高庙子膨润土矿勘探与钠基膨润土开采

谢敬礼，曹胜飞，高玉峰，马利科，刘月妙

(核工业北京地质研究院，北京 100029)

高水平放射性废物简称高放废物，含有大量毒性大、半衰期长的放射性核素，释热量大，环境风险高，需要高程度的包容和隔离措施以保护人和环境不受其危害。如何实现高放废物的安全处置，是一个世界性的难题。目前，深地质处置被认为是合理可行的高放废物处置方案，世界各有核国家对此开展了大量研究工作。深地质处置的目标是通过在距地表深达500～1 000 m的稳定地质体中建设高放废物处置库，实现高放废物的最终安全处置，使其永久与人类生存环境隔离[1]。高放废物处置库一般采用“多重屏障”的设计理念，废物体、包装容器和缓冲回填材料称为“工程屏障”，处置库围岩称为“天然屏障”。

作为工程屏障的重要组成部分，缓冲回填材料的主要作用是封闭近场岩石中的裂隙及废物包装容器与围岩之间的空隙，阻滞核素迁移，阻止和延缓地下水接触废物体，缓冲围岩压力对废物包装容器的影响，传导废物衰变热[2]。以蒙脱石为主要成分的膨润土因具有高膨胀性，低渗透性，对核素的强吸附性和对核素迁移的迟滞性，化学和热稳定性等优良性质，被认为是合适的缓冲回填材料[3]。

我国高放废物地质处置库缓冲回填材料研究从20世纪80年代开始。根据矿床储量、矿石质量、开采条件、交通状况等条件对全国膨润土矿床进行了调查和筛选，确定内蒙古兴和县高庙子膨润土矿为我国高放废物地质处置库缓冲回填材料的首选供给矿床[4]。近十几年来，核工业北京地质研究院、同济大学、上海大学、兰州大学等国内科研院所和高校对高庙子天然钠基膨润土GMZ001(GMZ01)的膨胀性、渗透性、导热性、压实特性、化学缓冲特性、添加剂、热-水-力耦合长期性能等各项性质开展了大量室内试验和数值模拟研究[5-11]，总体来说，高庙子钠基膨润土性能优良，部分性能参数优于国际上其他用于高放废物地质处置的膨润土材料。

随着研究工作的深入，试验样品用量越来越大，尤其是核工业北京地质研究院2010年使用2 t膨润土组装运行了我国首台高放废物地质处置缓冲材料热-水-力-化学耦合大型试验台架[12]，早期开采的钠基膨润土GMZ001(GMZ01)消耗殆尽，亟需开采新的钠基膨润土样品以供未来5～10年国内缓冲回填材料研究使用。

综合考虑开采量、开采条件和成本、矿石质量、矿权所有人意愿等多方面因素，选定两个拟开采位置，施工3个勘探孔揭示和验证矿层深度、厚度，矿石质量以及开采条件。通过竖井开采和露天开采两种方式经济性、合理性的对比，最终确定在埋深浅、矿石质量稍差的ZK2401附近使用露天开采的方式施工，开采出的矿石可通过加工、提纯提高指标参数(主要是蒙脱石含量)，以达到与GMZ001(GMZ01)相当的水平。本文介绍了勘探孔施工和天然钠基土开采过程，以及样品初步粗加工效果。

1 矿床概况及开采利用情况

1.1 矿床概况

高庙子膨润土矿床位于晋、冀、内蒙古三省(区)交界处，交通便利，京藏高速公路从矿区穿过。矿区大部分在内蒙古自治区乌兰察布市兴和县高庙子乡境内，面积72 km2。矿区地形为低山丘陵区，相对高差50～100 m。膨润土储量1.6亿t，其中3/4为钠基膨润土[4]。

矿区内共有5层膨润土矿层产出，自下而上依次编号为0矿层、Ⅰ矿层、Ⅱ矿层、Ⅲ矿层、Ⅳ矿层，均呈层状产出，层位稳定，构造形态简单。其中以Ⅲ矿层规模最大，而且蒙脱石含量高，矿石质量好，是主要工业矿层。根据勘探资料，Ⅲ矿层全长约8 150 m，埋深最浅可出露地表，最深达200多米。矿层厚度变化较大，从最薄处4～5 m，到最厚处近30 m[13]。GMZ001(GMZ01)即采自Ⅲ矿层，蒙脱石含量70%以上，自然风干后粉碎，过200目筛，试验时根据需要将粉末压制成不同形状和密实度。

矿区处于干旱地区，地质构造和水文地质条件简单。工程地质条件复杂程度中等，矿层倾斜，逐步向深部延伸，深部矿体需用井巷工程来开采；岩石较松软，井巷支护费用高。

1.2 开发利用情况

高庙子膨润土矿床未进行过大规模开发利用。近年来，该矿床主矿区由私人公司承包，对矿床的开发仅限于在露头处零星开采表层钙基土，开采方式为露天开采，开采期一般为下半年，开采量小，年产数万吨，主要用于生产膨润土防水毯、球团土、铸造土等产品。天然钠基膨润土由于埋深较大，一直未开采。

2 勘探孔施工

根据掌握的勘探资料，Ⅲ矿层最大厚度分布在8～24勘探线之间，出现有两个高峰区，其最厚的中心区分别位于钻孔ZK1603和ZK2403附近(除本次施工的3个勘探孔ZK1602-2、ZK2401-1、ZK2401-2外，其余钻孔均为早期矿床勘察时施工和编号)；而钠基膨润土自然改型界线具地表最浅处在ZK2401，仅23.19 m[13]。因此，选定ZK1603附近区域作为竖井开采的位置，ZK2401附近区域为露天开采位置，分别施工1个深钻孔(ZK1602-2)和2个浅钻孔(ZK2401-1、ZK2401-2)，对钻孔所揭露的矿层厚度、倾角、矿层及顶/底板的岩石工程级别、矿石的特性等进行测量和评价，结合开采成本、矿权所有人意愿等因素，确定开采位置和方式。

2.1 ZK1602-2勘探孔

ZK1602-2勘探孔在第16勘探线钻孔ZK1602和ZK1603之间，垂直孔，终孔深度129.32 m，穿透第Ⅲ膨润土矿层。整孔孔径为89 mm，岩芯直径为70 mm，泥浆钻进。

除表层的黄土层未取到岩芯外，取出的岩芯立即照相和编录，使用木质岩芯箱存放；岩芯按顺序摆放，断口相接。基岩厚度为109.79 m，岩芯长为78.59 m，整体岩芯采取率72%。

从岩芯编录数据看，ZK1602-2勘探孔0～19.53 m为第四系腐殖土和黄土层，19.53～40.3 m为砂岩、砾岩全风化带，40.3～50.27 m为砂岩强风化带，50.27～94.45 m为砂岩、砾岩弱风化带，94.45～119.36 m为膨润土矿层，厚24.91 m，119.36～129.32 m为砾岩新鲜岩石带。

根据钻孔勘探情况，第Ⅲ矿层膨润土呈杂色，有白、黄绿、灰绿、紫红、棕等色(图1)。根据结构构造及物质成分划分为泥质、粉砂质、砂质、砂砾质及角砾质膨润土等自然类型及其过渡类型，其原岩应为沉凝灰岩夹凝灰岩。Ⅲ矿层顶板围岩为黄褐色、紫红色砾岩夹砂岩，粗细相间，韵律分明，近矿部分有0.5 m左右的厚度由紫红色退色为灰绿色，是见矿的标志。底板围岩为暗紫红色砾岩，结构粗细相间，韵律分明，与矿层接触处有1 m左右的厚度退色为灰绿色。

上述特征与已掌握的矿床勘探资料基本吻合，说明该区域矿层比较稳定。

依据岩芯的深度及颜色不同，采集膨润土样品22个，进行X光衍射矿物成分分析、吸蓝量和主要可交换阳离子测定， 结果见表1。测试结果显示，勘

探孔样品的蒙脱石含量变化较大，大多在50%以上，含量最高的达到70%以上。经与岩芯对比，蒙脱石含量最高的矿石为白色和灰白色泥质膨润土，层状、薄层状微层理结构。这种矿石是矿区内最优质矿石，多分布在Ⅲ矿层中上部，厚度小。就钻孔ZK1602-2来说，厚度约为1.5 m。

另外，ZK1602-2勘探孔膨润土样品的Na+含量高，碱性系数全部大于1，大部分达到2以上，可确定为钠基膨润土。

图1 ZK1602-2部分岩芯照片

表1 ZK1602-2勘探孔膨润土矿石参数表

深度/m矿物成分/%蒙脱石云母沸石石英方石英长石吸蓝量/(g/100g)离子交换性质/(mmol/100g)CECEK+ENa+E1/2Ca2+E1/2Mg2+94.162.40.00.010.70.024.228.3162.720.7142.9414.992.795.366.40.00.08.00.025.629.5966.641.0245.1115.112.7296.371.60.00.01.622.14.734.1476.20.7847.0218.347.1497.675.80.00.01.123.10.034.7878.890.6449.4318.667.2298.567.60.00.02.929.50.029.5965.170.7941.9113.985.8499.557.20.07.14.318.213.231.1969.090.6945.2615.654.86100.962.54.27.64.716.14.930.370.070.746.9412.55.4101.751.00.09.76.118.314.925.5969.580.8948.1812.464.59102.945.20.017.85.216.415.421.1976.440.8558.749.782.5103.933.70.022.65.810.218.916.7985.261.368.5710.521.62104.229.50.027.75.99.620.813.3186.731.2572.028.951.36106.855.30.08.96.411.513.827.5972.520.8150.712.344.56108.741.60.015.85.513.420.120.7974.931.0656.1211.483.8109.752.30.00.010.513.121.723.1955.860.9938.3710.574.17110.253.212.00.05.38.918.025.7961.980.8339.8211.484.68111.345.47.511.77.710.614.922.3962.740.9545.969.833.23112.452.14.60.08.814.415.625.5963.70.6743.7310.834.39113.359.66.60.017.30.016.522.3954.390.7335.1210.944.38114.657.45.50.017.60.017.825.7959.040.636.4812.94.97115.954.16.80.015.60.021.823.9952.920.7837.6111.291.97117.255.36.30.012.60.024.625.5954.880.9138.1712.12.6118.143.820.00.014.40.021.822.1946.061.7829.799.422.8

数据测试单位：国家建筑材料工业地质工程勘查研究院测试中心。

2.2 ZK2401-1和ZK2401-2勘探孔

在第24勘探线钻孔ZK2401附近施工的两个勘探孔，孔号为ZK2401-1、ZK2401-2，均为垂直孔。ZK2401-1终孔深度53.87 m，ZK2401-2终孔深度50.4 m，穿透第Ⅲ膨润土矿层。孔径91 mm，岩芯直径约70 mm，泥浆钻进。部分岩芯照片见图2。

图2 ZK2401-1部分岩芯照片

依据岩芯的深度及颜色不同，每一钻孔各采集样品10个，进行X光衍射矿物成分分析和主要可交换阳离子测定，结果见表2。根据样品测试结果和编录数据，ZK2401-1：15～30 m为钙基/钙镁基膨润土，30～44 m为夹石层，44～49 m为钠基膨润土；ZK2401-2：11.5～26 m为钙基/钙镁基膨润土，26～38 m为夹石层，38～48 m为钠基膨润土。该位置钠基膨润土蒙脱石含量较ZK1602-2最优质矿石稍差，但也达到50%左右；矿层埋深浅，厚度不大，但考虑到本次开采量小，适合露天剥离开采。

从表2数据还可看出，两钻孔样品阳离子交换容量多在50～75 mmol/100g之间，夹石层中沸石含量较高。如以蒙脱石含量及碱性系数来判断，夹石层也是钠基膨润土，但其硬度、颜色等性状与常见钠基膨润土有明显差别，可留待进一步研究。

表2 ZK2401-1、ZK2401-2勘探孔膨润土矿石参数表

数据测试单位：国家建筑材料工业地质工程勘查研究院测试中心。

2.3 勘探孔施工结果

通过3个勘探孔的施工可以看出，高庙子主矿区8～24勘探线的膨润土矿石质量较好，层位稳定，与已掌握得资料相符。Ⅲ矿层厚度大，基本未开发利用，可以保证在今后几十年或更长时期作为高放废物处置缓冲回填材料长期稳定的供给。

ZK1602-2钻孔资料显示，该位置膨润土埋深95 m左右，矿层厚度大，上部有蒙脱石含量达到70%以上的优质膨润土，不经提纯即可使用。但矿层顶、底板为较软的砂岩、砾岩，需支护。ZK2401附近钠基膨润土埋深为40 m左右，适合露天开采，矿层厚度不大，矿石质量稍差，开采后需提纯。

综合考虑以下因素，决定在ZK2401附近使用露天开采的方式采集钠基膨润土样品。

1) 本次计划开采钠基膨润土矿石50 t，开采量小，适合使用成本较低的露天开采方式。

2) 竖井开采支护困难，维护费用高；本次开采后，后续利用价值较低。

3) ZK2401矿层上部为优质钙基膨润土，可综合利用。

4) 矿权所有人现有的技术能力及人力物力不能保证竖井开采的正常施工。

3 钠基膨润土露天开采

选定开采位置后，使用挖掘机、推土机等机械设备，首先平整运输道路和废石堆放点，随后剥离地表黄土并修整边坡。剥离出的钙基/钙镁基膨润土可自然风干后加工钠化土。

最终形成的采场最深处约46 m，加上边坡的高度，总开挖深度达到60多米。从地面向下，黄土层厚10～12 m，钙基/钙镁基膨润土层厚约15 m，夹石层厚14～16 m，钠基膨润土厚度3～4 m，与勘探孔揭示的资料基本一致。

4 钠基膨润土初步提纯与粉末加工

开采出的钠基膨润土进行分批晾晒，并对砾石、粉红色夹石等杂质进行了初步人工去除。经过晾晒的钠基膨润土含水量在10%左右，有利于粉碎加工。

晾晒完成的矿石基本都崩解为直径小于8 cm的碎块，使用8 cm的筛网将大土块和不能崩解的较大砾石进行筛分，较大土块进行人工破碎，砾石等杂质二次去除。筛分后的细粒矿石使用雷蒙磨粉碎至200目，在此过程中部分硬度大、密度大的杂质进一步除去。

随机取3组经初步提纯加工后的粉末样品，进行了物质成分和阳离子交换量检测，结果见表3。

表3 高庙子钠基膨润土粉末参数表

数据测试单位：国家建筑材料工业地质工程勘查研究院测试中心。

与ZK2401-1和ZK2401-2的原状钠基膨润土矿石相比，经初步人工提纯和加工的膨润土粉末，其蒙脱石含量有一定提高，但效果不明显。这是因为手选、风选等干法提纯技术主要适用于提纯蒙脱石含量80%以上的膨润土[14]。本次开采的钠基土的蒙脱石含量要达到与GMZ001(GMZ01)相当的水平，还需进行湿法提纯。

检测结果还显示，粉末样品中含有原状钠基土中未检测出的沸石，说明夹石层的部分矿石混入钠基土，露天开采过程中对不同膨润土的分类开采和存放不够精细；也可能与土层渗水，使不同层间的物质成分混合有关。

另外，粉末样品中长石的含量明显减少，说明初步的提纯加工过程对长石的去除效果较好。

5 结 论

通过施工3个钻孔，勘探对比了两个拟开采位置的矿石质量、矿层厚度、开采条件等，综合考虑其他因素后，确定使用露天开采的方式开采高庙子钠基膨润土样品，并对样品进行了初步加工和提纯，得出以下结论。

1) 高庙子膨润土矿床主矿区8～24勘探线的膨润土矿石质量较好，层位稳定，与已掌握的资料相符。

2) 钠基膨润土自然改型是高庙子膨润土矿床的显著特征，在改型界线较浅的位置可使用露天剥离的方式开采钠基膨润土样品。本次在ZK2401附近开采钠基土，耗时短，成本低，完成了开采5～10年国内高放废物地质处置缓冲回填材料试验样品的任务。

3) 仅使用干法提纯对钠基膨润土样品蒙脱石含量的提高作用有限，还需进一步对膨润土粉末进行湿法提纯。

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