王 瑤，段柏山，李建斌，曾亮亮，徐麗文，郭 冰

(1.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司，新疆 伊寧 835000；2.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013)

某砂巖型鈾礦床某采區(qū)的鈾礦，資源埋藏于陡坡下，邊坡松散，存在明顯滑坡現(xiàn)象，地形較復(fù)雜。該礦床扎北0#勘探線砂體埋深為266.2～339.6 m，厚度為16.2～36.4 m(平均厚度23 m)，傾角為17°左右，遠(yuǎn)大于扎北其他區(qū)域。巖性以中砂為主，其次是細(xì)-粉砂巖，所含的少量砂礫巖以薄層出現(xiàn)。該區(qū)域礦體主要賦存于中下侏羅統(tǒng)水西溝群(J1-2sh)V22韻律砂體中，由于受斷裂構(gòu)造的影響，該區(qū)域礦體比較復(fù)雜，成不規(guī)則的雞窩狀[1]。

該礦床礦石為富鋁硅酸鹽礦物碎屑巖，碎屑礦物以石英、巖屑和長石為主，不溶于酸和難溶于酸的礦石組分約占98%，易溶于酸的礦石組分約占2%，碳酸鹽含量平均為0.77%，該礦石有利于用酸法地浸。由于該采區(qū)位于此礦床0#勘探線處，距相鄰礦床xxx采區(qū)約200 m，其地下水碳酸鹽含量高(2.4%～16.59%)，礦化度約為400～500 mg/L，屬中-弱堿性的硫酸重碳酸鈣型水。

1 斷裂構(gòu)造特征[2]

1.1 斷裂的厘定

該采區(qū)斷裂位于采區(qū)西北部，在地形地貌上表現(xiàn)為北西盤地形較低且平緩，南東盤地形較高且復(fù)雜。通過鉆孔勘探揭露發(fā)現(xiàn)，第8煤層產(chǎn)狀出現(xiàn)突變，且不同地段水位及頂?shù)装鍢?biāo)高存在較大差異，如表1和圖1～6所示。通過計(jì)算可以得出：X單元的平均靜水位埋深為23.5 m，平均標(biāo)高為1 317.6 m；Y單元的平均靜水位埋深為133.8 m，平均標(biāo)高為1 105.1 m；Z單元的平均靜水位埋深為228.0 m，平均標(biāo)高為1 202.6 m；該采區(qū)內(nèi)存在2條斷層，北西盤下降，南東盤上升。由于資料較少，無法推斷出斷距及斷層的走向，初步認(rèn)為斷距不大于10 m。

表1 靜水位埋深及標(biāo)高統(tǒng)計(jì)

圖1 某采區(qū)頂板標(biāo)高及靜水位標(biāo)高等值線圖

1—靜水位標(biāo)高；2—斷層；3—頂?shù)装鍢?biāo)高；4—鉆孔及編號。圖2 A—A′剖面圖

1—靜水位標(biāo)高；2—斷層；3—頂?shù)装鍢?biāo)高；4—鉆孔及編號。圖3 B—B′剖面圖

1—靜水位標(biāo)高；2—斷層；3—頂?shù)装鍢?biāo)高；4—鉆孔及編號。圖4 C—C′剖面圖

1—靜水位標(biāo)高；2—斷層；3—頂?shù)装鍢?biāo)高；4—鉆孔及編號。圖5 D—D′剖面圖

1—靜水位標(biāo)高；2—斷層；3—頂?shù)装鍢?biāo)高；4—鉆孔及編號。圖6 E—E′剖面圖

1.2 斷裂的特征

據(jù)鉆孔揭露，其斷層面是彎曲的起伏面，且呈傾斜狀。由于斷層南東、中西、北西三盤的互相擠壓作用，使得斷面的破碎帶并不松散透水；且附近的透水巖石被壓實(shí)，使其孔隙變小或被黏土和小顆粒所充填，直至其孔隙度減小到零。這樣在兩處斷層處便形成了與含水層呈一定角度的“擋水墻”。該斷層造成含礦建造在垂向上有明顯的錯(cuò)動(dòng)。

2 斷裂對采區(qū)水文地質(zhì)條件的影響

由于阻水?dāng)鄬忧袛嗔烁鲾鄬颖P之間的水力聯(lián)系，使得斷層南東、中、北西三盤之間失去了水力聯(lián)系，將整個(gè)采區(qū)劃分為水文地質(zhì)條件、補(bǔ)給量及水動(dòng)力條件均有明顯差異的3個(gè)獨(dú)立水文地質(zhì)單元(X、Y、Z)，如圖7所示。

2.1 不同水文地質(zhì)單元水文地質(zhì)條件差異[3]5

形成層間氧化帶砂巖型鈾礦床的必備條件是存在由上下屏蔽層及相夾透水層共同組成的巖性組合，而這種有利的巖性組合在一個(gè)地層單元內(nèi)往往呈多個(gè)相互上下疊置或側(cè)列疊置的情況產(chǎn)出，這些巖性特征對砂巖鈾礦體的礦化特征起著直接控制作用。地層產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)及其巖石滲透性、含水層厚度等，都可以直接影響砂巖能否成礦、礦化品位及礦體的規(guī)模和形態(tài)。

由于南東、中、北西三盤錯(cuò)動(dòng)及斷層的阻水作用導(dǎo)致了補(bǔ)給量的較大差異和其水文地質(zhì)條件有所不同，具體表現(xiàn)在含礦含水層埋深、水頭高度、靜水位埋深及單位涌水量等水文地質(zhì)參數(shù)上，見表2。表2中，X、Y水文地質(zhì)單元的滲透系數(shù)通過抽水試驗(yàn)得出，Z水文地質(zhì)單元的滲透系數(shù)通過注水試驗(yàn)得出。影響含水層滲透系數(shù)的因素主要有巖石本身性質(zhì)和地下水動(dòng)力勢，與補(bǔ)給量的大小無關(guān)。通過對三盤的巖性及透鏡體統(tǒng)計(jì)可知，滲透系數(shù)小的含水層砂體的孔隙部分被黏土所充填，砂體的孔隙度減小，滲透系數(shù)降低。

1—斷層；2—抽液孔；3—注液孔。圖7 某采區(qū)平面布置及水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐?/p>

表2 各水文地質(zhì)單元含水層特征

2.2 不同水文地質(zhì)單元補(bǔ)給量差異[4]

不同水文地質(zhì)單元地下水的補(bǔ)給，排泄路徑如圖8所示。

在X水文地質(zhì)單元，大氣降水和古生界基巖裂隙水可以通過第四系潛水含水層補(bǔ)給侏羅系含水層組；同時(shí)侏羅系含水層組開啟部位又較其他兩盤高，所以含礦含水層組還可接受大氣降水和古生界基巖裂隙水補(bǔ)給。由于受F1斷裂阻水的影響其排泄量相對減少，因此南東盤和其他兩盤相比，具有較充足的補(bǔ)給量[5]7。

Y水文地質(zhì)單元處于南東盤和北西盤中間，其補(bǔ)給量主要來自大氣降水以及古生界基巖裂隙水通過第四系潛水含水層的補(bǔ)給，其補(bǔ)給量有限，受F1斷裂的影響相對南東盤減少。

Z水文地質(zhì)單元受F1、F2斷裂的影響，來自于古生界基巖裂隙水通過第四系潛水含水層補(bǔ)給量減少的同時(shí)，其含水層的開啟部位相對其他兩盤都低，其排泄量較其他兩盤要順暢，所以其補(bǔ)給量不足。

1—斷層；2—抽孔；3—注孔；4—補(bǔ)給；5—排泄。圖8 不同水文地質(zhì)單元地下水的補(bǔ)給、排泄路徑

2.3 不同水文地質(zhì)單元水動(dòng)力條件差異[3]7

在巖性變化不大、滲透性差異不大的情況下，含水層的水力梯度是影響地下水流速的決定性因素。地下水的流向也一定程度地影響著鈾礦體的形態(tài)及延伸方向，斷層造成含礦含水層在垂向上錯(cuò)動(dòng)明顯，不同水文地質(zhì)單元水頭高度差異較大。在3個(gè)水文地質(zhì)單元中，X單元地下水的水力梯度最大，Y單元地下水的水力梯度次之。3個(gè)水文地質(zhì)單元的水交替強(qiáng)烈程度不同，地下水的總流向也不同，X、Y、Z水文地質(zhì)單元的地下水總流向分別為ESN向、EW向和EW向(圖9)。

2.4 不同水文地質(zhì)單元水文地質(zhì)參數(shù)差異

按劃分的水文地質(zhì)單元，分別在B0610(X水文地質(zhì)單元)、B1010(Y水文地質(zhì)單元)采用定流量非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，在B1209(Z水文地質(zhì)單元)采用定流量注水試驗(yàn)。

2.4.1 X單元水文地質(zhì)參數(shù)

抽水試驗(yàn)水文參數(shù)采用降深-時(shí)間(s-t/r2)配線法計(jì)算，根據(jù)本次試驗(yàn)的實(shí)際情況，選用如下公式計(jì)算水文參數(shù)[6]：

(1)

(2)

式中：T—導(dǎo)水系數(shù)，m2/d；Q—本次試驗(yàn)抽水量，m3/h；s—降深，m;μ*—釋水系數(shù)或貯水系數(shù)，無量綱；W(u)—井函數(shù)；1/u—無越流含水層井函數(shù)的反函數(shù)；t—抽水時(shí)間，min;r—抽水管半徑，m。

試驗(yàn)得到的s-t/r2配線圖如圖10所示，配線圖中黑線表示標(biāo)準(zhǔn)曲線坐標(biāo)、藍(lán)線表示s-t/r2曲線坐標(biāo)，圓圈表示所取的匹配點(diǎn)。

根按照以上配線環(huán)境，將W(u)、1/u、lgs、lg(t/r2)代入計(jì)算公式，可得T、K、μ*水文參數(shù)，見表3。

圖9 某采區(qū)區(qū)域地下水動(dòng)力場

圖10 B0610試驗(yàn)s-t/r2配線圖

表3 配線法計(jì)算X單元B0610水文地質(zhì)參數(shù)

2.4.2 Y單元、Z單元水文地質(zhì)參數(shù)

同理，按照X單元的計(jì)算方法，可以求出B1010(Y單元)的滲透系數(shù)為0.076 m/d，導(dǎo)水系數(shù)為1.09 m2/d；B1209(Z單元)的滲透系數(shù)為0.068 m/d，導(dǎo)水系數(shù)為0.97 m2/d。

3 斷裂構(gòu)造對浸采的影響

3.1 斷裂構(gòu)造對不同水文地質(zhì)單元成礦的影響

在地下水鈾成礦作用過程中，由于各水文地質(zhì)單元的地下水埋深、含水層滲透性及水動(dòng)力條件等不同，造成各單元礦體發(fā)育的規(guī)模、形態(tài)、厚度、品位有較大差異，如圖11所示。

3.2 斷裂構(gòu)造對浸采抽注液量的影響

由于X水文地質(zhì)單元的水動(dòng)力較Y水文地質(zhì)單元的強(qiáng)，Y水文地質(zhì)單元的水動(dòng)力較Z水文地質(zhì)單元的強(qiáng)，加之含礦含水層巖性上的差異性，以及滲透系數(shù)依X單元、Y單元、Z單元順序減小等特點(diǎn)，造成該礦床該采區(qū)不同水文地質(zhì)單元在浸采過程中鉆孔的抽注液量各異，具體見表4。X單元單孔平均抽液量為0.98 m3/h，單孔平均注液量為0.91 m3/h；Y單元單孔平均抽液量為0.77 m3/h，單孔平均注液量為0.49 m3/h；Z單元單孔平均抽液量為0.45 m3/h，單孔平均注液量為0.60 m3/h。

3.3 斷裂構(gòu)造對鈾濃度的影響

在酸法浸采過程中，受斷裂構(gòu)造的影響，不同水文地質(zhì)單元的浸出液鈾濃度呈現(xiàn)不同的變化特征，如圖12所示。X單元從2017年6月6日開始運(yùn)行至2020年4月15日，浸出液集合樣的最高鈾質(zhì)量濃度為51.2 mg/L，平均鈾質(zhì)量濃度在30.0 mg/L以上；Y單元從2018年5月初開始運(yùn)行至2020年4月15日，浸出液最高鈾質(zhì)量濃度為11.3 mg/L，平均鈾質(zhì)量濃度只有8.5 mg/L；Z單元從2018年4月20日開始運(yùn)行至2020年4月15日，最高鈾質(zhì)量濃度為10.2 mg/L，平均鈾質(zhì)量濃度只有6.1 mg/L。

3.4 斷裂構(gòu)造對浸采過程中水化學(xué)狀態(tài)的影響

各水文地質(zhì)單元浸出過程中pH、酸度及浸出液中相關(guān)離子濃度如圖13～18所示。

M—礦體平均厚度；C—平均品位；U—平米鈾量；S—礦床面積；P—儲(chǔ)量。圖11 不同水文地質(zhì)單元礦體厚度、品位對比

表4 運(yùn)行過程中不同水文地質(zhì)單元平均抽注液量統(tǒng)計(jì)

圖12 不同水文地質(zhì)單元浸出液月平均鈾濃度變化曲線

圖13 不同水文地質(zhì)單元浸出過程中pH或酸度變化曲線

圖14 不同水文地質(zhì)單元浸出劑酸度變化曲線

圖15 X水文地質(zhì)單元相關(guān)離子濃度變化曲線

圖16 Y水文地質(zhì)單元相關(guān)離子濃度變化曲線

圖17 Z水文地質(zhì)單元相關(guān)離子濃度變化曲線

圖18 不同水文地質(zhì)單元浸出液SO42-濃度變化曲線

開始酸法浸采運(yùn)行后，X單元運(yùn)行11月后才見余酸，且余酸一直維持在1.5 g/L以下；Y單元運(yùn)行近24個(gè)月一直未見余酸，其pH一直在4.5以上；Z單元運(yùn)行18個(gè)月才見余酸，且酸度一直在1 g/L以下(圖13)。

從開始運(yùn)行至2020年4月，Y、Z單元鈾質(zhì)量濃度一直在10.0 mg/L以下，只有Z單元見余酸；而Y單元pH一直在4.5以上，陽離子濃度變化幅度不大，且未出現(xiàn)Al3+。分析認(rèn)為，Y、Z單元還未達(dá)到理想的浸出環(huán)境，尤其是Y單元；未出現(xiàn)Al3+是因?yàn)槠浣鰟┑乃岫鹊?，需適當(dāng)提高配酸酸度。

在浸采過程中，X單元最初單獨(dú)加酸，酸度控制在4.0 g/L左右，鈾濃度呈緩慢上升趨勢，并且出現(xiàn)了Fe3+、Ca2+、Mg2+、Al3+等大量陽離子；停止單獨(dú)配酸加注并采用大系統(tǒng)尾液(酸度在2.5 g/L左右)下注后，pH出現(xiàn)明顯上升趨勢，陽離子以氫氧化物和硫酸鹽形式沉淀(圖13～18)。因此，在酸法浸出過程中，當(dāng)還未出現(xiàn)余酸、pH呈下降趨勢且有大量陽離子(Fe3+、Ca2+、Mg2+、Al3+等)出現(xiàn)時(shí)，不能隨意降低配酸酸度，以免造成地下浸出環(huán)境的pH升高，導(dǎo)致陽離子沉淀，從而影響抽注液能力。

Al3+在配加酸法浸出劑的情況下呈明顯下降趨勢，同時(shí)鈾濃度開始下降；采取洗孔措施后，鈾濃度緩慢上升至峰值后，開始緩慢下降，目前鈾質(zhì)量濃度維持在30.0 mg/L(圖13、圖15)。

Ca2+、Mg2+濃度分別自加酸后的第13天和第15天開始上升，這與SO42-的上升起始時(shí)間基本吻合。存在這種一致性是由于H+與SO42-同步進(jìn)入含礦含水層，Ca2+、Mg2+作為H+與巖石礦物的反應(yīng)產(chǎn)物而進(jìn)入溶液，并與SO42-進(jìn)行同步運(yùn)移[3]14。

為了分析試驗(yàn)期間硫酸鈣飽和狀態(tài)，運(yùn)用美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)開發(fā)的地球化學(xué)模式軟件PHREEQCI，根據(jù)試驗(yàn)水化學(xué)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對酸法浸出中硫酸鈣飽和指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算[5]，結(jié)果如圖19所示。

圖19 不同水文地質(zhì)單元浸出液硫酸鈣飽和指數(shù)隨時(shí)間變化曲線

浸出劑注入含礦層后，水巖作用的結(jié)果使得地浸體系的水化學(xué)狀態(tài)發(fā)生了變化，浸出液中的硫酸鈣飽和指數(shù)隨地浸時(shí)間的延長呈逐步增大的趨勢(硫酸鈣飽和指數(shù)為負(fù)值，表示沒有發(fā)生石膏沉淀現(xiàn)象)。X單元運(yùn)行170 d后，硫酸鈣飽和指數(shù)大于0，會(huì)出現(xiàn)硫酸鈣沉淀，堵塞礦層進(jìn)而影響抽注液能力；Y、Z單元運(yùn)行至2020年4月，硫酸鈣飽和指數(shù)一直小于0。

3.5 斷裂構(gòu)造對浸采率的影響

從投入生產(chǎn)至2020年4月15日，共浸出金屬鈾12.38 t，其中X單元浸出金屬鈾12.15 t，浸采率21.62%；Y單元浸出金屬鈾0.11 t，浸采率0.71%；Z單元浸出金屬鈾0.12 t，浸采率6.00%。

X、Y、Z為3個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，相互之間無水力聯(lián)系，水文地質(zhì)條件各異，主要表現(xiàn)在K、H、T、μ*的不同。在浸采活動(dòng)中，各單元接受的浸出劑體積不同，水動(dòng)力作用范圍不同，浸出劑與礦石的有效接觸面積不同，這些因素往往會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)溶浸死角，這會(huì)造成鈾礦石未被浸出劑作用，或者浸出液尚未隨液流流向抽液鉆孔，溶浸死角的大小會(huì)影響浸出率。

4 結(jié)論

1)斷層的阻水作用使得該區(qū)域3個(gè)水文地質(zhì)單元的地下水含水層之間無水力聯(lián)系，各水文地質(zhì)單元的集合樣峰值鈾濃度、浸采率等差別較大，對Y、Z水文地質(zhì)單元可以適當(dāng)?shù)卦黾咏鰟┧岫取?/p>

2)在酸法地浸工藝條件下，隨著浸出劑注入含礦層與巖礦發(fā)生水巖作用，硫酸鈣飽和指數(shù)呈明顯上升趨勢；當(dāng)硫酸鈣飽和指數(shù)大于0時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沉淀并堵塞含礦含水層的孔隙，使抽注液能力降低。浸出過程中，要適時(shí)根據(jù)pH、礦化度、抽注液能力等變化情況，不定期地進(jìn)行洗孔，以防止產(chǎn)生化學(xué)沉淀影響抽注液能力。