铀、煤共生资源有序开采研究

夏子通，王玮，邹兆庄，石钰婷

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

早在1875年就在美国丹佛附近发现煤中的铀含量高达2%，后来在美国其他许多地方都发现富铀煤，英国、德国、匈牙利、巴西和前苏联等也都有发现，中国的富铀煤主要在北方的侏罗系和南方的古-新近系中发现［1］。

本文讨论的铀煤共生资源，煤和铀并没有成因联系，两者只是空间上的关系，铀矿在上，煤矿在下，两者相距百余米。这种在空间上共存的铀矿、煤矿在我国内蒙古自治区多处发现。如何在同一空间上有序开发，从而充分利用资源和保护环境是共同关注的问题。

本文以鄂尔多斯盆地北部铀矿床为例，从煤矿、铀矿形成的地质背景、开采技术及环境影响几方面来研究和讨论。

1 研究区铀矿床地质概况

1.1 矿床地质特征

研究区铀矿床产于鄂尔多斯盆地北部伊陕单斜区的北中部，铀矿体产于中侏罗统直罗组下段（J2z1）辫状河沉积体系中。研究区铀矿床铀成矿的主要控制因素为古层间氧化带、岩石地球化学环境、直罗组辫状河砂体的非均质性和还原介质特征等。矿床含矿岩性以灰色砂岩为主，根据研究区铀矿床N11～N88号勘探线，共圈出5个工业矿体，分别为I、II1、III2、II、III号矿体。I号矿体为矿床的主矿体， 以其为例予以描述［2］。

平面上，I号矿体具有沿走向发育稳定，连续性好的特征，水平投影图上呈北东窄、南西宽的不规则带状。I号矿体产于直罗组下段古氧化砂岩下翼的灰色砂岩中，为矿床的主矿体，矿体沿走向控制到的连续长度为5 050 m。

剖面上，矿化体呈板状、似层状，产于远离顶、底板的绿色砂岩和灰色砂岩过渡部位的灰色砂岩中，次级矿体多呈透镜状产于主矿体的上（下）两侧或主矿体的边部。矿体顶界埋深为315～434 m，平均埋深392 m，总体上具有由东向西、自北向南矿体顶界埋深逐渐加大的规律；矿体顶界标高为1 053.08～1 110.85 m，平均标高为1 074.24 m；矿体底界埋深为321～4 356 m，平均埋深为399 m；矿体底界标高为1 011.15～1 102.45 m，平均标高为1 068.01 m。矿体由北东向南西缓倾斜，倾角 1°～2°。

1.2 水文地质特征

1.2.1 含水层

研究区铀矿床含水层在平面上呈北西-南东向展布，向南西微倾。在局部地段，直罗组下段含矿含水层垂向上沉积规律特征明显，顶、底部细粒岩石构成相对隔水层，矿体产于相对隔水层间的含水层内。

含矿含水层上部为砂质辫状河沉积体系的河流相沉积砂体，下部为砾质辫状河沉积的砂砾岩。含水层岩性由浅绿、绿、灰色中砂岩、粗砂岩及砂砾岩组成，具上细下粗的特点。上部砂岩以中、中粗粒为主，其次为细粒；泥质胶结为主，岩石固结程度低，胶结疏松；夹有1～9层厚度不大于1.4 m的钙质胶结砂岩透镜体；底部砂砾岩与上部砂岩层构成同一含水层，平面上呈北西-南东向展布，宽9～10 km，厚5～80 m，总体上具有北东薄南西厚的特点，砂砾岩以钙质胶结为主，岩石致密坚硬，部分钻孔中可见厚度不等的粗砂岩、中粗砂岩。局部地段，含矿砂体上部常见泥岩夹层，单层厚度0.2～13 m，平均厚度为1.43 m，含矿含水层厚度为36.8～214.4 m，一般在70～170 m之间，平均厚度为119.14 m，含水层厚度变化小，稳定性较好，向东西两侧含水层厚度变化较大。研究区局部地段的含矿含水层厚度为19.55～60.4 m，平均厚度为 40.09 m［2］。

1.2.2 隔水层

研究区含矿含水层隔水顶板由泥岩、泥质粉砂岩，粉砂岩组成，厚度一般在2～20 m，最小厚度0.4 m，最大厚度26.8 m，平均为7.56 m，厚度变化较大。隔水顶板底面埋深一般在270.4～414.6 m，最大可达578.3 m，最小133.7 m，平均埋深334.85 m，埋深变化较小。据个别钻孔和煤田钻孔资料，隔水底板为延安组灰色粉砂岩、泥岩，单层厚度大于6.8 m，稳定性好。

1.2.3 地下水

铀矿床下白垩统含水层地下水水动力条件受气候、地貌、岩性等因素控制，而中侏罗统含水层地下水水动力条件主要受地层产状和岩性的控制，矿区水位埋深为109.45 m。

下白垩统含水岩组地下水的补给途径主要是大气降水，其迳流、排泄条件受地貌、地层结构控制明显，地下水的迳流方向以梁地为分水岭，总的流向分为向北和向南迳流，排泄方式主要是以泉的形式形成地表迳流或补给其它含水层。在矿区南部承压水通过“天窗”顶托越流补给上部潜水，最终在地形低凹处排出地表。

中侏罗统含水岩组地下水的补给存在两种方式，大气降水和上部下白垩统含水层补给。大气降水补给受地层出露范围的限制。矿区内由于直罗组上段隔水层相对稳定，上覆下白垩统含水层对下部直罗组下段含水层的补给作用小。在上下含水层之间隔水性差的地段补给量大，补给作用强，使中侏罗统各组中含水层地下水富水性较好。

矿区内地下水总体流向从北西向南东迳流，但由于地层倾角较小，水动力相对较弱，迳流缓慢，在南东部乌兰木伦河流域具备出露条件的地段排泄［2］。

2 塔然高勒矿区煤矿地质概况

塔然高勒矿区位于内蒙古自治区鄂尔多斯境内，是国家大型煤炭基地神东基地中的国家规划矿区之一，矿区规划面积2 379 km2，划分为5个井田，规划煤矿开采总规模达2.6×107t/a。

塔然高勒南部地区含煤地层主要为侏罗系中下统延安组（J1-2y）（铀矿系统标为J2y，煤炭系统标为J1-2y），其沉积基底为三叠系上统延长组（T3y）。全区可采煤层分2～5层，东部地区可采煤层主要为3-1、4-1煤层，3-1下煤层位于延安组第二岩段（J1-2y2）上部，煤层厚度0～1.65 m，平均0.49 m。可采厚度0.8～1.05 m，平均0.89 m。4-1煤层位于延安组第二岩段（J1-2y）中下部，全区发育，大部可采。煤层厚度0.47～5.34 m，平均2.56 m。可采厚度0.8～4.79 m，平均2.46 m，可采区主要分布在本区西部及中东部［3-4］。

3 铀矿与煤层的关系

研究区地段铀矿与煤层处于同一空间，铀矿在上，煤层在下，二者垂向相距百余米，形成时间上相差也很大。

3.1 铀矿床与煤层的空间关系

塔然高勒规划矿区分为5个井田：红庆梁井田、呼斯梁井田、塔然高勒井田、油房壕井田、泊江海子井田，研究区铀矿床位于塔然高勒井田范围内。

由于目前没有研究区铀、煤综合勘探资料，因此，为了说明铀矿床与煤层的空间关系，根据研究区铀矿床勘探资料［2，5］、塔然高勒井田北部勘探资料［3-4］与油房壕井田勘探资料［6］综合编制了研究区铀矿N8勘探线铀、煤空间关系综合地质剖面示意图（图1）。

研究区铀矿床地质勘探资料表明［2］，铀矿床N8线的铀矿体底界标高约为1 070～1 075 m。

塔然高勒井田北部勘探区TR67钻孔资料表明［3-4］，井田范围内主要可采煤层位于延安组第二岩段（J1-2y2），油房壕井田北部TR17钻孔位于铀矿床N8勘探线南部，钻孔资料表明［6］，井田内主要可采煤层产于延安组第二岩段（J1-2y2）顶部，其煤层顶板标高约760 m。塔然高勒井田北部勘探区TR17钻孔位于铀矿床N8勘探线北部，资料表明［3-4］，煤层顶板标高约1 030 m。

根据研究区铀矿地质和井田煤层勘探资料可以看出，其铀矿和煤层分别赋存在中侏罗统直罗组（J2z）的砂岩中和中侏罗统延安组（J2y）地层中，也就是说，研究区地层在侏罗纪时，先沉积形成煤层，而后在煤层发育的延安组之上才沉积形成铀矿。早期形成的煤层在铀矿之下，晚期形成的铀矿在煤层之上。根据煤层倾角和钻孔距离推算，在铀矿床N8号勘探线附近两个矿种相隔的垂直距离约150～160 m。

图1 铀煤空间关系地质剖面示意图Fig.1 Schematic geology profile of space relationship between uranium and coal

3.2 铀矿床与煤层形成的时间间隔

根据研究区铀矿地质的区域地质发展史，并依据铀矿成因及地球化学研究和煤层勘探资料，铀矿和煤层形成是有较大时间间隔的。

从大地构造发展史来看，燕山初期 （早侏罗世）东胜隆起区处于相对的隆起状态，沉积间断，除东南边缘外，普遍缺失这一时期的富县组（J1f）沉积， 形成了延安组（J1-2y）与下伏地层延长组（T3y）之间的不平行整合接触关系。燕山早期 （早、中侏罗世）、中期 （晚侏罗世）盆地稳定发展，沉积了延安组（J1-2y）、直罗组（J2z）和安定组（J1a）。 至燕山期末 （白垩纪）盆地整体开始抬升、萎缩。喜山期（白垩纪末）盆地最终消失，由接受沉积转而遭受剥蚀，在盆地东北边缘这种剥蚀作用表现更为强烈，形成了第三系上新统（N2）、白垩系下统志丹群（K1zh）与下伏地层延安组（J1-2y）的不整合接触关系［3］。

研究区铀矿床主要赋存于砂岩中，侏罗统直罗组下段，是一套温湿气候条件下沉积的河流相，形成时代约170 Ma，铀矿形成的时间则更晚，形成年龄为84 Ma、61 Ma和38 Ma， 相当于晚白垩世和古新世［4］。

井田煤层勘探资料表明，含煤地层是侏罗系中下统延安组，煤层主要产于粉砂岩和砂质泥岩中，其时代约为175～190 Ma。

综上所述，两个矿种在赋存地层形成时间上看，相隔大概10 Ma，而铀矿与煤层形成的时间相差更大，至少80～130 Ma。

3.3 铀矿与下伏煤层的水利联系

在铀矿与煤层之间，即在侏罗系延安组顶部有一隔水层，岩性主要由泥岩、砂质泥岩组成。隔水层厚度为13.4 m，厚度较为稳定，分布也较为连续，隔水性能较好。

侏罗系延安组碎屑岩类承压水含水层与上部赋存铀矿的直罗组（J2z1）地层的水力联系较小。

侏罗系延安组顶部隔水层位于延安组顶部两个煤组顶板以上，岩性主要由泥岩、砂质泥岩等组成，隔水层厚度3.25～8.96 m，平均6.28 m。由于后期的风化剥蚀，隔水层的厚度不稳定，分布也不连续，存在很多透水天窗，隔水性能较差，只起局部隔水作用。

整个地区的水文地质条件简单，赋存铀矿的直罗组 （J2z1）地层与赋存煤层的延安组（J2y）地层之间存在的隔水层，不能完全阻隔两地层中含水层间的水力联系，尽管水力联系较小。

4 铀矿、煤矿开发利用的主要环境影响

4.1 铀矿开发的主要环境影响

研究区铀矿床采用O2＋CO2地浸采铀技术。

地浸采铀矿山分为井场和浸出液处理厂两大部分。由于地浸采铀是通过地表上众多不同种类、按一定网格组成的工艺钻孔系统来实现，实质在于使铀选择性的由原地转移到溶液中，通过注液孔向下注入化学试剂，经过沿层渗透，再通过抽液孔将产品由原地转移地面，在地表工厂萃取回收液中的铀［8］。地浸法采铀其放射性粉尘污染得到明显改善，尾渣和废气的污染源也大大降低，地浸溶液在闭路管道内循环使用，其废水排放量也显著减少，因此，其主要污染对象是对大气、土壤和地下水的影响。

地浸产生的主要气态污染源是氡。地浸抽出浸出液和复原抽出的地下水均挟带和溶解大量的222Rn，通过气液分离装置直接排至大气，为点源释放。蒸发池与泥浆池中水分蒸发干后，其废渣、底泥表面也有222Rn析出，为面源释放。

地浸放射性固体废物主要为钻孔施工过程中产生的钻井泥浆经蒸发变干后而成的固体废物和蒸发池内的底泥残渣。

地浸液中含有天然铀，含矿含水层浸出液中的天然铀会通过水平流散和垂直渗透对地下水水质产生一定影响。

4.2 煤矿开发的主要环境影响

塔然高勒井田的开采方式为井工开采。

矿井采用主斜井、副立井和回风立井的混合开拓方式。煤组之间开采顺序自上而下，煤层之间开采顺序也是自上而下，不同采区的工作面采用走向 （或倾向）长壁式采煤法，后退式回采，全部冒落法管理顶板。3-1煤层采用综采一次采全高的采煤工艺，其余煤层均采用回采率最高的一次采全高综合机械化采煤工艺。煤矿由地下采出后，经封闭输煤栈桥运至厂内洗煤厂进行洗选，洗煤厂采用块煤浅槽重介分选工艺。

矿井运营期主要的大气污染源包括：锅炉房排污、原煤破碎筛分排尘、矸石场粉尘、汽车道路扬尘等排放。产生的主要污染物为烟尘、二氧化硫、氮氧化物和煤尘等。

煤矿开发过程中会产生矿井水，矿井水的主要污染物为悬浮物等。

煤矿开采会改变地下水径流和排泄条件，为保证井下正常生产，需将矿井水排放至地表，导致地下水水位下降，造成地下水资源量减少，改变地下水的水动力特征。

煤矿开采后，由于存在矿山压力，使煤层上覆岩层形成冒落带，裂隙带和缓慢下沉带 “三带”，采空区上方会产生地表裂缝和地面沉陷，地下水水位下降、地表变形等也将改变地表水下渗条件。

5 铀、煤共生资源有序开采技术讨论

开采铀矿和煤矿都对地下水产生影响，因此，地下水的影响就成为有序开发铀、煤共生资源的关键因素。

5.1 煤矿优先开采对铀矿利用及环境的主要影响

煤矿开采对于局域地下水影响是全方位的，煤矿大规模开采后，上覆含水层将疏干，地浸采铀所需地下水圈闭条件是严格的，这是控制地浸采铀对地下水环境影响扰动区域的重要前提。

煤矿优先开采会破坏地下的水动力机制，改变天然补给-径流-排泄的地下水循环体系。对铀矿地浸开发的地下水环境产生不利影响，铀矿地浸开采受到挑战。具体表现为以下3个方面：

1）煤矿开采形成了大量采空区，对于采用钻孔系统原地浸出的地浸采铀来说，很难完成开采工艺孔的施工和成井，本来经济可采的大量铀资源就成为呆矿；

2）在铀矿地段开采煤矿会产生大量的放射性废渣，对周围环境会产生放射性影响；

3）利用数值模拟对煤矿开采后的地下水位进行模拟计算表明，在煤矿单独开采的条件下，随着时间的延续，铀矿地段的地下水降落漏斗范围和地下水下降幅度不断增加，其中降深在 0.1～50 m 内的影响区域可达 33 km2［9］。

5.2 铀矿优先开采对煤矿及环境的影响

铀矿地浸开采后的地下水修复效果直接影响煤矿能否继续开采，地浸开采过程无井巷开拓，只采用单一的钻探施工方式，矿山开采时注浸液浓度较小，易溶矿物少，区域地下水位变动不大，但对水质长期性的影响效果在国际上尚无正式结论。

本文采用美国地质调查局开发的多组分反应迁移软件PHREEQC［10］对铀矿开采后的天然铀迁移进行了模拟计算。

铀矿底部约160 m处为煤矿，铀矿、煤矿之间存在着由泥岩、泥质粉砂岩组成的渗透系数更小的隔水层，为了便于计算，忽略隔水层对渗透的影响。本次模拟距离取180 m，模拟时间26 a。将模拟距离划分为180个单元，每个单元长度为1 m，纵向弥散度为1 m。正常生产过程中由于采用抽大于注，形成了从采场边缘向中心的水力坡度，即向采场中心的降落漏斗，流散速率一般不大于地下水的达西流速。

通过模拟计算，铀矿开采6 a后，天然铀的峰值浓度约向下游推移了约15 m，开采26 a后，天然铀向下游推移了约76 m，未迁移到煤层。

5.3 铀矿、煤矿同步开采是可行的

决定开采顺序的关键因素为地下水环境影响。地浸采铀所需地下水圈闭条件是严格的，煤矿开采对地下水的影响是全方位的，煤矿大规模开采后会导致铀矿赋存区域地下水水位下降，对铀矿开采造成影响；铀矿开采后，地下水修复在时间上存在断档期，这对煤矿开采也带来一定影响。因此，铀煤同步开采是一种好的选择，但必须做到如下两方面：

1）煤矿应对开采工作面布设和开采方式进行充分论证，尽量选择对地下水影响较小的开采方案，以便为铀矿提供充足的开采时间；

2）铀矿应尽快完成开采，开采过程中宜采用钻孔底部为防渗水泥封隔等措施以减小对地下水水质的影响，地浸单元浸出结束后应尽快进行地下水复原，以减小对煤矿开发的影响。

6 结论

通过对铀矿、煤矿形成的地质背景、空间关系分析和开采过程的主要环境影响等进行研究讨论，认为煤矿优先开采会破坏铀矿开采区域的含水层，对铀矿开采造成影响；铀矿优先开采后，虽短时间内天然铀未迁移到煤层，但铀矿开采完毕后的地下水修复过程和修复结果将对煤矿开发带来影响。因此，通过对铀、煤资源开发进行系统规划，采用多种适宜技术有效组合的前提下，铀矿、煤矿同步开采是可行的。