雷明信，霍晨琛，陳 帥，王合祥，段曉恒，門 宏

(1.中核礦業(yè)科技集團(tuán)有限公司，北京 101149;2.核工業(yè)二〇八大隊(duì)，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

地浸采鈾是將配制的浸出劑通過(guò)注液孔注入地下，使浸出劑與鈾進(jìn)行充分反應(yīng)，從具有一定滲透性的砂巖型鈾礦石中選擇性地浸出和回收鈾的一種鈾礦采冶新工藝[1]。與傳統(tǒng)鈾礦開(kāi)采方法相比，地浸采鈾具有能耗較低、作業(yè)安全、工作條件好、成本低、建礦速度快、自動(dòng)化程度高、綠色環(huán)保和資源回收利用率高等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。近20年來(lái)，中國(guó)在地浸采鈾方面進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐碩的成果[4]，先后在新疆、內(nèi)蒙古建立了地浸采鈾基地。在今后一定時(shí)期內(nèi)，地浸采鈾將是中國(guó)鈾礦開(kāi)采的主要技術(shù)。

1 礦床地質(zhì)條件

1.1 礦床地層結(jié)構(gòu)

塔木素礦床地層時(shí)代是下白堊統(tǒng)巴音戈壁組。下白堊統(tǒng)巴音戈壁組受古地貌形態(tài)控制，巖性組合表現(xiàn)為扇三角洲平原亞相、扇三角洲前緣亞相及湖相。礦體地質(zhì)剖面如圖1所示。與地層巖性段相對(duì)應(yīng)可將本組由下至上分為3層(K1b2-1～K1b2-3)，中層(K1b2-2)為主要含礦含水層。

巴音戈壁組上段下層為第一巖性段(K1b2-1)，由于該巖性段層位埋藏較深，整體為灰色和深灰色的還原性碎屑巖建造；巖性以深灰色泥巖和粉砂巖為主，常見(jiàn)灰色中砂巖與粗砂巖構(gòu)成的薄層砂體穿插分布其中。該亞段的砂巖碎屑物含量高，分選性中等，填隙物一般以泥質(zhì)雜基為主。由于該亞層與上覆第二巖性段多以深灰色穩(wěn)定性好的泥巖分隔，所以將該層作為礦床下部較為穩(wěn)定的隔水底板。

巴音戈壁組上段中層為第二巖性段(K1b2-2)，是礦床的主要賦礦層位，同時(shí)也是含水層發(fā)育最廣、厚度最大的層位。該層在礦床范圍內(nèi)主要發(fā)育扇三角洲前緣的水下分流河道和河口壩砂體，位于第一巖性段隔水層的上部。

巴音戈壁組上段上層為第三巖性段(K1b2-3)，巖性由褐黃色、灰綠色含砂粉砂巖、泥巖夾褐色含泥砂巖組成，其埋深35.10～307.50 m，平均厚度428 m。該層有效地阻斷了中部亞層與上覆第四系含水層的水力聯(lián)系，是礦床穩(wěn)定的隔水頂板。

礦床范圍主要為風(fēng)成沙土，沉積厚度一般為10余米。

1.2 礦體(層)特征

礦床主要礦體規(guī)模相對(duì)較大，形態(tài)多呈板狀，少量呈透鏡狀；其他礦體大多規(guī)模較小，礦體多呈透鏡狀，部分呈板狀；除主要礦體外，礦體大多連續(xù)性較差(部分為單孔礦體，與礦體沒(méi)封邊有關(guān))。礦床鈾礦帶總長(zhǎng)約5 800 m，最大寬度1 550 m，平面上礦體形態(tài)總體上呈近東西向帶狀展布。礦體產(chǎn)狀平緩，傾角一般3°～5°；扇三角洲前緣靠近前扇三角洲一帶地層傾角較大，在10°左右。礦體埋深為162.06～646.40 m，標(biāo)高為1 126.01～642.60 m。

一部分礦體靠近泥巖或賦存在泥巖中；另一部分位于砂巖中(圖1)。以下僅對(duì)砂巖中礦體的地浸開(kāi)采可行性進(jìn)行研究。

1.3 含礦含水層巖石特征

1.3.1 含礦含水層巖石結(jié)構(gòu)特征

通過(guò)對(duì)含礦含水層巖石的鏡下鑒定(圖2)，發(fā)現(xiàn)碎屑物質(zhì)分選較好，均為顆粒支撐；孔隙中填充物多為方解石和石膏，且填充物中沒(méi)有黏土礦物。圖2-a為中砂巖，中粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，石英占比55%，長(zhǎng)石占比45%；圖2-b為中砂巖，中粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，石英占比43%，長(zhǎng)石占比55%；圖2-c為砂質(zhì)礫巖，砂質(zhì)礫狀結(jié)構(gòu)，礫石與砂屑占比之比為3∶2，礫石大小多為2.0～4.5 mm，砂屑由石英、長(zhǎng)石和花崗巖巖屑組成；圖2-d為中粗粒鈣質(zhì)富長(zhǎng)石砂巖，中粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，石英占比38%，長(zhǎng)石占比60%，花崗巖占比2%。

從圖2可看出，石英、長(zhǎng)石顆粒均保持原始形狀，沒(méi)有出現(xiàn)次生加大和定向排列現(xiàn)象。說(shuō)明在成巖過(guò)程中沒(méi)有受到超壓變形的影響，礦床砂巖屬于早成巖階段A期，原生孔隙發(fā)育，含少量次生孔隙[5]。

1.3.2 含礦含水層裂隙發(fā)育程度

礦床含礦含水層為下白堊統(tǒng)巴音戈壁組上段(K1b2)碎屑巖類含水巖組，對(duì)6個(gè)水文地質(zhì)鉆孔含礦部位的節(jié)理和裂隙進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)、觀察和描述，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯觯?個(gè)水文地質(zhì)孔的過(guò)濾器段巖石裂隙發(fā)育程度低，為不發(fā)育～很不發(fā)育[6]。

表1 水文地質(zhì)鉆孔裂隙統(tǒng)計(jì)

1.3.3 含礦含水層巖石物理性質(zhì)

礦床含礦含水層巖性以砂巖、砂質(zhì)礫巖為主，測(cè)試了44組礦床含礦含水層巖石的物理性質(zhì)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 含礦含水層巖石物理性質(zhì)

從表2可看出，在44組孔隙率數(shù)據(jù)中，含礦含水層平均密度在2.15～2.28 g/cm3，各種巖石平均孔隙率在14.93%～19.31%。平均孔隙率大于15%的巖石超過(guò)65.9%，說(shuō)明含礦含水層雖然節(jié)理裂隙不發(fā)育，但孔隙卻比較發(fā)育?？紫栋l(fā)育程度決定巖土儲(chǔ)水能力，在一定條件下，還控制著巖土滯留、釋出和傳輸水的能力[7]。因此，該礦床含礦含水層儲(chǔ)水率大，地下水豐富，涌水量大。

2 礦床水文地質(zhì)條件

2.1 地下水埋藏條件及承壓性

礦區(qū)地勢(shì)總體北西高、南東低，海拔標(biāo)高1 270～1 330 m，相對(duì)高差約60 m。礦床的地層結(jié)構(gòu)屬典型的泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，即頂板和底板為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，中間為砂巖、砂礫巖、粗砂巖結(jié)構(gòu)，其上部覆蓋平均厚度為428 m的泥巖和粉砂質(zhì)泥巖。礦床范圍內(nèi)地下水處于封閉狀態(tài)，地下水的承壓水位標(biāo)高在1 269～1 277 m，含礦含水層的頂板標(biāo)高在900 m左右。因此，礦床地下水承壓水頭在370 m左右(圖3)[8]，承壓水頭距地表深度小于10 m。

2.2 抽水試驗(yàn)時(shí)地下水位變化

為求得含礦含水層的滲透系數(shù)，共進(jìn)行5組抽水試驗(yàn)，每組抽水試驗(yàn)由1個(gè)抽水孔和1個(gè)觀測(cè)孔組成，抽水孔與觀測(cè)孔的距離一般為25 m。每組抽水試驗(yàn)均進(jìn)行3次降深，當(dāng)1個(gè)抽水孔中的3次降深結(jié)束后，抽水孔與觀測(cè)孔進(jìn)行互換再繼續(xù)試驗(yàn)。在進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)，同時(shí)觀測(cè)抽水孔與觀測(cè)孔的動(dòng)水位，抽水試驗(yàn)時(shí)最大水位降深觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 抽水試驗(yàn)時(shí)水位降深觀測(cè)結(jié)果

從表3可看出，無(wú)論抽水孔與觀測(cè)孔是東西向排列還是南北向排列，在進(jìn)行任何一組抽水試驗(yàn)時(shí)，觀測(cè)孔水位均隨抽水孔水位的下降而下降。這說(shuō)明兩孔之間含礦含水層孔隙發(fā)育，地下水水力聯(lián)系密切。對(duì)10個(gè)抽水孔最大降深時(shí)的單孔涌水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其平均涌水量為517 m3/d。

2.3 含礦含水層滲透性

通過(guò)10組抽水試驗(yàn)，獲得了含礦含水層的滲透系數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 完整井與非完整井滲透系數(shù)對(duì)照

綜合表3和表4可知：含礦含水層滲透系數(shù)為0.112～0.644 m/d時(shí)，單位涌水量為0.03～0.55 L/(s·m)；完整井平均單位涌水量為0.308 L/(s·m)，平均滲透系數(shù)為0.405 m/d；非完整井平均單位涌水量為0.095 L/(s·m)，滲透系數(shù)為0.360 m/d。這說(shuō)明含礦含水層內(nèi)滲透性及單位涌水量不均勻。除完整井ZKH24-20與非完整井ZKH24-20觀的滲透系數(shù)差異較大外；其他完整井滲透系數(shù)與非完整井地段比較接近，在每塊試驗(yàn)地段，滲透系數(shù)比較一致。

值得一提的是，ZHD-1與ZHD-2鉆孔均為非完整井，其過(guò)濾器位于礦體部位，2個(gè)井相距25 m；通過(guò)抽水試驗(yàn)求得ZHD-1與ZHD-2的滲透系數(shù)分別為0.456 m/d和0.520 m/d，說(shuō)明礦體部位滲透系數(shù)較大，全礦滲透系數(shù)平均值為0.399 m/d。

2.4 示蹤試驗(yàn)中示蹤劑濃度變化

在ZKHD-1和ZKHD-2中進(jìn)行示蹤試驗(yàn)，以ZKHD-1鉆孔為投源孔，以ZKHD-2鉆孔為抽水孔，2個(gè)鉆孔相距25 m(圖4)，示蹤劑采用熒光素鈉。2018年7月5日投入示蹤劑，7月11日開(kāi)始抽水試驗(yàn)，7月25日下午發(fā)現(xiàn)抽出水的顏色發(fā)生了變化，7月26日的取樣首次檢測(cè)到示蹤劑。此后每天取樣1次進(jìn)行化驗(yàn)分析，熒光素鈉濃度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)；8月8日后開(kāi)始進(jìn)入試劑質(zhì)量濃度的快速上升期，至9月2日出現(xiàn)質(zhì)量濃度峰值2.561 mg/L后，熒光素鈉濃度開(kāi)始下降；10月1日以后下降變得很緩慢。示蹤劑濃度隨時(shí)間變化如圖5所示。

示蹤劑試驗(yàn)結(jié)果表明，示蹤劑突破時(shí)間僅為15 d，示蹤劑濃度曲線平滑，未發(fā)生上下跳躍現(xiàn)象。這說(shuō)明礦體部位孔隙發(fā)育，示蹤劑能夠順利從投源孔到達(dá)抽水孔。

2.5 含礦含水層及礦層厚度

在礦床范圍內(nèi)，通過(guò)水文地質(zhì)編錄得知，含礦含水層的厚度分布極不均勻，不同地段厚度相差3倍多。ZKH30-3孔地段含水層厚度最薄，僅41.9 m；ZKH24-20孔地段含水層厚度最厚，達(dá)130.6 m；含礦含水層平均厚度108.55 m。

經(jīng)初步統(tǒng)計(jì)，位于含礦含水層中的砂巖礦體有17個(gè)，約占礦床礦體總數(shù)的一半。砂巖型礦體的平均厚度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 砂巖礦體規(guī)模及平均厚度

3 礦床可地浸條件分析

3.1 礦床地浸條件與已生產(chǎn)礦山條件比較

中國(guó)目前仍然處于生產(chǎn)(試驗(yàn))階段的地浸礦山有8個(gè)，本礦床與這些生產(chǎn)(試驗(yàn))礦山的水文地質(zhì)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表6。

從表6可看出，本礦床除密度較大、CaO含量較高外，其滲透系數(shù)大于T礦床，單位涌水量?jī)H小于B礦床和T礦床，其他參數(shù)與正在生產(chǎn)(試驗(yàn))的礦床相當(dāng)或優(yōu)于其他正在生產(chǎn)的礦床。因此，本礦床砂巖型礦體具有地浸開(kāi)采的可能性。

表6 地浸礦床水文地質(zhì)參數(shù)對(duì)比

3.2 地浸可行性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

EJ/T 1194—2005《地浸砂巖型鈾礦水文地質(zhì)勘查規(guī)范》中的地浸砂巖型鈾礦水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)參數(shù)見(jiàn)表7，以此作為本礦床地浸水文地質(zhì)參數(shù)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 礦床地浸性可行性評(píng)價(jià)

按照表7的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本礦床的可地浸性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表7 砂巖型鈾礦地浸水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)參數(shù)

3.3.1 水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)

連續(xù)、穩(wěn)定、隔水性能良好的頂、底板是地浸采鈾最有利的水文地質(zhì)條件之一。該含礦含水層的隔水頂板平均厚度為428 m，底板為泥巖、粉砂巖，且分布連續(xù)，隔水性能良好；表明含礦含水層具有穩(wěn)定的隔水頂、底板，具備“隔水-含水-隔水”的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。另外，含礦含水層內(nèi)部存在多個(gè)泥巖隔層，且互相錯(cuò)層疊置，使含礦含水層的垂向滲透性存在較大差異，而水平方向上滲透性較均一。因此，認(rèn)為本礦床水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)等級(jí)為有利、最有利。

3.3.2 含礦含水層滲透性

據(jù)水文地質(zhì)孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出含礦含水層滲透系數(shù)為0.112～0.644 m/d，平均值為0.399 m/d；除ZKH52-12及ZKH52-12觀的滲透系數(shù)較小外，其他地段滲透系數(shù)均大于0.2 m/d。從含礦含水層滲透性來(lái)看，本礦床砂巖礦體有利于地浸開(kāi)采。

3.3.3 單井涌水量

據(jù)10個(gè)水文地質(zhì)孔不同降深抽水試驗(yàn)結(jié)果可知，含礦含水層最大降深時(shí)的單井涌水量為107～1 126 m3/d，平均單井涌水量為517 m3/d。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)判定，對(duì)地浸開(kāi)采最有利。

3.3.4 水位埋深和水頭高度

含礦含水層的水位埋深小于10 m。地下水的承壓水位標(biāo)高為1 269～1 277 m，而含礦含水層的頂板標(biāo)高為900 m左右，承壓水頭為370 m左右，這對(duì)地浸開(kāi)采最有利。

3.3.5 含礦含水層的膠結(jié)程度

通過(guò)巖心觀察和巖石物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)試，含礦含水層巖石孔隙發(fā)育，孔隙率大于15%的巖心超過(guò)65.9%。抽水試驗(yàn)結(jié)果顯示，抽水井與觀測(cè)井水力聯(lián)系密切。示蹤試驗(yàn)證明，示蹤劑僅用15 d就能夠順利從投源孔到達(dá)抽水孔，這對(duì)地浸開(kāi)采有利。

3.3.6 含礦含水層與礦層厚度比值

在礦體分布范圍內(nèi)，含礦含水層被泥巖和粉砂巖分隔為4～6個(gè)含水層，單層砂體厚度一般為10～60 m，含礦含水層總厚度為41.9～130.1 m，平均厚度為108.55 m。不考慮局部隔水層時(shí)，含礦含水層與礦層厚度比值變化較大，介于14.4～55.7；當(dāng)?shù)V層平均厚度為4.08 m時(shí)，含礦含水層平均厚度與礦體平均厚度之比為26.6，對(duì)地浸開(kāi)采不利。而考慮礦體上、下部的局部隔水夾層時(shí)，其比值多介于5～10，這對(duì)地浸開(kāi)采較有利。

3.3.7 地下水的礦化度

礦床含礦含水層地下水的礦化度較高，介于28.66～51.44 g/L，平均值為36.26 g/L，對(duì)地浸開(kāi)采不利。

3.3.8 碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)

含礦含水層巖石中碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為12.99%，不利于采用酸法浸出；采用堿法浸出的可能性有待研究。

通過(guò)以上分析可知，大多數(shù)評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)地浸開(kāi)采為有利、較有利，個(gè)別評(píng)價(jià)參數(shù)為不利。本礦床砂巖型礦體地浸條件良好，總體評(píng)價(jià)為有利、較有利。本礦床砂巖型礦體采用地浸方法開(kāi)采具有可行性。

4 結(jié)論

礦床地層結(jié)構(gòu)為泥-砂-泥結(jié)構(gòu)，礦床內(nèi)的部分砂巖型礦體位于含礦含水層中，隔水頂板厚度大，分布連續(xù)，隔水性能好。含礦含水層孔隙發(fā)育，地下水水位埋藏淺，承壓水頭高，單井涌水量大；含礦含水層的滲透性較好，礦床的地層結(jié)構(gòu)、含礦含水層的滲透性、地下水埋深、承壓水頭及單井涌水量等均滿足地浸開(kāi)采的條件。示蹤劑能夠從投源井到達(dá)抽水井，表明地浸開(kāi)采時(shí)溶浸劑也能夠從注液井到達(dá)抽液井。因此，該礦床中的砂巖型礦體采用地浸方法開(kāi)采具有可行性。