钱家店铀矿床钱Ⅱ块资源量估算参数特征

钟佳霖，张振强，夏毓亮

(1.核工业二四三大队，内蒙古 赤峰 024000；2.核工业二四〇研究所，辽宁 沈阳 110032；3.核工业北京地质研究院，北京 100029)

钱家店铀矿床是中国为数不多的大型可地浸铀矿床。该矿床是第1个采用CO2+O2地浸开采的铀矿床，2006年开始对钱Ⅱ矿块进行开采，经过多年实践取得了丰富的科研生产成果与经验，开采过程中基本实现了无废水、无废渣和无废气排放。CO2+O2地浸开采工艺是一种对环境友好的工艺方法[1-3]。

钱家店铀矿床受“晚白垩世姚家期辫状河道洼地、晚白垩世嫩江期末反转隆升剥蚀构造天窗、NNE向贯通性基底断裂”三位一体控制，矿床成因类型为同生沉积后生叠加复成型；成矿作用历经了同生沉积成矿、流体叠加成矿和含氧含铀流体叠加成矿3个阶段[4]。铀主要以铀矿物和吸附铀形式存在，铀集中分布在0.10～0.25 mm粒级中[5-6]。

铀矿床湿度、铀-镭平衡系数、镭-氡平衡系数、有效原子序数和钍钾元素等参数至关重要，它们直接影响铀矿的资源量修正计算。前人对铀矿资源量的修正研究主要集中在对铀-镭平衡系数[7-8]，对其他参数(镭-氡、有效原子序数等)的修正研究较少。为减小资源量估算的偏差，在样品采集和分析测试基础上，对数据进行相应的数理统计计算，以期获得科学、准确的修正参数，为铀资源量估算、矿山开采提供科学依据。

1 矿床地质概况

钱家店铀矿床位于开鲁坳陷钱家店凹陷中，矿床可进一步分为钱Ⅰ、钱Ⅱ、钱Ⅲ、钱Ⅳ、钱Ⅴ、钱Ⅵ块段(图1)。

1—断裂；2—凹陷；3—盆地界线；4—石油参数孔；5—城镇；6—铀矿床。

铀矿化主要产于姚家组下段中下部的砂体中。铀矿体产状与地层基本一致，倾角2°～8°。矿体形态多为板状、透镜、不规则状。矿体埋深174.10～520.55 m。矿体长50～1 300 m，宽50～725 m。矿石平均品位0.028 7%，平均厚度5.65 m。含矿主岩以灰色长石质石英细砂岩为主，部分为中砂岩。

2 样品的采集与测试

2.1 矿石湿度样品

在钻井现场，按矿石品位、氧化还原情况、深度分别采集样品[9]。样品长为 5～10 cm，质量为 250～500 g。用 β+γ编录仪选取计数大于 10 nC/(kg·h)的天然状态矿芯样品。钱Ⅱ块的物探参数孔及湿度样分布如图2所示。

1—工业孔及编号；2—物探参数孔及编号；3—湿度取样孔；4—勘探线及编号。

采集湿度样品后，刮掉泥浆，称重(P湿)；然后将样品粉碎成散沙状或小碎块状，在80～100 ℃下烘干48～90 h，称重,当两次称重相对误差小于 1%时, 将其计为稳定质量(P干)。用式(1)计算样品的湿度B[10]：

B=(P湿-P干)/P湿×100%，

(1)

式中：P干—稳定质量，kg；P湿—湿度样品质量，kg；B—湿度，%。

2.2 铀、镭、钍、钾样品的采集和分析

先用地质、物探编录资料编制取样图，经测井资料校正位置后，计算准确的取样位置。按不同钻探回次、不同岩性、氧化还原情况、β+γ编录曲线形态所对应的品级，以及不同矿体或同一矿体的不同形态、部位、矿体走向和倾向分别划分[10]181，共对19条勘探线65个工业孔取样686个，样品总长240.46 m。单个样品连续长为0.2～0.5 m。当矿层厚度大于 2 m 时，样品长取 0.35～1.0 m；当矿层厚度为 1～2 m 时，样品长取 0.2～0.5 m；当矿层厚度小于 1 m 时，样品长取 0.1～0.3 m；矿体边界连续取2个边样，样品长取 0.1～0.2 m；取样时，刮掉岩矿芯泥浆，连续劈半取样，一半留样。在个别地段岩性和矿化比较均匀的区段，样品连续长为1.0 m。钱Ⅱ块单工程铀矿石样品的铀-镭平衡系数(Kp)计算结果如表1所示。

表1 钱Ⅱ块单工程铀矿石样品铀-镭平衡系数(Kp)计算结果

2.3 镭-氡平衡系数采集与分析

在钻探勘查过程中，由于循环井液泥浆压力大于含矿段含水层的压力，井液泥浆会浸入铀矿层岩石孔隙，使得层间水及溶解于其中的氡(222Rn)被挤压而离开孔壁，这一过程被称为 “压氡现象”。“压氡现象”破坏了镭-氡之间的放射性平衡，导致伽马测井结果偏低。同时在钻进过程中，泥浆渗入井壁并在井壁形成厚厚的泥浆饼，泥浆饼会对伽马射线有屏蔽吸收作用，使得伽马测井照射量率偏低。因此，必须测定镭-氡平衡系数，通过修正求出铀含量[11]。

对姚家组含矿层分别设计施工了钱Ⅱ-WT-1、钱Ⅱ-WT-2、钱Ⅱ-WT-3、钱Ⅱ-WT-4、钱Ⅱ-WT-5共 5个物探参数孔(图2)。

根据下套管前的γ测井结果，区分出延伸到围岩且处于渗透性岩石中的铀矿段，计算矿段内各测点的γ照射量率之和(∑I0)。在该界限内，据状态观测结果计算铀矿段内各测点经套管和冲洗液吸收修正后的γ照射量率之和(∑Ii)，以γ照射量率I为纵坐标，以时间t为横坐标作I-t关系图。假定∑I0=A，t=0，然后把各点用平滑曲线连接起来，得到氡状态观测曲线图。镭氡平衡系数PRn按公式(2)[12]计算：

(2)

式中：PRn—镭氡平衡系数；I0—I-t关系图始端各测点的γ照射量率测量值，nC/(kg·h)；I∞—I-t关系图终端各测点的γ照射量率测量值，nC/(kg·h)。

矿床的镭氡平衡系数根据各专门物探参数孔测量的结果取其平均值来确定。

2.4 有效原子序数样品

样品采样原则和方法与铀、钍、钾、镭样品相同。对所取样品登记装袋后，送化验室做硅酸盐全分析。用公式(3)[10]182计算有效原子序数：

(3)

式中：PZ、AZ分别为矿石样品中原子序数为Z 的元素的相对质量含量和原子量。

3 参数计算

3.1 铀-镭平衡系数

铀-镭平衡系数的计算和整理是在准确的化学分析结果基础上进行的。

3.1.1 单工程U-Ra平衡系数KP

利用公式(4)[11]16计算每个单样(单工程)的 U-Ra 平衡系数KP：

KP=w(Ra)/w(U)/(3.4 ×10-7)，

(4)

式中：w(U)、w(Ra) 分别为化学分析的铀、镭百分含量。

3.1.2 等效U-Ra平衡系数KPP

平衡系数并不是各单样或组合样平衡系数的算术平均值, 而是铀线储量加权平均值。Hi、w(Ui)和w(Rai)为该组合样品的长度和U、Ra含量的加权平均值，对Kp进行组合样品长度和铀含量加权平均获得铀矿床的铀镭平衡系数[10]186

Kpp=∑[KpHiw(Ui)]/ ∑[Hiw(Ui)],

(5)

式中：Hi—组合样品长度，m；w(Ui)—组合样品加权平均铀百分含量；Kp—单工程铀镭平衡系数；Kpp—铀矿床经过组合样品长度和铀含量加权平均的铀-镭平衡系数。

获得Kpp=0.765 0，单工程铀-镭平衡系数的均方差为0.16，单工程铀-镭平衡系数的变化系数为0.21。按铀-镭平衡系数Kpp=0.765 0,对放射性测井数据进行修正是合理的。

把姚家组矿石的铀-镭平衡系数进行分布特征研究，发现Kp的频谱分布具有明显的正态分布特点(图3)，峰值为0.765 0。

图3 钱Ⅱ块铀矿石样品Kp分布

3.2 镭-氡平衡系数

通过连续观察5个物探参数孔测井结果，钻孔压氡现象明显。镭-氡平衡系数在测井前8 d变化显著，特别是前2～6 d变化最大；在测井第9～16 d，变化逐渐减小；在第17～24 d，变化较小并开始趋于稳定；在第25～30 d以后基本没有变化。物探参数孔镭-氡平衡系数统计结果见表2。

表2 钱Ⅱ块铀矿床镭-氡平衡系数计算结果

可以看出，5个物探参数孔8个统计单元的镭-氡平衡系数结果很接近，平均值为0.877 5。“压氡现象”明显，伽马测井结果需要进行修正：

用公式(6)[11]17对矿层品位进行镭-氡平衡系数修正:

Qu=Qa/PRn，

(6)

式中：Qu—不存在压氡现象时的铀照射量率，nC/(kg·h)；Qa—存在压氡现象时的铀照射量率，nC/(kg·h)；PRn—镭-氡平衡系数。推导可得，Qu=Qa/0.8775=1.140Qa

3.3 铀矿石湿度

当铀矿石湿度>5%时，需用公式(7)[11]18对矿层中的铀含量做湿度修正:

Qg=Qs/(1-W)，

(7)

式中：Qg、Qs分别为矿石中干、湿铀的百分含量；W为矿石湿度百分值。

对钱Ⅱ矿块6个钻孔(图2)19个矿石样品进行了湿度分析，其平均湿度为12.29%(>5.0%)(表3)，对矿层中的铀含量应做湿度修正。Qg=Qs(1-0.122 9)=0.877 1。

表3 矿(岩)石湿度测定结果

3.4 有效原子序数的确定

γ测井换算系数是矿层γ射线谱成分和探测器能谱灵敏度的函数。谱成分是由矿石的物质成分决定，常用有效原子序数Zeff表征。Zeff的差异影响着小于400 keV的低能γ散射谱，会影响γ测井的换算系数。通常根据矿(岩)石化学全分析结果，利用公式(8)[13]计算Zeff：

Zeff=(∑PZZ23)1/23

(8)

式中：PZ—矿石组分中原子序数为Z的元素的质量含量；Z—相应元素的原子序数。

利用矿区302个化学全分析的结果，计算出矿(岩)石的有效原子序数，各类不同岩性的统计结果如表4所示。

表4 钱Ⅱ块铀矿床矿(岩)石有效原子序数(Zeff)

由表4可知，铀矿床各类样品有效原子序数没有明显变化，其算术平均值Zeff=12.40，在规定的9～21的范围内，对放射性测井无影响[11]5，不予修正。

3.5 钍、钾含量及修正

在铀矿层中，Th和K元素的含量过高，γ总量测井会导致测井解释结果的铀含量偏高。“当γ测井确定的铀矿层中的钍含量大于0.005%或钍铀比值大于0.1”时，应进行Th干扰因素的修正[11]17。

使用FD-3019γ进行总量测井时，如果Th、K含量高，则会对测铀有不同程度的影响。故在矿区范围内，对Th、K元素含量进行了大量分析，并对Th和U、K和U相关性进行了统计分析。U-K2O相关性如图4所示。U-Th相关性如图5所示。

40K具有放射性。钾含量大于10%时，应进行钾干扰因素修正。但由图4可知，分析的312件样品的钾含量都很低，平均w(K2O)为3.38%，U与K的相关系数为-0.043，表明其没有明显的相关关系。因此放射性测井不必考虑钾的影响，不予修正。

图4 U-K2O相关图(312件, R=-0.043)

图5 U-Th相关图(312件，R=0.070 5)

由图5 可知，对含矿层姚家组312件样品钍含量测定表明，岩(矿)石钍含量总体很低，所有样品的w(Th)均<20×10-6，平均为9.50×10-6，且w(Th)/w(U)远远小于0.1。U和Th的相关系数为0.070 5，基本无相关关系。因此放射性测井不必考虑Th的影响，不予修正。

4 物探参数修正值的应用

按最低工业品位0.01%，边界工业平米铀量1 kg/m2(埋深小于500 m)，用地质块段法对钱家店钱Ⅱ矿床334潜在资源量进行估算[14]，铀资源在修正后比修正前增加30.70%(表5)。

表5 钱Ⅱ块铀334资源量估算修正结果

5 结论

钱Ⅱ块铀矿床铀资源量估算时，铀-镭平衡系数、镭-氡平衡系数、矿石湿度需要修正；而有效原子序数、钾、钍含量与铀含量无相关性，不需要进行修正。运用这些参数修正后，铀资源量增加30.70%。这些参数的修正使计算出的铀资源量更接近于实际铀资源量。