鈾礦與煤層處于同一空間，鈾礦在上，煤層在下，二者垂向相距百余米，形成時間上相差也很大。

3.1 鈾礦床與煤層的空間關(guān)系

塔然高勒規(guī)劃礦區(qū)分為5個井田：紅慶梁井田、呼斯梁井田、塔然高勒井田、油房壕井田、泊江海子井田，研究區(qū)鈾礦床位于塔然高勒井田范圍內(nèi)。

由于目前沒有研究區(qū)鈾、煤綜合勘探資料，因此，為了說明鈾礦床與煤層的空間關(guān)系，根據(jù)研究區(qū)鈾礦床勘探資料［2，5］、塔然高勒井田北部勘探資料［3-4］與油房壕井田勘探資料［6］綜合編制了研究區(qū)鈾礦N8勘探線鈾、煤空間關(guān)系綜合地質(zhì)剖面示意圖（圖1）。

研究區(qū)鈾礦床地質(zhì)勘探資料表明［2］，鈾礦床N8線的鈾礦體底界標高約為1 070～1 075 m。

塔然高勒井田北部勘探區(qū)TR67鉆孔資料表明［3-4］，井田范圍內(nèi)主要可采煤層位于延安組第二巖段（J1-2y2），油房壕井田北部TR17鉆孔位于鈾礦床N8勘探線南部，鉆孔資料表明［6］，井田內(nèi)主要可采煤層產(chǎn)于延安組第二巖段（J1-2y2）頂部，其煤層頂板標高約760 m。塔然高勒井田北部勘探區(qū)TR17鉆孔位于鈾礦床N8勘探線北部，資料表明［3-4］，煤層頂板標高約1 030 m。

根據(jù)研究區(qū)鈾礦地質(zhì)和井田煤層勘探資料可以看出，其鈾礦和煤層分別賦存在中侏羅統(tǒng)直羅組（J2z）的砂巖中和中侏羅統(tǒng)延安組（J2y）地層中，也就是說，研究區(qū)地層在侏羅紀時，先沉積形成煤層，而后在煤層發(fā)育的延安組之上才沉積形成鈾礦。早期形成的煤層在鈾礦之下，晚期形成的鈾礦在煤層之上。根據(jù)煤層傾角和鉆孔距離推算，在鈾礦床N8號勘探線附近兩個礦種相隔的垂直距離約150～160 m。

圖1 鈾煤空間關(guān)系地質(zhì)剖面示意圖Fig.1 Schematic geology profile of space relationship between uranium and coal

3.2 鈾礦床與煤層形成的時間間隔

根據(jù)研究區(qū)鈾礦地質(zhì)的區(qū)域地質(zhì)發(fā)展史，并依據(jù)鈾礦成因及地球化學(xué)研究和煤層勘探資料，鈾礦和煤層形成是有較大時間間隔的。

從大地構(gòu)造發(fā)展史來看，燕山初期 （早侏羅世）東勝隆起區(qū)處于相對的隆起狀態(tài)，沉積間斷，除東南邊緣外，普遍缺失這一時期的富縣組（J1f）沉積， 形成了延安組（J1-2y）與下伏地層延長組（T3y）之間的不平行整合接觸關(guān)系。燕山早期 （早、中侏羅世）、中期 （晚侏羅世）盆地穩(wěn)定發(fā)展，沉積了延安組（J1-2y）、直羅組（J2z）和安定組（J1a）。 至燕山期末 （白堊紀）盆地整體開始抬升、萎縮。喜山期（白堊紀末）盆地最終消失，由接受沉積轉(zhuǎn)而遭受剝蝕，在盆地東北邊緣這種剝蝕作用表現(xiàn)更為強烈，形成了第三系上新統(tǒng)（N2）、白堊系下統(tǒng)志丹群（K1zh）與下伏地層延安組（J1-2y）的不整合接觸關(guān)系［3］。

研究區(qū)鈾礦床主要賦存于砂巖中，侏羅統(tǒng)直羅組下段，是一套溫濕氣候條件下沉積的河流相，形成時代約170 Ma，鈾礦形成的時間則更晚，形成年齡為84 Ma、61 Ma和38 Ma， 相當于晚白堊世和古新世［4］。

井田煤層勘探資料表明，含煤地層是侏羅系中下統(tǒng)延安組，煤層主要產(chǎn)于粉砂巖和砂質(zhì)泥巖中，其時代約為175～190 Ma。

綜上所述，兩個礦種在賦存地層形成時間上看，相隔大概10 Ma，而鈾礦與煤層形成的時間相差更大，至少80～130 Ma。

3.3 鈾礦與下伏煤層的水利聯(lián)系

在鈾礦與煤層之間，即在侏羅系延安組頂部有一隔水層，巖性主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖組成。隔水層厚度為13.4 m，厚度較為穩(wěn)定，分布也較為連續(xù)，隔水性能較好。

侏羅系延安組碎屑巖類承壓水含水層與上部賦存鈾礦的直羅組（J2z1）地層的水力聯(lián)系較小。

侏羅系延安組頂部隔水層位于延安組頂部兩個煤組頂板以上，巖性主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖等組成，隔水層厚度3.25～8.96 m，平均6.28 m。由于后期的風化剝蝕，隔水層的厚度不穩(wěn)定，分布也不連續(xù)，存在很多透水天窗，隔水性能較差，只起局部隔水作用。

整個地區(qū)的水文地質(zhì)條件簡單，賦存鈾礦的直羅組 （J2z1）地層與賦存煤層的延安組（J2y）地層之間存在的隔水層，不能完全阻隔兩地層中含水層間的水力聯(lián)系，盡管水力聯(lián)系較小。

4 鈾礦、煤礦開發(fā)利用的主要環(huán)境影響

4.1 鈾礦開發(fā)的主要環(huán)境影響

研究區(qū)鈾礦床采用O2＋CO2地浸采鈾技術(shù)。

地浸采鈾礦山分為井場和浸出液處理廠兩大部分。由于地浸采鈾是通過地表上眾多不同種類、按一定網(wǎng)格組成的工藝鉆孔系統(tǒng)來實現(xiàn)，實質(zhì)在于使鈾選擇性的由原地轉(zhuǎn)移到溶液中，通過注液孔向下注入化學(xué)試劑，經(jīng)過沿層滲透，再通過抽液孔將產(chǎn)品由原地轉(zhuǎn)移地面，在地表工廠萃取回收液中的鈾［8］。地浸法采鈾其放射性粉塵污染得到明顯改善，尾渣和廢氣的污染源也大大降低，地浸溶液在閉路管道內(nèi)循環(huán)使用，其廢水排放量也顯著減少，因此，其主要污染對象是對大氣、土壤和地下水的影響。

地浸產(chǎn)生的主要氣態(tài)污染源是氡。地浸抽出浸出液和復(fù)原抽出的地下水均挾帶和溶解大量的222Rn，通過氣液分離裝置直接排至大氣，為點源釋放。蒸發(fā)池與泥漿池中水分蒸發(fā)干后，其廢渣、底泥表面也有222Rn析出，為面源釋放。

地浸放射性固體廢物主要為鉆孔施工過程中產(chǎn)生的鉆井泥漿經(jīng)蒸發(fā)變干后而成的固體廢物和蒸發(fā)池內(nèi)的底泥殘渣。

地浸液中含有天然鈾，含礦含水層浸出液中的天然鈾會通過水平流散和垂直滲透對地下水水質(zhì)產(chǎn)生一定影響。

4.2 煤礦開發(fā)的主要環(huán)境影響

塔然高勒井田的開采方式為井工開采。

礦井采用主斜井、副立井和回風立井的混合開拓方式。煤組之間開采順序自上而下，煤層之間開采順序也是自上而下，不同采區(qū)的工作面采用走向 （或傾向）長壁式采煤法，后退式回采，全部冒落法管理頂板。3-1煤層采用綜采一次采全高的采煤工藝，其余煤層均采用回采率最高的一次采全高綜合機械化采煤工藝。煤礦由地下采出后，經(jīng)封閉輸煤棧橋運至廠內(nèi)洗煤廠進行洗選，洗煤廠采用塊煤淺槽重介分選工藝。

礦井運營期主要的大氣污染源包括：鍋爐房排污、原煤破碎篩分排塵、矸石場粉塵、汽車道路揚塵等排放。產(chǎn)生的主要污染物為煙塵、二氧化硫、氮氧化物和煤塵等。

煤礦開發(fā)過程中會產(chǎn)生礦井水，礦井水的主要污染物為懸浮物等。

煤礦開采會改變地下水徑流和排泄條件，為保證井下正常生產(chǎn)，需將礦井水排放至地表，導(dǎo)致地下水水位下降，造成地下水資源量減少，改變地下水的水動力特征。

煤礦開采后，由于存在礦山壓力，使煤層上覆巖層形成冒落帶，裂隙帶和緩慢下沉帶 “三帶”，采空區(qū)上方會產(chǎn)生地表裂縫和地面沉陷，地下水水位下降、地表變形等也將改變地表水下滲條件。

5 鈾、煤共生資源有序開采技術(shù)討論

開采鈾礦和煤礦都對地下水產(chǎn)生影響，因此，地下水的影響就成為有序開發(fā)鈾、煤共生資源的關(guān)鍵因素。

5.1 煤礦優(yōu)先開采對鈾礦利用及環(huán)境的主要影響

煤礦開采對于局域地下水影響是全方位的，煤礦大規(guī)模開采后，上覆含水層將疏干，地浸采鈾所需地下水圈閉條件是嚴格的，這是控制地浸采鈾對地下水環(huán)境影響擾動區(qū)域的重要前提。

煤礦優(yōu)先開采會破壞地下的水動力機制，改變天然補給-徑流-排泄的地下水循環(huán)體系。對鈾礦地浸開發(fā)的地下水環(huán)境產(chǎn)生不利影響，鈾礦地浸開采受到挑戰(zhàn)。具體表現(xiàn)為以下3個方面：

1）煤礦開采形成了大量采空區(qū)，對于采用鉆孔系統(tǒng)原地浸出的地浸采鈾來說，很難完成開采工藝孔的施工和成井，本來經(jīng)濟可采的大量鈾資源就成為呆礦；

2）在鈾礦地段開采煤礦會產(chǎn)生大量的放射性廢渣，對周圍環(huán)境會產(chǎn)生放射性影響；

3）利用數(shù)值模擬對煤礦開采后的地下水位進行模擬計算表明，在煤礦單獨開采的條件下，隨著時間的延續(xù)，鈾礦地段的地下水降落漏斗范圍和地下水下降幅度不斷增加，其中降深在 0.1～50 m 內(nèi)的影響區(qū)域可達 33 km2［9］。

5.2 鈾礦優(yōu)先開采對煤礦及環(huán)境的影響

鈾礦地浸開采后的地下水修復(fù)效果直接影響煤礦能否繼續(xù)開采，地浸開采過程無井巷開拓，只采用單一的鉆探施工方式，礦山開采時注浸液濃度較小，易溶礦物少，區(qū)域地下水位變動不大，但對水質(zhì)長期性的影響效果在國際上尚無正式結(jié)論。

本文采用美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的多組分反應(yīng)遷移軟件PHREEQC［10］對鈾礦開采后的天然鈾遷移進行了模擬計算。

鈾礦底部約160 m處為煤礦，鈾礦、煤礦之間存在著由泥巖、泥質(zhì)粉砂巖組成的滲透系數(shù)更小的隔水層，為了便于計算，忽略隔水層對滲透的影響。本次模擬距離取180 m，模擬時間26 a。將模擬距離劃分為180個單元，每個單元長度為1 m，縱向彌散度為1 m。正常生產(chǎn)過程中由于采用抽大于注，形成了從采場邊緣向中心的水力坡度，即向采場中心的降落漏斗，流散速率一般不大于地下水的達西流速。

通過模擬計算，鈾礦開采6 a后，天然鈾的峰值濃度約向下游推移了約15 m，開采26 a后，天然鈾向下游推移了約76 m，未遷移到煤層。

5.3 鈾礦、煤礦同步開采是可行的

決定開采順序的關(guān)鍵因素為地下水環(huán)境影響。地浸采鈾所需地下水圈閉條件是嚴格的，煤礦開采對地下水的影響是全方位的，煤礦大規(guī)模開采后會導(dǎo)致鈾礦賦存區(qū)域地下水水位下降，對鈾礦開采造成影響；鈾礦開采后，地下水修復(fù)在時間上存在斷檔期，這對煤礦開采也帶來一定影響。因此，鈾煤同步開采是一種好的選擇，但必須做到如下兩方面：

1）煤礦應(yīng)對開采工作面布設(shè)和開采方式進行充分論證，盡量選擇對地下水影響較小的開采方案，以便為鈾礦提供充足的開采時間；

2）鈾礦應(yīng)盡快完成開采，開采過程中宜采用鉆孔底部為防滲水泥封隔等措施以減小對地下水水質(zhì)的影響，地浸單元浸出結(jié)束后應(yīng)盡快進行地下水復(fù)原，以減小對煤礦開發(fā)的影響。

6 結(jié)論

通過對鈾礦、煤礦形成的地質(zhì)背景、空間關(guān)系分析和開采過程的主要環(huán)境影響等進行研究討論，認為煤礦優(yōu)先開采會破壞鈾礦開采區(qū)域的含水層，對鈾礦開采造成影響；鈾礦優(yōu)先開采后，雖短時間內(nèi)天然鈾未遷移到煤層，但鈾礦開采完畢后的地下水修復(fù)過程和修復(fù)結(jié)果將對煤礦開發(fā)帶來影響。因此，通過對鈾、煤資源開發(fā)進行系統(tǒng)規(guī)劃，采用多種適宜技術(shù)有效組合的前提下，鈾礦、煤礦同步開采是可行的。