（环境工程专业论文）铀矿山废渣治理方法研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 在铀矿的开采和冶炼过程中，产生大量的矿渣和尾矿，平均含铀量达1 - 3 l o - 4g g 比土壤中天然本底值高如1 0 倍，其表面辐射剂量7 7 - - - 2 0 0 1 0 一g y h ，比 一般土壤平均高5 7 0 倍。露天废石受风吹、雨淋冲刷等外界作用，使矿渣中的铀被 淋沥出来，对周围环境造成污染。因此，铀矿渣成了一个潜在的放射性污染源。 目前治理矿渣、尾矿方法有以下几种方法：对矿渣堆治理方法有设置永久性 废石场、回填井下采空区、回收废石中的铀、洗泥法等；对尾矿治理方法有铀尾 矿建坝、尾矿堆物理法化学法植披法等。 论文以砂岩铀矿为例，从工程地质、生态地质角度寻找一种铀矿渣的治理 方法。 首先在某一废弃铀矿床矿渣堆中取样，采用碳酸钠碳酸氢钠双氧水混合液 在常温下对样品浸淋，将其含铀渗沥水用于铀富集实验。渗沥水流经p h = 6 、 e h = - i 8 v 的还原环境，即有硫酸亚铁、黄铁矿、褐煤的p v 柱，经过2 0 天的反 应后，再用水泥浆固结p v 柱。测试结果表明：矿渣渗沥实验中的浸出液的辐射 剂量1 8 6 7 7 1 0 0 g y h ：富集实验中过滤液的辐射剂量降为2 5 6 6 x1 0 。3g y h ：富 集实验中p v 柱固结体的辐射剂量1 3 0 5 4 x1 0 - 3 g y h 。铀离子在氧化环境易流失， 在还原环境易沉淀，自然界中铀矿富集在氧化还原过度带。 矿渣堆包括露天矿渣堆和井下矿渣堆，处理方法不同。露天矿渣堆治理方法 为：在其工程地质件下，露天矿渣堆常处于不稳定状态，易出现滑坡、崩塌；对 矿渣堆边坡采用高压注浆，形成的固结体起支挡作用，材料是黄铁矿、硫酸亚铁 水泥浆混合物；使矿渣中的铀位于的还原环境团块中，不易被淋沥出。井下矿渣 堆治理方法是：在井巷易崩塌部位，对井巷采用锚杆锚固，同时对流出井口的地 下水进行封闭，使地下水恢复其开采前的水流路径；恢复原地球化学环境；通过 氧化还原环境的指示矿物，寻找到地下氧化还原环境、氧化，还原过渡带巷道区 间；在氧化区间的巷道内，采用硫酸铁，黄铁矿、褐煤、水泥浆混合物等对其井 巷的矿渣进行胶结，对巷道井壁喷射水泥浆混合物防止岩石进一步风化，防止铀 被浸淋出来；在还原环境、氧化还原过渡带巷内区间，可直接作为高品位的铀矿 渣存放场地。对矿渣堆治理前后矿床周围的相关人群进行环境检测，结果表明治 理效果良好。 关健词；铀，矿渣堆，污染源，淋沥水，治理 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ee x p l o i t a t i o na n dr e f i n ep r o c e s so fu r a n i u mm i n ep r o d u c eal a r g eq u a n t i t yo f s l a ga n dt a i l i n g s ，i nw h i c ht h ec o m p o n e to f u r a n i u mi s1 3x 1 0 - 4 9 g ，r a d i a t i o nd o s a g e i s7 7 2 0 0 x l0 - 3 0 y h t h e ya r el a r g e r5 - 7 0t i m e st h a nt h eb a c k g r o u n dv a l u eo fo r d i n a r y e a r t h b e c a u s et h ew a s t em i n es t o n eb e i n go p e na i ru n d e r g o e sd r e n c h i n ga n dw a s h i n g o u t , t h eu r a i l i u n li nt h es l a gi sf i l t e r e do u t h e n c e ，t h eu r a n i u mm i n es l a gb e c o m e sa p o t e n t i a lr a d i a t i o np o l l u t i o ns o u r o e a tp r e s e n t , t h e r ea r et h ef o l l o w i n gm e t h o d st r e a t i n gs l a ga n dt a i l i n g ：f o rs l a g ，t h e m e 脚f l $ i n c l u d es e t u po fp e r m a n e n tm i l l ep i l e , b a c k f i l l i n gi nt h em i n e da r e a , r e c l a i m i n g u r a n i u mi n s l a g ；f o rt a i l i n gp i l e ，t h em e a n si n c l u d eb u i l d i n g m i n ed a m 、v i mi t ， v e g e t a t i o no r li t ，a n dp h y s i c a l c h e m i c a lt r e a t m e n to f i t i nt h i st h e s i s t h es a n d s t o n eu r a n i u mm i n ei st a k e na sa ne x a m p l et ot r e a tu r a n i u m s l a gf r o mg e o l o g i ce n g i n e e r i n ga n db i o g e n l o g y t h es l a gs a m p l ef r o ms o w l eu r a n i 啦w d n ei sl i x i v i a t e da t 0 0 1 3 _ t e m p e r a t u r ew i m t h es o l u t i o nc o n t a i n i n gn a 2 c o s - n a h c 0 3 一h 2 0 2 t h el i x i v a t e ds o l u t i o ni se n r i c h e da tt h e r e d u c t i o ne n v i r o n m e n t0 h 2 5 ，e h 1 s v ) i nt h ep v cc o l u m nf i l l i n gg r e e nv i t r i o l ，p y r i t e ， l i g n i t e ( b r o w nc o a l ) a f t e r2 0 出l y se n r i c h m e n te x p e r i m e n t , t h ep v cc o l u m ni s s o l i d i f i e dw i t ht h ec e m e n t t h em e a s u r e dr a d i a t i o nd o s a g ei s1 8 6 7 7x 1 0 。g y hf o r l i x i v a t e ds o l u t i o n , 2 5 6 6 x1 0 3g y hf o rl i x i v a t e ds o l u t i o na f t e re n r i c h e d , 1 3 0 5 4 x1 0 3 g y a af o rt h es o l i d i f i e dp v cc o l u m n t h eu r a n i u mi o ni se a s i l yw a s h e da w a yw i t h f l o w i n gw a t e ra to x i d a t i o ne n v i r o n m e n t , d e p o s i t e da tt h er e d u c t i o ne n v i r o n m e n t i nt h e n a t u r e ，t h eb r a n i u n lm i n ei su s u a l l ye n r i c h e di nt h eo x i d a t i o n r e d u c t i o nt r a n s i t i o nz o n e t h es l a gi ss t a c k du pi nt h eo p e na i ra n dp r i e du n d e rt h ew e l l t h et r e a t m e n t m e t h o d sf o rt h e ma r ed i f f e r e n t t h es l a gi nt h eo p e na i ri sc o m m o n l yi nt h eu n s t a b l e s t a t ea n de a s yt oc o a s ta n df a l l t h et r e a t m e n tt e c h n o l o g yi st of i l lc e m e n ts l u r r yi nh i g h p r e s s u r es oa st of o r mt h ec o n c r e t i o ns o l i dw i t hs u r p p o r ta c t i o n t h ef i l l e dm a t e r i a l s i n c l u d ep y n t e , g r e e nv i t r i o l ，a n dc e m e n t t h eu r a n i u mi ss i t u a t e da tt h ec e n t e ri nt h e s o l i d i f i e da n dn o te a s y 协w a s ho u t t h et r e a t m e n tm e t h o df o rt h es l a gu n d e rt h ew e l li s a sf o l l o w i n g t h ep l a c ee a s yt ol a n d s l i pi sf i x e dw i t ha n c h o rs t a f f t h em o u t ho ft h e w e l li sb l o c k e do u t ，s ot h a tt h ep a t ho fg r o u n dw a t e ri sr e t b mt ot h eo r i g i n a lb e f o rt h e m i n e d ，a n dt h eg e o l o g i ce n v i r o n m e n ti sr e s u m e d t h o u g ht h ec h a r a c t e r i s t i cm i l l ei n o x i d a t i v e - r e d u c t i v ee n v i r o n m e n t , t h eo x i d a t i v e , r e d u c t i v ez o n ec a nb ef o u n d i nt h e 重庆大学硕士学位论文英文摘要 o x i d a t i o nz o n ei nt h ew e l la l l e y , t h es l a gp i l ei ss o l i d i f i e dw i t hg r e e nv i t r i o l ， p y r i t e ，l i g n i t e , a n dc e m e n t h o w e v e r ，t h er e d u c t i v eo ro x i d a t i v e r e d u e t i v et r a n s i t i o nz o n e m a y b eu s e da st h ep l a c et o c o n s e r v et h es l a gc o n t a i n i n gm o r eu l - a n i u r n t h er e s u l t s h a v es h o w nt h a tt h et r e a t m e n tm e t h o d sa b o v e m e n t i o n e db e ee f f i c i e n tt h r o u g ht h e r a d i a t i o nm e a s u r e m e n to ft h ec r o w da r o u n dt h em i l l eb e f o r ea n da f t e rt r e a t m e n to fs l a g p i l e k e y w o r d s ：u r a n i u m , s l a gp i l e ，l i x i v a t e dw a t e r , p o l l u t i o ns o u r c e ，t r e a t m e n tm e t h o d i i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 铀矿石的开采和冶炼加工产生带有天然放射性核素如铀、镭、钍等的废渣 和尾矿，它们是不容忽视的放射性污染源。事实表明，目前大量露天堆放或建坝 存积处理方法终非妥善之策。 1 1 概述 1 1 1 铀废渣的现状 铀矿的环境影响已受到产铀大国的普遍重视。美国对2 4 个铀治地点进行了 全面的评价并对污染严重的地点进行修复。我国核工业起步晚，这方面的研究相 对落后于美国、加拿大、俄罗斯。 据三废处理工程技术手册【1 ，我国的铀矿山分布在全国1 5 个省市、3 0 多个 地县境内，2 3 以上的铀矿山位于山区和潮湿多雨地区，近1 3 位于丘陵和干 旱区。铀矿的品位高低不等，单一铀矿石的工业最低品位是0 0 5 ，但作为副产 品从其他矿石中回收铀时，铀含量可低到0 0 1 0 0 3 。我国铀矿石的品位较 低，属贫铀类。铀矿山和水冶产生的废物，尽管放射性水平较低，但排出量 大，且分布面广，是核燃料生产过程中造成环境污染的重要方面。 我国铀矿开采过程中，由于矿层薄、矿量少、夹石多、以及开采方式不同， 采出的废石量各矿山不尽相同，铀矿山固体废物的产生、特征主要表现为：露天 式开采的剥采比大，贫化率高，一般开采1 t 铀矿石需采出1 “t 废石，有时高达 6 8 t ；地下式采掘时根据矿体赋存条件和地下采掘比，每开采l t 铀矿石，约需采 出0 5 1 2 t 废石。此外，为了减少废石远距离运输和处理量，一般采用放射性选 矿法，通过次法选出的废石率约为1 5 3 0 。目前我国铀矿采掘出来的废石总量 约为2 8 x 1 0 6 t ，占地面积2 5 x 1 0 6 m 2 ，由此可见，铀矿山的固体废物量是很大的。 废石中含铀量平均1 - 3 x 1 0 。4 9 g 岩石，比般土壤中天然本底值高4 - 1 0 倍；含镭量为1 8 5 4 1 0 3 b q k g ，比一般土壤中天然本底值高1 5 2 5 倍；其表面 y 辐射剂量率为7 7 2 0 0 x i 0 一g y h ，比一般地面平均高5 7 0 倍。露天的废石受风 吹、雨淋、冲刷等外界作用，使所含有害物质游离于自然界，构成对人体危害并 造成环境污染，废石场为一个潜在的放射性污染源。 1 1 2 放射性污染治理技术政策 ( 1 ) 重视和加强放射性废气处理 排出的放射性气溶胶和固体粒子，须经过滤处理，使其含量减至最小程度， 符合排放标准。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 ( 2 ) 改进和提高放射性废气处理水平 铀矿外排废水经回收铀后复用或净化达标排放；铀水冶厂废水适度处理后送 尾矿库澄清，其上清液应返回复用或作达标排放处理；所有核设施产生的放射性 废液须强化处理，提高净化效能，减少二次废物产量，并降低净化费用，放射性 废水的排放要保持在可合理实施的最低水平。有关企业须根据治理设施建立和执 行限值排放制度，实际的排放溶度必须低于制定的浓度值。 ( 3 ) 妥善处理固体放射性废物 铀废矿石在弃置前，堆积四周进行覆土植被作无害化处理，尾砂坝初期用当 地土、石填实，然后用尾砂堆筑，尾砂库须用泥土、草皮和石块覆盖，防止尘土 飞扬。 核设旋产生的固体废物须装桶送废物库作储存处置，可燃性放射性废物经焚 烧处理后，灰渣装桶或固化储存中、低放射性废液的浓缩物，经减容后作固化处 理，在体积缩减并增加稳定度后装桶作浅层埋藏处置。少量的高放射性废物，在 大量实验工作的基础上作深地质层处理。 此外，在防治技术上还要求提高设计质量，减少放射性三废的产生量；加强 科学管理，落实经济责任制，提高操作水平；扩大复用范围，降低废物排放量； 积极推行其工艺生产的革新和改造工作，把三废消灭在生产工艺流程之中，减少 废液的产生量和缩减其体积，或以固体替代液体物；强化废物处理的安全性，采 用多重屏障法防止放射性核素的转移和迁出。 1 2 铀矿开采及冶炼固体废物的治理方法 1 2 1 铀矿山铀废渣的治理方法 我国目前对铀矿废石的治理，尚无统一的标准和规定，但根据多年的生产实 际情况，大致有如下三条基本思路i h ： ( 1 ) 在铀矿山设计时，应全面规划，合理布局废石的堆弃作业，既考虑今 后的回收利用，同时要选定安全可靠而又地点集中的场所，作出妥当安排。 ( 2 ) 在铀矿开采时，应综合利用，化害为利，尽量将废石回填到井下采空 区或回收其中的铀金属。 ( 3 ) 在设计和生产的全过程，均应采取措施，尽量减少废矿石的产出率，并 加强对采出废石的管理，防止对周围环境的污染。 铀废石的治理方法，各地均有其特殊性，归纳起来，约有以下几种【5 - 7 】： ( 1 ) 设置永久性废石场 从长远考虑，在矿山开采的设计期间，同时应估计采掘出来的废石总量，确 定并建立永久性废石场，赖以处置不够工业品位、或品位较低，包括表外矿的铀 重庆大学硕士学位论文1 绪论 矿石等废石。废石场位置的选择既要安全，又要集中。若是建在山沟，其下方需 筑以挡土墙或拦石坝，并修建防洪及排水沟渠，防止雨水的冲刷流失。若是建在 平地，则其周围也应砌以当土墙并挖设排水沟以控制其占地范围，减少污染面。 ( 2 ) 回填井下采空区 具体做法是利用已有的探矿和采矿天并与相关水平层的永久性充填井相贯通 形成分枝井与充填井沟通，如此构成完整的填充体系。实践证明，此种处置铀废 石的方法既利用里废料又缩减了充填期，降低了采矿成本，并有利于环境保护。 ( 3 ) 回收废石中铀金属 我国某中型铀矿采冶联合企业将矿石品位较低、水冶成本高、适宜于堆浸的 铀矿石，采用地表堆浸法回收铀金属。取用的浸出剂为浓度1 0 l o o g l 的硫酸， 堆浸时间1 2 0 d ，浸出液铀浓度在1 l 以上，具有明显的经济效益和环境效益。 最宜浸出粒度小于5 0 m m 的碎石，一般用2 5 的硫酸溶液作浸出剂，据 报道：含铀为0 0 2 0 0 5 u 3 0 s 的废石，堆浸后可回收其中5 0 8 0 的铀； 浸出液平均含铀1 2 9 l ，废石中余量降至0 0 1 2 0 0 1 5 。 ( 4 ) 洗泥法 适用于砂岩和砾岩型铀矿石，此种矿石的砂、砾含铀量均少，主要呈粘结 状，包裹在外表面。经过废酸洗刷后，铀进入泥堆中，这时可将砂、砾作尾矿排 弃，废酸液返回作浸矿剂，矿泥则送往水冶厂进一步处理。废石经洗刷过程，尾 矿可减少至原来的5 0 7 5 ，含铀量为原来的1 0 1 5 。 1 2 2 冶炼铀尾矿的治理方法t 卧1 7 1 我国的铀矿石经过水冶以后，尾砂多以砂浆状态排出，迄今产生的铀尾矿己 达数千万吨。铀尾矿对环境和健康的危害，源于尾矿库内储存的大量含放射性的 尾砂及废水，除了输运系统的任何泄漏会造成污染外，尾矿库的渗溃、决、垮坝 事件将带来不同程度的灾难性后果。因此铀尾矿管理的重点在于尾矿库的选址和 尾矿坝的建设上。尾矿( 堤1 坝是尾矿库的组成部分，对尾矿起有不可缺少的拦阻 和保留作用，它的坝( 堤) 基选择较库址尤显重要，更应全面考虑综合比较后确 定。铀水治厂尾矿处理的方法是把它长期贮存在尾矿区中，并在四周加设围栏作 为防护区加以控制。为减少尾矿区的面积，利用尾矿来筑尾矿的堤坝。 现在可以采用的尾矿稳定方法有三种：用岩石或泥土复盖尾矿坝的顶部和侧 面；用化学药剂和粘合剂外理尾矿，在尾矿堆表层使生成阻气、隔水的硬壳层； 先平整尾矿，然后盖土施肥并种上草再种树。 ( 1 ) 铀尾矿建造成矿坝的治理 利用尾砂建造成矿坝虽然不是最终处理尾矿的一种方法。根据法国铀水冶厂 的实践，将尾矿粗砂一半利用来回填矿井采空区，一半利用来建尾矿坝不失为一 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 种经济而有效的具体措施。尾矿区的地址和尾坝的高度是设计中两个重要问题。 尾矿区应尽可能建在由不透水岩层构成的地段，如果要把尾矿区建在提供饮水源 的含水岩层之上，就应该用膨润土或其他防水措施处理岩石的渗透性。目前国内 最大堆筑高度为7 2 米，最大设计堆高2 0 5 米。为了节约投资，应尽量选在库容 较大的山谷筑坝，使坝不必筑太高，以尽量减少事故。大多数选尾矿址都是山谷 型的，一面傍山，三面筑坝。还有是山坡型的，平地型的。 堆坝的方法：可分为上、中、下游筑坝法，坝的操作与管理有下注意几点： a ) 采用正确堆矿坝方法并加强操作管理，以确保坝前形成均匀的沉积滩和保 持足够的有效积滩长。堆矿坝的牢固性与操作方法应加强操作管理，以确保坝前 形成均匀的沉积滩和保持足够的沉积长度。 b ) 冰冻期间，堆高子坝，以便储存冰冻期水冶厂排出的尾矿。 c ) 根据设计，严格控制堆积平均外坡，这是保持坝牢固的一个重要条件。我 国堆坝外坡一般在1 ：6 到1 ：5 之间；国外堆积坝边坡为1 ；4 到l ：2 之间。 d ) 堆积坝的外坡护坡，点种草皮、植树、或水泥板等，防止刮风时矿粉飞扬 和水冲刷。以致扩大污染面，同时对坝堤的牢固性又好。经常检查尾矿坝，是 否有隆起、管涌、坡裂开等异常现象。 ( 2 ) 尾矿堆的物理法、化学法和植被法稳定化处理 a ) 物理稳定法：向细粒尾矿喷水和复盖岩石、泥土和炉渣等，复盖泥土还能 为种植物提供有利条件，然后再用污泥和树叶、锯末复盖。也有设置防风林，用 石灰石粉和硅酸钠混合物复盖。对铀的尾矿采用芒苇防风林结合较为有效。 b ) 化学法：比较经济的有如下8 种方法： ( a ) 树脂粘合剂：费用在0 0 3 美元码以下，可使尾矿表面防风。 ( b ) 水泥和石灰浆液。用费o 0 3 元码。 ( c ) 一种石腊和树脂的混合物和一种树脂乳浊液，用费0 0 4 0 1 美元。 ( d ) 硅酸钾：用费为0 0 7 0 1 5 美元码；硅酸钠：用费0 1 l 美元，码( 硫酸亚 铁) 是硅酸钠的有效添加剂；硅酸二钙：合成的高分子化合物，费用o 1 美元码。 ( e ) 硫酸处理过的黄铁矿，其气喷粘合剂都证明是一种有效的稳定剂。 ( f ) 复盖约o 2 5 英寸厚的沥青，能显著地降低氡气的逸出。 ( g ) 水泥、黄铁矿、磁黄铁矿、能与含硅的细粒尾矿发生反应，形成混凝土 和亚硫酸盐，可抵风雨的浸蚀。 ( h ) 用沥青、液体玻璃溶液固化尾矿的药剂，也可抵风雨的浸蚀。 ( 3 ) 植被稳定法 植树能显著地改进尾矿床的景色，也可减少因扬尘对空气带来的污染，而 且还可能通过再植被来减少水的污染。复盖土壤层和种植可使尾矿场空气中的氡 降低0 5 度左右。 4 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 在尾矿场进行植被存在不少问题： a ) 缺少肥料。 b ) 尾矿有大量盐分和植物毒剂一重金属。 c ) 由于坝是砂子组成，风砂损坏幼苗。 d ) 缺少一般的生物，土壤复盖尾矿场表面费用又较高，种草和树也难以实 现。但通过施肥和人工降雨也能使一些草如苜蓿、三叶草生长。 e ) 如果尾矿场表面的黄铁矿受氧化的作用使酸度变高，用石灰中和也不能达 到p h 需要值。 f ) 大多数尾矿都有反光作用，影响植物生长，为了在尾矿芪保持一定的温 度，须要一种深色的、吸热的不反射的表面，来助长种子发芽减少枯萎，这对高 寒冷地带重要。所有尾矿都需要氮肥和磷肥。 1 3 铀的表生环境化学【1 8 - 2 1 表生作用一般是常温、常压条件下，有游离氧和较多二氧化碳以及有大量有 机物质和微生物参与的环境中进行的。影响表生作用中铀环境化学的因素，除元 素本身的物理化学性质外，起决定作用的不再是温度和压力，而是环境氧化一还 原电位( e h ) 、酸碱度( p h ) 、吸附作用、有机物质和微生物的作用等。 1 3 1 铀在表生带中的存在状态 铀在自然界主要呈四价和六价两种价态存在。四价铀在富含游离氧的表生带 中极不稳定，很容易氧化成六价。四价铀在表生环境中一般不单独存在，它总是 同氧结合成非常稳定的铀酰络阳离子u 0 2 2 + i 护+ + 2 h 2 0 哼u 0 2 2 + + 4 h + + 2 e ，e e - + o 3 3 4 v 铀在表生作用中的迁移形式，通常都呈u 0 2 2 + 或呈以u 0 2 2 + 作为中心阳离子 的各种配合离子。 主要次生铀矿在氧化带中的特点： ( 1 ) 铀酰氢氧化物：铀酰氢氧化物一般均分布在原生铀矿体范围内，往往呈 沥青铀矿的假象。 ( 2 ) 铀酰硫酸盐：水铀矾、铜铀矾、水硫铀矿等铀酰硫酸盐类矿物的特点 是，里十分醒目的黄色薄膜、粉末状，易溶于水。它们大多是一些新生矿物，只 分布在干旱地表或通风良好的坑道壁上。 ( 3 ) 铀酰碳酸盐：以钎铀碳钙石、水菱铀矿、菱铀矿及板菱铀矿为代表的铀 酰碳酸盐类和铀酰硫酸碳酸盐类矿物易溶于水。 ( 4 ) 铀酰硅酸盐：广泛分布在各种成因类型的铀矿床氧化带中。它们大都呈 黄色、淡黄褐色，长柱状、针状、钎维状晶体或粉末状集合体产出。 5 重盎奎兰堡主兰垡堡苎 ! 堕笙 ( 5 ) 铀云母：包括铀酰磷酸盐矿物、铀酰砷酸盐矿物在内的铀云母类矿物是 铀矿床氧化带中常见而又分布虽广的次生铀矿物。它们种类繁多，物理一化学条 件也各不同。 ( 6 ) 铀酰矾酸盐：钒钾铀矿k 2 ( u 0 2 ) 2 v 2 0 d 3 h 2 0 、钒钙铀矿c a ( u 0 2 ) v 2 0 8 】 5 - 8 h 2 0 等铀酰钒酸盐矿物是沉积型铀矿床的特征次生铀矿物。在钒含量较高，硫 化物较少而碳酸盐较多的沉积岩中，由于氧化物作用形成的中性至弱碱性的介质 环境，有利于铀酰矾酸盐矿物的形成。 1 3 2 影响矿渣铀扩散和沉淀富集的因素 ( 1 ) 气候 区域气候条件大致分为4 类：干燥寒冷区：潮湿寒冷区；干燥炎热区：潮 湿炎热区。湿热气候区雨量充沛，植被发育，由大量植物残体分解产生的腐殖使 土壤呈酸性。铀常呈易溶的铀酰腐殖酸络合物、u 0 2 2 + 和u 0 2 0 h * 形式进入天然水 体。在硫化物较多的情况下，铀以硫酸合铀酰离子形式进入天然水体。因此，湿 热气候条件有利于不同类型的氧化带发育。如果氧化作用十分强烈，铀及其他组 分基本淋失，结果在地表形成残留褐铁矿帽。 ( 2 ) 地形 在地形切割强烈的地区，由于剥蚀速度较快，风化物质不易保存，氧化带发 育不完整。在地形平坦和沼泽分布地区，地下水的流速过于缓慢，水中溶解的氧 含量极低，这也不利于氧化带的发育。在湿热气候条件下的低山丘陵地区对铀矿 床氧化带的形成较为有利。 ( 3 ) 围岩性质及矿石的成分、结构和构造 围岩性质及矿石的成分、结构和构造对氧化带发育程度和矿物共生组合有很 大的影响。 晶质铀矿、沥青铀矿、铀石等铀矿物易氧化。由于铀矿物氧化产生的铀酰 u 0 2 ”容易转入各种水体，它在有利的地球化学环境中为各种胶体物质吸附固 定，或与其他阳离子( c a 2 + 、m 矿、c u 2 + 、f 苦h 、p b 2 + 等) 及络阳离子结合形成各种 次生铀矿物，分布在地表氧化带中。 围岩和矿石中的硫化物( 主要是黄铁矿) 含量较多，硫化物氧化过程中产生的 硫酸使水介质呈强酸性。在酸性水溶液作用下，沥青铀矿等原生铀矿物氧化和溶 解，并形成以残余铀黑铀云母类矿物共生组合为特征的氧化带。当矿床的围岩和 矿石中缺少金属硫化物或金属硫化物虽较多，但作为中和剂的碳酸盐矿物的含量 较高时，水介质呈弱碱性，所以在氧化带中广泛发育铀酰氢氧化物矿物和铀酰硅 酸盐矿物的共生组合。在富含有机物质的沉积岩地区，向下渗滤的地下水中的游 离氧被有机质氧化所消耗，因而氧化带不发育。 6 重庆大学硕士学位论文l 绪论 氧化带的矿物成分在很大程度上决定于原生矿石及围岩的矿物成分。例如， 铀酰砷酸盐矿物发育的前提是原生矿石中必须有砷化物或硫砷化物( 毒砂、砷黝铜 矿等) ；铀酰磷酸盐矿物的大量产出同围岩富磷有关。 矿石结构和构造对氧化作用的影响亦很明显。粉末状、被膜状、角砾状及网 脉状等疏松而有裂隙的矿石较致密块状矿石容易被氧化 ( 4 ) 表生环境中e h 值和p h 值的特点 铀在表生带中的迁移或沉淀一般都是在水溶液中进行的，所以天然水体的 p h 值和e h 值对表生作用中铀地球化学特征的影响颇大。由于大气中c 0 2 溶解， 雨水含有少量碳酸而呈弱酸性。在有硫化物产出的矿区，地表水或地下水的酸性 程度高，p h 值可达2 5 。但大多数天然水体( 海水、湖水、河水、土壤水等) 都呈 弱碱性，这是由硅酸盐矿物水解造成的。例如，在正长石水解形成高岭石和s i 0 2 的过程中，析出游离o h ： k a 1 s i 0 3 2 + h 2 0 a 1 2 s i 2 0 s ( o h ) 4 + s i 0 2 + o h 。+ k + 比较各种天然水体和各种矿物悬浮水溶液的p h 值和e h 值( 见表1 1 、1 2 ) 发现天然表生环境中p h 值的变化幅度为1 2 1 0 ，e h 值的变动范围大约在+ o 7 o 2 5 之间。p h 值和髓值变化幅度大的特点在很大程度上决定了表生作用中铀迁 移形式和矿物组合的多样性和复杂性。 1 3 3 铀矿床的氧化带环境化学分类 氧化带为铀的淋滤、迁移和富集提供了极为有利的水文地球化学环境，它的 发育程度直接影响矿化的好坏。一般来说，氧化带发育较深，分带完全则矿体规 模较大，品位较富。反之，层间氧化带不发育或分带不完整，那么矿化趋向分 散，甚至完全无矿。 ( 1 ) 铀氧化带的类型 氧化带型铀矿床，在层问地下水运动的方向上按地球化学特征可分为：地表 氧化带；层间氧化带；氧化还原过渡带：还原带( 原生岩石带) 。 a ) 表氧化带：直接发育在岩层出露地区，呈面状分布。该带特征是e h 值很 高，常达+ 0 3 , - + 0 5 v 。在氧化带范围内的岩石中，铁质矿物均已氧化成针铁矿、 水针铁矿。氧化带呈黄褐色，铀含量变化不明显，发育深度一般不超过数十米。 b ) 层间氧化带：层间氧化带由盆地边缘开始的沿着透水层流动的含氧承压水 所形成。它的前缘常呈不规则舌状，所以也有人称之为“氧化舌状体”。宏观 上，层间氧化带也象地表氧化带一样，由于褐铁矿的发育而呈浅褐色或褐色，与 还原带的深灰色或灰黑色未氧化岩石明显不同。该带的特征是岩石的e h 值 ( + o 1 计o 3 v ) 较高，在其中流动的地下水的铀含量一般为n 1 0 4 l ，岩石内铀- 镭之间的放射性平衡常遭受破坏而偏向镭。 7 重庆大学硕士学位论文l 绪论 表1 1 各种天然水体的p h 值和e h 值 ! 尘堡! ：! 里p 坚竺! 坠! ! 望! 望型丝! ! 坚! 旦! 堕曼! ! ! 永体类型phe h ( v ) 雨水4 5 7 + o 卜_ o 4 淡水 海水 地下水( 表层) 热泉 矿坑水( 氧化) 泥炭沼泽水 淡水沉积物 海底沉积物 碱性土壤水 表1 2 各种矿物悬浮水溶液的p h 值 矿物 水溶液p h 值 矿物 水溶液p h 值 矿物 水溶注的p h 值 石英 昏7 钙长石 8 角闪石1 0 高岭石5 7方解石8自榴石1 0 菱铁矿 5 7紫苏辉石8辉石】0 蒙脱石 6 - 7 更长石 9 透辉石1 0 1 1 水铝石6 - 7钠长石9 1 0橄榄石1 0 1 1 白云母7 8霓石9霞石1 0 1 l 钾长石 8 白云石 9 1 0 阳起石 1 1 c ) 氧化还原过渡带：氧化还原过渡带位于层间氧化带前缘，是已氧化和未 氧化岩石之间的一条狭长过渡带，宽度不一，由数米到数百米不等。氧化还原过 渡带的特点是，黄铁矿和褐铁矿共存；水在层间流动过程中，其中的游离氧迅速 耗尽，氧化还原电位急剧下降为负值，落差( e h ) 很大。随着地球化学条件的改 变，层间含氧地下水带来的部分六价铀还原为四价铀的氧化物( 沥青铀矿、铀黑) 沉淀并形成有工业价值的铀矿体。应当指出，该带的e h 值愈大，则表示氧化 还原电位变化的程度愈剧烈，故有利于铀的富集。一般来说，铀的富集地段与岩 石中富含还原剂( 有机质和硫化物) 的部位相对应。 d ) 还原带：还原带即正常的原生石带，不含游离氧，其中的有机质、硫化物 及二价铁矿物均未遭受氧化，e h 值变化在0 1 8 0 2 v 之间，水中的铀含量甚 低，一般为l 5 1 0 o l 。 眦|雩!呈呲眈协篡l f = =撼基器 5 o 8 8 9 7 6 7 8 卜8 卜h j 、卜卜卜加 l 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 ( 2 ) 铀氧化带发育的阶段性 铀的氧化作用是在地表水和地下水参与下进行的，因此水溶液的p h 值的变 化对氧化带的发育程度及矿物组合具有决定性的影响。矿床中水介质的酸碱度主 要取决于矿体和围岩的成分，特别是同其中金属硫化物的含量有关。氧化带按其 硫化物含量多少及由此而产生的地球化学特点，大体上可以分为硫化物型和单铀 型( 包括含硫化物甚少的钿矿床) 两种类型。 硫化物型铀氧化带的地球化学演化可明显地划分为弱碱性、弱酸至酸性、弱 碱性3 个阶段。在这3 个阶段中分别发育铀酰氢氧化物类铀酰硅酸盐类、铀云素 养类、铀酰硅酸盐类3 种不同的矿物物共生组合 a ) 弱碱性阶段：本阶段形成铀酰氢氧化物类铀酰硅酸盐类矿物组合。在铀 矿床氧化带发育过程中，当大多数硫化物尚未开始氧化时，沥青铀矿就已遭受水 化和氧化作用。 b ) 弱酸- 酸性阶段：本阶段形成铀云母类矿物组合，它的最大特点是黄铁矿 及其他金属硫化物在含氧水作用下开始氧化，产生游离硫酸，这使水溶液的酸度 显著升高，p h 值由9 降至4 2 。水溶液的酸性环境加速了矿体中铀的氧化和溶 解。在这时形成的u 0 2 s 0 4 被水溶液带至氧化带深部，促使围岩和矿体中的磷、 砷、钼等元素的活动性增强，于是在富氧的酸性水溶液中形成p 0 4 3 、a s 0 4 3 。、 m 0 0 4 3 等络阴离子。 c ) 晚期弱碱性阶段：这一阶段形成铀酰硅酸盐矿物组合。在硫化物全部被氧 化后，氧化带水溶液中的s 0 4 2 - 数量相应减少，从围岩中析出的s i 、n a 、c a 、m g 等造岩元素及c 0 3 2 。所起的作用越来越大，氧化带水溶液的p h 值逐渐升高，水溶 液由酸性重新转变为中性至弱碱性。水溶液的弱碱性环境有利于二氧化硅的溶解 和迁移，也适合铀酰硅酸盐类矿物的形成。这一阶段水溶液中铀的浓度偏低，所 以不再形成铀酰氢氧化物，而是发育铀酰硅酸盐类矿物组合。矿物分布的特点是 矿物充填在矿体围岩的裂隙中，常形成结晶程度较好的矿物集合体。 第一阶段形成的铀酰氢氧化物和铀酰硅酸盐类矿物大多保存在氧化带深部或 原生铀矿物附近，在地表仅发育第二、三阶段形成的各种次生铀矿物。 上述氧化带地球化学演化的3 个阶段虽然是针对硫化物型铀矿床的，但对其 他少含或不含硫化物的铀矿床来说，大体上也适用，差别仅在于各个阶段的发育 程度有所不同，甚至可能缺某一阶段。 1 4 论文的主要研究内容和方法 我国目前对放射性固体废物处置治理方法主要采用封、填、拦、盖、植、疏 等综合措施，减少废物堆中的氡析出及放射性废水流到地表所造成的环境污染； 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 但需注意的新问题是淋浸雨水的汇集和处理，草本植物对核素的浓集与饮用，以 及已处置区禁止人畜进入、植被破坏等。 以某矿床为例，采用废渣回填井下采空区手段，治理坑道长1 7 8 8 m ，废渣量 1 9 3 0 0 t ，产矿达4 0 0 余吨，矿石平均品位0 2 9 9 3 。两年后，经回访检查，常年 有废水从坑道口流入前边小河，水量为8 0 t d ，r n 析出率1 5 5 b q m s ，关键人群 组平均年有效剂量当量为0 0 5 8 4 m s v a ，超过国家规定限值( 0 7 b q m 2 s ) 。铀废物 治理过程中，渗沥水是最大的问题，也是最大的难点，铀矿岩石各不相同，其治 理方法也将不一样。 本论文选取某矿床的砂岩型铀矿废渣作为研究对象，其矿石物质组成复杂， 由多种碎屑矿物河岩屑组成，铀矿物以沥青铀矿物为主，结晶粒度极细，呈显微 粒状赋存于砾岩、砂岩的碳酸盐矿物组成的胶结物中，部分铀呈吸附状态被泥质 河有机炭吸附。 主要研究内容是应用“铀地球化学”和“铀找矿勘探学”以及“砂岩型铀矿 床学”的方法，研究有利于废渣中的铀的迁移和富集环境条件，为防止废渣中的 铀在自然界扩散而采用多种护防措施并提供理论依据。 另一研究内容是为某矿点的废渣治理提供一套治理方案。 本文从砂岩型铀矿床赋存环境着手，对矿渣进行地质生态研究，寻求一种工 程地质和环境地质相结合的治理手段。 首先对该矿渣堆和井巷进行了工程地质勘察和放射性勘查，查明其物理力学 性质和环境污染程度，该矿点废渣、废水的y 外照吸收剂量率，r n 折出率均远远 超出环境容量。 对该矿渣堆取样，进行室内渗沥实验、富集实验和固结实验，并将实验过程 与铀在氧化带中的迁移形式和沉积条件进行比较。 最后以某矿山f 砂岩型铀矿) 作为研究对象，制定出该矿山矿渣治理方案，以 期达到治理目标。 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 实验部分 2 实验部分 2 1 仪器设备及材料 ( 1 ) 仪器设备 京一l o o 钻机( 北京探矿机厂) 双液注浆机( 西安探矿机厂) 空压机( 西安探矿机厂) 泥浆泵( 西安探矿机厂) 标准贯入仪( 如皋市锦绣地质勘测设备厂) x y 剂量率仪s g 1 0 2 ( 上海电子仪器厂) r a 测氡仪f d 一3 0 1 7 ( 上海电子仪器厂) 7 2 1 分光光度计( 上海电子仪器厂) ( 2 ) 注浆材料 4 2 5 号水泥( 川东水泥厂) 粉煤灰矿( 四川通江煤矿) 黄铁矿( 四川通江煤矿) 硫酸亚铁( 重庆无机化学试剂厂) n a 2 c 0 3 ( 重庆无机化学试剂厂) n a h c 0 3 ( 重庆无机化学试剂厂) h 2 0 2 溶液( 重庆无机化学试剂厂) 铀矿渣( 某废弃矿山) 褐煤( 铁山煤矿) 2 2 砂岩型矿石铀浸出试验 ( 1 ) 铀矿渣浸出试验原理幽1 不含或含硫化物甚少的铀矿渣中，在碳酸盐溶液中，铀主要呈碳酸合铀酰离 子形式迁移。碳酸合铀酰离子在高锰酸钾或双氧水氧化环境中，它们可与n a + 、 c a 2 + 、m 9 2 + 等阳离子结合形成铀酰碳酸盐矿物。由于铀酰碳酸酸盐矿物在水溶液 中的溶解度较大，它们从矿渣中迁移出来。 ( 2 ) 铀浸出试验 在某矿渣堆取样，经核工业某实验室对矿渣进行分析岩性及矿物组成见表 2 1 和2 2 。矿样由深灰砂质细砾岩、深灰色细粒砂岩、深灰色含砾细粒硬质碎 石、砂土组成，其中碎石、砂土、有机炭等占5 5 6 0 ；胶结物含量占3 5 4 5 ， 重巫奎兰堡主兰垡笙茎 ! 塞墼垫坌 主要为方解石，并有少量泥质粘土( 伊利水) 以及铁质等。矿渣堆为碎石土，粒径 i - i o o m m 居多 铀主要以沥青铀矿分布于方解石、粘土矿物和铁质组成的胶结物中，矿物粒 度极为细小，一般为0 0 0 1 0 0 0 5 m m ，部分铀呈吸附状态存在，主要被铁质物、 泥质粘土和有机炭等吸附。 表2 1 砂岩化学组成( 9 的 t a b l e2 1t kc o m p o n e n to f s a n d s t o n e 化学成份 棕色砂岩浅色砂岩浅色砂岩矿石 s i 0 26 1 4 16 7 4 95 4 2 1 f e 2 0 3 4 5 73 1 7 3 3 4 f e o 2 3 72 2 5 2 4 5 a 1 2 0 3 9 2 06 7 3 6 9 7 t i 0 2o 7 3 50 6 90 6 6 m n 3 0 4 0 0 4 90 0 4 90 0 9 c a ( 3 8 4 9 59 0 6 1 4 3 6 m g o 1 9 4 l - 3 71 9 9 p 2 0 s0 1 90 1 6 30 2 0 岛o1 8 60 9 71 1 5 n a 2 01 5 61 7 4 1 4 6 h 2 0 1 0 9 0 4 61 8 5 c 0 2 7 3 4 7 4 01 0 3 0 s 0 3 0 0 1 20 0 6 2 0 4 6 表2 2 不同颜色砂岩的f e 2 + 和f e ”平均含量及比值 ，t a b l e 2 2a v e r a g ec o m p o n e n ta n dt h e i rr a t i o o f f e 2 + a n d f e 3 + i n d i f f e r e n t c o l o r s a n d s t o n e 岩石 f e 3 +f e 2 + f e 3 + + f e 2 +