硬巖鈾礦無廢協同開采模式及技術研究

薛希龍 戴 勇 范永亮 張 曉 劉德奇 張樹文

（1.南華大學資源環(huán)境與安全工程學院，湖南衡陽421001；2.金川集團股份有限公司龍首礦，甘肅金昌737100；3.重慶重科院注冊安全工程師事務所有限公司，重慶401331）

鈾是重要的戰(zhàn)略資源和能源礦產。我國鈾礦資源較為豐富，但成礦床規(guī)模小、產狀變化大、賦存條件復雜、品位低［1］。多年來，我國硬巖鈾礦主要采用空場法和干式充填法開采，礦山生產效率低、資源損失大、采空區(qū)危害等問題較為突出。同時，鈾礦開采過程中掘進的含放射性廢石，以及地表酸法堆浸提鈾過程中產生的尾渣，在長期堆排過程中對地表水土造成了永久性污染［2-3］，嚴重制約了我國綠色生態(tài)鈾礦冶的發(fā)展。

目前，充填開采作為實現綠色無廢開采的重要發(fā)展方向，為解決上述問題提供了有效途徑［4-5］。近年來，不少學者針對鈾礦充填開采開展了一定的研究，如劉玉龍等［6］、張征等［7］進行了堆浸鈾尾渣膠結充填配比試驗，分析了質量濃度、灰砂比、預處理材料對充填體強度的影響規(guī)律，獲得了鈾礦充填的最佳配比參數，并討論了一步驟充填體固化時間與二步驟礦房回采時間的匹配關系；Deb 等［8］研究了碳酸鹽型超細鈾尾砂充填膏體的工作特性和力學特性，并對充填后的環(huán)境效應進行了評估；范楠彬等［9］、蔣復量等［10］研究了鈾尾渣充填體中氡的析出規(guī)律。上述研究豐富了鈾礦充填理論體系，對于硬巖鈾礦無廢開采具有一定的參考意義，但并未將礦石開采與堆浸鈾尾渣、含放射性廢石等鈾礦冶尾廢的處置作為一個整體統(tǒng)籌考慮，弱化了各工序之間的系統(tǒng)效應，易導致礦山生產效率低下以及尾廢間歇式排放對環(huán)境造成污染。

為此，本研究引入“協同開采”理念［11-15］，將“協同開采”的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新技法引入硬巖鈾礦開采中，一方面通過優(yōu)化采礦方法、充填與堆排工藝，將礦石開采與尾廢處置作為一個高度協同的系統(tǒng)，在提升開采效率的同時，最大限度減少尾廢在地表臨時或永久性堆置；另一方面，將剩余尾廢進行同步膠結堆排，使低放射性核素在庫堆硬化體中得到固化［16］，減輕地表污染。針對硬巖鈾礦稟賦特征，以及開采、堆浸和尾廢排放中存在的問題，提出硬巖鈾礦無廢協同開采的新模式并進行相應的技術研究。

1 硬巖鈾礦無廢協同開采模式

硬巖鈾礦無廢協同開采是指在充填開采的基礎上，結合“協同開采”理念，通過分析硬巖鈾礦資源的開采技術條件、隱患因素和相應的措施工程目的，調整回采工程布置，優(yōu)化充填工藝流程，改進鈾礦冶尾廢處置方案，并采取相應的工程技術措施，使采礦與堆浸、采礦與充填、充填與堆排在時間和空間上高度協調，實現硬巖鈾礦資源安全、高效、綠色、經濟、和諧開采。

硬巖鈾礦無廢協同開采是一項復雜交叉融通的綜合技術，其技術模式如圖1所示。該技術實現了硬巖鈾礦由傳統(tǒng)獨立粗放的采礦—堆浸—直排模式向基于采礦—堆浸—充填—固化堆排協同開采模式的轉變，使開采過程中掘進的廢石就近處置，堆浸產生的尾渣膠結充填，充填剩余的尾渣固化堆排，在時間上實現采礦、堆浸、充填和堆排等工序的有機配合，在空間上實現采礦、堆浸、充填和堆排工程的協調布置，在工藝上實現各工序同步。該技術的核心是采—充—排協同工藝技術，目的是最大限度提升硬巖鈾礦開采效率、資源回收率和礦山整體經濟效益，同時實現含放射性廢石地表零排放和堆浸鈾尾渣綠色無害化處置。

2 試 驗

2.1 試驗材料

試驗中堆浸鈾尾渣取自粵北某鈾礦山堆浸場，其粒徑組成如表1 所示。由表1 可知：堆浸鈾尾渣粒徑不均勻系數Cu為22.75，曲率系數Cc為2.99，粒徑粗、分布較廣，屬于連續(xù)級配，有利于提高充填體強度。堆浸鈾尾渣的化學元素組成如表2所示。由表2可知：堆浸鈾尾渣中Si 含量較高，有利于促進膠凝體系的水化反應，同時含少量的S，對于充填體后期強度存在一定的影響。試驗中的膠凝材料選用P·C32.5普通硅酸鹽水泥。

2.2 試驗結果及分析

為確定堆浸鈾尾渣膠結充填和堆排所需的強度指標和管道輸送參數，設計了質量濃度為74%、76%、78%，灰砂比為1∶6、1∶10、1∶14的9種配比試驗方案。首先按照試驗方案配制充填漿體，然后采用擴展度筒（筒高150 mm，上口直徑50 mm，下口直徑100 mm）測試漿體的擴展度，并將漿體注入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 標準三聯模具中制作試塊［17］。試塊脫模后在溫度20 ℃、濕度90%的條件下進行養(yǎng)護，并用YAW-100D 試驗機測試其7 d 和28 d 的單軸抗壓強度。試驗結果如表3所示。

2.2.1 漿體流動性

充填漿體的擴展度與灰砂比之間的關系如圖2所示。由圖2可知：漿體擴展度隨著質量濃度增加而大幅下降，灰砂比相同條件下濃度每降低2%，擴展度增加2.1～7.6 cm，說明擴展度對質量濃度較為敏感。當質量濃度為74%時，漿體離析較嚴重，濃度為78%時漿體流動性較差，濃度在76%時，擴展度為13.9～16.7 cm，可滿足管道輸送要求［18］。

2.2.2 充填體的強度特性

充填體強度與灰砂比之間的關系如圖3 所示。由圖3 可知：充填體7 d 和28 d 的強度隨灰砂比和質量濃度的增大而增加，且灰砂比大于1∶14 時，7 d 強度均大于0.8 MPa，表明堆浸鈾尾渣能夠使充填體形成較高的早期強度。當質量濃度為76%時，充填體7 d 和 28 d 強度分別為 1.0～1.68 MPa 和 1.57～2.23 MPa，均明顯高于相似配比的全尾砂充填體［19］，不僅有利于支撐頂板和降低成本，也有利于固化堆浸鈾尾渣中的放射性核素。

3 工程應用

某鈾礦山礦石類型為硅酸鹽-單鈾礦石類型，礦體為急傾斜脈狀礦體，松散系數1.47，密度2.56 t/m3，上下盤為花崗巖或石英脈巖，礦巖硬度系數f=8～10，采用上向分層干式充填法開采，在生產中效率低、礦柱損失大，地表堆浸尾渣和廢石處置率較低。為解決上述問題，基于無廢協同開采模式，將采礦方法調整為機械化上向水平分層膠結充填法，并對與之相配套的協同工藝進行設計。

3.1 采—充—排協同工藝流程

充填材料的工作特性、強度特性以及環(huán)境效應是實施采—充—排協同工藝的關鍵。根據礦山開采現狀及充排試驗結果，設計了如圖4所示的采—充—排協同工藝流程。其基本思路是：礦石在地表堆浸提鈾后產生的尾渣與改性材料、膠凝材料和水按設計配比參數在雙軸攪拌槽內初級混合，而后進行二次高效活化攪拌，加壓輸送至井下預定充填區(qū)域，并與掘進的廢石就地混合充填；與此同時，剩余的堆浸鈾尾渣充填漿體直接輸送至尾礦庫進行固化堆排。充填時，采場第一分層和每分層膠面采用質量濃度76%、灰砂比1∶10 的漿體充填，充填體28 d 強度不低于1.5 MPa［17］，其余部位充填與尾礦庫固化堆排采用的漿體質量濃度為76%、灰砂比為1∶14。

3.2 機械化上向水平分層膠結充填工藝設計

（1）采場結構要素。采場沿走向布置，高度和長度均為50 m，底柱5 m，頂柱2 m，不留間柱，寬度為礦體水平厚度，分層高度為3～3.3 m，回采過程中最大控頂高度為6.3 m。

（2）采準切割。采準工程采用下盤脈外布置方式，主要包括采準斜坡道、分段聯絡平巷、分層聯絡道、卸礦橫巷、溜井、充填回風井、穿脈等。在最下一分層自下向分層聯絡道垂直于礦體布置一拉底平巷，以拉底平巷為自由面向兩邊擴幫至采場邊界形成拉底空間。

（3）回采與充填。采用Boomer 281 鑿巖臺車鉆鑿水平炮孔，崩落的礦石通過WJ-2 鏟運機出礦。充填時，第一分層和每分層膠面的充填體28 d 強度不低于1.5 MPa，其余部位采用低配比漿體與廢石混合充填。采場生產能力為135 t/d，礦塊回采率為88.86%，貧化率為5%，膠凝材料成本為14.31 元/t 原礦。

3.3 采—充—排協同平衡

（1）廢石—堆浸鈾尾渣掘充平衡。經計算，單個礦塊采出礦石為45 389 t，副產廢石為6 808 t，堆浸鈾尾渣產量為44 481 t。按推薦的配比，廢石全部就地充填，單個采場堆浸鈾尾渣消耗24 466 t，其充填處置率達55%。

（2）堆浸鈾尾渣充排平衡。充填剩余45%的堆浸鈾尾渣，按固化堆排技術要求同步輸送至尾礦庫進行固化處置。

3.4 預期協同效果

該礦山采用無廢協同開采模式后，預計采場生產能力提升至135 t/d，回采率提高至88.86%，廢石達到地表零排放，堆浸鈾尾渣通過膠結充填和固化堆排方式得到全部無害化處置。

4 結 論

（1）基于“協同開采”理念，提出了硬巖鈾礦無廢協同開采模式。該模式通過優(yōu)化回采工程布置、充填與尾廢處置工藝，使采礦、堆浸、充填與堆排在時間和空間上實現協同，達到鈾礦資源的安全高效開采和鈾礦冶尾廢的綠色無害處置。

（2）基于充排試驗，獲得滿足采場充填或地表同步固化堆排要求的配比參數，漿體質量濃度為76%、灰砂比為1∶10和1∶14。

（3）某硬巖鈾礦實施無廢協同開采后，預期采場生產能力提升至135 t/d，礦塊回采率達88.86%，廢石達到地表零排放，堆浸鈾尾渣在井下充填和地表固化堆排中得到有效處置。