原地浸出采鈾幾個科技術語的討論

王海峰 陳梅芳

摘?要：近些年，地浸采鈾技術的進步極大刺激了國內(nèi)地浸采鈾礦山建設的蓬勃發(fā)展，新技術、新工藝不斷涌現(xiàn)。但是，在地浸采鈾相關術語的理解和使用中存在各種問題。在分析科技文獻和地浸采鈾實踐的基礎上，經(jīng)過多年的推敲，作者認為：資源利用率、金屬浸出率、液固比、平米鈾量等作為地浸采鈾科技術語存在定義不嚴謹、運用錯誤等不科學現(xiàn)象。

關鍵詞：地浸采鈾;資源利用率;金屬浸出率;液固比;平米鈾量

中圖分類號：TD166;N04?文獻標識碼：A?DOI：10.3969/j.issn.1673-8578.2020.06.018

Abstract：In recent years， the progress of in-situ leaching uranium mining technology has greatly stimulated the vigorous development of in-situ leaching uranium mine construction in China， and new technologies and processes are emerging constantly. However， there are various problems in the understanding and use of in-situ leaching uranium technical terms. Based on the analysis of scientific and technological documents and the practice of in-situ leaching of uranium， the author considers that there are some unscientific phenomena in the scientific and technological terms of in-situ leaching uranium， such as resource utilization rate， metal leaching rate， liquid-solid ratio， uranium content per square meter， etc.

Keywords： in-situ leaching of uranium; resource utilization rate; metal leaching rate; liquid-solid ratio; uranium content per square meter

引?言

2007年以來，隨著國際市場天然鈾價格的不斷下滑，一些國家生產(chǎn)成本較高的常規(guī)鈾礦山（露天、地下開采礦山）相繼關閉，這極大地激勵了原地浸出采鈾（地浸采鈾）礦山的發(fā)展。2014年，地浸采鈾量首次超過世界天然鈾總產(chǎn)量的一半，占51%，2019年繼續(xù)提高到57%[1]。

隨著我國第一座地浸采鈾礦山的成功建設，地浸采鈾技術取得突破，相繼建成多座酸法、堿法和中性地浸礦山，地浸采鈾占我國天然鈾總產(chǎn)量的比例逐漸擴大，并占絕對優(yōu)勢。特別是我國北方砂巖型鈾資源勘探的迅速發(fā)展，新發(fā)現(xiàn)了一批大型、特大型鈾礦床，為地浸開采奠定了堅實基礎。在地浸采鈾技術上，探索并實踐了地下水低承壓水頭的地浸滲流場再造、高碳酸鹽型礦體微試劑浸出、高鐵鋁礦床的低酸氧氣浸出、高礦化度地下水淡化少試劑浸出、高通量分布式浸出液處理系統(tǒng)，突破了礦床地浸開采的制約條件，推動了地浸采鈾技術的進步，并極大地回收了資源。

隨著地浸技術的發(fā)展，實際作業(yè)中科技術語的理解與使用已顯現(xiàn)出了一些問題，本文將對資源利用率、金屬浸出率、液固比等地浸采鈾相關術語進行分析并提出建議。

一?地浸采鈾技術概述

1.地浸采鈾技術的應用與發(fā)展

地浸采鈾作為一種采礦方法，從研究、開發(fā)、應用至今有幾十年的歷程。目前，哈薩克斯坦、美國、烏茲別克斯坦、俄羅斯、烏克蘭、巴基斯坦、澳大利亞、中國都有地浸采鈾礦山在開發(fā)，捷克、保加利亞、德國也曾應用過地浸技術開采鈾礦床，土耳其、埃及、蒙古等國也都不同程度地開展過地浸采鈾的研究與試驗。受天然鈾國際市場價格的影響，這一低成本的采鈾方法更加受到各國的青睞。

隨著地浸采鈾技術的不斷成熟，其應用條件不斷拓寬，初始認為不適宜地浸開采的礦床，如今也成功地進行了嘗試。在開采深度上，哈薩克斯坦已在埋深700m的鈾礦床使用地浸法開采;在地下水含鹽量上，澳大利亞Beverly和Honeymoon礦山成功在地下水礦化度高達12g/L和20g/L的條件下開采;在氧化劑使用上，展開了微生物氧化劑的研究與試驗;在地浸采鈾礦山自動化和環(huán)境控制上，中國已走在世界前列，建成多座地浸采鈾綠色礦山。這些新技術的開發(fā)為地浸采鈾注入了活力。

基于地浸采鈾本身具有的優(yōu)點，這一礦床非常規(guī)開采技術將繼續(xù)被鈾礦業(yè)所應用，并發(fā)揚光大。

2.地浸采鈾技術原理

地浸采鈾是一種在天然埋藏條件下，通過浸出劑與礦物的化學反應選擇性地溶解礦石中的鈾，而不使礦石產(chǎn)生移動的集采、選、冶于一體的新型鈾礦開采方法[2]。它一改過去常規(guī)礦山的生產(chǎn)模式，沒有昂貴而繁重的井巷或剝離工程，也沒有礦石運輸、選礦、破碎和尾礦壩建設等工序。地浸采鈾采出的并非礦石，而是含鈾溶液。此工藝流程（圖1）

具有工藝簡單、基建投資少、生產(chǎn)成本低、環(huán)境保護和安防條件好、資源利用率高等優(yōu)點。

如圖1所示，地浸采鈾是通過從地表鉆進至含礦層的注入井將按一定比例配制好的浸出劑注入礦層，并與礦石中的有用成分接觸發(fā)生化學反應，生成的可溶性化合物（浸出液）在滲流和擴散作用下離開化學反應區(qū)，最終從抽出井提升至地表。抽出的浸出液輸送至回收車間（水冶廠）進行離子交換、淋洗、沉淀、壓濾、干燥等工序處理，最終得到合格產(chǎn)品。

二?幾個地浸采鈾相關術語辨析

1.資源利用率

資源利用率即礦山設計利用量與地質資源總量的比值，以百分數(shù)表示。

資源利用率=地質資源×利用系數(shù)地質資源×100%?（1）

雖然我國從事地浸采鈾研究和應用已有50多年，但未建立地浸采鈾礦山設計的標準或規(guī)范。以往的地浸采鈾礦山設計，在地質資源處理上基本遵循以下程序。

第1步：地質資源×利用系數(shù)（0～1）=設計可利用資源;第2步：設計可利用資源×礦山回收率（70%、75%）=井場浸出金屬量;第3步：井場浸出金屬量×水冶回收率=最終資源回收率。

按此程序計算資源回收率時，涉及利用系數(shù)這一參數(shù)。但我國鈾礦冶行業(yè)并未建立利用系數(shù)的取值標準或規(guī)范，無奈之下借助《固體礦產(chǎn)地質勘查規(guī)范總則GB/T 13908—2002》[3]，以便確定利用系數(shù)。此勘查規(guī)范中對不同資源類型可靠程度系數(shù)規(guī)定：探明資源（331）可靠性η（η≥0.8）;控制資源（332）可靠性η（0.45≤η≤0.65）;推斷資源（333）可靠性η（0.15≤η≤0.3）;預測資源（334）可靠性η（η<0.1）。從而，地質資源利用系數(shù)的選取似乎順理成章，但卻忽略了該規(guī)范并非針對可地浸砂巖型鈾礦床這一重要因素，可靠程度系數(shù)的制定未體現(xiàn)地浸開采方法的特點，即如礦層滲透性能及礦石可浸性等。而且，規(guī)范中的利用系數(shù)均在一定區(qū)域之間，最終造成礦山資源利用率因人而異，表1是我國幾個地浸采鈾礦山設計時的資源利用率[4]。

從表1看出，各礦對各級別資源所采取的利用系數(shù)各異，項目建議書或可行性研究報告中都對各自的系數(shù)取值闡述了緣由，有理有據(jù)，看似無懈可擊。但是，不可否認，這種取值方法更大程度上取決于設計者，隨意性大，造成利用系數(shù)也五花八門。即便依據(jù)固體礦產(chǎn)地質勘查規(guī)范總則，各礦山不同資源取值也不一樣。例如，333級別資源利用系數(shù)取值分別為0.5、0.4和0.35，332級別資源取值高達0.8（其中包括122b級別資源），均超出了勘查規(guī)范的限值。但2號礦一期333級別的資源利用系數(shù)取值為0，即全部舍棄，也不符合勘查規(guī)范的要求。大量實踐證明，這種資源利用系數(shù)的取值方法導致資源利用率低，表1中計算后礦山資源利用率最低28%，8個礦平均值41.5%，僅一個礦山超過60%，結果難以接受。

如此之低的資源利用率，長此以往會給外界對地浸采鈾方法帶來錯覺或偏見，質疑地浸采鈾方法回收低品位資源的優(yōu)勢，或因資源利用率低而堵死地浸采鈾技術的持續(xù)發(fā)展之路。再則，此資源利用率的計算基于地質資源，而地質資源的變化巨大，因而所得出的資源利用率的可靠性令人質疑。特別是在我國，因相比巴基斯坦、美國、澳大利亞等國家同級別資源勘探網(wǎng)度較低，以此計算的資源利用率更經(jīng)不住推敲。因此，不建議在地浸采鈾中使用資源利用率這一術語。

2.金屬浸出率

地浸采鈾金屬浸出率是開采中所浸出的金屬總量與開拓儲量的比值的百分比。

金屬浸出率=浸出金屬總量開拓儲量×100%?（2）

開拓儲量是地浸礦山生產(chǎn)過程中通過對地質資源補充勘探所確定，并被礦山生產(chǎn)井（注入井、抽出井）所控制。由于礦山企業(yè)在獲得地質部門提交的地質資源后，會根據(jù)資源勘探級別進行補充勘探，并施工抽出井和注入井，因此，所獲得的開拓儲量相對可靠程度較高。另外，由于地浸采鈾技術的特點，浸出劑在礦層中從注入井運移至抽出井的過程中，在平面上，由于溶浸范圍大于鉆孔所控制的幾何范圍（圖2），采區(qū)外圍的低品位礦石也被浸出劑滲入。在剖面上，一定厚度的礦層上、下部低品位礦化層也被浸出劑所滲入，即地浸采鈾礦山生產(chǎn)時，被浸資源遠大于開拓儲量，從而大大提高了浸出率，甚至超過100%。表2為某酸法地浸采鈾礦山幾個采區(qū)的金屬浸出率2014年統(tǒng)計結果[2]。

從表2中看出，5個采區(qū)金屬浸出率均很高，且其中3個超過100%，而且，采區(qū)仍處于生產(chǎn)狀態(tài)，這意味著金屬浸出率還會進一步增大。另外，某酸法地浸采鈾礦山，2008年退役的12-1采區(qū)、3號采區(qū)、7號采區(qū)，金屬浸出率分別為165.41%、88.74%和79.70%;2006年退役的11號采區(qū)和9號采區(qū)金屬浸出率分別為111.12%和87.39%，均獲得較高值。

某CO2+O2地浸采鈾礦山2015年金屬浸出率統(tǒng)計結果如表3所示。這兩個采區(qū)仍在生產(chǎn)，金屬浸出率還會持續(xù)增大。

3.液固比

液固比，顧名思義是液體量與固體量的比值，這里所稱的液體是所注入的浸出劑量，而固體是被浸巖礦量，即體積重量比。液固比是地浸采鈾設計與生產(chǎn)中常用的參數(shù)，公式如下：

從公式（3）看出，影響地浸采鈾液固比的因素包括總注液量、溶浸體積和礦石密度?？傋⒁毫渴钦麄€生產(chǎn)期間所有鉆孔注入的試劑總體積量，它與運行時間長短直接相關，同時又受礦石孔隙度或密度的影響。對于砂巖，礦層密度小則孔隙度大，總注入量大，液固比大。例如：某鈾礦床礦層厚度6m，礦石密度2，地浸開采試驗期間采用5點型井型，4個抽出井，9個注入井。地下浸出階段鉆孔平均注液量3.6m3/h，試驗開展6個月后鉆孔總注液量139 968m3，此時液固比為2.38。同樣條件下，當?shù)V石密度從2變化到1.8時，液固比變?yōu)?.64[5]。因此，其他條件相同時，密度對液固比的影響不容忽視，多個采區(qū)比較必須予以重視。

另外，近些年一些技術人員在采區(qū)浸出狀況比較時，經(jīng)常用液固比這一科技術語判斷，這存在一定的片面性，特別是進行多個礦體浸出比較時極不科學。圖3為3個不同采區(qū)不同時段的液固比與回收率的關系。

從圖3看出，如果以液固比判斷采區(qū)浸出效果，當液固比為1.5時，兩個采區(qū)浸出率分別為57%和43%，相差14%。因此，當以液固比評價礦體浸出效果和判斷礦體浸出階段時，不同采區(qū)差別較大，不同地質和水文地質條件的礦體差別會更大（表4）。這種差別的存在由多種因素造成，如礦石浸出性能、礦床滲透性、礦石密度等。因此，不建議使用液固比作為評價采區(qū)或礦床浸出效果的指標。

4.平米鈾量

僅在地浸采鈾領域使用的科技術語，平米鈾量（kg/m2）是礦石品位、密度和礦體厚度乘積的10倍[6]。

另外，當采用塊段法計算礦體資源量時，應首先求出礦段的真實面積，即塊段投影面積被礦體傾斜面與投影面夾角的余弦所除。

對比公式（4）和公式（5）看出，平米鈾量實質就是礦床地質資源量的計算方法之一塊段法的中間參數(shù)。本意上，平米鈾量表示單位面積上的金屬量，但因包含礦石密度，使該科技術語不倫不類。

應用在地浸采鈾領域的平米鈾量概念最早由蘇聯(lián)提出，我國20世紀70年代初期從蘇聯(lián)引用了這一概念，并一直沿用至今。而美國和其他從事地浸采鈾的西方國家，評價礦床資源質量時使用GT（Grade×Thickness，礦石品位與礦體厚度乘積）指標，它相當于我國常規(guī)鈾礦山使用的米百分數(shù)指標，一直作為評價礦體質量的參數(shù)，有較強的科學性，能真實地反映礦體質量。

對于地浸采鈾，礦床厚度大、品位高都是有利因素，表明礦體質量好，有利于金屬浸出。但是，如果砂巖密度大導致孔隙度小，實為不利因素，不利于金屬浸出。在三個變量增大的情況下，平米鈾量將有利于地浸開采的兩個有利因素和不利于地浸開采的一個因素相乘，得出結果不倫不類。因此，如果以平米鈾量作為判斷礦體質量的指標會導致結果的偏差。例如，我國新疆某鈾礦床和內(nèi)蒙古某鈾礦床礦石密度分別為1.8和2.1，當?shù)V石品位0.08%，礦體厚度4m時，平米鈾量分別為5.76kg/m2和6.46kg/m2，相差10%。若以此判斷礦床的資源質量，一定會選擇平米鈾量大的6.46kg/m2，忽略由于密度大造成的結果，驅使設計者做出錯誤的判斷。哈薩克斯坦某礦床礦石密度2.7，同樣條件計算的平米鈾量為8.64kg/m2，比密度1.8的礦床高出33%。無疑，設計者一定會選擇密度2.7的礦床，因它的平米鈾量遠大于其他礦床。但事實恰恰相反，從有利于金屬浸出考慮，密度為1.8的礦床應當為首選，雖然它的平米鈾量最低，但因它的密度小，礦層疏松而有利于地浸開采。

從上面分析看出，在以平米鈾量作為判斷礦床質量時，如果平米鈾量高是因密度大引起的，那其結果與利于浸出相悖。因此，用平米鈾量判斷礦床質量好壞存在不科學性，特別是多個礦床進行比較且礦石密度相差大時更為嚴重。從這一點出發(fā)，平米鈾量不宜作為判斷礦床質量的指標。

三?結?論

（1）地浸采鈾礦山設計時，不建議采用地質資源乘以利用系數(shù)的方法確定可利用資源量。第一，《固體礦產(chǎn)地質勘查規(guī)范總則GB/T 13908—2002》中給出的不同級別資源的可靠性系數(shù)，并非針對地浸采鈾砂巖型鈾礦床，況且可靠性系數(shù)與利用系數(shù)尚存在概念的差別，對于地浸采鈾技術，可靠的資源并不意味可利用;第二，與西方地浸采鈾國家比較，我國同級別的資源勘探網(wǎng)度稀疏，特別是占資源量總數(shù)較大的控制資源（332）和推斷資源（333），補充勘探或礦山開拓后變化較大，即便乘以利用系數(shù)也很難準確估算;第三，借以《固體礦產(chǎn)地質勘查規(guī)范總則GB/T 13908—2002》的可靠性系數(shù)而轉化的利用系數(shù)均在一定范圍之內(nèi)，非確定值，取值大小與設計者的理念、經(jīng)驗等息息相關，人為因素極大;第四，實踐統(tǒng)計得出，以利用系數(shù)計算的地浸采鈾礦山資源利用率極低，最低僅為28%，且基本低于50%，長期持續(xù)應用這一計算方法，勢必讓外界對地浸采鈾技術產(chǎn)生誤解，影響其可持續(xù)發(fā)展;第五，建議地浸采鈾礦山設計時，應根據(jù)地質勘探部門提供的資料，對每一礦塊從地浸采鈾技術角度出發(fā)核實其資源量。

（2）為更好地彰顯地浸采鈾技術的優(yōu)點，礦山設計時應推廣使用金屬浸出率這一科技術語。地浸采鈾金屬浸出率建立在礦床或采區(qū)開拓儲量基礎上，可靠性高。并且，金屬浸出率經(jīng)常超過100%，充分反映了地浸采鈾不但能回收鉆孔圈定范圍內(nèi)礦層中的金屬，而且還可回收平面上溶浸范圍內(nèi)和剖面上礦層上下礦化層的金屬，有利于地浸采鈾技術的推廣應用。

（3）地浸采鈾領域使用的科技術語液固比僅限于給出采區(qū)注入浸出劑量和巖礦量的比值，無法用來判斷采區(qū)浸出效果。礦床地浸開采時，因礦石浸出性能、礦層滲透性能等的差異，注入的浸出劑量和所消耗的浸出劑量各不相同，因此，用液固比判斷礦床或采區(qū)浸出階段或浸出效果會導致錯誤的結果，無法作為礦床或采區(qū)繼續(xù)浸出或結束生產(chǎn)的指標。

（4）平米鈾量是塊段法計算地質資源的中間值，特別是因含有礦石密度量，將有利于地浸開采的礦石品位、礦層厚度與不利于地浸開采的礦石密度相乘，得出矛盾的積，無法作為評價礦床質量的指標。實踐證明，僅以平米鈾量比較多個礦床質量時，往往會因礦石密度的作用導致相反的結果，錯誤地選定因礦石密度大、平米鈾量大但卻不利于地浸開采的礦床，這點必須引起注意。因此，不建議我國地浸采鈾礦山使用平米鈾量這一科技術語，而應采用我國常規(guī)礦山和西方國家地浸采鈾礦山使用的米百分數(shù)（GT）作為評價礦床質量的指標。

參考文獻

[1]?OECD，IAEA. World Uranium Mining Production[R]. Vienna：International Atomic Energy Agency， 2020.

[2]?王海峰. 原地浸出采鈾技術[R]. 北京：核工業(yè)北京化工冶金研究院，2020.

[3]?國家市場監(jiān)督管理總局，國家標準化管理委員會.GB/T 13908—2002固體礦產(chǎn)地質勘查規(guī)范總則[S].北京：中國標準出版社，2020.

[4]?王海峰，湯慶四，姚光懷，等. 提高地浸采鈾礦山設計資源利用率的方法[J].鈾礦冶，2015，34（3）.

[5]?王海峰. 地浸采鈾資源利用評價方法與工藝試驗[C]//砂巖型鈾礦床一般工業(yè)指標及鈾鐳、鐳氡平衡系數(shù)專題研討會論文集.北京，2014.

[6]?王海峰，葉善東. 原地浸出采鈾工程技術[M].北京：中國原子能出版?zhèn)髅接邢薰荆?011：8-18.