某CO2+O2地浸采铀矿山采区浸出效果研究

闫纪帆，张 渤，刘佳斌，曹俊鹏

(中核通辽铀业有限责任公司，内蒙古 通辽 028000)

内蒙古某铀矿床是松辽盆地的1个大型砂岩型铀矿床，矿床铀资源丰富，地质与水文地质条件均适宜地浸开采，于2009年建设成为中国第一座CO2+O2地浸采铀矿山。以A、B、C采区为研究对象，研究浸出周期内获取的地质、水文地质及浸出运行等参数，以及浸出液平均铀质量浓度、资源回收率等主要技术指标，验证该砂岩型铀资源采用CO2+O2地浸采铀技术进行工业开采的可靠性。

1 地质概况

1.1 矿体特征

内蒙古某铀矿床位于松辽盆地开鲁拗陷钱家店凹陷北部偏西部边缘，盆地盖层自下而上主要为白垩系、古近系、新近系及第四系。含矿地层为白垩系姚家组地层，具有稳定的泥-砂-泥结构，可分为2个沉积旋回，分别为姚家组上段和姚家组下段。矿区构造平缓，断裂不发育，姚家组下段地层底板等高线呈NE-SW方向展布，地层倾向北西，倾角小于10°[1]。

根据铀矿化层位的不同，将矿床划分为6个矿体，其中:0～Ⅱ号矿体赋存于姚家组下段；Ⅲ～Ⅴ号矿体赋存于姚家组上段。Ⅱ号矿体为主矿体，其储量占所有铀矿储量的85.50%，在区域内平面上连续性好，是工业开采的主要对象[2]1。

姚家组地层砂体厚度为46.50～61.42 m，平均为54.25 m，岩芯以浅灰、灰白色细粒砂岩为主，含少量中细粒砂岩及粉砂岩、泥岩。姚家组含矿砂体中泥岩、粉砂岩含量不均匀，姚家组下段含矿砂体砂泥厚度比值为1.90～55.00，平均为10.90。

1.2 矿物的存在形式与特征

矿石中铀的存在形式主要有铀矿物、吸附铀及含铀矿物[3]：铀矿物为沥青铀矿；吸附铀主要为有机质及黏土吸附；含铀矿物主要是砂岩中的碎屑石。在粒径>0.25 mm的砂岩中，铀分布率为27.27%；在0.10 mm<粒径≤0.25 mm的细砂岩中，铀分布率为46.55%；在0.01 mm<粒径≤0.10 mm的粉砂岩中，铀分布率为22.85%；在粒径≤0.01 mm的粉砂岩中，铀分布较少[2]1。

含铀砂岩中的碎屑矿物主要是石英(质量分数为56.20～79.50%，平均为68.40%)、长石(质量分数为14.00%～31.20%，平均为20.50%)，岩屑含量较少。含铀砂岩中碳酸盐矿物主要是白云石，方解石次之；Ⅱ号矿体中碳酸盐质量分数平均为4.03%，其他矿体中碳酸盐质量分数平均为2.58%～4.04%[4]。

2 井场工艺

2.1 钻孔布置及成井工艺

内蒙古某铀矿床工业矿体具有分布集中、形态简单(以板状、似层状为主)、厚度稳定、连续性较好的特点，井场钻孔布置选用“七点型”，井距30 m，抽注比1∶2.45，采区钻孔平面布置如图1所示。“七点型”钻孔布置适用于含矿岩层渗透性比较均匀、矿体宽度较大的矿床，具有浸出剂覆盖率高的优点(单元内浸出剂覆盖面积与单元面积之比达到85.00%以上)，可最大限度减少矿体外围地下水对浸出液的稀释和浸出剂的漏失问题。

抽出井与注入井均采用填砾式钻孔结构，在矿层位置设置过滤器，过滤器周围投置3～5 mm直径的石英砂，井底沉砂管长度为4 m。抽出井采用φ148 mm×10 mm PVC管，压力1.0 MPa；矿层位置采用φ198 mm×19 mm的环形骨架式过滤器。注液井采用φ100 mm×10 mm PVC管，压力1.6 MPa；矿层位置采用φ138 mm×14 mm的环形骨架式过滤器[5]。

2.2 地质资源概况

A、B、C采区均开拓姚家组下段(K2y1)的Ⅱ号矿体，采区地质数据统计见表1。

表1 A、B、C采区地质情况统计

2.3 水文地质参数

A、B、C采区含矿含水层，具有较稳定的隔水顶、底板(紫红色泥岩、紫红色粉砂质泥岩)，矿体埋深一般278.9～368.2 m，含矿含水层厚度21.9～48.5 m，承压水头高，水位埋深浅，渗透系数0.10～0.15 m/d(平均0.125 m/d)，矿层水样本底分析见表2。

表2 采区矿层水样本底分析

3 浸出液铀质量浓度研究

3.1 浸出机制

2UO2+O2→2UO3，

(1)

(2)

[UO2(CO3)3]4-+H+。

(3)

3.2 浸出剂配制

根据内蒙古某铀矿床工业性试验提出的工艺路线及关键技术参数，采区浸出初期，氧气加注量为300～400 mg/L；当浸出液中氧气质量浓度在15 mg/L左右时，氧气加注量降低到200 mg/L左右；当浸出率达到60.00 %以上时，氧气加注量降低至50～150 mg/L。

3.3 浸出液平均铀质量浓度

地浸采铀矿山工业化生产过程中，采区浸出液平均铀质量浓度是重要技术指标之一，直接影响矿山运行经济成本。目前行业内常用的浸出液平均铀质量浓度预测公式为

(4)

式中：ρ(U)—浸出液平均铀质量浓度，mg/L；Uf—单位面积铀质量，kg/m2；η—浸出率，%；d—有效厚度，m；f—液固比，mL/g；γο—矿石密度，g/cm3。

以A、B、C采区为例，研究采区从投入运行，到浸出率达到75.00%时的浸出液平均铀质量浓度，分析理论预测值与实际值的符合程度，对比分析结果见表3。

表3 采区浸出液平均铀质量浓度对比分析

从表3可知：采区浸出液铀质量浓度实际值与预测值拟合度超过80.00 %，浸出液实际铀质量浓度均大于工业设计指标(20.00 mg/L)；对于地质条件相似的采区，矿体单位面积铀质量越大，浸出液平均铀质量浓度越高。

3.4 浸出液峰值铀质量浓度

预测浸出液峰值铀质量浓度，对地浸采铀矿山产能规划具有重要意义。在新疆某地浸采铀矿山工业性扩大试验中，发现相同水文地质条件下，矿体平均单位面积铀质量是影响采区浸出液峰值铀质量浓度的重要因素[8]21。为进一步研究该成果在大规模工业生产中的可靠性，分析了A、B、C采区浸出液铀质量浓度与运行时间的关系，如图2所示。

从图2可看出，A、B、C采区的浸出液峰值铀质量浓度分别为51.08、40.71、63.20 mg/L。因3个采区地质、水文地质条件基本相同，可以得出采区单位面积铀质量越高，浸出液峰值铀质量浓度越高。

4 采区浸出率研究

4.1 采区浸出率研究

根据内蒙古某铀矿在矿层水中的搅拌浸出结果，对于不同的铀矿石，碳酸盐和铀的物质的量比越低，单位时间内浸出率越高，也就是矿石品位越高越易浸出[8]20。以B、C采区为例，研究采区在不同液固比阶段的浸出率变化情况，试验结果见图3和表4。

表4 B、C采区铀浸出率统计

从图3可看出：B、C采区随着液固比的增加，铀浸出率逐渐增加；液固比相同时，C采区的铀浸出率高于B采区；在一定条件下，矿体品位越高，浸出效率越高。从表4可知，液固比不同，采区铀浸出率不同，C采区液固比处于1.0～1.5 mL/g，铀浸出率最高；到达峰值后，随着液固比的增加，铀浸出率逐渐降低。

4.2 采区资源利用情况

通常情况下，中国CO2+O2地浸采铀矿山的井场浸出率工业设计值为75.00%，截止2019年，A、B、C采区浸出率分别为96.01%、91.69%、82.55%，均高于工业设计指标。随着生产的进行，采区浸出率会继续缓慢增加。

A、B、C采区的生产实践表明，中国CO2+O2地浸采铀矿山井场浸出率的工业设计值具有较大提升余地。根据CO2+O2地浸采铀的工艺特点，浸出剂的实际覆盖面积在平面上超过采区计算金属量的几何面积；同时由于水动力弥散作用，垂向上渗流高度也大于计算金属量的矿层厚度，导致浸出过程中回收了矿体外围小于一般工业指标的表外金属，提高了浸出资源量。

5 工艺井抽、注液量研究

5.1 工艺井抽、注液量

在地浸采铀矿山生产过程中，工艺井抽、注液量是影响矿山运行经济效益的重要技术指标之一。地浸采铀工艺井抽、注液量，受矿床天然属性(如：含矿含水层厚度、含矿含水层渗透系数、矿层厚度、矿层在含矿含水层中的垂向位置等)影响，同时受工艺井过滤器与矿层之间水力联系通畅度的影响。

A、B、C采区浸出液通过多级潜水泵从抽出井提升至地表，潜水泵下放深度多为150～160 m。在初始运行阶段，单井平均抽液量6.30 m3/h；随着采区运行时间的增加，抽液量呈缓慢下降趋势，目前单井平均抽液量4.90 m3/h。采区浸出剂通过注入井，带压注入矿层，注液压力为1.40～1.60 MPa，初始运行阶段，单井平均注液量2.43 m3/h；目前单井平均注液量2.11 m3/h，变化趋势与抽液井相同。A、B、C采区工艺井平均抽、注液量随时间的变化规律如图4所示。

工艺井抽、注液量随着采区运行时间的增加，出现缓慢下降的趋势。这主要是由于采区运行过程中，机械杂质、微生物及腐蚀产生的铁氧化物堵塞过滤器。

5.2 工艺井抽、注液量保障措施

通过洗井，清理附着在工艺井过滤器位置的堵塞物，是保障工艺井抽、注液量的重要手段。该地浸采铀矿山经过多年生产实践，结合高承压水头水文地质特征，探索出了“气活塞”震荡式物理洗井方法。首先利用空压机，通过专用井口装置向井内“压气”，将水位压至过滤器位置；饱压一定时间后，快速泄压，气流在井内形成“气活塞”；泄压完成后，利用空压机将井内堵塞物清洗至地表。一般反复循环5～6次，即可将过滤器表面堵塞物清洗干净。A采区在连续24个月的运行周期内，共进行2次洗井，采区工艺井平均抽、注液量变化情况如图5所示。

应用“气活塞”震荡式物理洗井方法清洗后，采区工艺井的平均抽、注液量出现回升。通过长期观察，洗井虽可有效减缓工艺井抽、注液量的下降速度，但并不能彻底解决下降问题。

6 结论

1)内蒙古某地浸采铀矿山A、B、C采区浸出率分别为96.01%、91.69%、82.55%，均高于75.00%的工业设计指标。根据砂岩型铀矿床的地质特征，结合CO2+O2地浸采铀工艺特点，认为将中国CO2+O2地浸采铀矿山井场浸出率工业设计值提高至80.00～85.00%具有一定可行性，具备继续深入研究论证的价值。

2)应用CO2+O2地浸采铀工艺，矿体单位面积铀质量越大，浸出液铀质量浓度越高；矿石品位越高，浸出效率越高。

3)随着液固比的增加，采区铀浸出率逐渐增加；C采区液固比1.0～1.5 mL/g阶段，铀浸出效率最高，铀浸出效率到达峰值后，随着液固比的增加，铀浸出效率逐渐降低。

4)地浸采铀工艺井随着运行时间的增加，会出现过滤器堵塞现象，导致抽、注液量逐渐降低。洗井虽可有效延缓抽、注液量的降低，但不能完全解决堵塞问题。