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        從“挖”鈾到“泡”鈾

        2019-09-10 07:22:44季江云
        環(huán)境與生活 2019年3期
        關(guān)鍵詞:注液井巷液量

        季江云

        說起開礦,很多人會聯(lián)想到深挖礦井,派人到暗無天日的井下釆挖礦石,再用礦車送到地面。但供給核電站所用燃料的鈾礦怎么開采呢?很多人都知道,鈾可是有放射性的,處理不慎會危及采礦工人的健康和環(huán)境安全。我國目前鈾礦開釆使用先進(jìn)的地浸開采工藝,只需要向地下“注水”就能把鈾“泡”出來。

        公開資料顯示,我國鈾礦冶工業(yè)始創(chuàng)于1956年,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,已經(jīng)在十幾個(gè)省市自治區(qū)建起了幾十座鈾礦山、鈾水冶廠、鈾礦采冶聯(lián)合企業(yè),為我國核軍工、核電事業(yè)的發(fā)展與核技術(shù)應(yīng)用提供了可靠的鈾原料??墒?,鈾是一種極為稀缺的放射性金屬元素,在整個(gè)地殼中的含量不到百萬分之二,且還會釋放(、、等射線以及與鈾伴生的放射性氣體氡。因此,把這寶貝疙瘩從地下數(shù)百米的礦層中安全高效地“請出來”,還真不容易。

        傳統(tǒng)采鈾分地下和露天兩種

        鈾礦石開采的方式跟其他礦石相似,主要有地下開采和露天開采兩種。露天開采,就是先剝離礦體上方的表土和覆蓋巖石,然后再采挖鈾礦。露天開采的基建設(shè)施少很多,因此,工期短、成本低,無需人員下井,安全性好。不過,這要針對埋藏較淺、剝采比適中的含鈾礦床才能使用露天開采。比如澳大利亞,作為世界上探明鈾礦儲量第二豐富的國家(僅次于加拿大),由于埋藏較淺、品味高、剝采比適中,絕大部分都可以實(shí)現(xiàn)露天開采。

        地下開采,通過掘進(jìn)地下井巷,從礦體中采出礦石。它的工藝比露天開采復(fù)雜,分三個(gè)步驟:開拓、采準(zhǔn)和回采。開拓是從地面到礦床開掘巷道,使其間形成完整的運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等必要的系統(tǒng),以便在礦床內(nèi)進(jìn)行采礦準(zhǔn)備;采準(zhǔn)是在開拓好的礦床范圍內(nèi),根據(jù)礦體和圍巖的特點(diǎn)選擇采礦方法,對礦體掘進(jìn)一系列井巷,如運(yùn)輸井巷、通風(fēng)井巷、人行井巷及放礦井巷等,以便采出礦石;回采是在采準(zhǔn)好的采場內(nèi)通過鑿巖爆破、裝運(yùn)礦石、支護(hù)壁頂及空場處理等把礦石采下運(yùn)走的過程。

        然而,與其他大多數(shù)如煤炭、銅等礦產(chǎn)資源不同,鈾礦石難以靠肉眼鑒別,而且有放射性,不斷釋出、、射線及衰變的氡,這對采礦人員的身體健康和周邊環(huán)境都會產(chǎn)生巨大危害。因此,鈾礦開采必須借助放射性物探技術(shù),還要采取嚴(yán)密的防護(hù)措施,盡量避免放射性物質(zhì)泄漏。此外,鈾礦床普遍存在礦體小而分散、形態(tài)復(fù)雜、礦化不勻、連續(xù)性差等特點(diǎn),因此,生產(chǎn)能力較低,礦山壽命周期也短,綜合因素累計(jì),用礦井采挖鈾的成本較高。

        還有,我國已探明的含鈾礦藏多在砂巖層,且埋藏較深,動(dòng)輒三四百米以下,無法露天開采,地下開采又因?yàn)榈刭|(zhì)穩(wěn)定性較差,安全隱患很大。因此,急需一種安全高效的方法把這核軍備和核電產(chǎn)業(yè)不可或缺的“鈾寶寶”“請”出地面。

        美蘇兩國率先開始地浸采鈾法

        在上世紀(jì)60年代,美蘇兩個(gè)核大國率先開發(fā)出地浸采鈾工藝。在天然埋藏條件下,通過向地下注入溶浸液與含鈾礦層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)有選擇性地溶解礦石中的鈾,將含鈾元素的水回抽地面再進(jìn)行后續(xù)處理。這種方法不會使礦石產(chǎn)生位移,還集開采和礦冶為一體。到上世紀(jì)90年代,地浸采鈾法已占世界鈾礦開采量的50%。

        由于冷戰(zhàn)時(shí)期,美蘇對中國的技術(shù)封鎖,我國鈾礦開采一直使用傳統(tǒng)方式,即露天開采和地下開采。但我國能供露天開采的鈾礦儲量極少,地下開采又有成本高、安全性低和礦坑處理難等瓶頸。我國核工業(yè)專家從上世紀(jì)80年代起一直探索新的鈾礦開采方法。

        據(jù)中核集團(tuán)內(nèi)蒙古礦業(yè)公司提供給《環(huán)境與生活》雜志的資料顯示,經(jīng)過30多年的探索,我國地浸采鈾工藝已經(jīng)走在了世界前列,鈾礦資源的最低品位可達(dá)到0.01%,而美國則為0.05%;水冶回收率達(dá)到99.45%,比美國還高5到10個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)然,美國的鈾礦探明儲量遠(yuǎn)高于我國,“家大業(yè)大”,不在乎是另一回事。但這充分說明我國地浸采鈾工藝已經(jīng)非常成熟。

        用溶浸液把鈾“泡出來”

        地浸采鈾法就是通過從地表鉆進(jìn)含鈾礦層的鉆孔,將按一定比例配制的溶浸劑注入到礦層,溶浸劑與其中的有用成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成的可溶性化合物在擴(kuò)散和對流作用不離開反應(yīng)區(qū),進(jìn)入在沿礦層流動(dòng)的溶液流中,再通過另外的鉆孔提升至地面,輸送到回收車間進(jìn)行離子交換等工藝,最后得到鈾產(chǎn)品,俗稱“黃餅”。“黃餅”就是核電站所用“糧食”——核燃料的雛形。

        這種采鈾方法根據(jù)溶浸劑的不同,可分為酸性浸出、堿性浸出和中性浸出。酸性浸出的溶浸劑一般是硫酸,堿性浸出的溶浸劑以碳酸鹽和碳酸氫鹽為主,中性浸出的溶浸劑則以二氧化碳加氧氣為主。具體使用哪種溶浸劑,要通過鉆探提取的含鈾礦芯進(jìn)行分析,看哪種溶浸劑能更有效地與礦層中的有用成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

        巧妙鉆孔至關(guān)重要

        地浸采鈾是由注液井和抽液井來實(shí)現(xiàn)鈾的提取。從水文地質(zhì)角度看,地下水的流動(dòng)取決于水壓差,無論是注液井還是抽液井,都有一定的影響半徑,要保持注液井附近水位較高,抽液井附近水位較低,讓含鈾溶液以天然流速向抽液井位置流動(dòng)。為控制這種流動(dòng),并減少注液井的影響半徑,必須讓抽液量略高于注液量,以維持總體上流向井場中心的降落漏斗(即水壓差)。在每一個(gè)使用地浸采鈾法的礦區(qū),抽液井和注液井的數(shù)量、位置、深度以及注入量和抽取量,都需要專門的技術(shù)人員根據(jù)含鈾礦層的多種要素予以“量身定制”。

        為了精準(zhǔn)發(fā)揮抽液和注液的能力,還要在抽液和注液管道上安裝自動(dòng)監(jiān)控和調(diào)控的壓力表和流量計(jì),同時(shí)在專門的集中控制室安裝壓力計(jì)和流量計(jì)(如電磁流量計(jì)),以便精準(zhǔn)計(jì)量每個(gè)采區(qū)和單孔的抽液量和注液量,并根據(jù)抽液孔的分析結(jié)果、抽注量、注液壓力等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,及時(shí)調(diào)整抽注鉆孔及其流量,確保實(shí)現(xiàn)最佳抽注比例。

        嚴(yán)防上下含水層連通

        在礦區(qū)開采前,務(wù)必通過詳細(xì)的地質(zhì)資料,確定設(shè)計(jì)需鉆孔含鈾礦水層的上下隔水層的位置和厚度等,以及礦體的埋深和厚度,在這個(gè)基礎(chǔ)上才能進(jìn)行鉆孔施工方案的編制。

        在鉆孔施工過程中,尤其注意不要鉆透含礦水層的隔水底層,防止含鈾溶液滲入更深的地下水,不僅導(dǎo)致抽取無效,還會形成擴(kuò)散污染。在成井過程中,要通過物探綜合測試,確定含鈾水層的頂板和底板的位置和厚度,確定套管和過濾管的投放位置以及是否存在破損等情況,還有水泥固井等是否符額計(jì)方案要求。

        鉆孔必須采用抗震、抗壓的專用井瞀材,在井管和管壁之間的環(huán)狀間隙中,在含鈾礦的那一段要用過濾管和石英砂濾料充填,上部采用無孔套管和防滲、抗震的混凝土充填和密封,讓含鈾水層與上面的水層完全隔離。鉆孔的井管之間采用緊密度高的方形扣連接,連接處還要有密封膠,以增強(qiáng)井管的密封性和牢固性。

        為了防止溶浸液和浸出液向采鈾區(qū)周邊擴(kuò)散,需要在地浸場周圍含鈾水層的上游、下游和兩側(cè)預(yù)留觀測孔,尤其以下游為監(jiān)控重點(diǎn),及時(shí)對溶浸液和浸出液在地下水中的遷移和擴(kuò)散情況進(jìn)行監(jiān)控。一旦發(fā)現(xiàn)異常,及時(shí)調(diào)整抽注液分配系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)有效控制。

        把放射性三廢降到最低

        地浸法采鈾所產(chǎn)生的放射性廢氣主要是氡氣。氡是礦石中與鈾伴生的鐳在衰變過程中所產(chǎn)生的,地浸采鈾僅有極少量的鐳被浸出,而地浸過程基本在閉路循環(huán)體系中進(jìn)行,只在產(chǎn)品壓濾和廢水蒸發(fā)等環(huán)節(jié)有釋放口,使得氡的釋放量大為降低。內(nèi)蒙古礦業(yè)公司提供的資料顯示,監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,在地表加工車間中的極少量氡由通風(fēng)設(shè)備排出,并經(jīng)空氣自然擴(kuò)散后,氡的濃度完全符合人體健康標(biāo)準(zhǔn),對周邊大氣環(huán)境也無明顯影響。而在傳統(tǒng)的地下采挖鈾礦過程中,氡的安全處置一直是個(gè)老大難。

        在地浸采鈾過程中,為了保證溶浸液不擴(kuò)散到采區(qū)以外的地下水中,采區(qū)抽液量略大于注液量,一般控制在0.03%以內(nèi),多抽出的這部分溶液經(jīng)水冶廠配置溶液后成為廢水。為了不向環(huán)境排放廢水,地浸礦區(qū)充分利用自然蒸發(fā)條件,根據(jù)廢水產(chǎn)生量和當(dāng)?shù)卣舭l(fā)情況,建設(shè)一定容積和表面積的蒸發(fā)池對廢水進(jìn)行蒸發(fā)處理。蒸發(fā)池底采用隔水性能好且有一定自愈功能的粘土做墊層,并做加強(qiáng)防滲處理,在底部還鋪設(shè)檢漏電網(wǎng),一旦泄露能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)并采取有效應(yīng)對措施。當(dāng)?shù)亟髽I(yè)采礦終結(jié)要關(guān)閉時(shí),蒸發(fā)池的蒸干物必須經(jīng)過放射性測試,符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)才能進(jìn)行處理并退役。

        地浸采鈾因?yàn)闊o需采出礦石,所以不會產(chǎn)生廢石和尾礦。在開采過程中產(chǎn)生的固體廢棄物主要是損壞的儀器、儀表、設(shè)備和管網(wǎng)等,這些固體廢棄物在生產(chǎn)過程中集中存放在專門處置庫中,累計(jì)到一定數(shù)量后運(yùn)到專業(yè)處理廠進(jìn)行最后處置。

        地浸采鈾讓我國鈾礦資源大增

        地浸采鈾法實(shí)現(xiàn)了一場資源革命,把我國儲量相對較多的低品位砂巖型鈾礦從不可利用升級為可開發(fā)利用的資源,讓我國鈾礦資源儲量大幅増加,為日益增加的國防以及核工業(yè)的鈾需求提供了有力保障。

        中核集團(tuán)的資料顯示,由于地浸采鈾法省去了常規(guī)采礦法的井巷基建和大量的剝離過程,以及礦石回采和運(yùn)輸、通風(fēng)、排水等一系列配套過程,地表還無需建造廢石場、尾礦庫,在提取和回收時(shí)也不用建設(shè)破碎、磨礦、攪拌浸出設(shè)施,因此,這種“泡出鈾”來的方法,建設(shè)投資僅為常規(guī)采鈾的一半;生產(chǎn)能耗約為30%,生產(chǎn)成本約為40%。

        地浸采鈾讓我國的鈾礦開采徹底擺脫了繁重的井下作業(yè),實(shí)現(xiàn)了采礦的“化學(xué)化”“工廠化”和“自動(dòng)化”,大幅降低勞動(dòng)強(qiáng)度,基本杜絕了礦井危害因素和安全隱患,投資費(fèi)效比卻大幅増加。

        當(dāng)然,地浸采鈾法與露天和地下采鈾相比,最大的優(yōu)勢還是對地表環(huán)境污染少,基本不用破壞農(nóng)田、林地和草場,采鈾完成礦區(qū)退役時(shí),會對所有抽注液井的管道做永久密封處理。地下也不會產(chǎn)生采空區(qū),能有效排除塌陷、地表沉降等隱患。

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