龐 康

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

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淺析砂巖型鈾礦特征及其開采方法

龐 康

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

砂巖型鈾礦指產(chǎn)于砂巖、砂礫巖等碎屑巖中的外生后成鈾礦床。中國鈾資源較為豐富，分布于23個(gè)省、市、自治區(qū)。由于鈾礦的成礦地質(zhì)條件多樣，形成了砂巖型、花崗巖型、火山巖型，碳硅泥巖型四大主要鈾礦類型，其中砂巖型鈾礦含量最多，約占35%[1]。本文著重講述砂巖型鈾礦的特點(diǎn)以及對鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦的特征做了簡要描述。同時(shí)對砂巖型鈾礦開采方法中的原地浸開采技術(shù)也進(jìn)行介紹，并對今后原地浸砂巖型鈾礦的開采方法做了展望。

砂巖型鈾礦;酸法地浸;堿法地浸;生物地浸

1 砂巖型鈾礦的特點(diǎn)

經(jīng)過多年的實(shí)踐開采，中國已開發(fā)利用的鈾礦床主要有“四大”類型:火山巖型鈾礦床、花崗巖型鈾礦床、砂巖型鈾礦床和碳硅泥巖型鈾礦床。其中砂巖型鈾礦儲(chǔ)量約占已查明鈾資源儲(chǔ)量的35%，見圖1[2]。隨著對砂巖型鈾資源勘探力度的加大，砂巖型鈾礦將成為我國鈾資源產(chǎn)量穩(wěn)定提升最重要的途徑。

圖1 我國已探明鈾資源比例

天然鈾具有高度的氧化性，鈾在空氣中極易被氧化成黃色，俗稱“黃餅”。鈾在還原條件下以U4+形式沉淀成礦，在氧化條件下以U6+形式—鈾酰離子(UO22+)的形式存在，同時(shí)與CO32-、SO42-、OH-、F-絡(luò)合形成絡(luò)合離子，其中最主要的形式是與CO32-形成碳酸鈾酰絡(luò)合離子，即以UO2(CO3)22-和UO2(CO3)3-的形式[3]隨著溶液進(jìn)行遷移。砂巖型鈾礦主要分布在中新生代陸相盆地的邊緣，成礦時(shí)代范圍從190～1 Ma[4]，廣泛分布于北方各大盆地，如鄂爾多斯盆地、二連盆地、伊犁盆地、吐哈盆地、松遼盆地、巴丹吉林—巴音戈壁盆地。這六大盆地鈾礦總量約占我國砂巖型鈾礦總量的75%。根據(jù)砂巖型鈾礦的成因解釋，可分為潛水氧化型和層間氧化型。潛水氧化型大部分形成于古河道，受周圍環(huán)境影響較大，地質(zhì)環(huán)境變化大，所以其礦床規(guī)模一般小，礦藏儲(chǔ)量較小，品味較低，其中真正具有開采價(jià)值的是產(chǎn)于侵蝕基地的鈾礦化[5]。層間氧化帶型砂巖型鈾礦存在于氧化—還原過渡帶，當(dāng)六價(jià)鈾遇到地球化學(xué)障時(shí)，便富集成礦，它的成礦規(guī)模較大，具有較大的商業(yè)開采價(jià)值。砂巖型鈾礦產(chǎn)自自流盆地中，地下水應(yīng)具有完整的補(bǔ)—徑—排體系，“補(bǔ)”是指應(yīng)該有源源不斷的地下水流經(jīng)成礦區(qū)，“徑”是含礦水溶液在地下可以沿構(gòu)造斷裂或者圍巖裂隙按一定的方向流動(dòng)，“排”是水可以從斷裂帶排出，“補(bǔ)—徑—排”體系是有機(jī)結(jié)合的系統(tǒng)，流經(jīng)區(qū)域面積大，所以大型骨架砂體是形成砂巖性鈾礦的必要條件。通?？梢孕纬纱笠?guī)模地下水流動(dòng)系統(tǒng)，不僅為鈾成礦流體提供了疏導(dǎo)空間，同時(shí)也形成了鈾的儲(chǔ)存空間[6-8]。故大型盆地是尋找砂巖型鈾礦的最佳場所。

近年來鄂爾多斯盆地的研究尤為突出，相繼發(fā)現(xiàn)了納令溝鈾礦、大營鈾礦。研究發(fā)現(xiàn)，東勝砂巖型鈾礦的鈾源來自北部伊盟隆起、陰山褶皺帶。同時(shí)盆地基底巖石為太古宙、古元古代中酸性變質(zhì)巖和花崗片麻巖，鈾豐度較高，為沉積成礦區(qū)提供鈾源[9]。所以鈾成礦的鈾源一部分來源于蝕源區(qū)，一部分來自含礦目的層自身。鈾礦層受層間氧化帶控制，是在早期的氧化作用下再經(jīng)過盆地上古生界天然氣向上運(yùn)移經(jīng)二次還原耗散蝕變形成的[10]。賦礦層位主要集中在中生界侏羅系直羅組下段的上亞段灰綠色砂巖與灰色砂巖之間。其中直羅組為河流相沉積，依次經(jīng)歷了早期辮狀河、低彎度曲流河和高彎度曲流河三個(gè)階段。據(jù)前人研究發(fā)現(xiàn)砂巖性鈾礦賦存地層需具有泥—砂—泥結(jié)構(gòu)。含氧地下水在層間氧化帶中圍巖的縫隙中流動(dòng)，其中的含鈾溶液在遇到地球化學(xué)障時(shí)沉淀下來。

2 砂巖型鈾礦基本特征

(1)砂巖型鈾礦賦存層位一般為中新生代地層：T、J、K1、K2、N；

(2)產(chǎn)在砂巖中、層間氧化帶型鈾礦地層具有泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，含礦砂巖中多含還原性有機(jī)質(zhì)、黃鐵礦、油氣等還原物質(zhì)；

(3)產(chǎn)在自流盆地內(nèi)，地下水具有完整的補(bǔ)-徑-排系統(tǒng)，徑流區(qū)范圍比較大；

(4)礦產(chǎn)多產(chǎn)在構(gòu)造相對穩(wěn)定的構(gòu)造斜坡區(qū)、寬緩背向斜部位，產(chǎn)狀比較平緩，一般情況下<10°；

(5)砂巖型鈾礦形成環(huán)境受氧化帶控制(潛水氧化帶、層間氧化帶)；

(6)由于鈾溶液隨地下水延地下圍巖裂隙流動(dòng)，當(dāng)遇到地球化學(xué)障時(shí)，成礦富集，所以具有多層性；

(7)礦體為盲礦體，自身受氧化帶控制(潛水氧化帶、層間氧化帶)，礦體多呈卷狀，富礦集中在卷頭，其次為板狀、透鏡狀，如圖2所示；

(8)礦化品位變化大，以低品位大礦量為特點(diǎn)；

(9)伴生元素有Mo、Re、Se、Sc、V等，如圖3所示。

圖2 砂巖型鈾礦產(chǎn)狀

圖3 砂巖型鈾礦及其伴生礦產(chǎn)

3 地浸采鈾

3.1 地浸采鈾概述

自20世紀(jì)90年代初以來，我國鈾礦勘查的主攻方向轉(zhuǎn)為儲(chǔ)量大、開采成本低的可地浸砂巖型鈾礦。我國可地浸砂巖型鈾礦主要產(chǎn)在北方各大、中型中新生代盆地，礦層上覆蓋層較厚，地表無明顯的鈾礦化顯示。針對這種低滲透、低品位、高碳酸礦石、高礦化度地下水等復(fù)雜砂巖型鈾礦床衍生出了原地浸出采鈾工藝[11]?！霸亟霾赦櫋焙喎Q“地浸”，是指鈾礦處于天然埋藏條件下，不改變其空間位置，用溶浸液直接從天然埋藏條件下的含鈾礦巖層中選擇性地浸出有用組分的集采冶于一體的新型鈾礦開采方法。即將配好的溶浸液注入注液孔中，使溶浸液與礦物反應(yīng)形成含有鈾的浸出液，再通過抽液孔抽出輸送至水冶廠處理加工得到鈾產(chǎn)品的過程，其工藝流程如圖4所示[12]。

圖4 地浸采鈾工藝流程(據(jù)“地浸采鈾工藝技術(shù)及發(fā)展研究方向” 代春艷,2012)

地浸采鈾是現(xiàn)今鈾礦開采行應(yīng)用最多、最為廣泛的一項(xiàng)技術(shù)。與常規(guī)方法相比，具有基建投資少、鈾礦開采周期短、生產(chǎn)成本低、鈾資源利用率高，對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[13]。地浸采鈾的核心技術(shù)是針對不同成礦環(huán)境、礦體本身的性質(zhì)選擇最佳的浸出工藝，包括不同浸出階段最適的溶浸液濃度的選擇、氧化劑的選擇等，目前，用于實(shí)際生產(chǎn)的地浸采鈾工藝方法主要有酸法浸出、堿法浸出、以及微生物浸出。地浸過程中鈾的遷移形式主要有三種，硫酸鈾酰，二碳酸鈾酰，三碳酸鈾酰。其溶解強(qiáng)度為：硫酸鈾酰最大，達(dá)到148 g/L，碳酸鈾酰的溶解度最弱，為0.009 g/L。如表1所示。

原地浸出采鈾由前期的礦體浸出和后續(xù)的浸出液處理兩大部分組成，第一部分是加入溶浸液使礦石中的鈾從固相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?，形成鈾浸出液；第二部分則是對鈾浸出液進(jìn)行加工處理，形成高濃度鈾的產(chǎn)物的過程。

表1 鈾化合物在蒸餾水中的溶解度(20℃)

3.2 地浸采鈾的主要方法

現(xiàn)今世界各國的地浸采鈾技術(shù)主要有三種，第一種是酸法浸出工藝(H2SO4為主要浸出劑)，第二種是堿法浸出工藝(主要介紹CO2+O2浸出工藝)，第三種是生物浸出工藝。

3.2.1 酸法浸出

酸法浸出是以適當(dāng)?shù)乃峤鹤鳛榻鰟⑩櫧龅墓に?。目前通常選用的浸出液為硫酸。硫酸的濃度一般為5～30 g/L。其pH為0.8～1.2[14]。酸法地浸采鈾限于礦石和圍巖中碳酸含量不超過2%，通常以CO2含量表示碳酸含量。這是因?yàn)樘妓猁}極易與硫酸反應(yīng)，稀釋硫酸或者消耗完硫酸，以至于不能達(dá)到預(yù)期浸出效果，所以含礦層的碳酸鹽含量不宜過高。其原理是加入的硫酸及相應(yīng)的氧化劑進(jìn)入含礦層中后，改變了含礦層中原有的還原環(huán)境，使鈾從四價(jià)還原態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱鶅r(jià)氧化態(tài)，溶解在硫酸溶液中形成含鈾浸出液，最后將浸出液送至車間進(jìn)行回收。由于4價(jià)鈾化合物與硫酸反應(yīng)溶解度小于與6價(jià)鈾反應(yīng)，一般情況下，四價(jià)鈾的溶解度只有5×10-8g/L[15]，極難溶于水溶液中隨水溶液遷移。只有當(dāng)鈾以六價(jià)形式存在時(shí)，才能以鈾酰離子及其絡(luò)合物的形式溶于水溶液中。故需要加入氧化劑(如氧、過氧化氫、氯酸鹽、硝酸鹽等等)先將4價(jià)鈾氧化成6價(jià)。硫酸與6價(jià)鈾的化學(xué)反應(yīng)如下所示：

UO3+2H+→UO22++H2O

UO22++SO42-→UO2SO4

UO2SO4+SO42-→[UO2(SO4)2]2-

[UO2(SO4)2]2-+SO42-→[UO2(SO4)3]4-

酸法浸出的優(yōu)點(diǎn)有：

(1)酸法地浸過程中，由于硫酸可以和含礦層接觸充分，與圍巖反應(yīng)激烈，所以浸出液鈾濃度高，浸出率高。

(2)硫酸溶液能快速進(jìn)入含礦層與之反應(yīng)，故其浸出時(shí)間比較短；

(3)硫酸溶液價(jià)格便宜；

(4)浸出液的處理較為方便，與鈾反應(yīng)生成的硫酸鈾?？捎藐庪x子交換樹脂吸附。

酸法浸出的缺點(diǎn)有：

(1)由于硫酸是強(qiáng)氧化劑，不僅溶解了含礦層中的鈾，同時(shí)也溶解了含礦層中的碳酸鹽類磷酸鹽類、黏土礦物等，使礦化度增加，當(dāng)pH值隨著硫酸的消耗而上升時(shí)，溶解出的金屬離子將發(fā)生沉淀，吸附溶浸液里的鈾離子，這會(huì)加速鈾的沉淀，故酸法浸出液中的雜質(zhì)金屬比較多，鈾分選性比較低，同時(shí)可能造成堵塞溶浸通道；

(2)由于酸的加入，破壞了地下環(huán)境，地下水容易受到污染；

(3)硫酸是強(qiáng)氧化劑，容易對設(shè)備、儀器、管道造成腐蝕；

3.2.2 堿法地浸采鈾

堿法浸出的原理是6價(jià)鈾在弱堿性環(huán)境介質(zhì)中能夠形成易溶的絡(luò)合物隨溶液進(jìn)行遷移[16]。浸出劑的pH一般為7～8。一般情況下采用氧氣作為氧化劑并加入碳酸鈉、重碳酸鈉、碳酸鹽銨和重碳酸銨。但是由于鈉離子在浸出過程中可能與粘土中的陽離子發(fā)生交換反應(yīng)，致使粘土中的高價(jià)陽離子缺失，造成粘土膨脹，導(dǎo)致浸出過程滲透性能降低，降低鈾浸出率。銨根離子的引入容易造成對地下水的污染。所以基于上述原因，在實(shí)踐過程中，逐漸開發(fā)出針對砂巖鈾礦床的CO2+O2體系。其原理是通過注液孔注入配制好的O2和CO2氣體溶浸液，在含礦含水層中產(chǎn)生足夠強(qiáng)的能溶解鈾礦物的浸出劑，形成含鈾浸出液，再運(yùn)用離子交換技術(shù)提取鈾。原理如下：

CO2+O2體系中，應(yīng)該嚴(yán)格控制pH值在6.2～6.7之間，因?yàn)樵谒嵝曰驂A性條件下容易形成CO32-，與含礦層中的Ca2+形成CaCO3沉淀，堵塞管道。所以在進(jìn)行堿法地浸的過程中最重要的是維持HCO3-體系的平衡，反應(yīng)方程式如下：

堿法浸出的優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于堿法地浸中，溶浸液PH值控制在7～8之間，所以其對含礦層中的金屬具有選擇性溶解，Ca、Me、Fe、Al等元素很難在堿性浸出環(huán)境下溶解；

(2)由于所形成的HCO3-溶浸液為弱酸，所以對儀器管路設(shè)備的腐蝕性小；

(3)酸法地浸中當(dāng)含礦圍巖的碳酸鹽含量較高時(shí)，碳酸鹽會(huì)稀釋酸浸液，降低鈾浸出率，但堿法浸出可用于碳酸鹽含量較高的礦床；

(4)與酸法相比，對環(huán)境的污染程度相對較小，對儀器設(shè)備及材料的腐蝕性小。

堿法浸出的缺點(diǎn)：

(1)如前所述，由于所用的HCO3-浸出液為弱酸，所形成的碳酸鈾酰在水溶液中的溶解度小，所以鈾的浸出率比較低；

(2)由于堿法地浸所需的pH值一般在6～7，所需要的工藝要求較高，浸出程序比較復(fù)雜，故浸出液鈾濃度低，浸出時(shí)間較長。

3.2.3 生物地浸采鈾

上世紀(jì)90年代，中國開始從事于微生物地浸技術(shù)的研究。近年來微生物浸出技術(shù)也應(yīng)用在了鋅錳電池中鋅錳元素的提取中，筆者在這方面做了一些工作[17]，其原理是利用微生物自身及其代謝產(chǎn)物的酸解、氧化、還原、絡(luò)合多種作用，將固相材料中的目標(biāo)金屬離子溶出，與傳統(tǒng)的濕法冶金技術(shù)相比，該技術(shù)在操作上具有常溫、常壓、綠色環(huán)保的特點(diǎn)[18]。微生物地浸采鈾的原理與上述實(shí)驗(yàn)原理類似，它是利用細(xì)菌氧化地浸尾液中的Fe2+，即將Fe2+氧化成Fe3+，再經(jīng)過鉆孔將Fe3+溶浸液注入到礦層中，使Fe3+與含礦層中的四價(jià)鈾作用，將其氧化為六價(jià)鈾，從而使其溶于溶浸液中并隨溶液帶出。實(shí)際上生物地浸采鈾是在酸法地浸基礎(chǔ)上以微生物溶浸液替代化學(xué)溶浸液，應(yīng)用和化學(xué)地浸采鈾相似的工藝進(jìn)行的原地鈾提取的一種技術(shù)。

如氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵硫桿菌可利用含硫化礦物產(chǎn)酸、產(chǎn)高價(jià)鐵從而使含礦層中的4價(jià)鈾被氧化成6價(jià)鈾，隨著溶浸液帶走。

生物浸鈾與上述兩種方法相比，它的生產(chǎn)周期比較短，鈾浸出率比較高，對環(huán)境污染小，對鈾礦的利用率高，同時(shí)對設(shè)備的損害也比較小。但是，在生產(chǎn)中微生物對環(huán)境的要求比較高，適應(yīng)性比較弱，菌液生產(chǎn)量受培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)基以及培養(yǎng)技術(shù)等影響，所以菌液生產(chǎn)量是制約鈾礦產(chǎn)量的重要因素。

4 結(jié)語

隨著世界范圍內(nèi)核能的大量應(yīng)用，鈾需求量會(huì)逐年增加，隨之而來鈾礦的開采也會(huì)大幅度提高，砂巖型鈾礦有著儲(chǔ)量大，分布范圍廣等特點(diǎn)，是今后的一段時(shí)間里鈾礦開采的的主攻方向。中國砂巖型鈾礦床的滲透性不高，滲透性不到0.5 m/d的礦石達(dá)70%，滲透率是影響鈾礦生產(chǎn)率的決定性因素，所以在今后的生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)加大對于低滲透性、低品位礦石地浸采鈾的研究。如前面提到的，微生物地浸具有酸法地浸和堿法地浸不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此，應(yīng)該在單一的酸法或堿法的基礎(chǔ)上加入特定微生物以提高鈾產(chǎn)量。所以一方面應(yīng)加大菌種選育、馴化、培養(yǎng)，培育出高活性、高適應(yīng)性的浸礦細(xì)菌。另一方面要針對性的開展砂巖型鈾礦地浸采鈾實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)化工藝、提高工藝參數(shù)的精確度。

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2016-12-12

龐康(1992-)，男，陜西西安人，在讀碩士研究生，主攻方向：能源地質(zhì)學(xué)。

P618.130.2+1

B

1004-1184(2017)03-0226-04