某鈾礦床鈾超標(biāo)水治理工程

馮張生，劉小兵，張航飛，楊永興，張 瑩

(中陜核工業(yè)集團二一八大隊有限公司，陜西 西安 710100)

鈾超標(biāo)水的治理一直是輻射環(huán)境治理的難題。對于硬巖鈾礦山鈾超標(biāo)水，除德國等經(jīng)濟發(fā)達國家采用工程治理外[1]，國內(nèi)主要采用吸附、沉淀等水處理工藝進行治理[2-7]；而地浸砂巖型鈾礦山鈾超標(biāo)水工程治理目前還處在探索階段[8]。在鈾礦山生產(chǎn)階段，采用水處理裝置治理鈾超標(biāo)水，經(jīng)濟上是可行的；但對于閉坑鈾礦山和鈾礦勘查項目，采用水處理裝置治理鈾超標(biāo)水極不經(jīng)濟。

某鈾礦床在1972—2014年完成了預(yù)查、普查、詳查工作，期間除施工槽探、坑探、鉆探等地質(zhì)工程外，還完成了2次鈾礦石地表堆浸試驗。2014年詳查工作結(jié)束，鉆孔未封堵，坑道等地質(zhì)工程和廢物未治理，坑口水和鉆孔水鈾濃度超標(biāo)。根據(jù)國家“綠色勘查”要求，為有效改善治理區(qū)輻射環(huán)境，對該鈾礦床實施退役治理工程(以下簡稱退役治理工程)。

1 礦床鈾超標(biāo)水特征

1.1 治理區(qū)地表水中鈾濃度背景值

治理區(qū)未開展過關(guān)于水中鈾濃度背景值監(jiān)測工作。依據(jù)《x鈾礦床普查評價報告》[9]，治理區(qū)因位于礦床鈾礦體的主要分布區(qū)，在坑鉆探等地質(zhì)工程施工前天然泉水的鈾質(zhì)量濃度為幾十至500 μg/L[10]。退役治理工程實施期間放射性水文地質(zhì)補充調(diào)查表明，礦床礦體分布區(qū)天然泉水的鈾質(zhì)量濃度為290～370 μg/L，礦床外圍不含礦的片麻巖風(fēng)化裂隙帶天然泉水中的鈾質(zhì)量濃度為21 μg/L。以上結(jié)果充分說明治理區(qū)為水中鈾濃度高本底地區(qū)。

1.2 治理區(qū)鈾超標(biāo)水的主要來源和治理源項

退役治理工程源項，主要是坑口和鉆孔鈾超標(biāo)水、廢石、廢渣、坑口、構(gòu)建筑物和設(shè)備設(shè)施(圖1)。鈾超標(biāo)水主要來源為坑道涌水和鉆孔水補給的泉水[11]?？拥烙克饕獜?坑口和2坑口流出，坑口水中鈾質(zhì)量濃度為1 417～4 642 μg/L、流量為3～45 m3/d(表1)；坑道圍巖涌水點和被坑道揭穿的鉆孔涌水點是坑口水的補源。鉆孔周邊泉水的鈾質(zhì)量濃度為12～4 675 μg/L。項目廢水排放口位于治理區(qū)的溝谷最下游，水中鈾質(zhì)量濃度為704～740 μg/L?？拥烙克c和治理區(qū)鉆孔為鈾超標(biāo)水治理源項，治理目標(biāo)是把廢水排放口水中的放射性核素濃度降至《鈾礦冶輻射防護和輻射環(huán)境保護規(guī)定》(GB 23727—2020)限值(鈾質(zhì)量濃度低于300 μg/L)以下。

圖1 治理工程坑口和鉆孔等源項、廢水排放口分布示意圖

表1 坑口水流量和鈾質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果

1.3 治理區(qū)鈾超標(biāo)水特征

治理前，排放口水中最大鈾質(zhì)量濃度為740 μg/L，最大226Ra活度濃度為260 mBq/L，最大Th質(zhì)量濃度為0.293 μg/L，水中除鈾濃度超出《鈾礦冶輻射防護和環(huán)境保護規(guī)定》(GB 23727—2020)的限值外，其他核素濃度指標(biāo)均符合要求。

1.4 治理區(qū)鈾超標(biāo)水成因

在鉆孔及坑道等地質(zhì)工程施工后，相比于施工前的自然狀態(tài)，治理區(qū)增大了地表水滲入巖石轉(zhuǎn)化為地下水的能力，改變了地下水的徑流排泄途徑，工程影響范圍內(nèi)的大氣降水滲入巖石形成地下水后主要沿鉆孔和坑口排泄。同時，由于地下水地球化學(xué)環(huán)境由還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸?半氧化環(huán)境，地下水中溶解氧濃度提高，地下水徑流途中對地質(zhì)體(礦體)中鈾礦物的溶解能力大大提高，致使坑口涌水和鉆孔水中的鈾質(zhì)量濃度最高達4 675 μg/L、排放口水中的鈾質(zhì)量濃度最高達740 μg/L[11]。

2 鈾超標(biāo)水治理工程

在治理期間，已采用樹脂吸附工藝處理了超標(biāo)水，以下主要闡述鈾超標(biāo)水工程治理，旨在減少鈾超標(biāo)水的產(chǎn)生。

2.1 坑道鈾超標(biāo)水治理工程

2.1.1 坑道涌水點分布特征及治理思路

以治理區(qū)所處的水文地質(zhì)單元為調(diào)查范圍，進行了放射性水文地質(zhì)補充調(diào)查。結(jié)果顯示，因坑道揭穿了含水層和部分鉆孔，沿坑道圍巖出露眾多涌水點。據(jù)2018年1—12月涌水點的動態(tài)觀測結(jié)果顯示，各涌水點的流量、鈾濃度差異較大。以2坑道為例，不論旱季還是雨季，25處涌水點中的cm20-1穿脈15-20m圍巖、cm20-1穿脈10-12m圍巖、cm16-2穿脈掌子面、cm14-2穿脈10-12m圍巖、ZK004孔、ZK801孔等6個點對坑口水鈾總量的貢獻率是90%～95%，本工程重點對坑口水鈾總量貢獻率大的涌水點進行了治理[12]。

2.1.2 坑道鈾超標(biāo)水治理方案

坑道圍巖涌水點的治理方案是涌水裂隙打孔注漿→涌水圍巖掛網(wǎng)噴護→坑內(nèi)黏土填充、坑口封閉。

2.1.2.1 打孔注漿工藝

在坑道圍巖涌水點治理時，鉆孔注漿的裂隙優(yōu)選地質(zhì)體最近一期構(gòu)造運動形成的張裂隙[13]。注漿孔完孔后如果不涌水或壓水時周邊裂隙不涌水，說明該孔揭穿的裂隙是閉合裂隙，屬于無效注漿孔，應(yīng)重新選擇打孔位置和鉆孔方向。注漿時應(yīng)先注最大涌水鉆孔的周邊鉆孔，然后再注最大涌水鉆孔；否則，會將與涌水小的鉆孔有水力聯(lián)系的小裂隙局部堵塞，導(dǎo)致涌水小的鉆孔注漿效果不佳，注漿后仍然滲水。

先在涌水裂隙一側(cè)距涌水裂隙1 m處用φ50的鉆頭施工注漿孔，注漿孔與巖石裂隙走向夾角45°，注漿孔數(shù)量由涌水裂隙的數(shù)量和長度確定，深度應(yīng)穿過涌水裂隙0.3 m。打孔結(jié)束后用高壓風(fēng)和高壓水將鉆孔吹洗干凈，安裝φ75注漿管，采用錨固劑固定注漿管口(圖2)。

圖2 打孔注漿工藝示意圖

錨固劑凝固后，先壓入清水清洗裂隙充填物，壓力為2 MPa；當(dāng)周邊裂隙流出水干凈且流量穩(wěn)定后結(jié)束注水；最后注入水灰比為1∶1的水泥漿，當(dāng)漿液從裂隙中流出時結(jié)束注漿[14]。

2.1.2.2 掛網(wǎng)噴護工藝

孔內(nèi)注漿水泥凝固后，按照涌水面積大小在外擴1 m的范圍內(nèi)，施工間距1 m×1 m、深0.6 m的φ20鉆孔；插入長度0.6 m膨脹錨桿，錨桿露出鉆孔孔口5 cm，安裝50×50的6號鐵絲網(wǎng)(圖3)；再噴射0.1 m厚的C30細?；炷?，分3次噴射、每次厚度不超過0.05 m，等上一次噴射的混凝土凝固后再噴射下一次。

圖3 掛網(wǎng)噴護工藝示意圖

2.1.2.3 坑內(nèi)充填封閉

在各涌水點穿脈內(nèi)鋪設(shè)腐殖質(zhì)土+硫化鈉+氯化鋇，穿脈口建設(shè)四周嵌入圍巖的混凝土墻，混凝土墻與圍巖之間的空隙采用注漿方式封堵(圖4)。硫化鈉可加速穿脈封閉后還原環(huán)境的形成[15]，硫化鈉添加量應(yīng)綜合考慮治理區(qū)水系統(tǒng)對硫酸鹽的消納能力，應(yīng)側(cè)重考慮穿脈口封閉后對外界空氣中氧的封閉隔離作用。

圖4 坑內(nèi)充填封閉工藝示意圖

2.2 鉆孔鈾超標(biāo)水治理工程

2.2.1 鉆孔封堵原則

鉆孔涌水會補給坑道或補給毛溝水系治理區(qū)段，對排放口以上的水中的鈾元素有補給作用。對涌水補給坑道的鉆孔，若未被坑道揭穿，則注漿封堵至坑道底板以下10 m位置；若被坑道揭穿，則封堵至揭穿位置。對涌水補給毛溝水系的鉆孔，注漿封堵至礦床主要礦化脈巖②脈巖底板以下10 m位置。

2.2.2 鉆孔封堵施工方案

鉆孔封堵采用帶壓注漿和常壓注漿工藝，施工時，先對原鉆孔進行掃孔，到達封堵部位后，將纏繞海帶的止?jié){塞連接在鉆桿上并下放至封堵部位，待海帶膨脹后順時針轉(zhuǎn)動鉆桿，使鉆桿與鋼筋松脫。通過泥漿泵從鉆桿內(nèi)往鉆孔中高壓輸送水泥漿液，水泥漿的水灰比為1∶1。常壓注漿至水泥漿液從孔口返出5 min后，停止常壓注漿；然后在孔口安裝保壓裝置進行帶壓注漿，至注漿壓力達到2 MPa結(jié)束。

3 鈾超標(biāo)水治理效果

鈾超標(biāo)水治理工程共治理坑道涌水2 100 m2，常壓注漿封堵12個鉆孔、進尺1 228 m；帶壓注漿封堵14個鉆孔、進尺1 800 m。

在坑道圍巖涌水點治理工程實施中，設(shè)計的涌水點施工完成后，發(fā)現(xiàn)施工前不涌水但與設(shè)計涌水點存在水力聯(lián)系的部位出現(xiàn)了涌水現(xiàn)象，因此實際施工完成的坑道涌水治理面積大于設(shè)計面積。工程表明，坑道涌水點治理工程應(yīng)以涌水點處的含水層為設(shè)計范圍。

鉆孔封堵帶壓注漿與不帶壓注漿相比，在裂隙較發(fā)育部位吃漿量增加20%～60%，在破碎帶、裂隙帶、第四系等裂隙和空隙發(fā)育部位吃漿量增加50%～100%，封堵效果更好。

3.1 坑口涌水量和水中鈾濃度

經(jīng)過約1個水文地質(zhì)周期年的動態(tài)觀測，發(fā)現(xiàn)被坑道揭穿的鉆孔致密圍巖經(jīng)注漿封堵后未見滲水，破碎圍巖經(jīng)注漿封堵后見少量滲水。鉆孔封堵后由其補給到坑口涌水的鈾濃度普遍降低(表1、表2)。

表2 治理后1坑口和2坑口涌水量和水中鈾濃度

從表1和表2可看出，1坑口涌水最高鈾質(zhì)量濃度由治理前的4 642 μg/L降至治理后的993 μg/L，降幅79%；2坑口涌水最高鈾質(zhì)量濃度由治理前的4 642 μg/L降至治理后的667 μg/L，降幅86%，治理效果較好。

由于將聯(lián)通1坑口、2坑口的鉆孔封堵，1坑口最大流量由6.0 m3/d增大至28.0 m3/d，最小流量由1.2m3/d增大至4.1 m3/d；2坑口最大流量由45 m3/d減小至16 m3/d，最小流量由15.0 m3/d增大至4.5 m3/d。

坑道涌水點治理后，坑口水中鈾濃度逐步增大并至基本穩(wěn)定(表2)，這可能與坑道影響范圍的地下水徑流系統(tǒng)重新形成過程有關(guān)，持續(xù)時間大致與礦床中淺層地下水交替周期一致。

3.2 排放口水中放射性核素指標(biāo)

治理后排放口水中的鈾質(zhì)量濃度由740 μg/L降至203 μg/L以下，降幅73%；226Ra活度濃度由260 mBq/L降至33 mBq/L，降幅87%；Th質(zhì)量濃度由0.29 μg/L降至0.07 μg/L，降幅78%。治理后排放口水中的相關(guān)放射性核素指標(biāo)均低于《鈾礦冶輻射防護和輻射環(huán)境保護規(guī)定》(GB 23727—2020)的排放限值。

4 結(jié)論

以治理區(qū)所處的水文地質(zhì)單元為調(diào)查范圍，通過對礦床放射性水文地質(zhì)特征研究和長期動態(tài)觀測，基本查明鈾超標(biāo)水的主要補源和成因，確定治理源項是取得較好治理效果的關(guān)鍵。退役治理工程采用的坑道涌水點封堵+鉆孔封堵治理鈾超標(biāo)水的工藝符合治理區(qū)實際情況，治理效果較好。

坑道涌水點治理，宜以涌水點處的含水層為治理范圍，注漿孔優(yōu)選地質(zhì)體最近一期構(gòu)造運動形成的張裂隙，按鉆孔涌水量“先小、后大，先周邊、后中心”的序次分批實施注漿。鉆孔封堵應(yīng)優(yōu)選帶壓注漿工藝。