山南铀矿石耗酸机理初探

刘军强， 刘金辉， 张卫民， 罗定贵

(1.浙江省地球物理地球化学勘查院，浙江 杭州 310005;2.东华理工大学，江西 抚州 344000;3.广州大学环境科学与工程学院，广东 广州 510006)

山南铀矿是我国最大的火山岩型铀矿相山矿田的一个分矿。随着开采矿石品位的下降，对贫矿采用常规水冶技术(纯化学溶浸)已经得不到良好的经济效益。为此，该矿进行了堆浸试验，希望通过采用新的采冶工艺来提高企业经济效益。但由于堆浸过程中存在浸出周期长、耗酸量大、易板结等问题而使新工艺一直不能应用于工业生产。随后，矿山又改用槽浸法(纯化学溶浸)进行试验研究，发现该浸铀方法可以有效避免矿石板结，试验周期也大大缩短，但酸及氧化剂耗量仍然较大，成本较高，经济效益不够理想。因此，研究山南铀矿石的耗酸机理对降低生产成本，提高企业经济效益具有十分重要的现实意义。本文依据山南铀矿岩石矿物学特征及矿石化学全分析结果，对山南铀矿石的耗酸机理进行初步研究，为山南铀矿的开采提供科学依据。

1 山南铀矿地质条件

山南铀矿位于相山火山盆地的北边，构造上受区域性华夏式构造与相山盆地火山塌陷构造控制(薛振华，1993;吴三亻毛等，2010)。山南铀矿属于中低温热液型铀矿，矿体主要产于花岗斑岩内，部分产于紫红色砂岩和千枚岩内，铀矿物主要是沥青铀矿，矿石构造为团块状。矿石坚硬致密，孔隙率低，渗透性差，破碎成型性较好(薛振华，1993;吴三亻毛等，2010;邵飞等，2011)。

2 山南铀矿岩石矿物学特征

为系统研究山南铀矿石矿物特性，选择部分铀矿石进行了镜下岩矿鉴定，鉴定结果表明(表1)，山南铀矿含矿主岩以花岗斑岩为主，铀矿物以沥青铀矿为主。富铀矿石中的主要脉石矿物为方解石(5% ～30%)、磷灰石(15% ～30%)、萤石(5%±)、石英(10% ～18%)、水云母(10% ～25%)、钠长石(5% ±)、绿泥石(5% ±)等;常见的金属矿物有黄铁矿(5% ±)。与贫铀矿石(花岗斑岩，铀质量分数＜350×10－6)相比，铀矿石石英质量分数明显减少(花岗斑岩为30% ±);斜长石、钾长石和黑云母基本消失，分别蚀变为水云母、钠长石和绿泥石。矿石中的方解石、磷灰石和绿泥石是主要耗酸矿物。

3 山南铀矿石化学成分特征

为了更好地研究山南铀矿石的酸耗机理，对山南铀矿石化学成分进行了分析测试，分析结果列于表2。

表1 山南铀矿石岩矿鉴定结果Table1 The rock mine characterizes of Shannan uranium ore 10－6

表2 山南铀矿石化学成分分析结果Table2 Chemical analysis of Shannan uranium ores %

从表2可以得到以下认识:(1)铀矿石中的Fe2O3质量分数为 0.99% ～5.61%、CaO 为 1.519% ～10.81%、P2O5为0.809% ～2.98%、CO2为0.6% ～0.9%。而花岗斑岩中其相应质量分数分别为0.48% ～0.64%、1.49% ～1.96%、0.08% ～0.18%。与含矿主岩花岗斑岩相比，铀矿石中的Fe2O3，CaO，P2O5质量分数明显高出花岗斑岩许多。铀矿石中的 SiO2，K2O，Al2O3，FeO，Na2O，TiO2，MnO等质量分数与含矿主岩花岗斑岩较为接近。以往将山南铀矿石作为酸性铀矿石来对待，主要原因是只考虑到碳酸盐质量分数不高(小于1%)，而未将磷酸盐列入耗酸矿物，而磷酸盐的碱性实际上比碳酸盐还强。山南铀矿石中磷酸盐质量分数明显高于碳酸盐，它们的总和可达2% ～3.25%。因而，山南铀矿石应归属于碱性矿石。

(2)从铀矿石和花岗斑岩中的 Fe2O3，CaO，P2O5质量分数平均值图(图1)中同样可看出铀矿石中的Fe2O3，CaO，P2O5质量分数大大高于花岗斑岩中的Fe2O3，CaO，P2O5质量分数。这些特征在矿物成分上表现为铀矿石中赤铁矿化、方解石化、磷灰石化强烈发育。而磷灰石、方解石都是强耗酸矿物。由此可以初步认为山南铀矿石耗酸量过大的原因很可能与矿石中含较高磷灰石和方解石有关。

(3)从矿石中P2O5，CaO质量分数与铀质量分数关系图(图2，图3)可以看出，矿石中铀质量分数基本上与P2O5，CaO质量分数成正相关关系。表明矿石中铀与磷、钙等元素具有共生的特点，从而决定了山南铀矿石具有耗酸量高的规律。

4 山南铀矿石耗酸机理分析

图1 铀矿石及花岗斑岩Fe2O3，CaO，P2O5质量分数图Fig.1 The graph of Fe2O3，CaO and P2O5between Shannan uranium ore and granite porphyry

图2 山南铀矿石U，PO质量分数关系图25Fig.2 The graph of content relation of U and P2O5 in the Shannan uranium mineral

图3 山南铀矿石U，CaO质量分数关系图Fig.3 The graph of content relation of U and CaO in the Shannan uranium mineral

铀矿石浸出过程中出现的耗酸量大的现象与铀矿石中存在的耗酸矿物有关。山南铀矿石中的耗酸矿物除了常见的造岩矿物以外，还有≥5.38%的耗酸矿物属碱性矿石。计算表明，山南铀矿石总耗酸量为每吨矿石160.5 kg，其中耗酸矿物耗酸量达102 kg，约占总耗酸量的64%(表3，4)。磷灰石、方解石等脉石矿物都是耗酸矿物，磷酸盐耗酸量为耗酸矿物之首，占耗酸矿物消耗硫酸质量的40%左右，占总耗酸量的26%。造岩矿物耗酸量占总耗酸量的38%。因此，可以初步认为山南铀矿石耗酸量大的根本原因是由于矿石中磷灰石质量分数高引起的。方解石对耗酸量虽有一定影响，但由于相山矿田其它矿床的铀矿石中都含有少量的方解石，浸出过程中未出现耗酸量过大的现象。因而方解石有可能不是山南铀矿石浸出耗酸量大的主要原因。

自然界最常见的磷灰石为氟磷灰石，天然磷灰石的成分近于Ca5(PO4)3F，但变化较大。相山铀矿田磷灰石在富铀矿中以晶体磷灰石和胶体磷灰石两种形式存在，并以胶体磷灰石为主(温志坚等，1999;刘正义等，2007)。这种磷灰石很容易与强酸发生置换反应。其反应方程式如下:

表3 山南铀矿石耗酸矿物耗酸反应计算表Table3 The acid consuming reaction calculator of acid-consuming mineral of Shannan uranium mineral

表4 山南铀矿石耗酸矿物耗酸量计算结果Table4 The acid consumption calculation of acidconsuming mineral of Shannan uranium

根据化学成分分析结果和上述方程式进行计算可以得到，每吨含此类磷灰石的铀矿石中如含有1%的P2O5，那么将会消耗掉硫酸23 kg左右。由表2可知，山南铀矿石中P2O5质量分数平均值为1.83%。可以推算，每吨矿石由于磷灰石的存在将会多消耗硫酸达42 kg之多，与表4对磷酸耗酸计算结果相一致。可见，铀矿石中磷灰石的存在应该是山南铀矿石浸出过程中耗酸量高的主要原因。

5 结语

由岩矿鉴定及化学全分析结果可得以下结论:(1)山南铀矿石中含有较多的铁矿物(FeS2，FeO，Fe2O3)、碳酸盐、萤石、绿泥石和磷灰石等耗酸物质，其中主要耗酸矿物为磷灰石、FeO、Fe2O3、碳酸盐。

(2)方解石不是山南铀矿石浸出耗酸量大的主要原因，铀矿石中磷灰石的存在是铀矿石浸出耗酸量大的主要原因。有关磷酸盐(磷灰石)耗酸特征还有待于进一步研究。

刘正义，杜乐天，温志坚.2007.相山铀矿田特富矿中铀磷关系的模拟实验研究[J].东华理工学院学报，30(2):101-106.

邵飞，范衡，夏菲，等.2011.相山矿田斑岩型铀矿床地球化学特征及成矿机制探讨[J].东华理工大学学报:自然科学版，34(4):308-314.

温志坚，杜乐天，刘正义.1999.相山铀矿田磷灰石与富矿形成的关系[J].铀矿地质，15(4):217-224.

吴三亻毛，邵飞，唐湘生.2010.相山矿田山南铀矿区富矿体空间分布规律及其找矿方向[J].铀矿冶，29(2):105-108.

薛振华.1993.721两铀矿床的花岗斑岩体特征[J].华东地质学院学报，16(1):7-15.

郑志宏，张卫民，刘亚洁，等.2002.721矿山南铀矿石微生物槽浸的适应性实验研究[J].华东地质学院学报，25(3):190-194.