哈薩克斯坦某鈾礦床地浸采鈾現(xiàn)場試驗研究

李建東，張 峰，原 淵，竇金龍

(1.中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；3.浙江華友鈷業(yè)股份有限公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314500)

0 引 言

原地浸出采鈾，即地浸采鈾通過鉆孔工程，借助化學(xué)試劑，在天然埋藏條件下把礦石中的鈾溶解出來，而不使礦石產(chǎn)生位移的采、選、冶一體的鈾礦開采方法，具有生產(chǎn)成本低、建設(shè)周期短、環(huán)境污染小等優(yōu)點[1]。目前，采用地浸方法生產(chǎn)鈾產(chǎn)品的國家主要有哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、中國、俄羅斯、美國、巴基斯坦與澳大利亞等。哈薩克斯坦鈾資源量位居世界第二位，從2009年開始成為世界最大的天然鈾生產(chǎn)國，并保持至今[2-3]。中國廣核集團有限公司為開發(fā)哈薩克斯坦扎爾巴克礦床，收集了詳細(xì)的地質(zhì)資料，并開展了多次地浸采鈾現(xiàn)場試驗[4]。試驗結(jié)果表明，扎爾巴克礦床資源量可靠程度較高，適宜于酸法地浸開采，且未來具有良好的工業(yè)開發(fā)價值。

1 礦床概述

1.1 礦床地理位置

扎爾巴克礦床位于哈薩克斯坦共和國突厥斯坦州的蘇扎克地區(qū)，在著名的楚-薩雷蘇鈾成礦省內(nèi)，南距草原礦務(wù)局60 km，距州中心奇姆肯特市500 km，距區(qū)中心楚拉克-庫爾干310 km。該礦床為哈薩克斯坦國家原子能工業(yè)公司(以下簡稱“哈原工”)所擁有，但尚未正式礦建。2017年，哈原工全資子公司奧爾塔雷克公司獲得了扎爾巴克礦床2018—2022年試驗階段的地下資源使用合同，并啟動了現(xiàn)場試驗。

1.2 礦床特征

扎爾巴克礦床發(fā)現(xiàn)于1964年，位于楚-薩雷蘇鈾成礦省東北緣，賦礦層位主要為上白堊統(tǒng)。礦床長度約48 km，分為南部、中部和北部三個部分。由8個礦體組成，單個礦體長度3～22 km，寬25～850 m。礦體埋深120～150 m，礦層厚度0.5～20.0 m，平均厚度3.94 m，平均品位0.032%，平均平米鈾量2.04 kg/m2。

2 試驗塊段地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)條件

試驗塊段選擇在扎爾巴克礦床2-12C1礦體，礦體連續(xù)性較好，如圖1所示。地質(zhì)塊段面積155 000 m2，礦體平均埋深139 m，平米鈾量1.72 kg/m2，設(shè)計工業(yè)儲量267 t。2-12C1礦體主要地質(zhì)工藝參數(shù)特征見表1。

圖1 2-12C1礦體剖面圖

表1 試驗塊段工藝參數(shù)特征

2.2 水文地質(zhì)條件

下扎爾巴克層為本區(qū)主要的含礦含水層，賦存于下伏英庫都克層及上扎爾巴克層之間，如圖2所示。剖面上具有較典型的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，中間發(fā)育局部隔水層，形成了20～31 m厚的含礦含水層。礦體發(fā)育在下扎爾巴克含水層的下部，部分礦體緊貼隔水底板發(fā)育。下部英庫都克層的泥巖隔水底板穩(wěn)定連續(xù)，厚度12～20 m，對地浸浸出劑向下部的漏失控制極為有利。

圖2 礦床縱剖面結(jié)構(gòu)示意圖

礦床含礦含水層均為承壓水，靜水位埋深在57.0～60.5 m，承壓水頭55.0～58.0 m，滲透系數(shù)為3.4～14.3 m/d，平均為8.8 m/d。水化學(xué)類型為SO4-Cl-Mg-Na型水，礦化度7.3～7.5 g/L，pH值在6.90～7.87之間，因此，除地下水礦化度較高外，其他因素均有利于地浸采鈾。

3 試驗鉆孔布置與浸出工藝

3.1 試驗鉆孔布置

依據(jù)礦體形態(tài)、地層位置、礦體埋深和水文地質(zhì)條件等因素，試驗鉆孔主要采用行列式排列。抽液孔和注液孔行距為50～60 m，抽液孔孔距為30 m，注液孔孔距為20 m(表2)。試驗鉆孔于2016年完成施工，塊段1施工了30個工藝孔，塊段2施工了57個工藝孔，塊段3施工了32個工藝孔。三個塊段共施工工藝孔119個，其中抽液孔37個，注液孔82個，鉆孔布置如圖3所示。

表2 試驗塊段工藝鉆孔參數(shù)

圖3 試驗塊段鉆孔平面布置圖

3.2 主要試驗設(shè)施

現(xiàn)場試驗設(shè)施分為井場、水冶廠和生活區(qū)。井場包括酸化站與集控室，如圖4所示。水冶廠包括1個小型可移動水冶廠、1個集液池、1個配液池、6個硫酸儲罐。同時，完成了50 km場外柏油公路與110 V變電站的建設(shè)。

圖4 集控室與集液池

3.3 浸出工藝

2017年11月，試驗塊段采用超前酸化，浸出劑硫酸濃度控制在10～15 g/L。由于礦體滲透性好，2017年12月將部分試驗塊段調(diào)整為直接酸化。經(jīng)分析可知，浸出液鈾濃度已達(dá)50 mg/L。浸出階段，浸出劑硫酸濃度控制在5～10 g/L之間，浸出液余酸約5 g/L。單孔平均抽液量在3.5 m3/h左右，單孔平均注液量在1.3 m3/h左右。運行4個月左右后，浸出液鈾濃度達(dá)到峰值。

4 浸出效果分析

4.1 浸出過程分析

浸出階段4個月，浸出液集合樣鈾濃度從50.0 mg/L逐漸上升到峰值150.0 mg/L。集合樣鈾濃度峰值持續(xù)6個月。從2018年9月份開始，集合樣鈾濃度逐漸下降，至2019年9月份集合樣鈾濃度降低至82.7 mg/L。集合樣鈾濃度、pH值與時間變化曲線如圖5所示。

圖5 集合樣鈾濃度、pH值與時間變化曲線

在三個試驗塊段中，塊段1平米鈾量最低(1.1 kg/m2)、面積最小(30 270 m2)。浸出時間累計20個月。截至2019年9月底，浸出液平均鈾濃度為87.7 mg/L，9月份浸出液平均鈾濃度75.4 mg/L。液固比、回收率與鈾濃度關(guān)系如圖6所示。

圖6 塊段1試驗鈾濃度-回收率與液固比關(guān)系

由圖6可知，截至2019年9月底，塊段1浸出液固比為0.98，回收率已達(dá)到44.73%。按原設(shè)計方案中總液固比為2.0或2.5兩種方案，液固比在1.0時對應(yīng)的回收率分別為65.5%和57.6%。因此推測塊段1浸出率達(dá)到90%時，實際液固比在3.0～4.0之間，浸出周期3～4 a。

塊段2平米鈾量為1.66 kg/m2，面積為84 490 m2，是三個塊段中面積最大的塊段。浸出時間累計20個月。截至2019年9月底，浸出液平均鈾濃度為129.7 mg/L，9月份浸出液平均鈾濃度為95.8 mg/L。液固比、地浸回收率與鈾濃度關(guān)系如圖7所示。

圖7 塊段2試驗鈾濃度-回收率與液固比關(guān)系

截至2019年9月底，塊段2浸出液固比已達(dá)到0.78，回收率已達(dá)到56.18%，按原設(shè)計方案總液固比在2.0或2.5兩種方案，液固比在0.8時應(yīng)的回收率分別為54.0%和46.3%。因此，推測塊段2浸出率達(dá)到90%時，實際液固比在2.0～2.5之間，浸出周期2～3 a。

塊段3平米鈾量為2.33 kg/m2，是三個塊段中平米鈾量最高的塊段，面積為40 240 m2，浸出時間累計20個月。截至2019年9月底，浸出液平均鈾濃度96.0 mg/L，9月份浸出液平均鈾濃度68.3 mg/L。液固比、回收率與鈾濃度關(guān)系如圖8所示。

圖8 塊段3鈾濃度-回收率與液固比關(guān)系

截至2019年9月底，塊段3浸出液固比已達(dá)到0.9，回收率已達(dá)到44.78%，按原設(shè)計方案總液固比在2.0或2.5兩種方案，液固比在0.9時應(yīng)的回收率分別為60.1%和52.5%。因此推測塊段3浸出率達(dá)到90%時，實際液固比在3.0～4.0之間，浸出周期3～4 a。

試驗塊段1金屬鈾產(chǎn)量31.3 t，單位酸耗為61.34 kg/kgU，浸出率為44.73%。試驗塊段2金屬鈾產(chǎn)量為101.2 t，單位酸耗為41.96 kg/kgU，浸出率為56.18%。塊段3金屬鈾產(chǎn)量43.96 t，單位酸耗為52.68 kg/kgU，浸出率為44.78%。隨著浸出液濃度逐步降低，單位酸耗將增加，推測正常生產(chǎn)期內(nèi)單位酸耗在120～150 kg/kgU之間。從試驗結(jié)果可知，扎爾巴克礦床的礦石單位酸耗與其他礦山差別不大。以試驗塊段2為例，浸出液鈾濃度-單位酸耗-產(chǎn)量關(guān)系如圖9所示。

圖9 塊段2浸出液鈾濃度-酸耗-產(chǎn)量關(guān)系

4.2 水冶工藝

扎爾巴克礦山的浸出液處理由哈原工下屬Сауран(薩鈾)公司承包運營。已建成水冶可移動工業(yè)試驗設(shè)施1套，其中包括1個集液池和1個配液池，各400 m3；小型移動水冶廠包含6個12 m3吸附塔，4個12 m3緩沖塔；6個12 m3硫酸罐。設(shè)計最大處理量250 m3/h，可滿足年產(chǎn)200 t試驗需求。

水冶廠流程與其他礦山相同，區(qū)別是試驗現(xiàn)場僅完成吸附。吸附后的飽和樹脂由專用樹脂車運到中門庫杜克礦山，進(jìn)行下一個流程處理。礦山暫無樣品分析試驗室，水冶樣品外送烏瓦納斯實驗室進(jìn)行化驗分析。

5 結(jié) 論

1)在試驗塊段內(nèi)經(jīng)大量試驗-生產(chǎn)工藝鉆孔確認(rèn)，塊段可采工業(yè)儲量(開拓儲量)大于勘探報告中估算的地質(zhì)資源量，表明2號主礦體C1資源量可靠程度較高。

2)扎爾巴克礦床礦體埋深小，主要呈窄條帶狀展布，鉆孔適宜行列式井型布置，可有效控制鉆孔成本；試驗獲得的液固比、浸出液pH值、浸出液鈾濃度及酸耗等值，證明注液孔和抽液孔行距及注液孔和抽液孔的孔距設(shè)計合理。

3)試驗選擇的2-12C1塊段在礦體埋深、品位、平米鈾量和礦層滲透性等主要參數(shù)上具有代表性，與整個礦床平均值相差不大；試驗獲得的結(jié)果基本上能夠代表整個礦床，可為后續(xù)工業(yè)開采設(shè)計提供參考。

4)近兩年的試驗表明，礦石易浸出，浸出期pH值控制在1.6左右，浸出液鈾濃度最高達(dá)150 mg/L，持續(xù)時間較長(6～8個月)，試驗結(jié)果達(dá)到了設(shè)計要求；在液固比與設(shè)計基本一致時，浸出率已達(dá)到50%，其酸化酸耗和浸出酸耗均較低。