塔木素铀矿床地浸开采可行性研究

雷明信，霍晨琛，陈 帅，王合祥，段晓恒，门 宏

(1.中核矿业科技集团有限公司，北京 101149;2.核工业二〇八大队，内蒙古 包头 014010)

地浸采铀是将配制的浸出剂通过注液孔注入地下，使浸出剂与铀进行充分反应，从具有一定渗透性的砂岩型铀矿石中选择性地浸出和回收铀的一种铀矿采冶新工艺[1]。与传统铀矿开采方法相比，地浸采铀具有能耗较低、作业安全、工作条件好、成本低、建矿速度快、自动化程度高、绿色环保和资源回收利用率高等优点[2-3]。近20年来，中国在地浸采铀方面进行了大量的研究，并取得了丰硕的成果[4]，先后在新疆、内蒙古建立了地浸采铀基地。在今后一定时期内，地浸采铀将是中国铀矿开采的主要技术。

1 矿床地质条件

1.1 矿床地层结构

塔木素矿床地层时代是下白垩统巴音戈壁组。下白垩统巴音戈壁组受古地貌形态控制，岩性组合表现为扇三角洲平原亚相、扇三角洲前缘亚相及湖相。矿体地质剖面如图1所示。与地层岩性段相对应可将本组由下至上分为3层(K1b2-1～K1b2-3)，中层(K1b2-2)为主要含矿含水层。

巴音戈壁组上段下层为第一岩性段(K1b2-1)，由于该岩性段层位埋藏较深，整体为灰色和深灰色的还原性碎屑岩建造；岩性以深灰色泥岩和粉砂岩为主，常见灰色中砂岩与粗砂岩构成的薄层砂体穿插分布其中。该亚段的砂岩碎屑物含量高，分选性中等，填隙物一般以泥质杂基为主。由于该亚层与上覆第二岩性段多以深灰色稳定性好的泥岩分隔，所以将该层作为矿床下部较为稳定的隔水底板。

巴音戈壁组上段中层为第二岩性段(K1b2-2)，是矿床的主要赋矿层位，同时也是含水层发育最广、厚度最大的层位。该层在矿床范围内主要发育扇三角洲前缘的水下分流河道和河口坝砂体，位于第一岩性段隔水层的上部。

巴音戈壁组上段上层为第三岩性段(K1b2-3)，岩性由褐黄色、灰绿色含砂粉砂岩、泥岩夹褐色含泥砂岩组成，其埋深35.10～307.50 m，平均厚度428 m。该层有效地阻断了中部亚层与上覆第四系含水层的水力联系，是矿床稳定的隔水顶板。

矿床范围主要为风成沙土，沉积厚度一般为10余米。

1.2 矿体(层)特征

矿床主要矿体规模相对较大，形态多呈板状，少量呈透镜状；其他矿体大多规模较小，矿体多呈透镜状，部分呈板状；除主要矿体外，矿体大多连续性较差(部分为单孔矿体，与矿体没封边有关)。矿床铀矿带总长约5 800 m，最大宽度1 550 m，平面上矿体形态总体上呈近东西向带状展布。矿体产状平缓，倾角一般3°～5°；扇三角洲前缘靠近前扇三角洲一带地层倾角较大，在10°左右。矿体埋深为162.06～646.40 m，标高为1 126.01～642.60 m。

一部分矿体靠近泥岩或赋存在泥岩中；另一部分位于砂岩中(图1)。以下仅对砂岩中矿体的地浸开采可行性进行研究。

1.3 含矿含水层岩石特征

1.3.1 含矿含水层岩石结构特征

通过对含矿含水层岩石的镜下鉴定(图2)，发现碎屑物质分选较好，均为颗粒支撑；孔隙中填充物多为方解石和石膏，且填充物中没有黏土矿物。图2-a为中砂岩，中粗粒砂状结构，石英占比55%，长石占比45%；图2-b为中砂岩，中粗粒砂状结构，石英占比43%，长石占比55%；图2-c为砂质砾岩，砂质砾状结构，砾石与砂屑占比之比为3∶2，砾石大小多为2.0～4.5 mm，砂屑由石英、长石和花岗岩岩屑组成；图2-d为中粗粒钙质富长石砂岩，中粗粒砂状结构，石英占比38%，长石占比60%，花岗岩占比2%。

从图2可看出，石英、长石颗粒均保持原始形状，没有出现次生加大和定向排列现象。说明在成岩过程中没有受到超压变形的影响，矿床砂岩属于早成岩阶段A期，原生孔隙发育，含少量次生孔隙[5]。

1.3.2 含矿含水层裂隙发育程度

矿床含矿含水层为下白垩统巴音戈壁组上段(K1b2)碎屑岩类含水岩组，对6个水文地质钻孔含矿部位的节理和裂隙进行了统计、观察和描述，结果见表1。可以看出，6个水文地质孔的过滤器段岩石裂隙发育程度低，为不发育～很不发育[6]。

表1 水文地质钻孔裂隙统计

1.3.3 含矿含水层岩石物理性质

矿床含矿含水层岩性以砂岩、砂质砾岩为主，测试了44组矿床含矿含水层岩石的物理性质，试验结果见表2。

表2 含矿含水层岩石物理性质

从表2可看出，在44组孔隙率数据中，含矿含水层平均密度在2.15～2.28 g/cm3，各种岩石平均孔隙率在14.93%～19.31%。平均孔隙率大于15%的岩石超过65.9%，说明含矿含水层虽然节理裂隙不发育，但孔隙却比较发育。孔隙发育程度决定岩土储水能力，在一定条件下，还控制着岩土滞留、释出和传输水的能力[7]。因此，该矿床含矿含水层储水率大，地下水丰富，涌水量大。

2 矿床水文地质条件

2.1 地下水埋藏条件及承压性

矿区地势总体北西高、南东低，海拔标高1 270～1 330 m，相对高差约60 m。矿床的地层结构属典型的泥-砂-泥结构，即顶板和底板为泥岩或粉砂质泥岩，中间为砂岩、砂砾岩、粗砂岩结构，其上部覆盖平均厚度为428 m的泥岩和粉砂质泥岩。矿床范围内地下水处于封闭状态，地下水的承压水位标高在1 269～1 277 m，含矿含水层的顶板标高在900 m左右。因此，矿床地下水承压水头在370 m左右(图3)[8]，承压水头距地表深度小于10 m。

2.2 抽水试验时地下水位变化

为求得含矿含水层的渗透系数，共进行5组抽水试验，每组抽水试验由1个抽水孔和1个观测孔组成，抽水孔与观测孔的距离一般为25 m。每组抽水试验均进行3次降深，当1个抽水孔中的3次降深结束后，抽水孔与观测孔进行互换再继续试验。在进行抽水试验时，同时观测抽水孔与观测孔的动水位，抽水试验时最大水位降深观测结果见表3。

表3 抽水试验时水位降深观测结果

从表3可看出，无论抽水孔与观测孔是东西向排列还是南北向排列，在进行任何一组抽水试验时，观测孔水位均随抽水孔水位的下降而下降。这说明两孔之间含矿含水层孔隙发育，地下水水力联系密切。对10个抽水孔最大降深时的单孔涌水量进行统计，其平均涌水量为517 m3/d。

2.3 含矿含水层渗透性

通过10组抽水试验，获得了含矿含水层的渗透系数，见表4。

表4 完整井与非完整井渗透系数对照

综合表3和表4可知：含矿含水层渗透系数为0.112～0.644 m/d时，单位涌水量为0.03～0.55 L/(s·m)；完整井平均单位涌水量为0.308 L/(s·m)，平均渗透系数为0.405 m/d；非完整井平均单位涌水量为0.095 L/(s·m)，渗透系数为0.360 m/d。这说明含矿含水层内渗透性及单位涌水量不均匀。除完整井ZKH24-20与非完整井ZKH24-20观的渗透系数差异较大外；其他完整井渗透系数与非完整井地段比较接近，在每块试验地段，渗透系数比较一致。

值得一提的是，ZHD-1与ZHD-2钻孔均为非完整井，其过滤器位于矿体部位，2个井相距25 m；通过抽水试验求得ZHD-1与ZHD-2的渗透系数分别为0.456 m/d和0.520 m/d，说明矿体部位渗透系数较大，全矿渗透系数平均值为0.399 m/d。

2.4 示踪试验中示踪剂浓度变化

在ZKHD-1和ZKHD-2中进行示踪试验，以ZKHD-1钻孔为投源孔，以ZKHD-2钻孔为抽水孔，2个钻孔相距25 m(图4)，示踪剂采用荧光素钠。2018年7月5日投入示踪剂，7月11日开始抽水试验，7月25日下午发现抽出水的颜色发生了变化，7月26日的取样首次检测到示踪剂。此后每天取样1次进行化验分析，荧光素钠浓度呈现缓慢上升趋势；8月8日后开始进入试剂质量浓度的快速上升期，至9月2日出现质量浓度峰值2.561 mg/L后，荧光素钠浓度开始下降；10月1日以后下降变得很缓慢。示踪剂浓度随时间变化如图5所示。

示踪剂试验结果表明，示踪剂突破时间仅为15 d，示踪剂浓度曲线平滑，未发生上下跳跃现象。这说明矿体部位孔隙发育，示踪剂能够顺利从投源孔到达抽水孔。

2.5 含矿含水层及矿层厚度

在矿床范围内，通过水文地质编录得知，含矿含水层的厚度分布极不均匀，不同地段厚度相差3倍多。ZKH30-3孔地段含水层厚度最薄，仅41.9 m；ZKH24-20孔地段含水层厚度最厚，达130.6 m；含矿含水层平均厚度108.55 m。

经初步统计，位于含矿含水层中的砂岩矿体有17个，约占矿床矿体总数的一半。砂岩型矿体的平均厚度统计见表5。

表5 砂岩矿体规模及平均厚度

3 矿床可地浸条件分析

3.1 矿床地浸条件与已生产矿山条件比较

中国目前仍然处于生产(试验)阶段的地浸矿山有8个，本矿床与这些生产(试验)矿山的水文地质参数对比见表6。

从表6可看出，本矿床除密度较大、CaO含量较高外，其渗透系数大于T矿床，单位涌水量仅小于B矿床和T矿床，其他参数与正在生产(试验)的矿床相当或优于其他正在生产的矿床。因此，本矿床砂岩型矿体具有地浸开采的可能性。

表6 地浸矿床水文地质参数对比

3.2 地浸可行性评价标准

EJ/T 1194—2005《地浸砂岩型铀矿水文地质勘查规范》中的地浸砂岩型铀矿水文地质条件评价参数见表7，以此作为本矿床地浸水文地质参数评价的标准。

3.3 矿床地浸性可行性评价

按照表7的标准对本矿床的可地浸性进行评价。

表7 砂岩型铀矿地浸水文地质条件评价参数

3.3.1 水文地质结构

连续、稳定、隔水性能良好的顶、底板是地浸采铀最有利的水文地质条件之一。该含矿含水层的隔水顶板平均厚度为428 m，底板为泥岩、粉砂岩，且分布连续，隔水性能良好；表明含矿含水层具有稳定的隔水顶、底板，具备“隔水-含水-隔水”的水文地质结构。另外，含矿含水层内部存在多个泥岩隔层，且互相错层叠置，使含矿含水层的垂向渗透性存在较大差异，而水平方向上渗透性较均一。因此，认为本矿床水文地质条件评价等级为有利、最有利。

3.3.2 含矿含水层渗透性

据水文地质孔抽水试验结果，计算出含矿含水层渗透系数为0.112～0.644 m/d，平均值为0.399 m/d；除ZKH52-12及ZKH52-12观的渗透系数较小外，其他地段渗透系数均大于0.2 m/d。从含矿含水层渗透性来看，本矿床砂岩矿体有利于地浸开采。

3.3.3 单井涌水量

据10个水文地质孔不同降深抽水试验结果可知，含矿含水层最大降深时的单井涌水量为107～1 126 m3/d，平均单井涌水量为517 m3/d。根据上述标准判定，对地浸开采最有利。

3.3.4 水位埋深和水头高度

含矿含水层的水位埋深小于10 m。地下水的承压水位标高为1 269～1 277 m，而含矿含水层的顶板标高为900 m左右，承压水头为370 m左右，这对地浸开采最有利。

3.3.5 含矿含水层的胶结程度

通过岩心观察和岩石物理性质指标测试，含矿含水层岩石孔隙发育，孔隙率大于15%的岩心超过65.9%。抽水试验结果显示，抽水井与观测井水力联系密切。示踪试验证明，示踪剂仅用15 d就能够顺利从投源孔到达抽水孔，这对地浸开采有利。

3.3.6 含矿含水层与矿层厚度比值

在矿体分布范围内，含矿含水层被泥岩和粉砂岩分隔为4～6个含水层，单层砂体厚度一般为10～60 m，含矿含水层总厚度为41.9～130.1 m，平均厚度为108.55 m。不考虑局部隔水层时，含矿含水层与矿层厚度比值变化较大，介于14.4～55.7；当矿层平均厚度为4.08 m时，含矿含水层平均厚度与矿体平均厚度之比为26.6，对地浸开采不利。而考虑矿体上、下部的局部隔水夹层时，其比值多介于5～10，这对地浸开采较有利。

3.3.7 地下水的矿化度

矿床含矿含水层地下水的矿化度较高，介于28.66～51.44 g/L，平均值为36.26 g/L，对地浸开采不利。

3.3.8 碳酸盐质量分数

含矿含水层岩石中碳酸盐质量分数平均值为12.99%，不利于采用酸法浸出；采用碱法浸出的可能性有待研究。

通过以上分析可知，大多数评价参数对地浸开采为有利、较有利，个别评价参数为不利。本矿床砂岩型矿体地浸条件良好，总体评价为有利、较有利。本矿床砂岩型矿体采用地浸方法开采具有可行性。

4 结论

矿床地层结构为泥-砂-泥结构，矿床内的部分砂岩型矿体位于含矿含水层中，隔水顶板厚度大，分布连续，隔水性能好。含矿含水层孔隙发育，地下水水位埋藏浅，承压水头高，单井涌水量大；含矿含水层的渗透性较好，矿床的地层结构、含矿含水层的渗透性、地下水埋深、承压水头及单井涌水量等均满足地浸开采的条件。示踪剂能够从投源井到达抽水井，表明地浸开采时溶浸剂也能够从注液井到达抽液井。因此，该矿床中的砂岩型矿体采用地浸方法开采具有可行性。