地浸鈾礦山浸出速度的影響因素

張 渤，季揚(yáng)威，李喜龍，孫希龍，孫 祥

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

在現(xiàn)有鈾價(jià)格較低的情況下，地浸采鈾以成本低、綠色環(huán)保、資金投入少的特點(diǎn)，已被成功推廣應(yīng)用[1]。地浸采鈾成本低是一個(gè)相對(duì)的概念，在地浸鈾礦山實(shí)際生產(chǎn)過程中，隨著鈾資源的開采消耗，為完成生產(chǎn)指標(biāo)，往往采用增加新采區(qū)、提高浸出劑濃度等方式進(jìn)行開采；但這只能在表面上解決了礦山生產(chǎn)問題。詳細(xì)劃分到每個(gè)采區(qū)，鈾資源生產(chǎn)成本相差懸殊，個(gè)別采區(qū)甚至出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)虧損的情況。因此，如何在最短時(shí)間內(nèi)使地浸鈾資源生產(chǎn)最大化，如何控制地浸采鈾浸出速度，是地浸采鈾礦山面臨的實(shí)質(zhì)問題。筆者以內(nèi)蒙古某地浸鈾礦山試驗(yàn)采區(qū)為例，分析浸出速度的影響因素，為鈾資源的回收利用提供技術(shù)支持。

1 內(nèi)蒙古某地浸鈾礦山概況

1.1 鈾礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀

內(nèi)蒙古某地浸鈾礦山于2013年開始試驗(yàn)，投入8組浸采單元，采用O2+CO2浸出工藝，O2質(zhì)量濃度起始加注標(biāo)準(zhǔn)為400 mg/L，CO2質(zhì)量濃度起始加注標(biāo)準(zhǔn)為200 mg/L。井型采用“七點(diǎn)型”和“五點(diǎn)型”2種形式[2]，如圖1所示。

目前該礦區(qū)已累計(jì)運(yùn)行64個(gè)月，液計(jì)采區(qū)浸出率為155.0%，根據(jù)浸出階段劃分，該采區(qū)處于

浸出末期。通過分析浸出率變化情況，在開始浸出階段，隨著浸出劑運(yùn)移至抽出井，地下水中本底的鈾和化學(xué)反應(yīng)浸出的鈾共同被采出，鈾浸出率增長(zhǎng)幅度較大，鈾的回收速度也快速上升；在穩(wěn)定生產(chǎn)階段，鈾的浸出主要以化學(xué)反應(yīng)為主，含鈾礦物表層的鈾參與浸出，浸出率增長(zhǎng)幅度最大，采區(qū)單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)能力已達(dá)到最大，鈾的回收速度相對(duì)穩(wěn)定；在產(chǎn)能下降階段，隨著含鈾礦物表層的鈾被消耗，逐漸轉(zhuǎn)為含鈾礦物內(nèi)擴(kuò)散浸出，浸出率增長(zhǎng)幅度呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，鈾的回收速度逐漸降低，導(dǎo)致拖尾時(shí)間較長(zhǎng)。采區(qū)月鈾浸出率和累計(jì)鈾浸出率與時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示。

由圖2可見，隨著生產(chǎn)的運(yùn)行，浸出率增長(zhǎng)幅度逐漸平緩且逐漸下降，說明鈾的回收率呈下降趨勢(shì)。在浸出過程中的電耗、原材料消耗都相同的情況下，鈾的回收率下降必然導(dǎo)致生產(chǎn)運(yùn)行成本提高[3]。

1.2 浸出速度與時(shí)間的關(guān)系

浸出液鈾濃度可以直接反映鈾浸出速度的快慢，在C1采區(qū)生產(chǎn)過程中，因鉆孔投入運(yùn)行的時(shí)間不一致，由于低濃度鉆孔浸出液稀釋，造成前期鈾質(zhì)量濃度波動(dòng)，如圖3所示。

由圖3可見，不同鉆孔鈾質(zhì)量濃度上升的持續(xù)時(shí)間不同，單孔鈾質(zhì)量濃度峰值前后不一致，穩(wěn)定期較短；并且在鈾質(zhì)量濃度下降過程中，大多數(shù)單元呈現(xiàn)階梯式下降，下降拖尾較長(zhǎng)。隨著采區(qū)生產(chǎn)能力降低，目前國內(nèi)地浸鈾礦山普遍采用增加新采區(qū)投入、增加備采資源量的方式，減緩生產(chǎn)成本上升；但這種方式不能徹底解決生產(chǎn)問題，而且易造成部分鈾資源得不到有效利用。

2 浸出速度的影響因素

2.1 浸出劑濃度

在浸采初期，浸出劑中具有氧化作用的離子濃度未飽和，鈾的浸出速度與浸出劑濃度成正比。在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)受控的條件下，浸出劑濃度越高，鈾的浸出速度越快；浸出劑濃度越低，鈾的浸出速度越慢。當(dāng)浸出劑中具有氧化作用的離子濃度飽和后，浸出劑濃度對(duì)浸出速度的影響逐漸減小。對(duì)本研究鈾礦山，當(dāng)浸出液中浸出劑濃度達(dá)到15～20 mg/L時(shí)，鈾的浸出速度達(dá)到最大。

2.2 含礦砂體特征

假設(shè)含礦砂體為粒度均勻的巖石，砂體粒度越小，有效孔隙度越大，鈾礦物與浸出劑接觸越充分，浸出速度越高。在地浸鈾礦床中，含礦砂體以粗砂巖、中砂巖、中細(xì)砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖為主，不同巖性交替沉積，并且孔隙被石英、巖屑等物質(zhì)充填。實(shí)際生產(chǎn)過程中，在浸出劑濃度一定的情況下，含礦砂體結(jié)構(gòu)越致密，浸出劑與含鈾礦物的接觸面積越小，鈾的浸出速度越慢。

2.3 含礦含水層特征

地浸鈾礦山根據(jù)礦床成因不同，含礦含水層特征也各不相同。目前中國地浸鈾礦山的地層結(jié)構(gòu)通常具有穩(wěn)定的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，含礦砂體受上、下泥巖隔水層控制。通常鈾賦存的含礦含水層為非均質(zhì)狀態(tài)，鈾礦層滲透性與圍巖滲透性存在差異，當(dāng)鈾礦層滲透性小于圍巖滲透性時(shí)，浸出劑大量消耗在圍巖上，同時(shí)造成浸出液稀釋。在同一含水層中，鈾礦體一般呈現(xiàn)多層分布，浸采礦體厚度小于含水層厚度，當(dāng)單層浸采礦體厚度越接近局部含水層厚度時(shí)，越有利于鈾的浸出。

2.4 鉆孔垂直度

地浸采鈾礦山鉆孔是實(shí)現(xiàn)浸出劑加注和浸出液提升的唯一通道。在礦山開采設(shè)計(jì)階段，鉆孔根據(jù)礦體形態(tài)按規(guī)則井型排列[4]，但是在鉆孔施工中難以控制鉆孔垂直揭露礦體。鉆孔水平偏移量是衡量鉆孔垂直度的指標(biāo)，通常以每百米偏移量表示。根據(jù)鈾礦山鉆孔井型、井距及礦體深度的不同，鉆孔水平偏移量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也不同。以內(nèi)蒙古某地浸鈾礦山為例，鉆孔水平偏移量驗(yàn)收指標(biāo)為1.5%，井距為30 m，孔深為400 m，2個(gè)鉆孔在孔底的允許最小水平距離為18 m，允許最大水平距離為42 m。根據(jù)群孔抽注特征，在抽出井和注入井之間，孔底水平距離越小，浸出劑向抽出井運(yùn)移越容易，造成浸出速度越不均勻。

2.5 地下水流場(chǎng)

大部分地浸鈾礦山含礦含水層為層間承壓水，含水層主要補(bǔ)給來源為側(cè)向徑流，地下水流向與礦體走向基本一致。地浸采鈾改變了局部地下水流場(chǎng)特征，在采區(qū)范圍內(nèi)，形成以抽出井為中心的人為流場(chǎng)。為避免含鈾液體向非含礦含水層運(yùn)移，抽水量略大于周邊補(bǔ)給量。對(duì)于滲透性較小的含水層，抽出井和注入井的水量差異較大，并且生產(chǎn)過程中的化學(xué)沉淀物和微顆粒運(yùn)移都會(huì)影響鉆孔出水量。因此，采區(qū)內(nèi)地下水流場(chǎng)隨鉆孔水量變化而動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)周邊鉆孔補(bǔ)給量大于等于抽水量時(shí)，造成地下水稀釋，影響浸出速度。

3 浸出速度的控制措施

3.1 加強(qiáng)采區(qū)水文地質(zhì)試驗(yàn)研究

隨著生產(chǎn)運(yùn)行，地浸鈾礦山主礦體資源量逐漸減少，逐步轉(zhuǎn)為開采次要礦體，甚至到礦山生產(chǎn)末期，需要開拓周邊零散礦體。但是，在平面和剖面上，次要礦體或零散礦體的發(fā)育區(qū)域和層位往往不同，礦體水文地質(zhì)特征也存在差別。在地浸鈾礦山勘探設(shè)計(jì)階段，主要針對(duì)可利用礦體開展了水文地質(zhì)試驗(yàn)，概略論述礦床的水文地質(zhì)特征。以內(nèi)蒙古某地浸鈾礦山為例，根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，在約10 km2范圍內(nèi)，布置7組水文試驗(yàn)單元，獲取主礦體含礦含水層的滲透系數(shù)近似為0.1～1.0 m/d，屬于低滲透性礦床，最大滲透系數(shù)與最小滲透系數(shù)之間相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，勘探設(shè)計(jì)階段獲取的水文地質(zhì)參數(shù)難以替代獨(dú)立采區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)。在采區(qū)投入運(yùn)行前，有針對(duì)性地開展局部水文地質(zhì)試驗(yàn)，不僅能夠更準(zhǔn)確的獲得每個(gè)采區(qū)的水文地質(zhì)特征，還可以為礦山浸出生產(chǎn)提供依據(jù)。

3.2 完善工藝鉆孔資料數(shù)據(jù)

地浸鈾礦山工藝鉆孔的主要作用是探采結(jié)合，在探礦的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)鈾資源生產(chǎn)。國內(nèi)地浸鈾礦山往往忽略了工藝孔也具有勘探孔的作用，鉆孔只保留了鉆孔成井及見礦情況相關(guān)的資料；但是作為勘探孔，鉆孔巖芯資料嚴(yán)重缺失，導(dǎo)致在生產(chǎn)過程中，只能利用詳查或勘探階段的鉆孔資料，分析采區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)、鈾資源狀況變化情況。因此，在工藝鉆孔施工階段，在開拓采區(qū)范圍內(nèi)選取鉆孔進(jìn)行巖芯取樣編錄，并作為檔案資料留存，以便為采區(qū)生產(chǎn)、浸出模擬提供資料支持。

3.3 加強(qiáng)浸出劑加注控制

地浸鈾礦山浸出是一個(gè)復(fù)雜的多相反應(yīng)過程，鈾的浸出主要分為外表面浸出階段、內(nèi)擴(kuò)散浸出階段和鈾的運(yùn)移階段；表面浸出和內(nèi)擴(kuò)散浸出速度均受浸出劑濃度影響。生產(chǎn)過程中，浸出劑的加注以單孔注液量為參照標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)單孔注液量為2.5 m3/h時(shí)，浸出劑加注質(zhì)量濃度為280 mg/L。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)單孔注液量小于1.0 m3/h時(shí)，受浸出劑計(jì)量?jī)x精度的影響，無法實(shí)現(xiàn)浸出劑精準(zhǔn)加注，并且容易造成氣堵。目前內(nèi)蒙古某地浸鈾礦山采用低流量鉆孔并聯(lián)的方式，多孔集中加注浸出劑，不僅解決了低流量鉆孔浸出劑加注困難的難題，而且避免了產(chǎn)生氣堵現(xiàn)象。

3.4 優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)

在低滲透性鈾礦床，為保證抽注平衡，降低地下水稀釋影響，往往采用“七點(diǎn)型”井型布置。這種井型具有較高的可變性，能夠根據(jù)生產(chǎn)需要改變?yōu)椤靶辛惺健?、“多點(diǎn)式”等不同井型。因此，需要鉆孔結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)井型的變化，主要是能夠?qū)崿F(xiàn)抽出井和注入井功能的互換。浸出劑由注入井進(jìn)入礦層，在注入井周邊浸出劑與礦層反應(yīng)最充分，隨著浸出劑在礦層內(nèi)的運(yùn)移，浸出劑與礦層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)被消耗并且受地下水稀釋的影響，浸出劑濃度逐漸降低，通過調(diào)整抽注鉆孔功能，以保障生產(chǎn)浸出。

3.5 加強(qiáng)溶浸范圍控制

為將浸出液有效運(yùn)移至處理車間，需要在含礦含水層內(nèi)建造人工流場(chǎng)，避免浸出液向非含礦含水層擴(kuò)散。人工流場(chǎng)的水力梯度取決于抽液量大于注液量的程度，決定了浸出劑的流動(dòng)速度[5]。根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)基本原理，地下水總是由高水頭區(qū)向低水頭區(qū)流動(dòng)。礦山生產(chǎn)過程中，采用抽出水量大于注入水量的方式，在含礦含水層內(nèi)形成局部降落漏斗；為了形成完整浸出單元，在采區(qū)外圍往往采用注液鉆孔進(jìn)行封邊，這難以避免浸出劑的稀釋和擴(kuò)散。地浸鈾礦山根據(jù)鉆孔布置形式，采區(qū)周邊適當(dāng)布置抽出井，這類抽出井布置方式雖然因未形成完整浸出單元而造成地下水稀釋；但是可以在保證抽注平衡的情況下，通過對(duì)抽出水量和注入水量的調(diào)控，最大限度降低浸出劑的稀釋和浪費(fèi)，同時(shí)增加浸出劑與鈾礦石的接觸時(shí)間，提高浸出速度。

4 結(jié)語

在地浸鈾礦山生產(chǎn)過程中，鈾的浸出速度是衡量礦山經(jīng)濟(jì)可行性的重要指標(biāo)，是鈾礦山可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前國內(nèi)對(duì)地浸鈾礦山浸出速度的研究較少，必須從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾浸出速度的控制，應(yīng)加強(qiáng)區(qū)域水文地質(zhì)試驗(yàn)研究，為鈾的浸出提供技術(shù)支持；優(yōu)化鈾的浸出生產(chǎn)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾浸出速度的合理控制；并通過加強(qiáng)溶浸范圍控制，有效控制生產(chǎn)材料消耗。