砂巖型鈾礦地浸可行性概略評(píng)價(jià)及關(guān)鍵指標(biāo)

馬 亮

(中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029)

砂巖型鈾礦能否用地浸法技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理開采，需要對(duì)影響地浸效果的礦床地質(zhì)-水文地質(zhì)-地浸工藝條件進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)后才能得出結(jié)論。由于礦產(chǎn)勘查是按照普查-詳查-勘探三個(gè)階段逐步推進(jìn)的，與其相配套要開展地浸概略研究、預(yù)可行性研究和可行性研究，其中，普查階段的概略研究屬于定性評(píng)價(jià)，主要目的是判斷礦石是否具有一定的滲透性和可浸性、判斷礦床是否具備地浸的可能性、評(píng)價(jià)礦床是否屬于地浸砂巖型鈾礦和是否值得進(jìn)一步按照地浸礦床詳查規(guī)范進(jìn)行詳查，并為詳查階段進(jìn)一步的礦層浸出試驗(yàn)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。由于普查階段礦床整體勘查程度低，尚沒有礦層浸出試驗(yàn)(條件試驗(yàn))和地浸采鈾試驗(yàn)(工業(yè)試驗(yàn))的數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于一些條件較復(fù)雜的礦床，作出準(zhǔn)確可靠的評(píng)價(jià)難度較大，評(píng)價(jià)有誤往往造成投資失敗、經(jīng)濟(jì)受損等后果。

1 與地浸有關(guān)的礦床條件

對(duì)于地浸砂巖型鈾礦的定義，國內(nèi)外鈾礦地質(zhì)教材及規(guī)范均無明確界定。筆者認(rèn)為礦床條件適于地浸法技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理開采的砂巖型鈾礦可被統(tǒng)稱為地浸砂巖型鈾礦，這里所謂的礦床條件，包括礦床地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和地浸工藝條件。其中，地質(zhì)-水文地質(zhì)條件是自然條件，地浸工藝條件是地質(zhì)-水文地質(zhì)條件與地浸工藝技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果，可以通過地浸工藝參數(shù)反映礦床地浸工藝特性。

結(jié)合地浸采鈾技術(shù)的特點(diǎn)，本文以為影響礦床可地浸的因素很多(表1)，均需要在普查階段大致查明。其中，礦層的滲透性和礦石的可浸性分別是地浸開采的先決條件和基本條件，只有具備一定滲透性和可浸性的砂巖型鈾礦床，才具有地浸的可能性和先決條件，才可稱之為地浸砂巖型鈾礦。進(jìn)而，只有可行性研究證明采用地浸法能夠技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理開采的地浸砂巖型鈾礦，才可稱之為地浸鈾礦。

表1 地浸砂巖型鈾礦的礦床條件Table 1 Deposit conditions of in-situ leachable sandstone type uranium deposit

2 評(píng)價(jià)步驟、程序和方法

2.1 資料數(shù)據(jù)的收集整理

普查階段礦床條件評(píng)價(jià)所需要的資料包括：①礦床普查報(bào)告及備案證明文件；②專門水文地質(zhì)鉆孔的設(shè)計(jì)、施工、編錄、取樣和抽水試驗(yàn)報(bào)告；③采自礦床各部位的礦石和圍巖樣品滲透系數(shù)和有效孔隙度的測(cè)試報(bào)告；④有代表性礦石的浸出試驗(yàn)報(bào)告；⑤浸出劑配制和使用方法研究報(bào)告(礦石室內(nèi)浸出試驗(yàn)報(bào)告)。

2.2 資料審查

根據(jù)所收集的資料，對(duì)影響礦床滲透性和可浸性的主要地質(zhì)-水文地質(zhì)條件和參數(shù)進(jìn)行逐一識(shí)別，并對(duì)資料數(shù)據(jù)的全面性、可靠性和代表性進(jìn)行審查。審查與地浸有關(guān)的地質(zhì)-水文地質(zhì)條件是否都進(jìn)行了勘查(包括測(cè)試)、有無遺漏；審查各有關(guān)條件是否勘查清楚，能否達(dá)到滿足評(píng)價(jià)的要求；審查所獲取的資料數(shù)據(jù)是否真實(shí)可靠、是否具有代表性。

2.3 評(píng)價(jià)方法和結(jié)論

在確定資料數(shù)據(jù)的全面性、可靠性和代表性的基礎(chǔ)上，將表征滲透性和可浸性的主要指標(biāo)與現(xiàn)行典型地浸礦山的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，逐一判斷是否有利于地浸開采，定性評(píng)價(jià)礦床是否具有地浸的先決條件(滲透性)和基本條件(可浸性)，即是否具備地浸開采的可能性，并作出是否繼續(xù)按地浸開采類型開展詳查和礦層浸出試驗(yàn)的結(jié)論或建議(表2)。

表2 普查階段地浸概略評(píng)價(jià)Table 2 General evaluation of in-situ leaching in general survey stage

3 滲透性評(píng)價(jià)

3.1 滲透性概念和表征

滲透性是影響砂巖型鈾礦是否可以地浸開采的最重要影響因素，其大小由礦床賦存的地質(zhì)-水文地質(zhì)條件決定，取決于礦石的膠結(jié)性質(zhì)、泥質(zhì)含量和有效孔隙度，主要表征指標(biāo)是滲透系數(shù)或滲透率，兩者可以相互換算。普查階段砂巖型鈾礦的滲透性評(píng)價(jià)工作可分為礦石的滲透性評(píng)價(jià)和礦層滲透性初步評(píng)價(jià)，前者主要通過巖芯樣在室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試確定，后者一般通過專門水文孔抽水試驗(yàn)確定。

針對(duì)可地浸開采評(píng)價(jià)而言，滲透性評(píng)價(jià)不僅包括確定礦石或礦層滲透系數(shù)或滲透率的大小，而且要確定滲透性的空間分布和各項(xiàng)異性，對(duì)礦石和圍巖均要進(jìn)行系統(tǒng)取樣和滲透性測(cè)試，做出定量評(píng)價(jià)。滲透性不僅決定著礦床是否可地浸開采，也決定著礦床可地浸開采資源量大小。參照哈薩克斯坦的地浸砂巖型鈾礦資源量儲(chǔ)量計(jì)算方法，滲透系數(shù)是資源量計(jì)算邊界指標(biāo)之一，礦床的資源量可劃分為滲透礦體和低滲透礦體,并分別進(jìn)行計(jì)算(圖1)。

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圖1 哈薩克斯坦門庫杜克礦床地質(zhì)-水文地質(zhì)剖面Fig.1 Geological hydrogeological profile of Menkuduk deposit in Kazakhstan(資料來源：文獻(xiàn)[3])

3.2 滲透性評(píng)價(jià)方法

目前國內(nèi)外鈾礦行業(yè)在普查階段普遍依靠巖芯水文地質(zhì)編錄、專門水文孔抽水試驗(yàn)以及樣品室內(nèi)滲透率測(cè)試等手段評(píng)價(jià)礦床的滲透性，其中，以巖芯水文地質(zhì)編錄定性評(píng)價(jià)為主，抽水試驗(yàn)和樣品滲透率測(cè)試的工作量有限，數(shù)據(jù)代表性不足。 但是在哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦等全球主要砂巖型鈾礦生產(chǎn)國，還普遍發(fā)展了物探測(cè)井手段解譯滲透性，對(duì)所有地質(zhì)勘查鉆孔的滲透性都進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，很大程度上彌補(bǔ)了專門水文孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的局限性。

1) 巖芯水文地質(zhì)綜合編錄。大比例尺地質(zhì)-物探-水文綜合編錄是鈾礦普查階段最重要的基礎(chǔ)性工作，對(duì)評(píng)價(jià)礦床的可浸性至關(guān)重要[4]。編制含礦含水層地質(zhì)-水文地質(zhì)-物探綜合柱狀圖(含礦含水層比例尺為1∶50、礦層為1∶25或1∶30)，需著重觀察和描述巖芯的疏松性、膠結(jié)物和膠結(jié)程度，應(yīng)著重注意礦床剖面上富礦與貧礦、可滲透礦與低滲透礦的比例和分布特征，即明確礦床是否具有“千層餅”式的特點(diǎn)。例如，我國某礦床露天采場3CK10北西側(cè)第Ⅸ礦層的礦化厚度為5.15 m，平均品位在0.05%以上，單從礦化厚度和平均品位的數(shù)據(jù)判斷，屬于厚度大、品位高的礦段。但是，通過1∶30大比例尺地質(zhì)-水文地質(zhì)綜合編錄(圖2)，發(fā)現(xiàn)了一些小比例尺編錄無法發(fā)現(xiàn)的問題，得到了與宏觀判斷不一致的結(jié)論：該礦段在滲透性和品位分布上，屬于“千層餅”式礦體，礦層總厚度為5.15 m，根據(jù)滲透性可劃分為17層“透”與“不透”互層，可滲透礦體有5層，厚度分別為0.20 m、0.26 m、0.18 m、0.56 m、0.79 m，合計(jì)僅1.99 m；弱滲透或不滲透的泥質(zhì)礦體有8層，厚度分別為0.26 m、0.21 m、0.22 m、0.16 m、0.16 m、0.25 m、0.44 m、0.10 m，合計(jì)1.80 m；此外，還有表外夾層四層，合計(jì)1.36 m，可滲透的有效礦化厚度僅為1.99 m，占礦化總厚度的39%。據(jù)此推斷，該礦體的鈾浸出率和資源回收率不超過40%，屬于滲透性和可浸性均比較差的砂巖型鈾資源。

圖2 國內(nèi)某礦床第X礦層地質(zhì)-水文地質(zhì)綜合編錄圖Fig.2 Comprehensive geological hydrogeological catalog map of ore bed X of a certain deposit in China

2) 原狀樣室內(nèi)滲透率測(cè)試。地浸砂巖型鈾礦的取樣工作依據(jù)原國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)發(fā)布的《地浸砂巖型鈾礦取樣規(guī)范》(EJ/T 1158—2002)進(jìn)行。樣品室內(nèi)滲透性測(cè)試原理依據(jù)達(dá)西試驗(yàn)，操作中最重要的是應(yīng)注意審查試驗(yàn)樣品是否為結(jié)構(gòu)未受破壞的原狀樣、樣品是否按規(guī)定采集和保存、樣品質(zhì)量是否符合試驗(yàn)要求，特別要檢查測(cè)試設(shè)備是否可靠、原狀樣與玻璃柱之間的密封是否達(dá)到要求(圖3)。

圖3 原狀樣滲透性和室內(nèi)浸出試驗(yàn)裝置圖Fig.3 Device diagram of undisturbed sample permeability and indoor leaching test(資料來源：文獻(xiàn)[2])

該裝置在騰沖381礦、臨滄205礦、新疆509礦和巴基斯坦伊薩海爾礦等樣品滲透性和可浸性試驗(yàn)中使用效果良好，目前已依據(jù)該模型改進(jìn)出更為先進(jìn)的裝置。但操作中仍有兩點(diǎn)需要特別注意：一是樣品的代表性和數(shù)量達(dá)標(biāo)，應(yīng)系統(tǒng)采取礦石和圍巖樣品各3～5組進(jìn)行測(cè)試；二是要關(guān)注樣品的產(chǎn)狀和尺寸，樣品要平行于礦層產(chǎn)出，尺寸不能太小，建議直徑應(yīng)大于10 cm。

3) 專門水文地質(zhì)孔抽注水試驗(yàn)。礦層抽注水試驗(yàn)的理論和方法均很成熟，本文不再贅述[5]。但操作過程中應(yīng)注意審查試驗(yàn)地段是否具有代表性、水文地質(zhì)孔鉆孔結(jié)構(gòu)是否科學(xué)、封孔質(zhì)量是否可靠、洗孔質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)、試驗(yàn)過程是否完整、數(shù)據(jù)處理方法是否合理等；是否編制了專門的礦層滲透性評(píng)價(jià)工作報(bào)告、是否提交了完整的專門水文地質(zhì)孔抽注水試驗(yàn)綜合成果圖等資料。

4) 礦層滲透性物探解譯。采用物探測(cè)井技術(shù)解譯劃分巖性在石油勘探領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，在砂巖型鈾礦勘查領(lǐng)域，哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦開發(fā)出了利用電阻率測(cè)井和自然電位測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)一步解譯礦層粒度成分和滲透系數(shù)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了通過物探手段定量評(píng)價(jià)礦層滲透性，在普查階段通過對(duì)所有勘查鉆孔進(jìn)行滲透性解譯并編制礦床滲透性分布平面圖和剖面圖，為砂巖型鈾礦勘查和地浸井場工藝塊段和工藝鉆孔設(shè)計(jì)提供了滲透性依據(jù)(圖4)。

圖4 哈薩克斯坦某鈾礦床巖性-滲透性剖面圖Fig.4 Lithology and permeability profile of a uranium deposit in Kazakhstan(資料來源：文獻(xiàn)[2])

3.3 滲透性邊界指標(biāo)

目前國內(nèi)外對(duì)可地浸滲透性邊界條件尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，根據(jù)國內(nèi)《地浸砂巖型鈾礦水文地質(zhì)勘查規(guī)范》(EJ/T 1194—2005)，含礦含水層滲透系數(shù)小于0.1 m/d的礦床可稱為滲透性弱的礦床，但是在資源量計(jì)算時(shí)，并沒有考慮滲透性邊界指標(biāo)。 目前國內(nèi)地浸礦山中滲透性最低的是錢家店鈾礦，平均滲透系數(shù)為0.17 m/d。但在國外，很多國家都將滲透性作為邊界指標(biāo)納入地浸砂巖型鈾礦的資源量計(jì)算和儲(chǔ)量計(jì)算。如捷克將礦石的滲透性作為圈定地質(zhì)儲(chǔ)量的工業(yè)指標(biāo)，一般礦石滲透系數(shù)大于1 m/d的礦塊，其儲(chǔ)量以100%計(jì)算；礦石滲透系數(shù)在0.1～1.0 m/d之間時(shí)，礦塊儲(chǔ)量以50%計(jì)算；礦石滲透系數(shù)小于0.1 m/d時(shí)，劃為不可地浸資源。哈薩克斯坦鈾資源稟賦較好，但對(duì)納入資源量計(jì)算和儲(chǔ)量計(jì)算的滲透性邊界指標(biāo)更為苛刻。針對(duì)地質(zhì)條件較差的古河道砂巖型鈾礦，如謝米茲拜伊鈾礦要求含礦含水層最小滲透系數(shù)為0.5 m/d，礦石中粉砂質(zhì)、泥質(zhì)顆粒粒徑小于0.05 mm的最大含量為20%；對(duì)于地質(zhì)條件相對(duì)較好的層間氧化帶型鈾礦，例如門庫杜克礦床，要求含礦含水層最小滲透系數(shù)為1.0 m/d，礦石中粉砂質(zhì)-泥質(zhì)顆粒粒徑小于0.05 mm的最大含量為20%，若這兩項(xiàng)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，則劃分為低滲透礦體，資源量單獨(dú)圈定(圖1)。將滲透系數(shù)作為資源量圈定指標(biāo)，可以大大提高地浸鈾礦儲(chǔ)量的可靠性和準(zhǔn)確性，為后續(xù)可行性研究和礦山設(shè)計(jì)提供更為可靠的資源基礎(chǔ)，比如哈薩克斯坦普遍規(guī)定礦床的資源回收率不低于90%，而我國的砂巖型鈾礦設(shè)計(jì)回收率則為75%。

4 可浸性評(píng)價(jià)

4.1 礦石浸出工藝參數(shù)

普查階段通過礦石室內(nèi)浸出工藝試驗(yàn)確定的浸出工藝參數(shù)是評(píng)價(jià)礦石可浸性的關(guān)鍵指標(biāo)。礦石浸出工藝參數(shù)是通過礦石結(jié)構(gòu)未受破壞的、具有一定尺寸的圓柱狀或塊狀樣品浸出試驗(yàn)獲得，或通過散狀樣柱浸試驗(yàn)獲得，是礦樣滲透性和礦石物質(zhì)成分、化學(xué)成分、粒度成分等條件與浸出工藝技術(shù)相結(jié)合且反映原始埋藏條件下的礦石是否適于地浸的一套重要工藝參數(shù)。

首先，應(yīng)評(píng)價(jià)礦樣浸出工藝參數(shù)是否具有可靠性和代表性，注意審查幾個(gè)問題：①礦樣是否是礦石結(jié)構(gòu)未受破壞的原狀樣品；②礦樣成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)程度和固化程度等指標(biāo)是否有代表性；③試樣尺寸、完好性和試驗(yàn)裝置是否適合試驗(yàn)要求；④浸出劑配方和使用方法是否合理；⑤試驗(yàn)工藝流程是否穩(wěn)定、連續(xù)和完整；⑥浸出工藝曲線是否連續(xù)、完整并能反映礦石性能的正確規(guī)律性。

其次，礦石浸出試驗(yàn)必須提供以下指標(biāo)的完整數(shù)據(jù)：①礦石和圍巖樣品有效孔隙度和滲透系數(shù)；②平均鈾含量、浸出率、液固比、鈾單位酸耗、礦巖單位酸耗、浸出時(shí)間、清洗礦石需要的水量等浸出工藝參數(shù)和隨時(shí)間的變化曲線；③完整的室內(nèi)礦樣浸出試驗(yàn)報(bào)告在描述試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)結(jié)果外，還應(yīng)詳細(xì)描述試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，這一點(diǎn)常常被忽略，試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)結(jié)合浸出工藝參數(shù)給出結(jié)論，并推薦浸出劑配方和使用方法。

4.2 可浸性邊界指標(biāo)

礦石浸出工藝參數(shù)中的核心指標(biāo)是浸出率、浸出液鈾含量和浸出劑消耗，很大程度上決定著地浸開采的技術(shù)可行性、浸出時(shí)間和清洗礦石需要的水量，這也對(duì)經(jīng)濟(jì)性有著重要的影響。其中，浸出率影響著礦床的資源回收率，一般情況下，從保護(hù)資源的角度出發(fā)，如浸出率低于60%，則可判定為不可地浸資源。

5 可地浸評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜上所述，結(jié)合國內(nèi)外礦床條件滲透性和可浸性評(píng)價(jià)實(shí)踐，推薦表3指標(biāo)為普查階段地浸概略評(píng)價(jià)的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)。

表3 普查階段可地浸評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 In-situ leachability evaluation index in general survey stage

6 結(jié) 語

綜上所述，地浸采鈾方法的適用條件十分苛刻，砂巖型鈾礦并不都是可以用地浸法開采，更不是都可以用地浸法技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理開采。砂巖型鈾礦能否用地浸法技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理開采，需要對(duì)影響地浸效果的礦床地質(zhì)-水文地質(zhì)-地浸工藝條件進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)之后才能作出結(jié)論；評(píng)價(jià)結(jié)論是否正確完全依賴于與地浸效果有關(guān)的礦床地質(zhì)-水文地質(zhì)-地浸工藝條件是否全部勘查清楚、礦石浸出試驗(yàn)是否保質(zhì)保量到位、表征礦床條件的資料數(shù)據(jù)是否全面、可靠、有代表性。

致謝本文撰寫過程中得到了王西文研究員的悉心指導(dǎo)，特此致謝。