張 渤,季揚威,李喜龍,孫希龍,孫 祥
(中核通遼鈾業(yè)有限責任公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000)
在現(xiàn)有鈾價格較低的情況下,地浸采鈾以成本低、綠色環(huán)保、資金投入少的特點,已被成功推廣應用[1]。地浸采鈾成本低是一個相對的概念,在地浸鈾礦山實際生產(chǎn)過程中,隨著鈾資源的開采消耗,為完成生產(chǎn)指標,往往采用增加新采區(qū)、提高浸出劑濃度等方式進行開采;但這只能在表面上解決了礦山生產(chǎn)問題。詳細劃分到每個采區(qū),鈾資源生產(chǎn)成本相差懸殊,個別采區(qū)甚至出現(xiàn)經(jīng)濟虧損的情況。因此,如何在最短時間內(nèi)使地浸鈾資源生產(chǎn)最大化,如何控制地浸采鈾浸出速度,是地浸采鈾礦山面臨的實質(zhì)問題。筆者以內(nèi)蒙古某地浸鈾礦山試驗采區(qū)為例,分析浸出速度的影響因素,為鈾資源的回收利用提供技術(shù)支持。
內(nèi)蒙古某地浸鈾礦山于2013年開始試驗,投入8組浸采單元,采用O2+CO2浸出工藝,O2質(zhì)量濃度起始加注標準為400 mg/L,CO2質(zhì)量濃度起始加注標準為200 mg/L。井型采用“七點型”和“五點型”2種形式[2],如圖1所示。
目前該礦區(qū)已累計運行64個月,液計采區(qū)浸出率為155.0%,根據(jù)浸出階段劃分,該采區(qū)處于
浸出末期。通過分析浸出率變化情況,在開始浸出階段,隨著浸出劑運移至抽出井,地下水中本底的鈾和化學反應浸出的鈾共同被采出,鈾浸出率增長幅度較大,鈾的回收速度也快速上升;在穩(wěn)定生產(chǎn)階段,鈾的浸出主要以化學反應為主,含鈾礦物表層的鈾參與浸出,浸出率增長幅度最大,采區(qū)單位時間內(nèi)生產(chǎn)能力已達到最大,鈾的回收速度相對穩(wěn)定;在產(chǎn)能下降階段,隨著含鈾礦物表層的鈾被消耗,逐漸轉(zhuǎn)為含鈾礦物內(nèi)擴散浸出,浸出率增長幅度呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢,鈾的回收速度逐漸降低,導致拖尾時間較長。采區(qū)月鈾浸出率和累計鈾浸出率與時間的變化關(guān)系如圖2所示。
由圖2可見,隨著生產(chǎn)的運行,浸出率增長幅度逐漸平緩且逐漸下降,說明鈾的回收率呈下降趨勢。在浸出過程中的電耗、原材料消耗都相同的情況下,鈾的回收率下降必然導致生產(chǎn)運行成本提高[3]。
浸出液鈾濃度可以直接反映鈾浸出速度的快慢,在C1采區(qū)生產(chǎn)過程中,因鉆孔投入運行的時間不一致,由于低濃度鉆孔浸出液稀釋,造成前期鈾質(zhì)量濃度波動,如圖3所示。
由圖3可見,不同鉆孔鈾質(zhì)量濃度上升的持續(xù)時間不同,單孔鈾質(zhì)量濃度峰值前后不一致,穩(wěn)定期較短;并且在鈾質(zhì)量濃度下降過程中,大多數(shù)單元呈現(xiàn)階梯式下降,下降拖尾較長。隨著采區(qū)生產(chǎn)能力降低,目前國內(nèi)地浸鈾礦山普遍采用增加新采區(qū)投入、增加備采資源量的方式,減緩生產(chǎn)成本上升;但這種方式不能徹底解決生產(chǎn)問題,而且易造成部分鈾資源得不到有效利用。
在浸采初期,浸出劑中具有氧化作用的離子濃度未飽和,鈾的浸出速度與浸出劑濃度成正比。在技術(shù)經(jīng)濟指標受控的條件下,浸出劑濃度越高,鈾的浸出速度越快;浸出劑濃度越低,鈾的浸出速度越慢。當浸出劑中具有氧化作用的離子濃度飽和后,浸出劑濃度對浸出速度的影響逐漸減小。對本研究鈾礦山,當浸出液中浸出劑濃度達到15~20 mg/L時,鈾的浸出速度達到最大。
假設含礦砂體為粒度均勻的巖石,砂體粒度越小,有效孔隙度越大,鈾礦物與浸出劑接觸越充分,浸出速度越高。在地浸鈾礦床中,含礦砂體以粗砂巖、中砂巖、中細砂巖、細砂巖、粉砂巖為主,不同巖性交替沉積,并且孔隙被石英、巖屑等物質(zhì)充填。實際生產(chǎn)過程中,在浸出劑濃度一定的情況下,含礦砂體結(jié)構(gòu)越致密,浸出劑與含鈾礦物的接觸面積越小,鈾的浸出速度越慢。
地浸鈾礦山根據(jù)礦床成因不同,含礦含水層特征也各不相同。目前中國地浸鈾礦山的地層結(jié)構(gòu)通常具有穩(wěn)定的泥-砂-泥結(jié)構(gòu),含礦砂體受上、下泥巖隔水層控制。通常鈾賦存的含礦含水層為非均質(zhì)狀態(tài),鈾礦層滲透性與圍巖滲透性存在差異,當鈾礦層滲透性小于圍巖滲透性時,浸出劑大量消耗在圍巖上,同時造成浸出液稀釋。在同一含水層中,鈾礦體一般呈現(xiàn)多層分布,浸采礦體厚度小于含水層厚度,當單層浸采礦體厚度越接近局部含水層厚度時,越有利于鈾的浸出。
地浸采鈾礦山鉆孔是實現(xiàn)浸出劑加注和浸出液提升的唯一通道。在礦山開采設計階段,鉆孔根據(jù)礦體形態(tài)按規(guī)則井型排列[4],但是在鉆孔施工中難以控制鉆孔垂直揭露礦體。鉆孔水平偏移量是衡量鉆孔垂直度的指標,通常以每百米偏移量表示。根據(jù)鈾礦山鉆孔井型、井距及礦體深度的不同,鉆孔水平偏移量驗收標準也不同。以內(nèi)蒙古某地浸鈾礦山為例,鉆孔水平偏移量驗收指標為1.5%,井距為30 m,孔深為400 m,2個鉆孔在孔底的允許最小水平距離為18 m,允許最大水平距離為42 m。根據(jù)群孔抽注特征,在抽出井和注入井之間,孔底水平距離越小,浸出劑向抽出井運移越容易,造成浸出速度越不均勻。
大部分地浸鈾礦山含礦含水層為層間承壓水,含水層主要補給來源為側(cè)向徑流,地下水流向與礦體走向基本一致。地浸采鈾改變了局部地下水流場特征,在采區(qū)范圍內(nèi),形成以抽出井為中心的人為流場。為避免含鈾液體向非含礦含水層運移,抽水量略大于周邊補給量。對于滲透性較小的含水層,抽出井和注入井的水量差異較大,并且生產(chǎn)過程中的化學沉淀物和微顆粒運移都會影響鉆孔出水量。因此,采區(qū)內(nèi)地下水流場隨鉆孔水量變化而動態(tài)變化,當周邊鉆孔補給量大于等于抽水量時,造成地下水稀釋,影響浸出速度。
隨著生產(chǎn)運行,地浸鈾礦山主礦體資源量逐漸減少,逐步轉(zhuǎn)為開采次要礦體,甚至到礦山生產(chǎn)末期,需要開拓周邊零散礦體。但是,在平面和剖面上,次要礦體或零散礦體的發(fā)育區(qū)域和層位往往不同,礦體水文地質(zhì)特征也存在差別。在地浸鈾礦山勘探設計階段,主要針對可利用礦體開展了水文地質(zhì)試驗,概略論述礦床的水文地質(zhì)特征。以內(nèi)蒙古某地浸鈾礦山為例,根據(jù)地質(zhì)勘探報告,在約10 km2范圍內(nèi),布置7組水文試驗單元,獲取主礦體含礦含水層的滲透系數(shù)近似為0.1~1.0 m/d,屬于低滲透性礦床,最大滲透系數(shù)與最小滲透系數(shù)之間相差一個數(shù)量級。因此,勘探設計階段獲取的水文地質(zhì)參數(shù)難以替代獨立采區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)。在采區(qū)投入運行前,有針對性地開展局部水文地質(zhì)試驗,不僅能夠更準確的獲得每個采區(qū)的水文地質(zhì)特征,還可以為礦山浸出生產(chǎn)提供依據(jù)。
地浸鈾礦山工藝鉆孔的主要作用是探采結(jié)合,在探礦的基礎上,實現(xiàn)鈾資源生產(chǎn)。國內(nèi)地浸鈾礦山往往忽略了工藝孔也具有勘探孔的作用,鉆孔只保留了鉆孔成井及見礦情況相關(guān)的資料;但是作為勘探孔,鉆孔巖芯資料嚴重缺失,導致在生產(chǎn)過程中,只能利用詳查或勘探階段的鉆孔資料,分析采區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)、鈾資源狀況變化情況。因此,在工藝鉆孔施工階段,在開拓采區(qū)范圍內(nèi)選取鉆孔進行巖芯取樣編錄,并作為檔案資料留存,以便為采區(qū)生產(chǎn)、浸出模擬提供資料支持。
地浸鈾礦山浸出是一個復雜的多相反應過程,鈾的浸出主要分為外表面浸出階段、內(nèi)擴散浸出階段和鈾的運移階段;表面浸出和內(nèi)擴散浸出速度均受浸出劑濃度影響。生產(chǎn)過程中,浸出劑的加注以單孔注液量為參照標準,當單孔注液量為2.5 m3/h時,浸出劑加注質(zhì)量濃度為280 mg/L。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗,當單孔注液量小于1.0 m3/h時,受浸出劑計量儀精度的影響,無法實現(xiàn)浸出劑精準加注,并且容易造成氣堵。目前內(nèi)蒙古某地浸鈾礦山采用低流量鉆孔并聯(lián)的方式,多孔集中加注浸出劑,不僅解決了低流量鉆孔浸出劑加注困難的難題,而且避免了產(chǎn)生氣堵現(xiàn)象。
在低滲透性鈾礦床,為保證抽注平衡,降低地下水稀釋影響,往往采用“七點型”井型布置。這種井型具有較高的可變性,能夠根據(jù)生產(chǎn)需要改變?yōu)椤靶辛惺健薄ⅰ岸帱c式”等不同井型。因此,需要鉆孔結(jié)構(gòu)能夠適應井型的變化,主要是能夠?qū)崿F(xiàn)抽出井和注入井功能的互換。浸出劑由注入井進入礦層,在注入井周邊浸出劑與礦層反應最充分,隨著浸出劑在礦層內(nèi)的運移,浸出劑與礦層發(fā)生化學反應被消耗并且受地下水稀釋的影響,浸出劑濃度逐漸降低,通過調(diào)整抽注鉆孔功能,以保障生產(chǎn)浸出。
為將浸出液有效運移至處理車間,需要在含礦含水層內(nèi)建造人工流場,避免浸出液向非含礦含水層擴散。人工流場的水力梯度取決于抽液量大于注液量的程度,決定了浸出劑的流動速度[5]。根據(jù)地下水動力學基本原理,地下水總是由高水頭區(qū)向低水頭區(qū)流動。礦山生產(chǎn)過程中,采用抽出水量大于注入水量的方式,在含礦含水層內(nèi)形成局部降落漏斗;為了形成完整浸出單元,在采區(qū)外圍往往采用注液鉆孔進行封邊,這難以避免浸出劑的稀釋和擴散。地浸鈾礦山根據(jù)鉆孔布置形式,采區(qū)周邊適當布置抽出井,這類抽出井布置方式雖然因未形成完整浸出單元而造成地下水稀釋;但是可以在保證抽注平衡的情況下,通過對抽出水量和注入水量的調(diào)控,最大限度降低浸出劑的稀釋和浪費,同時增加浸出劑與鈾礦石的接觸時間,提高浸出速度。
在地浸鈾礦山生產(chǎn)過程中,鈾的浸出速度是衡量礦山經(jīng)濟可行性的重要指標,是鈾礦山可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。目前國內(nèi)對地浸鈾礦山浸出速度的研究較少,必須從生產(chǎn)實際出發(fā),實現(xiàn)對鈾浸出速度的控制,應加強區(qū)域水文地質(zhì)試驗研究,為鈾的浸出提供技術(shù)支持;優(yōu)化鈾的浸出生產(chǎn)條件,實現(xiàn)對鈾浸出速度的合理控制;并通過加強溶浸范圍控制,有效控制生產(chǎn)材料消耗。