某砂岩型铀矿床地浸地质—水文地质条件评价

徐巧兵， 陈建昌， 朱 鹏， 尉小龙， 刘巍平

(核工业二○三研究所，陕西咸阳 712000)

某砂岩型铀矿床地浸地质—水文地质条件评价

徐巧兵， 陈建昌， 朱 鹏， 尉小龙， 刘巍平

(核工业二○三研究所，陕西咸阳 712000)

矿床地质—水文地质条件是决定矿床是否适宜地浸开采的最重要条件之一。某砂岩型铀矿床是近年来发现较大型砂岩型铀矿床，通过对矿床地浸地质—水文地质条件进行系统性地分析后，引入“地浸指数”(LI)模型，结合各因素对地浸开采的影响程度，量化各指标因素，并赋以权重，通过计算地浸指数可定量地了解矿床或块段的地浸开发适宜程度。地浸指数LI值越大，说明该矿床地浸的地质工艺性能越佳、越有利于地浸开发。计算结果认为某矿床适宜地浸开采。

砂岩型铀矿床;地浸开采;地浸指数

徐巧兵，陈建昌，朱鹏，等.2012.某砂岩型铀矿床地浸地质—水文地质条件评价［J］.东华理工大学学报：自然科学版，35(3)：250-255.

Xu Qiao-bing，Chen Jian-chang，Zhu Peng，et al.2012.Evaluation on geology-hydrogeology condition of a sandstone type uranium deposit［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，35(3)：250-255.

原地浸出采铀(又称地浸采铀)是集采、选、冶于一体的新型砂岩型铀矿开采方法，目前已在我国新疆、内蒙古等地进行铀矿工业化开采生产。它是一门集水文地质学、地球工艺学、化工及地球化学、地质学、冶金学和环境地质学于一体的综合性专业技术，涉及到矿床地质、水文地质、钻孔施工、地质工艺钻孔的成建井、溶浸剂的配置和使用方法、地下流体的控制技术、浸出过程的物理—化学行为监控，地下水污染防治技术等(雷奇峰等，2009)。

原地浸出采铀区别于其它采矿方法是其具有开采成本低、环境破坏小等优点，但是其开采条件受矿床的地质—水文地质条件影响较大，主要包括矿体埋深、矿石赋存形式、矿石化学成分、矿石品位及平米铀量、矿石渗透性、含矿含水层隔水顶底板连续性、地下水水位埋深、承压水头高度、矿层厚度与含矿含水层厚度之比、地下水矿化度等，这些因素是评价矿床能否地浸开采的关键(王海峰，2001)。

某铀矿是近年来发现的较大型砂岩型铀矿，本文试图从研究砂岩型铀矿床地浸开发工艺及影响地浸的各因素着手，结合其对地浸的影响程度，引用“地浸指数”(李德平等，2003)对矿床地浸地质—水文地质工艺性能(苏学斌等，2006)进行综合定量评价分析，评价地浸开采的可行性。

1 矿床地质—水文地质概况

1.1 地质概况

本矿床矿化类型为潜水—层间氧化带型，矿体埋深为81.64 ～168.84 m，平均 100.55 m，矿体产状平缓稳定。含矿砂体主要由深灰色、灰色、浅灰色及亮黄色含砾-砾质松散中粗砂岩，以及少量的灰绿色、灰色泥岩、粉砂岩组成，并见有炭化植物茎杆和炭化植物碎片(块)。按国内可地浸砂岩型铀矿标准划分，矿石品位按大于万分之一计，本铀矿床试验段矿石加权平均品位0.0137%，平均铀量2.48 kg/m2，属于低品位级矿体。

矿石中碳酸盐(以CO2计)和硫化物含量均小于1%，适宜采用酸法或碱法进行浸出。矿石中化学全分析结果见表1。

本矿床铀在矿石中存在形式有吸附态铀、铀矿物和含铀矿物。以吸附态铀(＞90%)为主，铀的吸附剂主要为杂基(粘土矿物)，次为有机碳(炭屑)，胶黄铁矿。铀矿物见有沥青铀矿、铀黑、铀石和铀钍矿等。含铀矿物见有含铀钛铁矿、含铀锐钛矿和含铀稀土矿物等。

表1 某砂岩型铀矿床矿石全分析结果表Table 1 Analysis for uranium ore of a uranium deposit %

1.2 水文地质概况

本矿床含矿含水层隔水顶板由泥岩、含砂砾泥岩及泥质粉砂岩组成，厚度为3.4～120 m，一般为60～90 m。隔水底板岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩(夹薄褐煤层)，厚度为2.2～66.6 m。由室内渗透性试验结果可知，含矿含水层隔水顶底板均为不渗透岩层，隔水性能良好，并且连续稳定，含矿含水层与上下含水层间无水力联系。

含矿含水层砂体主要由灰色、浅灰色、绿灰色砂质砾岩、含砾粗砂岩、中细砂岩及少量含粉砂细砂岩组成，含矿含水层厚度变化较大，为13.8～90.0 m，多数为 30～80 m，厚度较大，平均厚度为59.7 m。岩矿石中泥粉质含量1.3% ～16.5%，砂体分选性中等-差，磨圆度以次棱角状—次圆状为主，结构松散，砂体含水性和透水性均较好。矿区地下水水位埋深平均为20.88 m，承压水头平均为71.48 m，水文地质孔抽水试验结果显示，钻孔涌水量大于480 m3/d，单位涌水量 1.70 L/(s·m)，渗透系数 7.8 m/d，导水系数 465.7 m2/d。

据该矿床水文地质孔取样分析可知，地下水化学类型为Cl·SO4·HCO3-Na型，矿化度为1.90 g/L，pH 值为6.92 ～7.03，地下水温9 ℃，水中铀含量较低，小于 0.048 mg/L。

2 影响原地浸出开采的地质—水文地质条件

2.1 矿体埋深

矿体埋深是影响原地浸出开采成本和井场设备安装的重要因素。其对地浸钻孔结构、施工和钻孔费用有直接影响(张振强，2002)。本矿床铀矿化主要位置在100.55 m，埋深浅，钻探施工简单，成本不高，有利于地浸开采。

2.2 矿石化学成分

疏松砂岩型铀矿大多是外生沉积的铀矿，组成岩石和围岩的主要矿物成分有石英、长石、云母、粘土矿物等，次要矿物有碳酸盐矿物和硫化物等。矿石和围岩的化学成分中，对浸出工艺有重要影响的是碳酸盐和硫化物，它们是决定了浸出剂的选择和溶浸剂的配方(朱鹏等，2011)。本矿床矿石中碳酸盐和硫化物含量均低于1%，对地浸开采有利。

2.3 矿石品位及平米铀量

矿石品位、平米铀量是影响地浸采铀经济效益的主要因素，它决定了浸出液铀浓度和产品成本的高低(王海峰，1998)。地浸采铀过程中，浸出液平均铀浓度与平米铀量的关系可以表示为:

式中，Ccp为浸出液平均铀浓度(mg/L);Y为平米铀量(kg/m2);E为浸出率(%);Mg为浸出有效厚度(m);F为液固比;rg为矿石比重(kg/cm3)。

从公式(1)可以看出，平米铀量的大小是影响地浸井场浸出液铀浓度高低的重要因素，本矿床平均平米铀量为2.48 kg/m2。

2.4 矿石渗透性

地浸采铀不能开采非渗透的铀矿床。矿石的渗透性对钻孔抽注液能力、溶液运移速度、浸出时间等有影响，而这些参数又会影响地浸企业的投资和生产成本，因而矿石渗透性是决定铀矿床是否可以地浸的最重要因素(谭凯旋等，2006)。矿床渗透系数为7.8 m/d，有利于地浸开采。

2.5 矿层厚度与含矿含水层厚度之比

含矿含水层结构是复杂多变的，实际上，一部分溶浸液在围岩中循环和浸出液稀释是客观存在和不可避免的。矿层位于含矿含水层中，其厚度与含矿含水层厚度比值(Mv)可以反映溶浸液渗流到围岩中量的大小和浸出液稀释程度的高低。溶浸液在矿石和围岩中的分配和浸出液在矿层渗流过程中的稀释程度可表示为:

式中Qp，Qh分别表示流入矿层和围岩的溶浸液量;Kv为矿层和围岩渗透系数比值;Mv为矿层厚度与含矿含水层厚度比值;C'为稀释后的浸出液铀浓度;Cp为稀释前的浸出液铀浓度。

从公式(2)、(3)可以看出，当矿层和围岩渗透系数比值为定值时，矿层厚度与含矿含水层厚度比值越大，溶浸液在矿石和围岩中的分配和浸出液在矿层渗流过程中的稀释程度就越小，有利于地浸。相反，如果矿层厚度与含矿含水层厚度比值过小，将造成溶浸剂大量消耗在围岩中和浸出液严重稀释，导致地浸采铀经济效益差，甚至不能地浸。

2.6 地下水水位埋深及承压水头高度

地下水水位埋深是决定浸出液提升方式及能力的重要因素，当地下水水位埋深较大时，获取较大流量所需的水位降深常受到限制，因此，地下水水位埋深影响钻孔抽液量大小。

承压水头高度是影响浸出液提升和溶浸液注入能力的重要因素。若矿层承压水头高度较小，则将增加溶液的提升能力，减小溶浸液的注入难度;反之，承压水头高度较大，则将减小溶液的提升能力，同时增加了溶浸液的注入难度。承压水头高度对原地浸出开采溶液的提升起主要作用，对注液能力的影响次之，因此对矿床地浸条件评价过程中主要考虑承压水头高度对浸出液提升能力的影响。

2.7 地下水水质特征及矿化度

近年来在新疆、内蒙等地相继发现了一批储量可观的砂岩型铀矿床，但由于砂岩铀矿含矿层地下水矿化度较高或渗透性较低，使铀矿开采难以按传统的酸法和碱法地浸采铀工艺进行，严重影响了铀资源的经济合理利用。由于含矿含水层矿化度较高，酸法浸出过程中，硫酸根离子与钙离子反应生成硫酸钙沉淀，堵塞地下水运移通道，降低地层渗透性;碱法浸出过程中，长期浸出过程碳酸氢根离子分解出碳酸根离子与钙离子反应生成碳酸钙沉淀，同样降低地层渗透性。也就是说，地下水矿化度过高(水中碳酸盐、石膏接近沉淀临界状态)是引起酸法与碱法地浸堵塞而使地浸采铀工作难以继续进行的主要原因。

针对高矿化度影响地浸开采的问题，2006年东华理工大学开展对矿床含矿含水层高矿化度地下水淡化处理，并进行室内和现场浸出试验研究，取得满意的成果，但是淡化周期长，开采经济效益较差。按照国外可地浸砂岩型铀矿划分标准，含矿含水层地下水矿化度超过5 g/L的砂岩铀矿定为不可地浸矿床(祝永进等，2010)。

综上所述，试验段地质—水文地质条件既有有利的地浸地质—水文地质条件，也有不利的地浸地质—水文地质条件。试验段地浸地质—水文地质参数见表2，综合分析认为，本矿床具有地浸开采前景。

表2 砂岩型铀矿地浸地质—水文地质条件评价参数表Table 2 Evaluation parameters of geology-hydrogeology condition for sandstone uranium deposit

3 矿床地浸地质—水文地质条件综合分析评价

3.1 地浸指数参数量化分析

根据砂岩型铀矿床地浸地质—水文地质影响因素分析，为了区分各因素对地浸的影响程度，分为决定性因素、主要因素及一般因素，将决定性因素权重赋值为10，主要因素权重赋值区间为5～6，一般因素权重赋值区间为1～3(李德平等，2003)，并考虑其地浸开发的标准及极限值，总结归纳了砂岩型铀矿床地浸地质工艺性能评价参数表(表3)。

3.2 地浸指数模型建立

针对砂岩型铀矿地浸开采的特殊性，许多学者对有关影响因素进行了研究，本文在总结前人的基础上对各影响因素进行了分类:Ⅰ类比标准值越大越有利于地浸;Ⅱ类越接近标准值越有利于地浸;Ⅲ类比标准值越小越有利于地浸。为了能清楚判断矿床是否可地浸开采，本文引入地浸指数模型对影响地浸开采的水文地质条件因素进行量化分析。

表3 矿床地浸指数计算结果表Table 3 The LI result of the despoit

地浸指数是一种量化了的对地浸地质工艺条件评价指标，通过这一指标，可直观地了解矿床地浸开发的优劣程度。

对于Ⅰ类指标，标准值/参数值的比值越大，越不利于地浸;Ⅱ类指标，参数值与标准值之差的绝对值/标准值比值越大，说明参数值离标准值越远，越不利于地浸;Ⅲ类指标，参数值/标准值的比值越大，越不利于地浸。

不同影响因素对地浸的影响程度不同，在构建地浸指数时，须引进权重来进行衡量，统一评价尺度。这样，综合定量评价砂岩型铀矿床地浸有利性的指标——地浸指数的模型构建如下:

式中S为标准值;F为矿床或块段参数值;W为权重;i为取表3中1～7，9，11，14～16等12项参数;j为取表3中8，10等2项参数;k为取表3中12，13，17～21等7项参数。

从表3中可以看出，矿床或块段地浸指数越大越有利于地浸开发，反之不利于地浸开发。

3.3 地浸指数与砂岩型铀矿床地浸有利性的关系

通过地浸指数模型构建，可以看出，地浸指数LI值越大越有利于地浸。假设某一砂岩型铀矿床工艺参数值取标准值，代入模型后，计算得出地浸指数LI为100。据有关资料分析判定，LI值大于100，最有利于地浸开采;LI值介于80～100之间，有利于地浸开采;LI值小于80，不利于地浸开采。

本试验段参数值参见表3，参数值代入模型，计算地浸指数LI为118.8，按照上述划分方式，可以清楚看出，本矿床处于最有利地浸开采范畴，建议及早开展室内和野外现场条件试验研究工作。

4 结论

原地浸出开采需要多学科交叉，技术复杂，并且对矿床有着特殊要求。本文从砂岩型铀矿床地浸地质—水文地质—地质工艺条件出发，对某砂岩型铀矿床地浸地质—水文地质影响因素进行综合分析研究，主要取得如下认识:

(1)本文通过资料整理分析，归纳整理了影响地浸开采的地质—水文地质因素，提出某砂岩型铀矿床地浸开采的有利和不利因素，认为某砂岩型铀矿床具有地浸开采前景。

(2)本文通过建立地浸指数模型，对影响原地浸出砂岩型铀矿床的地质—水文地质条件因素进行量化分析，通过该模型对试验段进行试算得出地浸指数LI为118.8，属于最有利地浸范畴，印证了上述地质—水文地质条件分析结果。

(3)通过对某铀矿床试验段地浸水文地质条件综合分析认为，本矿床具有原地浸出开采前景，建议及早开展室内工艺试验研究和野外现场地浸水文地质条件试验研究工作。

雷奇峰，唐文杰.2009.酸法地浸采铀中信息参数的判断及其应用［J］.东华理工大学学报:自然科学版，32(4):378-380.

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Evaluation on Geology-hydrogeology Condition of a Sandstone Type Uranium Deposit

XU Qiao-bing， CHEN Jian-chang， ZHU Peng， WEI Xiao-long， LIU Wei-ping
(NO.203 Research Institute of Nuclear Industry，Xianyang，SX 712000，China)

The geology-hydrogeology condition of deposit is one of the most important conditions which decide the feasibility of in-situ leach mining.A sandstone type uranium deposits are found larger sandstone type uranium deposits in recent years.，the“in-situ leach index”(LI)model is introduced by analysing the ore deposit geologyhydrogeology conditions.Combining with each factor to the influence degree of in-situ leaching mining，each index quantification factors，and attached to the weight，Knowing the value of LI，the suitability of the deposit(block)to be exploitated to the in-situ leach mining can be quantitatively assessed.The bigger the LI value，the more favourable the deposit is for in-situ leach mining，and the better the geologic-technologic properties of ores are.The calculation results show that a deposit dip for mining.

sandstone type uranium deposits;in-situ leaching mining;the in-situ leach index

TL212.1+2

A

1674-3504(2012)03-0250-06

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.03.008

2012-01-12 责任编辑:吴志猛

徐巧兵(1982—)，男，工程师，主要从事地浸采铀工艺研究。E-mail:xuqiaobing@126.com