硬岩铀矿无废协同开采模式及技术研究

薛希龙 戴 勇 范永亮 张 晓 刘德奇 张树文

（1.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南衡阳421001；2.金川集团股份有限公司龙首矿，甘肃金昌737100；3.重庆重科院注册安全工程师事务所有限公司，重庆401331）

铀是重要的战略资源和能源矿产。我国铀矿资源较为丰富，但成矿床规模小、产状变化大、赋存条件复杂、品位低［1］。多年来，我国硬岩铀矿主要采用空场法和干式充填法开采，矿山生产效率低、资源损失大、采空区危害等问题较为突出。同时，铀矿开采过程中掘进的含放射性废石，以及地表酸法堆浸提铀过程中产生的尾渣，在长期堆排过程中对地表水土造成了永久性污染［2-3］，严重制约了我国绿色生态铀矿冶的发展。

目前，充填开采作为实现绿色无废开采的重要发展方向，为解决上述问题提供了有效途径［4-5］。近年来，不少学者针对铀矿充填开采开展了一定的研究，如刘玉龙等［6］、张征等［7］进行了堆浸铀尾渣胶结充填配比试验，分析了质量浓度、灰砂比、预处理材料对充填体强度的影响规律，获得了铀矿充填的最佳配比参数，并讨论了一步骤充填体固化时间与二步骤矿房回采时间的匹配关系；Deb 等［8］研究了碳酸盐型超细铀尾砂充填膏体的工作特性和力学特性，并对充填后的环境效应进行了评估；范楠彬等［9］、蒋复量等［10］研究了铀尾渣充填体中氡的析出规律。上述研究丰富了铀矿充填理论体系，对于硬岩铀矿无废开采具有一定的参考意义，但并未将矿石开采与堆浸铀尾渣、含放射性废石等铀矿冶尾废的处置作为一个整体统筹考虑，弱化了各工序之间的系统效应，易导致矿山生产效率低下以及尾废间歇式排放对环境造成污染。

为此，本研究引入“协同开采”理念［11-15］，将“协同开采”的创新思维与创新技法引入硬岩铀矿开采中，一方面通过优化采矿方法、充填与堆排工艺，将矿石开采与尾废处置作为一个高度协同的系统，在提升开采效率的同时，最大限度减少尾废在地表临时或永久性堆置；另一方面，将剩余尾废进行同步胶结堆排，使低放射性核素在库堆硬化体中得到固化［16］，减轻地表污染。针对硬岩铀矿禀赋特征，以及开采、堆浸和尾废排放中存在的问题，提出硬岩铀矿无废协同开采的新模式并进行相应的技术研究。

1 硬岩铀矿无废协同开采模式

硬岩铀矿无废协同开采是指在充填开采的基础上，结合“协同开采”理念，通过分析硬岩铀矿资源的开采技术条件、隐患因素和相应的措施工程目的，调整回采工程布置，优化充填工艺流程，改进铀矿冶尾废处置方案，并采取相应的工程技术措施，使采矿与堆浸、采矿与充填、充填与堆排在时间和空间上高度协调，实现硬岩铀矿资源安全、高效、绿色、经济、和谐开采。

硬岩铀矿无废协同开采是一项复杂交叉融通的综合技术，其技术模式如图1所示。该技术实现了硬岩铀矿由传统独立粗放的采矿—堆浸—直排模式向基于采矿—堆浸—充填—固化堆排协同开采模式的转变，使开采过程中掘进的废石就近处置，堆浸产生的尾渣胶结充填，充填剩余的尾渣固化堆排，在时间上实现采矿、堆浸、充填和堆排等工序的有机配合，在空间上实现采矿、堆浸、充填和堆排工程的协调布置，在工艺上实现各工序同步。该技术的核心是采—充—排协同工艺技术，目的是最大限度提升硬岩铀矿开采效率、资源回收率和矿山整体经济效益，同时实现含放射性废石地表零排放和堆浸铀尾渣绿色无害化处置。

2 试 验

2.1 试验材料

试验中堆浸铀尾渣取自粤北某铀矿山堆浸场，其粒径组成如表1 所示。由表1 可知：堆浸铀尾渣粒径不均匀系数Cu为22.75，曲率系数Cc为2.99，粒径粗、分布较广，属于连续级配，有利于提高充填体强度。堆浸铀尾渣的化学元素组成如表2所示。由表2可知：堆浸铀尾渣中Si 含量较高，有利于促进胶凝体系的水化反应，同时含少量的S，对于充填体后期强度存在一定的影响。试验中的胶凝材料选用P·C32.5普通硅酸盐水泥。

2.2 试验结果及分析

为确定堆浸铀尾渣胶结充填和堆排所需的强度指标和管道输送参数，设计了质量浓度为74%、76%、78%，灰砂比为1∶6、1∶10、1∶14的9种配比试验方案。首先按照试验方案配制充填浆体，然后采用扩展度筒（筒高150 mm，上口直径50 mm，下口直径100 mm）测试浆体的扩展度，并将浆体注入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 标准三联模具中制作试块［17］。试块脱模后在温度20 ℃、湿度90%的条件下进行养护，并用YAW-100D 试验机测试其7 d 和28 d 的单轴抗压强度。试验结果如表3所示。

2.2.1 浆体流动性

充填浆体的扩展度与灰砂比之间的关系如图2所示。由图2可知：浆体扩展度随着质量浓度增加而大幅下降，灰砂比相同条件下浓度每降低2%，扩展度增加2.1～7.6 cm，说明扩展度对质量浓度较为敏感。当质量浓度为74%时，浆体离析较严重，浓度为78%时浆体流动性较差，浓度在76%时，扩展度为13.9～16.7 cm，可满足管道输送要求［18］。

2.2.2 充填体的强度特性

充填体强度与灰砂比之间的关系如图3 所示。由图3 可知：充填体7 d 和28 d 的强度随灰砂比和质量浓度的增大而增加，且灰砂比大于1∶14 时，7 d 强度均大于0.8 MPa，表明堆浸铀尾渣能够使充填体形成较高的早期强度。当质量浓度为76%时，充填体7 d 和 28 d 强度分别为 1.0～1.68 MPa 和 1.57～2.23 MPa，均明显高于相似配比的全尾砂充填体［19］，不仅有利于支撑顶板和降低成本，也有利于固化堆浸铀尾渣中的放射性核素。

3 工程应用

某铀矿山矿石类型为硅酸盐-单铀矿石类型，矿体为急倾斜脉状矿体，松散系数1.47，密度2.56 t/m3，上下盘为花岗岩或石英脉岩，矿岩硬度系数f=8～10，采用上向分层干式充填法开采，在生产中效率低、矿柱损失大，地表堆浸尾渣和废石处置率较低。为解决上述问题，基于无废协同开采模式，将采矿方法调整为机械化上向水平分层胶结充填法，并对与之相配套的协同工艺进行设计。

3.1 采—充—排协同工艺流程

充填材料的工作特性、强度特性以及环境效应是实施采—充—排协同工艺的关键。根据矿山开采现状及充排试验结果，设计了如图4所示的采—充—排协同工艺流程。其基本思路是：矿石在地表堆浸提铀后产生的尾渣与改性材料、胶凝材料和水按设计配比参数在双轴搅拌槽内初级混合，而后进行二次高效活化搅拌，加压输送至井下预定充填区域，并与掘进的废石就地混合充填；与此同时，剩余的堆浸铀尾渣充填浆体直接输送至尾矿库进行固化堆排。充填时，采场第一分层和每分层胶面采用质量浓度76%、灰砂比1∶10 的浆体充填，充填体28 d 强度不低于1.5 MPa［17］，其余部位充填与尾矿库固化堆排采用的浆体质量浓度为76%、灰砂比为1∶14。

3.2 机械化上向水平分层胶结充填工艺设计

（1）采场结构要素。采场沿走向布置，高度和长度均为50 m，底柱5 m，顶柱2 m，不留间柱，宽度为矿体水平厚度，分层高度为3～3.3 m，回采过程中最大控顶高度为6.3 m。

（2）采准切割。采准工程采用下盘脉外布置方式，主要包括采准斜坡道、分段联络平巷、分层联络道、卸矿横巷、溜井、充填回风井、穿脉等。在最下一分层自下向分层联络道垂直于矿体布置一拉底平巷，以拉底平巷为自由面向两边扩帮至采场边界形成拉底空间。

（3）回采与充填。采用Boomer 281 凿岩台车钻凿水平炮孔，崩落的矿石通过WJ-2 铲运机出矿。充填时，第一分层和每分层胶面的充填体28 d 强度不低于1.5 MPa，其余部位采用低配比浆体与废石混合充填。采场生产能力为135 t/d，矿块回采率为88.86%，贫化率为5%，胶凝材料成本为14.31 元/t 原矿。

3.3 采—充—排协同平衡

（1）废石—堆浸铀尾渣掘充平衡。经计算，单个矿块采出矿石为45 389 t，副产废石为6 808 t，堆浸铀尾渣产量为44 481 t。按推荐的配比，废石全部就地充填，单个采场堆浸铀尾渣消耗24 466 t，其充填处置率达55%。

（2）堆浸铀尾渣充排平衡。充填剩余45%的堆浸铀尾渣，按固化堆排技术要求同步输送至尾矿库进行固化处置。

3.4 预期协同效果

该矿山采用无废协同开采模式后，预计采场生产能力提升至135 t/d，回采率提高至88.86%，废石达到地表零排放，堆浸铀尾渣通过胶结充填和固化堆排方式得到全部无害化处置。

4 结 论

（1）基于“协同开采”理念，提出了硬岩铀矿无废协同开采模式。该模式通过优化回采工程布置、充填与尾废处置工艺，使采矿、堆浸、充填与堆排在时间和空间上实现协同，达到铀矿资源的安全高效开采和铀矿冶尾废的绿色无害处置。

（2）基于充排试验，获得满足采场充填或地表同步固化堆排要求的配比参数，浆体质量浓度为76%、灰砂比为1∶10和1∶14。

（3）某硬岩铀矿实施无废协同开采后，预期采场生产能力提升至135 t/d，矿块回采率达88.86%，废石达到地表零排放，堆浸铀尾渣在井下充填和地表固化堆排中得到有效处置。