铀矿开采废物最小化技术

徐乐昌,张国甫,张学礼

(1核工业北京化工冶金研究院,北京 101149; 2中国国核海外铀业有限公司,北京 100822)

铀矿开采废物最小化技术

徐乐昌1,张国甫2,张学礼1

(1核工业北京化工冶金研究院,北京 101149;2中国国核海外铀业有限公司,北京 100822)

介绍了铀矿开采废物的组成,重点分析了铀矿山采矿废物最小化管理技术,并给出了加拿大和法国废物最小化管理的实例。

铀矿;废物;废物最小化

铀矿采冶工艺包括常规采冶、地浸、堆浸和原地爆破浸出。除地浸工艺不涉及地下矿石开采出隆、不向地表产生采矿废石外,其他铀矿采冶工艺均离不开矿石的开采出隆和向地表排放采矿废石。铀矿传统开采包括地下开采和露天开采,产生大量的废物,主要为采矿废石,其次是废气和废水。废石含铀和铀系衰变子体,放射性核素的含量比本底高出 2～3量级,此外,还含有非放射性有毒有害物,给环境造成较大的潜在环境影响。由于铀矿开采产生的废物量巨大,进行铀矿开采废物最小化管理是铀矿开采废物管理的非常有效的途径,也是整个铀矿采冶废物最小化的一个重要组成部分。

1 采矿废物的组成

1.1 废石

采矿和选矿会产生很多的废石。

(1)采矿产生的废石。露天采矿：露天采矿一般开采lt铀矿石会产生4～6t废石,有时高达 6～8t废石。地下来掘：地下采掘产生的废石相对少得多,开采 lt铀矿石,产出0.5～1.2t废石。

(2)选矿产生的废石。为了减少远距离运输废石和减少废石的处理量,常用放射性选矿法 (简称放选法)在矿场把废石挑拣出来,把精矿石送到水冶厂加工处理。一般放选法选出的废石率为 15%～30%。

1.2 废气

铀是天然放射系母体核素,它在衰变过程中不断释放出 α、β、γ粒子,形成一系列子体核素,所以铀矿石开采凿岩、爆破、装卸、运输等活动,除释放出一般矿井所含有的有毒有害物质如矿尘、CO、H2S、SO2、NO2外,还释放危害性很大的氡及氡子体以及放射性气溶胶和铀尘。

1.3 废水

铀矿山在开采过程产生大量废水,主要有露天开采废水、地下采矿废水、矿仓下水及冲洗车辆废水和废石场废水等。铀矿山废水中含有一定量的铀、镭及其子体,酸性水质中会含有较多的铀、镭放射性物质,经露天水源稀释后,可能还超过相关标准。

(1)露天开采废水。铀矿露天开采过程的废水,主要来源于矿体渗流水、凿岩作业水、雨淋水等。这些废水受气象和水文条件影响很大,废水量一般为 0.01～4m3/h。

(2)地下采矿废水。铀矿地下采掘过程的废水,主要来源于矿体的涌水、矿脉裂隙水、地表渗透水、凿岩作业水、洗壁水、除尘降温水等。

(3)矿仓废水及冲洗车辆废水。露天堆放的铀矿石受雨淋和喷雾洒水形成的废水;运矿车辆 (汽车、火车)冲洗也产生废水,不同矿山这些废水量差别很大。

(4)废石场废水。废石场的废石受雨水和流水冲刷、浸渍所产生的废水,受气候影响很大,雨季废水多,干旱季节几乎不产生废水。

2 采矿废物管理技术

2.1 采矿方法选择

采矿就是通过经济有效地钻孔、爆破、挖掘、运输矿石材料至地表处理设施进行处理的一个过程。采矿工艺的选择必须考虑矿床地质特征、辐射防护、地表径流控制、采矿效果、采矿成本等问题。

采矿方法很多,如充填采矿法、胶结充填采矿法、空场采矿法、崩落采矿法和留矿采矿法等。其中最有利于采矿废物最小化的采矿方法为充填采矿法,包括胶结充填采矿法。

对于高品位矿体,采矿业正在发展革新一种 “高技术”采矿法以处理因高辐射水平引起的健康和安全问题。世界上只有两个高品位地下铀矿(加拿大的McArthur河铀矿和Cigar湖铀矿)。这种铀矿的采矿方法为类似于使用地表冻结或注浆法稳定矿体的喷射钻进和上向钻进的 “非进入”法。

2.2 废物分类管理

根据废石所含有害物的含量可将废石分为“清洁”废石和 “特殊”废石。

“清洁”废石是指所含有害物含量较少,易于氧化和分解的矿物含量较少,难于被淋溶出来。这种废石通常 (但并不总是)指的是那些远离矿体的岩石,如剥离废石和开拓废石。

“特殊”废石是指所含有害物含量较多,含有易起反应的矿物较多,常被当作 “矿化”废石。包括具有产酸潜力的废石、接近经济开采品位的低品位矿石以及常存在于矿体周围的矿化度较高的晕状岩石。这种废石可能含有硫化物和/或金属 (包括镍、砷、硒和钼等,以及在铀矿中含有钍和镭)。

对某一矿体而言,将废石分成清洁废石和特殊废石的标准通常是唯一的,这依赖于与矿石有关的矿化类型。如加拿大萨斯喀彻温铀矿床将U含量 ＜0.085%的岩石定义为废石,而将 U含量 ＞0.025%且具有产酸潜力的废石定义为特殊废石[1]。

通常,对于地下采矿法,从矿井和巷道的掘进过程中产生的清洁废石量较少。在矿山运营期间,为了矿体的稳定而进行的井下回填,可有限地处理掉部分特殊废石。相反,露天开采会产生大量的清洁废石 (覆盖于矿体上的岩石),而矿山运营期间不必进行采矿坑的回填。这两种采矿法中只在靠近矿体的区域内产生少量的特殊废石。

采矿过程,将这两种废石进行分类贮存,则可大大减少放射性废石产生量,而且可将剥离和开拓废石作为将来矿山退役时的放射性废石或尾矿的覆盖材料,减少其他覆盖材料用量和其他环境影响,降低退役成本。

2.3 采矿废石的回填

采矿过程将产生巨大的采空区。将采矿废石回填采空区,不仅可大大减少地表采矿废石的堆放量,而且可增加地下采空区和露天坑的安全性,减少地表塌陷及沉降和地表废石的占地面积,从而可降低氡的释放、废水的产生量以及生态环境的影响。

2.4 采矿废石的有组织堆放

由于各种原因,采矿过程中总有相当多的采矿废石暂时或永久不能回填井下或露天坑,需要临时或永久在地表堆放。实施地表堆放采矿废石最小化措施主要有：

(1)集中堆放以减少堆放面积,达到减少废石场数量、减少氡析出、减少废石场的地表径流、减少渗漏水量、减少废石流失量。

(2)修建挡渣墙和截 (排)水沟以防治废石流失、减少废石场的地表径流、减少渗漏水量,达到减少废石流失造成的污染面积。

(3)建立渗漏水收集池,铺设防渗基底。对于某些可产生含有毒有害污染物的渗漏水的废石 (如含硫化物的产酸废石),需要建立渗漏水收集池,以减少渗漏水的流散,避免造成环境污染。

2.5 废石及时覆盖或退役治理

在废石场使用终了时,应及时进行覆盖或进行退役,以减少氡析出、粉尘产生、废石流失、渗漏水的产生。

2.6 废水的处理

对于含有毒有害污染物的废水,应采取有效处理措施进行处理,以减少废水中有毒有害物的含量。常用的废水处理方法有离子交换法、化学处理法、膜处理法、生物处理法、人工湿地长处理法等。

2.7 通风和湿式作业

建立良好通风系统、加强通风设计和管理,以及采取湿式作业,对除尘降氡有十分重要的意义。可采用的措施很多,如：选用合理风量和换气次数,分区通风,消除通风死角,避免入风污染和污风循环,喷涂防氡保护层,以密闭氡源,排除矿坑水等。

2.8 废物的循环利用与再利用

采矿过程中产生的矿化废石可用于建筑尾矿坝、废石场挡土墙、地下或露天构筑物、尾矿降氡覆盖材料等,清洁废石除上述用途外,还可做铺路等的建筑材料,实施废石的再利用,变废为宝。废水可循环或再利用于采矿作业或水冶工艺水等。通过废物的循环利用与再利用,达到减少废物的目的。

2.9 监测

通过监测,不仅可了解废物的产生途径及产生量,还可了解废物的处理效果及排放量,及时掌握废物的来源、变化及去向,及时采取有限措施,减少废物产生量。

3 采矿废物管理最小化实例分析

以加拿大和法国为例[5],分析采矿废物的最小化管理。

3.1 加拿大

(1)McClean湖区[1]

加拿大McClean湖区的废石目前采用较先进的废石管理技术：先将清洁废石放置在地表留待以后复用,而将特殊废石临时放置在铺有防渗衬底的露天坑内,然而用水淹盖。

(2)科林斯湾 B区露天矿

加拿大科林斯湾B区在露天矿整个服务年限内,矿岩采剥总量为 1800万 t,其中废石1520万 t,矿石 280万 t。废石用自卸汽车运至与堆矿场相临的排土场。虽然试验结果表明流过废石堆或经废石堆渗出的水没有受到污染,但是仍然在排土场周围挖出一条边沟,以汇集和监测废石堆的排水。这条水沟可将未受污染的水导入废石堆西侧的水仓和引入科林斯湾。如由于某种原因水被污染时,就将污染水引入矿山污染水沉淀池,然后用泵送入拉比特湖选矿厂处理。科林斯湾 B区为减少排土场废石的堆存量,将部分废石 (16万m3)用于B区拦水围堤的构筑 (图1)。

图1 科林斯湾B区围堤断面

科林斯湾B区采下的矿石由露天采场用自卸汽车运出,经过辐射扫描之后堆存在铺有特殊衬垫的堆矿场。为了彻底防止矿山排水渗入地下水中,堆矿场底部加垫一层lmm厚的高密度聚乙烯。为了汇集受污染的径流,绕堆矿场周边修一条加聚乙烯衬里的导流沟。将水汇集到水仓内,然后用泵排入矿山污染水沉淀池。

(3)McArthur河铀矿[5]

加拿大McArthur河铀矿地质储量估计为4亿1千6百万磅 (16万t U),平均品位高达15%U3O8。

由于该矿品位极高,首次排除了需要人员进入的下向胶结充填开采、分层充填开采、进路式开采、房柱式开采和留矿法开采等采矿方法,同时排除了不适应于注浆法和冻结技术的分块崩落开采、分段崩落开采和水力开采等采矿方法以及与矿床地质特征不相协调的螺旋钻机开采、水平上向钻进开采和上向钻进爆破开采等采矿方法。通过优化比较,采用了联络小巷钻进法、上向钻进法和联络小巷风障法,而在另一个高品位矿Cigar湖矿则采用冻结法、喷射钻进法和胶结充填采矿法。

安全隔离是解决高品位铀矿石的最佳办法。在井下建立采矿业中并不少见的破磨设施,在井下破磨采下的矿石,通过管道将破磨矿浆输送至地表,以避免任何污染生产矿井的可能,其输送压力高达 14000kPa。整个过程采用遥控操作。

该矿同时采用了其他措施以减少废物产生量,如：将产酸废石、一般废石和矿石分类堆存;采用一次性流过式通风,避免氡的污染。

3.2 法国

法国许多铀矿山都将地表废石用于井下采空区充填,或在井下就地对废石进行爆破以直接充填采空区,以减少地表废石的堆存量[5]。

(1)远距离泵送弱胶结充填

法国阿库塔矿山公司在尼日尔开采的沉积铀矿床,平均深度为 250m。该矿床大部分采样全面充填的房柱法开采。充填料应具有足够的强度和密度。它的组成是：粒度 0～40mm废石、细砂和粘土;水泥用量不大 (4%～5%);添加木质硫酸盐,以减少水分,保持可塑性。

充填料由皮带秤给进搅拌机,搅拌的充填料经直径200mm金属管道送往250m深的充填井底部。随后用普通混凝土泵将充填料送至料仓。充填料沿 200mm金属管道的泵送距离为500m。在巷道顶板安装半刚性充填管道,通过活动金属模板口或废石隔墙入口进行采空区充填。该系统自 1983年使用以来,已充填 80万 m3,大大减少了地表废石的堆存量。

(2)铲运机运输的壁式胶结充填采矿

法国核材料总公司(Cogema)在埃罗矿区开采的沉积铀矿床中采空区全部充填。回采作业循环如下：局部凿岩;用地质物探方法圈定矿体;凿岩结束;采空区充填;矿石爆破与二次清理矿岩边界;出矿;废石爆破;清除采空区废石和安装锚杆。

充填料在地面中心站制备。每立方米充填料的组成是：0～40mm废石 1800kg,水泥50kg,水150L。

充填料经充填井 (直径200mm金属套管安装在275mm钻孔中)送至井底,并聚集于井底部的横巷中,再用CT1700或CT2500型铲运机送往工作面。借助混凝土推送机推料,可保证充填料接顶良好。早在 1988年时,埃罗矿区就已向采空区充填胶结充填料约 10万m3。

(3)垂直凿岩上向分层充填法

多年来,法国旺代铀矿一直采用水平凿岩上向分层充填法采矿,工作面分段爆破推进,造成凿岩和装运作业的频繁交替。为了进行垂直凿岩,采场应留 4m高的采空区,沿工作面全长度垂直凿岩,凿岩深度 2m。然后进行部分水砂充填,充填厚度略低于 2m。接着进行爆破回采。清除崩落矿石后,就地进行废石爆破,充填到 2m的厚度。

法国旺代矿区的科芒德里矿采用分层充填法回采。开采窄的扁豆状矿体时,在其上水平和下水平之间掘一脉内斜坡道;开采厚矿体时,掘一脉外斜坡道,并由此掘进水平分段巷道,用凿岩爆破方法回采矿石。充填由下而上进行,用铲运机将废石卸入采场并将其压实,随即通过地表钻孔灌入尾砂浆。尾砂是由运矿车辆从厄卡尔皮埃尔选厂运回的,由 +50μm粒级的旋流分级砂组成。建筑有木隔板,以便疏干时将充填料滞留在采场中。

(4)露天开采

法国克鲁齐尔矿区贝列扎尔矿(Bellezane)用露天和地下法开采。地下用混凝土顶板下向分层开采法采矿。第一分层高 3m,底板铺混凝土作假顶,采场用废石充填。该矿的露天开采工作始于 1984年初,为获得近千吨的铀产品,需要剥离 1400万 t废石。该矿相当重视环境保护,露天采矿时,将表土层剥离后单独堆存起来,以供矿山退役时的废石场覆盖和植被恢复。露天采场最终需用废石和选厂尾矿充填。而对于当地承包商来说,销售合乎规格尺寸和质量要求的花岗岩块石是个诱人的副业。

4 结论

采矿废石和水冶尾矿是采矿业的两大副产品。与水冶尾矿有关的危害已得到了长期的认识,控制这些危害的管理技术也得到了很好的发展。相反,与废石有关危害的认识要滞后得多。由于铀矿开采产生的废物量巨大,不仅包括废石,而且包括废水和废气,如果管理不善,将造成废物的大量扩散,对环境和人类健康造成不可忽视的影响。因此,实施铀矿开采废物最小化对于保护环境和人类健康具有重要的意义。实现铀矿开采废物最小化的主要措施包括采矿方法选择、废物分类管理、废石回填、废石有组织堆放、废石及时覆盖或退役治理、废水处理、通风和湿式作业、废物的循环利用与再利用、监测等。

[1]徐乐昌.“IAEA采铀废物管理与处置最佳实践准则与指南编写咨询会”介绍.铀矿冶,2007,26(4)：214～218

[2]魏广芝,徐乐昌.低浓度含铀废水的处理技术及其研究进展.铀矿冶,2007,26(2)：90～95

[3]徐乐昌,张国甫,高洁,等.铀矿冶废水的循环利用与处理.铀矿冶,2010,29(2)：78～81

[4]李小燕,张叶 .放射性废水处理技术研究进展.铀矿冶,2010,29(3)：153～156

[5]IAEA.Guidebook on good practice in themanagement of uranium mining and m ill operations and the preparation for their closure.IAEA-TECDOC-1059,IAEA.Sustria,1989

Waste Minimization of Uranium Mining

XU Lechang1,ZHANG Guofu2,ZHANG Xueli1
(1Beijing Research Institute of Chemical Engineering and Metallurgy,CNNC,Beijing 101149,China;2China Uranium Co.,Ltd,Beijing 100822,China)

Waste generation of uranium mining is introduced.Wastem inimization technologies are analyzed.Working cases aboutwasteminimization ofuranium mining of Canada and France are given.

uranium m ine;waste;wastem inimization