地浸铀矿山浸出速度的影响因素

张 渤，季扬威，李喜龙，孙希龙，孙 祥

(中核通辽铀业有限责任公司,内蒙古 通辽 028000)

在现有铀价格较低的情况下，地浸采铀以成本低、绿色环保、资金投入少的特点，已被成功推广应用[1]。地浸采铀成本低是一个相对的概念，在地浸铀矿山实际生产过程中，随着铀资源的开采消耗，为完成生产指标，往往采用增加新采区、提高浸出剂浓度等方式进行开采；但这只能在表面上解决了矿山生产问题。详细划分到每个采区，铀资源生产成本相差悬殊，个别采区甚至出现经济亏损的情况。因此，如何在最短时间内使地浸铀资源生产最大化，如何控制地浸采铀浸出速度，是地浸采铀矿山面临的实质问题。笔者以内蒙古某地浸铀矿山试验采区为例，分析浸出速度的影响因素，为铀资源的回收利用提供技术支持。

1 内蒙古某地浸铀矿山概况

1.1 铀矿山生产现状

内蒙古某地浸铀矿山于2013年开始试验，投入8组浸采单元，采用O2+CO2浸出工艺，O2质量浓度起始加注标准为400 mg/L，CO2质量浓度起始加注标准为200 mg/L。井型采用“七点型”和“五点型”2种形式[2]，如图1所示。

目前该矿区已累计运行64个月，液计采区浸出率为155.0%，根据浸出阶段划分，该采区处于

浸出末期。通过分析浸出率变化情况，在开始浸出阶段，随着浸出剂运移至抽出井，地下水中本底的铀和化学反应浸出的铀共同被采出，铀浸出率增长幅度较大，铀的回收速度也快速上升；在稳定生产阶段，铀的浸出主要以化学反应为主，含铀矿物表层的铀参与浸出，浸出率增长幅度最大，采区单位时间内生产能力已达到最大，铀的回收速度相对稳定；在产能下降阶段，随着含铀矿物表层的铀被消耗，逐渐转为含铀矿物内扩散浸出，浸出率增长幅度呈现缓慢下降的趋势，铀的回收速度逐渐降低，导致拖尾时间较长。采区月铀浸出率和累计铀浸出率与时间的变化关系如图2所示。

由图2可见，随着生产的运行，浸出率增长幅度逐渐平缓且逐渐下降，说明铀的回收率呈下降趋势。在浸出过程中的电耗、原材料消耗都相同的情况下，铀的回收率下降必然导致生产运行成本提高[3]。

1.2 浸出速度与时间的关系

浸出液铀浓度可以直接反映铀浸出速度的快慢，在C1采区生产过程中，因钻孔投入运行的时间不一致，由于低浓度钻孔浸出液稀释，造成前期铀质量浓度波动，如图3所示。

由图3可见，不同钻孔铀质量浓度上升的持续时间不同，单孔铀质量浓度峰值前后不一致，稳定期较短；并且在铀质量浓度下降过程中，大多数单元呈现阶梯式下降，下降拖尾较长。随着采区生产能力降低，目前国内地浸铀矿山普遍采用增加新采区投入、增加备采资源量的方式，减缓生产成本上升；但这种方式不能彻底解决生产问题，而且易造成部分铀资源得不到有效利用。

2 浸出速度的影响因素

2.1 浸出剂浓度

在浸采初期，浸出剂中具有氧化作用的离子浓度未饱和，铀的浸出速度与浸出剂浓度成正比。在技术经济指标受控的条件下，浸出剂浓度越高，铀的浸出速度越快；浸出剂浓度越低，铀的浸出速度越慢。当浸出剂中具有氧化作用的离子浓度饱和后，浸出剂浓度对浸出速度的影响逐渐减小。对本研究铀矿山，当浸出液中浸出剂浓度达到15～20 mg/L时，铀的浸出速度达到最大。

2.2 含矿砂体特征

假设含矿砂体为粒度均匀的岩石，砂体粒度越小，有效孔隙度越大，铀矿物与浸出剂接触越充分，浸出速度越高。在地浸铀矿床中，含矿砂体以粗砂岩、中砂岩、中细砂岩、细砂岩、粉砂岩为主，不同岩性交替沉积，并且孔隙被石英、岩屑等物质充填。实际生产过程中，在浸出剂浓度一定的情况下，含矿砂体结构越致密，浸出剂与含铀矿物的接触面积越小，铀的浸出速度越慢。

2.3 含矿含水层特征

地浸铀矿山根据矿床成因不同，含矿含水层特征也各不相同。目前中国地浸铀矿山的地层结构通常具有稳定的泥-砂-泥结构，含矿砂体受上、下泥岩隔水层控制。通常铀赋存的含矿含水层为非均质状态，铀矿层渗透性与围岩渗透性存在差异，当铀矿层渗透性小于围岩渗透性时，浸出剂大量消耗在围岩上，同时造成浸出液稀释。在同一含水层中，铀矿体一般呈现多层分布，浸采矿体厚度小于含水层厚度，当单层浸采矿体厚度越接近局部含水层厚度时，越有利于铀的浸出。

2.4 钻孔垂直度

地浸采铀矿山钻孔是实现浸出剂加注和浸出液提升的唯一通道。在矿山开采设计阶段，钻孔根据矿体形态按规则井型排列[4]，但是在钻孔施工中难以控制钻孔垂直揭露矿体。钻孔水平偏移量是衡量钻孔垂直度的指标，通常以每百米偏移量表示。根据铀矿山钻孔井型、井距及矿体深度的不同，钻孔水平偏移量验收标准也不同。以内蒙古某地浸铀矿山为例，钻孔水平偏移量验收指标为1.5%，井距为30 m，孔深为400 m，2个钻孔在孔底的允许最小水平距离为18 m，允许最大水平距离为42 m。根据群孔抽注特征，在抽出井和注入井之间，孔底水平距离越小，浸出剂向抽出井运移越容易，造成浸出速度越不均匀。

2.5 地下水流场

大部分地浸铀矿山含矿含水层为层间承压水，含水层主要补给来源为侧向径流，地下水流向与矿体走向基本一致。地浸采铀改变了局部地下水流场特征，在采区范围内，形成以抽出井为中心的人为流场。为避免含铀液体向非含矿含水层运移，抽水量略大于周边补给量。对于渗透性较小的含水层，抽出井和注入井的水量差异较大，并且生产过程中的化学沉淀物和微颗粒运移都会影响钻孔出水量。因此，采区内地下水流场随钻孔水量变化而动态变化，当周边钻孔补给量大于等于抽水量时，造成地下水稀释，影响浸出速度。

3 浸出速度的控制措施

3.1 加强采区水文地质试验研究

随着生产运行，地浸铀矿山主矿体资源量逐渐减少，逐步转为开采次要矿体，甚至到矿山生产末期，需要开拓周边零散矿体。但是，在平面和剖面上，次要矿体或零散矿体的发育区域和层位往往不同，矿体水文地质特征也存在差别。在地浸铀矿山勘探设计阶段，主要针对可利用矿体开展了水文地质试验，概略论述矿床的水文地质特征。以内蒙古某地浸铀矿山为例，根据地质勘探报告，在约10 km2范围内，布置7组水文试验单元，获取主矿体含矿含水层的渗透系数近似为0.1～1.0 m/d，属于低渗透性矿床，最大渗透系数与最小渗透系数之间相差一个数量级。因此，勘探设计阶段获取的水文地质参数难以替代独立采区的水文地质参数。在采区投入运行前，有针对性地开展局部水文地质试验，不仅能够更准确的获得每个采区的水文地质特征，还可以为矿山浸出生产提供依据。

3.2 完善工艺钻孔资料数据

地浸铀矿山工艺钻孔的主要作用是探采结合，在探矿的基础上，实现铀资源生产。国内地浸铀矿山往往忽略了工艺孔也具有勘探孔的作用，钻孔只保留了钻孔成井及见矿情况相关的资料；但是作为勘探孔，钻孔岩芯资料严重缺失，导致在生产过程中，只能利用详查或勘探阶段的钻孔资料，分析采区地质、水文地质、铀资源状况变化情况。因此，在工艺钻孔施工阶段，在开拓采区范围内选取钻孔进行岩芯取样编录，并作为档案资料留存，以便为采区生产、浸出模拟提供资料支持。

3.3 加强浸出剂加注控制

地浸铀矿山浸出是一个复杂的多相反应过程，铀的浸出主要分为外表面浸出阶段、内扩散浸出阶段和铀的运移阶段；表面浸出和内扩散浸出速度均受浸出剂浓度影响。生产过程中，浸出剂的加注以单孔注液量为参照标准，当单孔注液量为2.5 m3/h时，浸出剂加注质量浓度为280 mg/L。根据生产实践经验，当单孔注液量小于1.0 m3/h时，受浸出剂计量仪精度的影响，无法实现浸出剂精准加注，并且容易造成气堵。目前内蒙古某地浸铀矿山采用低流量钻孔并联的方式，多孔集中加注浸出剂，不仅解决了低流量钻孔浸出剂加注困难的难题，而且避免了产生气堵现象。

3.4 优化钻孔结构

在低渗透性铀矿床，为保证抽注平衡，降低地下水稀释影响，往往采用“七点型”井型布置。这种井型具有较高的可变性，能够根据生产需要改变为“行列式”、“多点式”等不同井型。因此，需要钻孔结构能够适应井型的变化，主要是能够实现抽出井和注入井功能的互换。浸出剂由注入井进入矿层，在注入井周边浸出剂与矿层反应最充分，随着浸出剂在矿层内的运移，浸出剂与矿层发生化学反应被消耗并且受地下水稀释的影响，浸出剂浓度逐渐降低，通过调整抽注钻孔功能，以保障生产浸出。

3.5 加强溶浸范围控制

为将浸出液有效运移至处理车间，需要在含矿含水层内建造人工流场，避免浸出液向非含矿含水层扩散。人工流场的水力梯度取决于抽液量大于注液量的程度，决定了浸出剂的流动速度[5]。根据地下水动力学基本原理，地下水总是由高水头区向低水头区流动。矿山生产过程中，采用抽出水量大于注入水量的方式，在含矿含水层内形成局部降落漏斗；为了形成完整浸出单元，在采区外围往往采用注液钻孔进行封边，这难以避免浸出剂的稀释和扩散。地浸铀矿山根据钻孔布置形式，采区周边适当布置抽出井，这类抽出井布置方式虽然因未形成完整浸出单元而造成地下水稀释；但是可以在保证抽注平衡的情况下，通过对抽出水量和注入水量的调控，最大限度降低浸出剂的稀释和浪费，同时增加浸出剂与铀矿石的接触时间，提高浸出速度。

4 结语

在地浸铀矿山生产过程中，铀的浸出速度是衡量矿山经济可行性的重要指标，是铀矿山可持续发展的关键。目前国内对地浸铀矿山浸出速度的研究较少，必须从生产实际出发，实现对铀浸出速度的控制，应加强区域水文地质试验研究，为铀的浸出提供技术支持；优化铀的浸出生产条件，实现对铀浸出速度的合理控制；并通过加强溶浸范围控制，有效控制生产材料消耗。