砂岩型铀矿地浸开采中的堵塞问题及解决方法

曾圣男

(东华理工大学 水资源与环境工程学院，南昌 330013)

地浸采铀是在矿床天然产状条件下，通过从地表钻进至矿层的注液孔将配制好的化学试剂注入矿层，与矿物发生化学反应，溶解矿石中的铀，随后将含铀溶液通过抽液孔抽至地表进行铀提取[1]。较为系统的开展地浸采铀试验最先开始于20世纪60年代初的美国和乌克兰，截止2012年，地浸开采铀产量占世界天然铀产量的45%，我国已有地浸采铀生产矿山5座，产量占天然铀产量的27%。地浸采铀虽然具备开采方法简单、工艺流程短、矿山建设周期短、基建投资少、劳动强度低、回收率高于常规开采等优点[2]，但同时，此方法有对矿床水文地质条件要求高、对地下水环境污染大、受地球化学规律制约明显等缺点。尤其在开采过程中，化学沉淀堵塞流通通道一直制约着铀矿山的持续开采，不但影响了开采进度，还在洗井方面提高了开采经济成本和技术要求。本文就酸法开采、碱法开采及中性开采过程中常见的堵塞物、堵塞原理进行概述，并总结对应的解决方法，为现场开采提供一定的理论依据。

1 酸法浸出

酸法浸出是目前矿山开采中最为常规的开采方式，无论是南方硬岩型铀矿还是北方砂岩型铀矿，酸法浸出都具备不错的效果。但其堵塞现象在北方砂岩型铀矿床开采过程中尤为突出，其本质原因是酸法浸出过程中，由于浸出剂特性，在其迁移过程中水岩作用剧烈，导致浸出液pH值矿化度升高，极易造成堵塞。

1.1 主要堵塞物

酸法开采过程中由于浸出剂的选择性较好，许多碳酸盐岩、硫化物及黏土矿物的成分都会随溶浸剂发生固相到液相的溶解作用，从表现形式上分类，酸法地浸开采中主要出现的沉淀物为浸出液中钙、镁、铁等离子沉淀[3-4]，从沉淀物来源上可分为矿物成分来源、矿层水成分来源及溶浸剂成分来源。

1.1.1 主要表现形式

酸法地浸开采中，溶浸液在矿体孔隙介质中渗透时，通常会产生气体堵塞和化学堵塞，从而严重影响含矿层的渗透性能，降低含矿层的渗透系数。气体堵塞通常是由于硫酸与CaCO3反应在矿体孔隙空间中生成自由气体(多为CO2)，并充满孔隙的空间，造成气堵。气堵严重影响岩石的渗透性，当气体充填达到50%的孔隙空间时，其渗透性下降到初始值的10%，化学堵塞是硫酸溶液与CaCO3作用生成的石膏沉淀而引起的。石膏堵塞孔隙空间的程度，取决于岩石中CaCO3的含量。当CaCO3的质量分数从0.25%增加到5%时，含矿层渗透系数减少60%，化学堵塞造成的岩石渗透性降低不可再恢复。当矿石中碱性物质含量过高，注入溶浸剂时，水岩作用过程中碱性物质会大量耗酸，此时浸出体系pH值会大幅上升，此时也会出现铁、碳酸钙、碳酸镁等沉淀[5-7]。

1)硫酸钙沉淀

目前酸法地浸开采工艺中，硫酸是最广泛应用的溶浸剂，钙盐是矿物成分中最常见的成分之一，浸出过程中，钙离子会不断溶解，浓度增高，因此在酸法地浸中石膏沉淀是最常见的堵塞物，石膏的溶解平衡方程式如下：

(1)

(2)

2)碳酸钙、镁沉淀

3)铁沉淀

研究表明铁在pH值大于2时铁开始沉淀，当pH值大于5时，铁几乎完全沉淀，在酸法开采过程中，由于溶浸剂中无外加铁源，铁主要由黄铁矿经氧化溶解提供铁源，主要化学方程式如下：

4FeS2+15O2+2H2O→2Fe2(SO4)3+2H2SO4

(3)

Fe2++OH-→ Fe(OH)2↓

(4)

酸法开采中加入的酸可消耗OH-离子，控制pH值，当矿层中铁源较少时，此沉淀也较少见。

1.1.2 沉淀物组分来源

地浸实际上是一个水文地球化学成分相互交换的过程，在溶解目标元素的同时，其他组分也进入体系。矿层水中也携带了大量的化学成分，在地浸溶浸剂迁移过程中，也会引入沉淀物组分。同时，配制溶浸剂时，也会人为引入硫酸根等沉淀组分。

1.2 解决方法

针对沉淀物的存在形式和沉淀物的来源，一方面需要控制促进沉淀形成的途径，在开采前期，收集水文地质条件、矿物学性质、矿物成分等，针对这些条件选择合理的工艺，再者，针对高矿化度地下水采区，许多专家提出淡化、混合淡化、稀释地下水等方法以降低其硬度的少试剂浸出工艺。

2 碱法浸出

碱法地浸采铀是采用碳酸盐或碳酸氢盐等作为溶浸剂。在碱法地浸中碳酸盐沉淀现象主要发生在注液过程中。注液时，向溶浸剂中补加碳酸氢铵或吸附尾液时因泵循环产生空气搅动，溶液pH值会升高，此时碳酸钙、碳酸镁被沉淀析出，对含矿层造成堵塞[5，8]。

2.1 主要堵塞物

在碱法地浸工艺中，方解石和铁沉淀属较为常见的堵塞物，方解石沉淀主要在脉石结构较为发育的矿层中出现，而铁沉淀主要出现在黄铁矿与铀伴生的矿层。

2.1.1 主要表现形式

方解石是碱法浸出工艺中最常见的沉淀形式之一，在碱法浸出中，向溶浸剂中补加碳酸氢铵或吸附尾液时因泵循环产生空气搅动，溶液pH值会上升，此时碳酸钙、碳酸镁和少量的硫酸钙被沉淀析出。溶浸剂中加入氧化剂双氧水后，吸附尾液中残余的铀在双氧水的作用下会产生过氧化铀沉淀，在氧化条件下，吸附尾液中残余的铀与钙、镁的碳酸盐和硫酸盐会发生共沉淀[9-10]。方解石和铁沉淀主要化学方程式如下：

(5)

2FeS2+7.5O2+6H2O→FeO(OH)↓+

(6)

从反应式(5)可以看出，方解石沉淀主要受碳酸盐岩溶解和加入的碳酸氢岩转化提高沉淀物来源，但体系碳酸形式与体系pH值有很强关联性，如图1所示，浸出中控制pH值对浸出起着调节作用。

反应式(6)生成极难溶解的针铁矿FeO(OH)，Fe(OH)3从溶液中沉淀出来的pH值为2.5～3.5。疏松的棕红色的针铁矿物和三价铁氢氧化物的絮状物沿着岩石中的孔隙向抽液孔运移，运移出地下岩层时就附着在潜水泵、抽液管道和吸附塔的树脂上；同时，也附着沉淀在抽孔周围的岩石孔隙中。经过长时间的附着沉淀聚集，岩石孔隙堵塞就会越来越严重，造成抽孔动水位大幅度下降，钻孔抽液量显著减小[11]。

图各组分浓度份额与 pH值关系[12]Fig.1 Relationship between concentration shares of H2CO3、

2.1.2 沉淀物组分来源

碱法地浸工艺中，沉淀物的来源最主要还是矿物成分溶解及溶浸剂配制引入，溶滤作用是一个多形式的水岩作用过程，大气降水及矿物中有机物氧化等会提供CO2，使得碳酸盐岩溶解，主要化学方程式如下：

(7)

H2Al2Si2O8·H2O+4SiO2

(8)

(9)

Na2CO3+CO2+H2O→2NaHCO3

(10)

(11)

在不同矿物组分地区，上述溶滤作用会引起不同程度的矿化度升高，例如在火成岩地区，正长石溶滤作用矿化度会从50～200 mg/L上升到200 mg/L以上[12]。

2.2 解决方法

CO2+H2O → H2CO3

(12)

(13)

(14)

3 CO2+O2中性浸出

CO2+O2地浸采铀是一种典型的在一定气、液压力和人工渗流场中的气-水-岩三相作用过程。CO2+O2浸出工艺与酸法地浸相比，具有成本低、对地下水环境影响小、地下水后期复原简单等优点。其在美国、印度、哈萨克斯坦等国家的地浸矿山被广泛采用，主要应用于弱硫化物和地下水硬度较低等地浸地质与水文地质条件相对简单的矿床[15]。

3.1 主要堵塞物

CO2+O2中性地浸工艺中，由于外加气体使得原始开采的水岩作用更为复杂，为一个水—岩—气三相间的反应，但主要的堵塞物也只有气体堵塞和化学沉淀[10，16]。

1)气体堵塞

气体堵塞在CO2+O2中性地浸工艺中比较常见，具体原因是注入的气体与水相的反应处于过饱和状态，使得未溶的多余气体在空隙中产生压力，导致浸出剂在流通道中的流体力场发生变化，影响其运移[17]。

2)化学沉淀堵塞

CO2+O2中性地浸工艺中产生化学沉淀主要受两方面的影响，一是受本身地下水矿化度的影响，二是受浸出工艺中一系列化学反应的影响。

矿化度影响可用饱和指数判读调整工艺参数，对于地下水中饱和指数来说，其值为正时，难溶矿物会沉淀；为负时，难溶矿物会溶解。而地下水矿化度的高低会影响饱和指数的大小，例如过高的地下水矿化度，水中的钙、硫酸根离子浓度较高，其饱和指数较大，会产生硫酸钙沉淀，从而降低含矿层的渗透性[18-19]。

3.2 解决方法

1)合理控制气体用量

2)淡化矿层水

研究表明，淡化作用对防止硫酸钙沉淀有良好的效果，同时，只要适当地控制pH，也不会导致碳酸钙沉淀。淡化效果受流体混合作用和盐离子综合体的溶解作用影响，但总体效果影响不大，用离子交换法可以降低注液中形成沉淀的 Mg2+、Ca2+、Fe2+和Fe3+，避免堵塞矿地层，这一工艺对抑制沉淀的产生有较好的效果[22]。

3)洗井工艺嵌套

以往的钻孔洗井中经常采用单一强酸浸泡洗孔，但这种方法对于CO2+O2地浸采铀工艺来说，已经无法取得理想的洗孔效果，因为水—酸—矿之间的物化作用过程会产生对地层的二次伤害，比如会产生水锁效应、铁离子沉淀、黏土膨胀等问题。目前较好的解堵方式是利用表面活性剂作为前置液，主酸成分主要是盐酸，利用各类添加剂来配制综合解堵剂，能有效溶解化学沉淀并防止黏土膨胀。

4 结论

1)解决堵塞问题的前提是指导堵塞的机理及堵塞物的确定，在矿山地浸开采工艺中，探明矿层水类型对于确定沉淀堵塞物非常重要，开采前的水文地质调查工作需要精、细。

2)地浸工艺应与混合淡化、复合洗井剂等工艺配套，避免地浸开采过程中的堵塞形成永久堵塞。

3)结合开采前期、中期及后期的矿山修复治理，合理、科学地选择浸出工艺，避免对待修复矿山的二次解堵破坏。