我国地浸采铀工艺技术发展现状与展望

苏学斌，杜志明

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中核通辽铀业有限责任公司,通辽 028000)

地浸采铀是一种在天然埋藏条件下，通过溶浸剂与矿物的化学反应选择性地溶解矿石中的铀，而不使矿石产生位移的集采、冶于一体的铀矿开采方法。“八五”规划以来，我国针对砂岩型铀资源地浸技术进行了一系列的科研攻关，在许多关键技术上取得了突破，工业生产实现了零的突破。地浸采铀技术的成功不仅有效地降低了我国天然铀生产的投资和成本，提高了生产效率，而且扩大了我国铀矿资源的开发利用范围，拓展了我国可供开发的铀资源量。但是，随着核电对天然铀需求持续增长，铀矿开采难度加大和成本的上升，以及铀资源的分布特点，我国对地浸采铀的工艺技术、生产规模、劳动生产率等提出了越来越高的要求。“十二五”期间，我国将建成相山基地、新疆基地和内蒙古基地等3个铀矿大基地，其中新疆基地和内蒙古基地均采用地浸开采工艺，从目前掌握的情况来看，地浸基地建设条件还不完全具备，一些关键技术和流程还需要突破。因此，只有依靠地浸采铀技术、设备、材料的不断进步，才能逐步拓展我国可供开发的铀资源量，提高我国砂岩型铀矿资源利用率，实现基地建设，提高地浸采铀生产能力，改善我国天然铀生产结构。

1 我国砂岩型铀资源及地浸采铀生产现状

1.1 我国砂岩型铀资源分布特点

目前，我国已经探明提交的铀矿床主要有火山岩型铀矿床、砂岩型铀矿床、花岗岩型铀矿床和碳硅泥岩型铀矿床。我国砂岩型铀矿资源量约占我国已探明铀矿资源总量的35%，见图1。

图1 我国各类已探明铀资源比例

我国的砂岩型铀矿资源的找矿勘探得到了迅速发展，取得了可喜的成果。根据地质部门的工作成果，我国可地浸砂岩铀矿资源主要分布在北方地区,主要有内蒙古的二连盆地、鄂尔多斯盆地、松辽盆地、海拉尔盆地，新疆的伊犁盆地、吐哈盆地；南方地区分布较少，主要分布在云南的龙川江盆地等。其中伊犁盆地、鄂尔多斯盆地和松辽盆地是我国目前可地浸砂岩铀矿找矿勘探的重点区域，伊犁盆地铀矿床主要采用酸法地浸，松辽盆地已成功进行了CO2+O2地浸采铀试验并已顺利投入工业生产，鄂尔多斯盆和吐哈盆地地也开展了地浸采铀的相关试验工作。

与国外砂岩型铀资源比，我国已探明的数万吨砂岩型铀资源普遍特点主要有：

1)碳酸盐含量高。吐哈盆地、二连盆地、鄂尔多斯盆地、松辽盆地等四大盆地砂岩型铀资源铀矿石碳酸盐含量均大于2%(以CO2计)。由于碳酸盐含量高，酸法浸出过程中矿层化学堵塞严重，使地浸工艺无法进行；或者单位金属酸耗高，生产成本高，企业无法承受，从而导致部分铀资源暂时不能得到合理利用。

2)矿石渗透性低。我国砂岩型铀矿床渗透性普遍偏低，矿石渗透性小于0.5m/d，低渗透资源占砂岩型资源70%以上。由于矿石渗透性低，导致钻孔抽注液能力小，生产能力低，抽注不平衡，浸出周期长。

3)矿石品位低。低品位砂岩型铀资源主要有松辽盆地钱家店铀矿床、二连盆地巴彦乌尔铀矿床，平均品位约0.02%，由于矿石品位低，平米铀量小，导致浸出液铀浓度低，只能采用低浓度大流量工艺才能保证一定的生产规模。

4)部分铀矿床含矿含水层地下水矿化度高(吐哈盆地十红滩铀矿床)，部分铀矿床含矿含水层厚度超过100m(鄂尔多斯盆地纳林沟铀矿床)，部分铀矿床埋深超过500m(伊犁盆地蒙其古尔铀矿床)，部分地下水位埋藏深(伊犁盆地扎吉斯坦铀矿床局部矿段)，这些不利条件均不同程度制约地浸采铀发展。

5)约5%砂岩型铀资源分布于人口稠密、经济较发达的地区，如云南龙川江盆地铀资源，由于酸法地浸硫酸溶液对铀的选择性差，地下水污染治理难度相对较大，采用酸法地浸技术受到很大局限。

总的来说，我国已探明的砂岩铀矿资源各矿床地质与水文地质条件各异，同一矿床不同块段地质与水文条件也存在很大不同，尽管我国砂岩型铀资源数量可观，但可经济开采的铀资源量依然贫乏。

1.2 我国地浸采铀生产现状

我国地浸采铀技术自1984年在云南381铀矿床取得条件试验成功以来，1991年在该矿床建成了我国第一座小规模地浸采铀试验矿山。1993 年在伊犁盆地库捷尔泰铀矿床半工业性试验取得了成功，1996 地浸采铀工业性试验投入运行后各项运行指标良好，1998年工业性试验工程顺利通过国家验收，标志着我国已初步掌握了地浸采铀技术。

2000年伊犁盆地库捷尔泰铀矿床酸法地浸采铀工业性工程建成并投产，我国拥有第一座酸法地浸矿山。2002年伊犁盆地扎吉斯坦铀矿床酸法地浸采铀工程建成并投产。2010年伊犁盆地乌库尔奇铀矿床酸法地浸矿山建成并投产，伊犁盆地铀矿床酸法地浸采铀技术的成功应用，实现了我国酸法地浸采铀已从试验研究向工业生产的跨越。

2000年以来，我国吐哈、松辽和鄂尔多斯等盆地的砂岩型铀矿床进行了以CO2+O2浸出为主的弱碱性地浸采铀试验。2009年在松辽盆地钱家店铀矿床建成了我国第一座碱法地浸工业生产矿山，取得多项国防技术专利，主要工艺技术指标达到了国际先进水平。

目前，我国已建成并正在运行中的酸法地浸采铀工程 3个，碱法地浸采铀工程1个，碱法地浸工业性试验工程2个，关闭酸法地浸采铀试验工程1个，援建巴基斯坦碱法地浸采铀工程1个。2011年地浸采铀生产量占天然铀总产量约30%，图2为近3年地浸采铀生产量所占天然铀总产量比例。

图2 近3年来地浸采铀生产量占天然铀总量比例

经过30多年的研究与生产实践，地浸采铀技术已成为我国铀矿开采的重要技术手段，其主要工艺技术水平和指标已达到或接近国际先进水平，形成了一套以可地浸砂岩型铀资源评价、溶浸剂配制和使用方法、地浸钻孔结构设计与施工工艺、钻孔排列和钻孔间距的优化确定、溶浸范围模拟和控制、浸出液处理技术、地浸矿山环境保护等为主体的地浸采铀技术体系。

2 我国地浸采铀技术主要成果

2.1 可地浸铀资源评价技术

通过多年地浸采铀现场试验工作，开发出了 “铀矿地浸开采评价专家系统”(ESILU)、“地浸铀矿资源经济评价数学模型和计算机系统软件” (EEISLU)、 “地浸工艺信息系统” (GTSILU)等系统软件。运用这些系统软件对影响地浸采铀产品成本的各项因素作了敏感性分析，对相关可地浸砂岩型铀矿床进行了经济评价和分类，提高了我国地浸矿山现代化管理的水平。

2.2 地浸钻孔结构设计和施工工艺技术

地浸采铀钻孔是溶浸剂注入与浸出液抽出的通道也是揭露矿层的唯一工程。经过多年的研究工作，研制了地浸钻孔新型过滤器，新型孔口及配套装置，完善和改进了填砾式钻孔结构和施工工艺，通过采用大孔径钻孔结构，现场应用表明地浸钻孔的抽注液量提高了10%～20%，钻孔成井的合格率大于95%。

2.3 地浸合理井网布置与溶液集中控制技术

确定适合于矿床地质特点的井网布置是地浸采铀的重要内容。目前国内采用的井型主要有五点型、七点型和行列式井型，井距一般为25～40m，以上井型与井距在不同矿床均取得了较好的浸出效果。为了便于井场抽注液流量集中控制、操作简便和保证生产的正常高效运行，设计了一种集中控制室，实现了浸出液与溶浸液集中控制与计量，实现了自动化控制。

2.4 溶浸液配制与使用技术

我国以H2SO4为体系的酸法地浸溶浸液配制与使用方法、以CO2+O2为体系弱碱性地浸溶浸液配制与使用方法均已取得重大突破，高压水力溶氧装置和二氧化碳气化溶解装置已取得良好应用效果，与此同时还开展低酸地浸工艺的探索性试验研究。经过多年生产验证，表明针对我国砂岩铀矿资源的特点，可以大范围地选择溶浸液配制与使用技术。目前，我国是世界上唯一同时具备酸法与碱法地浸矿山的国家。

2.5 溶浸范围控制技术

溶浸剂在含矿含水层中运移需要控制在有效的范围内，避免被大量稀释或漏失，使得范围内的含矿成分与溶浸剂有效接触而无“溶浸死角”，为此目的而应用的技术方法称作溶浸范围控制技术。

经过多年的实践研究，掌握了一系列地浸采铀溶浸范围的控制技术方法，开发出了地浸溶浸范围和污染范围控制的计算模拟软件，并在新疆512矿床矿床等地浸工程中推广应用。通过对地下浸出水动力学环境和地球化学环境的优化，实现了溶浸剂在地下矿层中的合理分配，基本消除了原来的溶浸死角，溶浸剂的覆盖率可大于90%，提高铀资源回收率约2%～3%。

2.6 浸出液回收工艺和设备

针对酸法地浸工艺，新研制出了密实移动床、新型大孔树脂、低浓铀在线分析仪等，开发和采用流态化沉淀和饱和再吸附等新工艺，应用效果良好。针对CO2+O2为体系弱碱性地浸工艺，研究开发了大直径高流速固定床、酸化老化沉淀、浸出液自行转型树脂、反渗透处理高浓度转型废水以及沉淀母液再生淋洗剂技术，适应地浸浸出液浓度低、流量大的特点，多项技术取得了国防发明专利。

2.7 地下水污染的防治技术

在库捷尔泰铀矿床浸出结束的采区，主要开展了地下水抽除法、自然净化法地下水恢复治理工作。在松辽盆地钱家店铀矿床主要采用反渗透法预防地下水发生污染。从目前取得的效果来看，采用这些方法进行地下水污染防治是可以满足环保要求的。

2.8 自动化控制系统的研制

根据地浸采铀的工艺流程，研制应用了配套的自动监控系统，该系统采用了先进的远程遥控和自动调节功能，具有形象、动态的井场生产工艺流程图和友好的用户界面，能够进行完备的相关数据采集，能够完成生产历史数据的记录和保存，进行报表曲线绘制和打印输出，实现了对抽注孔和抽注总管的流量、压力、及其溶液pH值与Eh的自动监测，相关水冶配套设备实时运行状态监测，集液池、配液池液位显示与报警，配酸配气的自动化及对潜水泵自动连锁保护。通过自控系统的研制和应用，将地浸采铀工作进一步从复杂、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高了生产效率。

3 我国地浸采铀技术与国外技术的比较

3.1 矿山生产规模与效率

与国外的地浸采铀矿山相比，我国地浸采铀矿山的生产规模较小。2006年， 哈萨克斯坦的Akdala地浸矿山产铀1000t，美国的Highland-smitch地浸矿山产铀786t，Crow Butte地浸矿山产铀318t，澳大利亚Beverley地浸矿山产铀699t，均比我国地浸矿山规模大。由于我国铀矿山生产规模小，限制了我国地浸技术和生产管理技术水平的提升，导致了生产成本高，劳动生产率低。据报道，美国人均劳动生产率已达到10.0tU3O8/人·a以上，但在国内，地浸矿山劳动生产率仅为0.5～2.0t U3O8/人·a。

3.2 钻孔工艺技术

3.2.1 钻进效率与钻孔成本

在30多年的地浸采铀研究、试验和生产中，国内地浸铀矿钻孔施工效率一直没有取得突破性进展，一般情况下为50m/d，主要原因钻机能力所致。美国、哈萨克斯坦、澳大利亚等国家的地浸钻孔钻进效率高、钻孔成本低，在这些国家单台钻机进尺可达约100m/d，国外地浸工艺钻孔成本约60～80美元/m，国内地浸工艺钻孔成本约70～100美元/m。

3.2.2 钻孔逆向注浆与钻孔套管切割

我国目前地浸工艺钻孔施工封孔采用的注浆方法为正向注浆，即将水泥浆从上向下注入。这种方法不足之处是容易产生混浆段，其封孔质量无法保证。美国地浸铀矿采用了逆向注浆成孔工艺，该方法是将水泥浆从套管预留孔注入孔壁与钻孔套管间的环形空间，从下往上排挤掉泥浆，直至上升到地表，该注浆工艺可有效的避免产生混浆段。

美国的地浸矿山在钻孔施工中，为保证钻孔质量将钻孔钻穿矿层部位至终孔深度，然后全段下入套管，然后在井内注水泥浆，在其固结后用切割刀具将矿层段的套管和水泥一并切掉，将可更换式过滤器下入即可。该工艺将注浆水泥、套管、孔壁紧密黏结可确保溶液不扩散至上下含水层。

3.2.3 钻孔清洗与过滤器的更换

为解决在生产过程中过滤器常发生堵塞的问题，需要经常清洗钻孔。地浸矿山单个采区的生产期需3～5a时间，地浸钻孔清洗平均1次/a。特别是在碱法地浸矿山，碳酸盐的结垢会影响过滤器工作性能，使得过滤器工作寿命缩短。单独依靠对钻孔的清洗解决过滤器堵塞问题影响生产，且产生了大量的废水。更换过滤器是有效的途径，既节省时间又减少废水排放。

3.3 卫星式浸出液处理技术

随着地浸采区扩大，地浸井场管线不断延伸，动力消耗与损失逐渐增大，输液管线管径和强度也逐渐提高，美国地浸矿山为了解决该问题，采用了分散吸附集中淋洗的地浸工艺。即地浸浸出液在分散的小型卫星厂进行吸附，当离子交换树脂饱和后，运至中心处理厂处理，在中心处理厂处理好的贫树脂返回分散的卫星吸附塔。

采用卫星式浸出液处理技术，除了解决单个矿床地浸井场延伸带来的问题外，还可以避免在相邻每一个矿床都建设浸出液处理厂，减少投资，提高工作效率，这也是国外地浸矿山劳动效率高的原因之一。

目前，我国已建成4座地浸矿山仍采用集中吸附集中淋洗浸出液处理方式，对于现有生产规模而言，产生的问题尚不十分突出，但随着大基地建设，单座矿山产能的增大，卫星式浸出液处理工艺技术有必要进行研究。

3.4 地浸专用设备

尽管我国地浸采铀已具备10多年生产经验，但在地浸设备和材料方面，缺少统筹考虑，每个矿山采用的设备和材料型号差异性较大，缺少统一的标准，研制出的相关专用设备不具备大规模生产的条件。一些国外地浸采铀国家研制开发出了地浸铀矿山配套的专用设备和装置，如潜水泵专用提升与下放设备、树脂转移专用运输车、射孔设备、套管井下切割设备、各类井型专用管材等，基本实现了地浸生产的现代化，提高了劳动生产效率。

我国也开始进行该方面的研究工作，在松辽盆地某铀矿床研制了标准的集中控制室，对井场抽液管和注液管型号、管道连接方式等进行统一，但与国外标准型矿山相比还有一定的差距。

3.5 地下水污染治理

美国地浸矿山建设时对地下水环境影响评价较为苛刻，长期只采用CO2+O2浸出工艺，在地下水治理方面，主要采用清除、反渗透和还原沉淀三种方法，反渗透废水采用深井注入。目前美国各矿山地下水治理时，地下水的抽出处理量约为6个孔隙体积数。其中地下水清除1～3个孔隙体积数，反渗透处理-再注入1～5个孔隙体积数，后加H2S还原沉淀重金属，Christensen矿和Highland 矿都采用这种方法治理地下水。结果表明，地浸生产对环境没有严重影响，而且地下水治理费用可以接受。

哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦和俄罗斯等独联体国家均采用酸法地浸，浸出结束，主要采取自然净化化进行地下水治理。在乌兹别克斯坦南 Букинай矿床1968年开始地浸开采，1975年资源回收率达到84%。为探索地浸矿山在开采后地下水中污染物迁移状况，对10号矿体进行监测。11年的监测证实，采区盐扩散面积减小到原来的56.4%，含盐类的总量减少到原盐量的28.1%。

我国地浸矿山地下水治理主要采取了地下水监测和影响范围控制和自然净化的方法。随矿山开采的进行，不断有采区退役，国家对环境保护的要求日益严格，地浸矿山地下水治理有必要进一步加强。

4 我国地浸采铀技术发展的主要任务

4.1 以基地建设为中心，做好前期试验工作

铀矿采冶领域将紧紧围绕着大基地建设开展工作，集中以伊犁盆地、吐哈盆地、二连盆地、鄂尔多斯盆地、松辽盆地等铀资源开发研究为突破口，建成新疆和内蒙古两个地浸铀矿基地，使地浸采铀产能规模逐步达到国内天然铀产能的50%以上。

4.2 加强地浸采铀基础理论研究

我国在有关地浸采铀的基础理论研究环节较为薄弱。开展基础理论的研究可提高地浸采铀的理论水平，有效的分析、揭示、预测地浸采铀过程中的内在规律，加强我国现有实验室基础科研能力建设，加快可模拟现场采铀精密装备的研制，协调理论研究与生产试验现场相结合，使现场生产试验中的现象和问题得到合理解释都具有重要的指导意义。

4.3 加强复杂砂岩型铀矿资源技术攻关

根据我国砂岩型铀资源的特点，地浸采铀技术研究今后十年工作目标是：以铀矿基地建设为核心，为铀矿基地工程建设提供可靠技术参数和技术保障，重点解决复杂形态砂岩型铀矿、大埋深砂岩型铀矿、高矿化度砂岩型铀矿、高碳酸盐含量砂岩铀矿、多层砂岩铀矿、低渗透砂岩型铀矿和含矿含水层大厚度等复杂砂岩型铀资源技术问题。

4.4 加强新材料、新设备的研究和标准化矿山建设

低浓度、大流量地浸采铀典型特征，简化工艺操作流程，降低生产工艺成本，努力实现工艺废水的零排放是研究发展方向。为此，应加强对高强度轻质钻孔套管、新型高效吸附材料、高强度高压力抗腐蚀的溶液输送管材、高效率过滤材料和反渗透膜等新材料研究与应用。针对我国可地浸砂岩铀矿床自然赋存条件变化大，矿体规模小、较分散的特点，重点研制大通量固定床离子交换和高效沉淀设备，同时，研制可自由装卸树脂的离子交换塔。

4.5 加强地浸高级人才的培养

按照中核集团公司“科技兴核、人才强企”战略，砂岩型铀资源开发重点靠人才，特别是高级地浸人才。目前，地浸采铀科研设施和技术人员主要集中少量研究院所和企业中，分布不均衡。面对这种情况，首先要协调研究院所与企业科研人员的资源，加大研究院所基础研究和企业技术创新工作，使两者互动；其次要加大人才培养和交流，鼓励研究院所研究人员到企业发展，企业技术骨干到研究院所从事基础研究，最后逐步形成一支开拓进取、实践能力强和具有创新精神的人才团队；三是建设现场试验平台，推动科研、项目建设相互促进，建立科技创新体系。

4.6 加强地浸过程伴生元素的回收研究

在伊犁盆地铀矿床酸法地浸采铀浸出液中和松辽盆地钱家店铀矿弱碱性地浸采铀浸出液中，均发现了伴生元素铼的浸出。该元素与铀一起同时被浸出而转入溶液中，由于浸出液铼浓度极低，只能通过吸附后在离子交换长期积累，才能在树脂中分析检测到。检测的结果表明，铀淋洗回收并不影响铼金属在树脂中的积累。目前铼的价格为6000～7000万元/t，具有回收价值，铼伴生元素回收工艺于20世纪80年代在独联体一些地浸铀矿山已经得到成功应用。我国对砂岩型铀矿床中伴生元素的回收工艺研究工作才刚刚起步，需要加强对相关伴生元素的研究，以提高资源综合利用水平。

4.7 加强地浸结束后地下水治理工作

在我国地浸铀矿山中，已经存在退役或即将退役的井场采区和试验矿山。由于地浸采铀过程中，不可避免地改变了含矿含水层地下水的原始地球化学环境，因此，今后地浸采铀研究有必要对已退役的试验矿山或采区进行地下水污染治理工作。通过地下水治理研究，使井场退役后地下水达到规定的标准，同时，积累酸法地浸和碱法地浸地下水治理成功经验，逐步建立了相应的地浸矿山环境保护和指标控制体系，为新的地浸采铀工程提供地下水防治技术保障和技术方案。

5 总结

以地浸采铀大基地建设为核心，对目前已经基本具备开发技术条件和试验基础的砂岩型铀矿床进行前期试验研究，加强关键技术攻关，最终建成世界一流的地浸矿山，新增一定的天然铀生产能力，使我国砂岩型铀资源地浸采铀产能比例提高至50%以上，同时，大幅度降低天然铀矿提取的成本，大幅度提高劳动生产率，改善我国天然铀生产结构，使地浸采铀技术达到国际先进水平。

[1]曾毅君，张飞凤，王廷学，等.我国硬岩铀矿资源开发的技术基础及研究前景[J].铀矿冶，2005,24(1)：1-5.

[2]阙为民，王海峰，田时丰，等.我国地浸采铀研究现状与发展[J].铀矿冶，2005,24(3)：113-117.

[3]王海峰.地浸采铀技术在我国应用中存在的问题[J].铀矿冶，2008，27(3)：112-117.