断裂构造对某砂岩型铀矿床某采区浸采效果的影响

王 瑶，段柏山，李建斌，曾亮亮，徐丽文，郭 冰

(1.新疆中核天山铀业有限公司，新疆 伊宁 835000；2.东华理工大学，江西 南昌 330013)

某砂岩型铀矿床某采区的铀矿，资源埋藏于陡坡下，边坡松散，存在明显滑坡现象，地形较复杂。该矿床扎北0#勘探线砂体埋深为266.2～339.6 m，厚度为16.2～36.4 m(平均厚度23 m)，倾角为17°左右，远大于扎北其他区域。岩性以中砂为主，其次是细-粉砂岩，所含的少量砂砾岩以薄层出现。该区域矿体主要赋存于中下侏罗统水西沟群(J1-2sh)V22韵律砂体中，由于受断裂构造的影响，该区域矿体比较复杂，成不规则的鸡窝状[1]。

该矿床矿石为富铝硅酸盐矿物碎屑岩，碎屑矿物以石英、岩屑和长石为主，不溶于酸和难溶于酸的矿石组分约占98%，易溶于酸的矿石组分约占2%，碳酸盐含量平均为0.77%，该矿石有利于用酸法地浸。由于该采区位于此矿床0#勘探线处，距相邻矿床xxx采区约200 m，其地下水碳酸盐含量高(2.4%～16.59%)，矿化度约为400～500 mg/L，属中-弱碱性的硫酸重碳酸钙型水。

1 断裂构造特征[2]

1.1 断裂的厘定

该采区断裂位于采区西北部，在地形地貌上表现为北西盘地形较低且平缓，南东盘地形较高且复杂。通过钻孔勘探揭露发现，第8煤层产状出现突变，且不同地段水位及顶底板标高存在较大差异，如表1和图1～6所示。通过计算可以得出：X单元的平均静水位埋深为23.5 m，平均标高为1 317.6 m；Y单元的平均静水位埋深为133.8 m，平均标高为1 105.1 m；Z单元的平均静水位埋深为228.0 m，平均标高为1 202.6 m；该采区内存在2条断层，北西盘下降，南东盘上升。由于资料较少，无法推断出断距及断层的走向，初步认为断距不大于10 m。

表1 静水位埋深及标高统计

图1 某采区顶板标高及静水位标高等值线图

1—静水位标高；2—断层；3—顶底板标高；4—钻孔及编号。图2 A—A′剖面图

1—静水位标高；2—断层；3—顶底板标高；4—钻孔及编号。图3 B—B′剖面图

1—静水位标高；2—断层；3—顶底板标高；4—钻孔及编号。图4 C—C′剖面图

1—静水位标高；2—断层；3—顶底板标高；4—钻孔及编号。图5 D—D′剖面图

1—静水位标高；2—断层；3—顶底板标高；4—钻孔及编号。图6 E—E′剖面图

1.2 断裂的特征

据钻孔揭露，其断层面是弯曲的起伏面，且呈倾斜状。由于断层南东、中西、北西三盘的互相挤压作用，使得断面的破碎带并不松散透水；且附近的透水岩石被压实，使其孔隙变小或被黏土和小颗粒所充填，直至其孔隙度减小到零。这样在两处断层处便形成了与含水层呈一定角度的“挡水墙”。该断层造成含矿建造在垂向上有明显的错动。

2 断裂对采区水文地质条件的影响

由于阻水断层切断了各断层盘之间的水力联系，使得断层南东、中、北西三盘之间失去了水力联系，将整个采区划分为水文地质条件、补给量及水动力条件均有明显差异的3个独立水文地质单元(X、Y、Z)，如图7所示。

2.1 不同水文地质单元水文地质条件差异[3]5

形成层间氧化带砂岩型铀矿床的必备条件是存在由上下屏蔽层及相夹透水层共同组成的岩性组合，而这种有利的岩性组合在一个地层单元内往往呈多个相互上下叠置或侧列叠置的情况产出，这些岩性特征对砂岩铀矿体的矿化特征起着直接控制作用。地层产状、结构及其岩石渗透性、含水层厚度等，都可以直接影响砂岩能否成矿、矿化品位及矿体的规模和形态。

由于南东、中、北西三盘错动及断层的阻水作用导致了补给量的较大差异和其水文地质条件有所不同，具体表现在含矿含水层埋深、水头高度、静水位埋深及单位涌水量等水文地质参数上，见表2。表2中，X、Y水文地质单元的渗透系数通过抽水试验得出，Z水文地质单元的渗透系数通过注水试验得出。影响含水层渗透系数的因素主要有岩石本身性质和地下水动力势，与补给量的大小无关。通过对三盘的岩性及透镜体统计可知，渗透系数小的含水层砂体的孔隙部分被黏土所充填，砂体的孔隙度减小，渗透系数降低。

1—断层；2—抽液孔；3—注液孔。图7 某采区平面布置及水文地质单元划分

表2 各水文地质单元含水层特征

2.2 不同水文地质单元补给量差异[4]

不同水文地质单元地下水的补给，排泄路径如图8所示。

在X水文地质单元，大气降水和古生界基岩裂隙水可以通过第四系潜水含水层补给侏罗系含水层组；同时侏罗系含水层组开启部位又较其他两盘高，所以含矿含水层组还可接受大气降水和古生界基岩裂隙水补给。由于受F1断裂阻水的影响其排泄量相对减少，因此南东盘和其他两盘相比，具有较充足的补给量[5]7。

Y水文地质单元处于南东盘和北西盘中间，其补给量主要来自大气降水以及古生界基岩裂隙水通过第四系潜水含水层的补给，其补给量有限，受F1断裂的影响相对南东盘减少。

Z水文地质单元受F1、F2断裂的影响，来自于古生界基岩裂隙水通过第四系潜水含水层补给量减少的同时，其含水层的开启部位相对其他两盘都低，其排泄量较其他两盘要顺畅，所以其补给量不足。

1—断层；2—抽孔；3—注孔；4—补给；5—排泄。图8 不同水文地质单元地下水的补给、排泄路径

2.3 不同水文地质单元水动力条件差异[3]7

在岩性变化不大、渗透性差异不大的情况下，含水层的水力梯度是影响地下水流速的决定性因素。地下水的流向也一定程度地影响着铀矿体的形态及延伸方向，断层造成含矿含水层在垂向上错动明显，不同水文地质单元水头高度差异较大。在3个水文地质单元中，X单元地下水的水力梯度最大，Y单元地下水的水力梯度次之。3个水文地质单元的水交替强烈程度不同，地下水的总流向也不同，X、Y、Z水文地质单元的地下水总流向分别为ESN向、EW向和EW向(图9)。

2.4 不同水文地质单元水文地质参数差异

按划分的水文地质单元，分别在B0610(X水文地质单元)、B1010(Y水文地质单元)采用定流量非稳定流抽水试验，在B1209(Z水文地质单元)采用定流量注水试验。

2.4.1 X单元水文地质参数

抽水试验水文参数采用降深-时间(s-t/r2)配线法计算，根据本次试验的实际情况，选用如下公式计算水文参数[6]：

(1)

(2)

式中：T—导水系数，m2/d；Q—本次试验抽水量，m3/h；s—降深，m;μ*—释水系数或贮水系数，无量纲；W(u)—井函数；1/u—无越流含水层井函数的反函数；t—抽水时间，min;r—抽水管半径，m。

试验得到的s-t/r2配线图如图10所示，配线图中黑线表示标准曲线坐标、蓝线表示s-t/r2曲线坐标，圆圈表示所取的匹配点。

根按照以上配线环境，将W(u)、1/u、lgs、lg(t/r2)代入计算公式，可得T、K、μ*水文参数，见表3。

图9 某采区区域地下水动力场

图10 B0610试验s-t/r2配线图

表3 配线法计算X单元B0610水文地质参数

2.4.2 Y单元、Z单元水文地质参数

同理，按照X单元的计算方法，可以求出B1010(Y单元)的渗透系数为0.076 m/d，导水系数为1.09 m2/d；B1209(Z单元)的渗透系数为0.068 m/d，导水系数为0.97 m2/d。

3 断裂构造对浸采的影响

3.1 断裂构造对不同水文地质单元成矿的影响

在地下水铀成矿作用过程中，由于各水文地质单元的地下水埋深、含水层渗透性及水动力条件等不同，造成各单元矿体发育的规模、形态、厚度、品位有较大差异，如图11所示。

3.2 断裂构造对浸采抽注液量的影响

由于X水文地质单元的水动力较Y水文地质单元的强，Y水文地质单元的水动力较Z水文地质单元的强，加之含矿含水层岩性上的差异性，以及渗透系数依X单元、Y单元、Z单元顺序减小等特点，造成该矿床该采区不同水文地质单元在浸采过程中钻孔的抽注液量各异，具体见表4。X单元单孔平均抽液量为0.98 m3/h，单孔平均注液量为0.91 m3/h；Y单元单孔平均抽液量为0.77 m3/h，单孔平均注液量为0.49 m3/h；Z单元单孔平均抽液量为0.45 m3/h，单孔平均注液量为0.60 m3/h。

3.3 断裂构造对铀浓度的影响

在酸法浸采过程中，受断裂构造的影响，不同水文地质单元的浸出液铀浓度呈现不同的变化特征，如图12所示。X单元从2017年6月6日开始运行至2020年4月15日，浸出液集合样的最高铀质量浓度为51.2 mg/L，平均铀质量浓度在30.0 mg/L以上；Y单元从2018年5月初开始运行至2020年4月15日，浸出液最高铀质量浓度为11.3 mg/L，平均铀质量浓度只有8.5 mg/L；Z单元从2018年4月20日开始运行至2020年4月15日，最高铀质量浓度为10.2 mg/L，平均铀质量浓度只有6.1 mg/L。

3.4 断裂构造对浸采过程中水化学状态的影响

各水文地质单元浸出过程中pH、酸度及浸出液中相关离子浓度如图13～18所示。

M—矿体平均厚度；C—平均品位；U—平米铀量；S—矿床面积；P—储量。图11 不同水文地质单元矿体厚度、品位对比

表4 运行过程中不同水文地质单元平均抽注液量统计

图12 不同水文地质单元浸出液月平均铀浓度变化曲线

图13 不同水文地质单元浸出过程中pH或酸度变化曲线

图14 不同水文地质单元浸出剂酸度变化曲线

图15 X水文地质单元相关离子浓度变化曲线

图16 Y水文地质单元相关离子浓度变化曲线

图17 Z水文地质单元相关离子浓度变化曲线

图18 不同水文地质单元浸出液SO42-浓度变化曲线

开始酸法浸采运行后，X单元运行11月后才见余酸，且余酸一直维持在1.5 g/L以下；Y单元运行近24个月一直未见余酸，其pH一直在4.5以上；Z单元运行18个月才见余酸，且酸度一直在1 g/L以下(图13)。

从开始运行至2020年4月，Y、Z单元铀质量浓度一直在10.0 mg/L以下，只有Z单元见余酸；而Y单元pH一直在4.5以上，阳离子浓度变化幅度不大，且未出现Al3+。分析认为，Y、Z单元还未达到理想的浸出环境，尤其是Y单元；未出现Al3+是因为其浸出剂的酸度低，需适当提高配酸酸度。

在浸采过程中，X单元最初单独加酸，酸度控制在4.0 g/L左右，铀浓度呈缓慢上升趋势，并且出现了Fe3+、Ca2+、Mg2+、Al3+等大量阳离子；停止单独配酸加注并采用大系统尾液(酸度在2.5 g/L左右)下注后，pH出现明显上升趋势，阳离子以氢氧化物和硫酸盐形式沉淀(图13～18)。因此，在酸法浸出过程中，当还未出现余酸、pH呈下降趋势且有大量阳离子(Fe3+、Ca2+、Mg2+、Al3+等)出现时，不能随意降低配酸酸度，以免造成地下浸出环境的pH升高，导致阳离子沉淀，从而影响抽注液能力。

Al3+在配加酸法浸出剂的情况下呈明显下降趋势，同时铀浓度开始下降；采取洗孔措施后，铀浓度缓慢上升至峰值后，开始缓慢下降，目前铀质量浓度维持在30.0 mg/L(图13、图15)。

Ca2+、Mg2+浓度分别自加酸后的第13天和第15天开始上升，这与SO42-的上升起始时间基本吻合。存在这种一致性是由于H+与SO42-同步进入含矿含水层，Ca2+、Mg2+作为H+与岩石矿物的反应产物而进入溶液，并与SO42-进行同步运移[3]14。

为了分析试验期间硫酸钙饱和状态，运用美国地质调查局(USGS)开发的地球化学模式软件PHREEQCI，根据试验水化学监测数据，对酸法浸出中硫酸钙饱和指数进行了计算[5]，结果如图19所示。

图19 不同水文地质单元浸出液硫酸钙饱和指数随时间变化曲线

浸出剂注入含矿层后，水岩作用的结果使得地浸体系的水化学状态发生了变化，浸出液中的硫酸钙饱和指数随地浸时间的延长呈逐步增大的趋势(硫酸钙饱和指数为负值，表示没有发生石膏沉淀现象)。X单元运行170 d后，硫酸钙饱和指数大于0，会出现硫酸钙沉淀，堵塞矿层进而影响抽注液能力；Y、Z单元运行至2020年4月，硫酸钙饱和指数一直小于0。

3.5 断裂构造对浸采率的影响

从投入生产至2020年4月15日，共浸出金属铀12.38 t，其中X单元浸出金属铀12.15 t，浸采率21.62%；Y单元浸出金属铀0.11 t，浸采率0.71%；Z单元浸出金属铀0.12 t，浸采率6.00%。

X、Y、Z为3个独立的水文地质单元，相互之间无水力联系，水文地质条件各异，主要表现在K、H、T、μ*的不同。在浸采活动中，各单元接受的浸出剂体积不同，水动力作用范围不同，浸出剂与矿石的有效接触面积不同，这些因素往往会导致出现溶浸死角，这会造成铀矿石未被浸出剂作用，或者浸出液尚未随液流流向抽液钻孔，溶浸死角的大小会影响浸出率。

4 结论

1)断层的阻水作用使得该区域3个水文地质单元的地下水含水层之间无水力联系，各水文地质单元的集合样峰值铀浓度、浸采率等差别较大，对Y、Z水文地质单元可以适当地增加浸出剂酸度。

2)在酸法地浸工艺条件下，随着浸出剂注入含矿层与岩矿发生水岩作用，硫酸钙饱和指数呈明显上升趋势；当硫酸钙饱和指数大于0时，会产生沉淀并堵塞含矿含水层的孔隙，使抽注液能力降低。浸出过程中，要适时根据pH、矿化度、抽注液能力等变化情况，不定期地进行洗孔，以防止产生化学沉淀影响抽注液能力。