两孔法地浸采铀现场试验.doc

1 两孔法地浸采铀现场试验两孔法地浸采铀现场试验 王海峰 核工业北京化工冶金研究院 北京 101149 摘要摘要 在乌兹别克斯坦地浸采铀中广为使用的两孔法 首次在中国砂岩型铀矿床得以应用 在文章中分析了 实验室矿石搅拌浸出试验和 4 个柱不同硫酸浓度的柱浸试验结果 同时 为获得水文地质参数 完成了地 下水抽水和水位恢复试验 铀硫酸地下浸出试验 重点讨论了影响浸出的因素如氢氧化铁 氢氧化铝 钙 镁和氧化还原电位等 并且引进了用来计算溶浸面积 液固比 浸出液平均铀浓度 酸耗和浸出率等参数 的公式 最终提出 两孔法现场试验方法科学 所得出的结果可靠 可用来评价铀矿床地浸开采 并可在 条件适合的砂岩型矿床应用 关键词关键词 两孔法 地浸 现场试验 铀 1 前言前言 位于中国西北的某铀矿床于上世纪 50 年代在预查中发现 后来对部分地段进行了勘探 该矿床属中侏罗纪卷状砂岩型铀矿床 通过水文地质研究 获得了含矿含水层渗透性 井 涌水量 地下水水位 地下水 pH 值 Eh 值和 TDS 考虑到矿床地质和水文地质条件 特别 是采矿成本 认为地浸是首选的采矿方法 因此 后期勘探集中在可被地浸方法开采的矿 化区域内 现场试验前 为获得地浸必要的浸出参数 开展了一系列实验室试验 矿石搅拌浸出 试验结果显示 在 H2SO4浓度为 2 20g l 并加入 0 5g l H2O2 时 铀浸出率在 48 小时内 可达 76 13 95 06 柱浸试验结果显示 在 H2SO4浓度为 1 5g l 并加入 0 2g l H2O2 时 铀浸出率可达 92 7 92 98 现场试验在 2004 年 10 月展开 使用 H2SO4和 0 5g l H2O2 试验采用两孔法 即 1 个 抽出井 1 个注入井 两个井相距 11 监测井距抽出井 14m 以便获取试验参数 试验连 续进行了 3 个月 铀浸出率为 63 8 浸出液最高铀浓度为 59mg l 平均 37 5mg l 2 地质和水文地质地质和水文地质 2 1 矿化和氧化带 矿区的构造形态主要是在新构造运动中形成的 发生在 2400 万年前的早中新世 侏罗 系开始接受含铀含氧水的补给和氧化改造 这对后期砂岩铀矿的形成起了积极的作用 在 构造和承压水的控制下 氧化带主要在侏罗系中期或晚期得到发育 形成不同厚度和不同 2 渗透性能的矿体 矿床砂体的稳定是影响氧化带发育的重要因素 氧化带仅发育在厚度大于 5m 并有完 整的上下不透水层中 砂体渗透性受黏土含量的影响 当黏土含量超过 30 时 砂体渗透性小于 0 1m d 有机质对层间氧化有明显的抑制作用 黄铁矿氧化需要的游离氧量远小于地下水提供的游 离氧量时 黄铁矿对层间氧化就有促进作用 2 2 含水层和地下水 地下有几个含水层 其中第七含水层为含矿含水层 含矿含水层东西向展布 800 4000m 最大厚度 51 5m 一般 5 15m 在试验地段 含矿含水层平均厚度 13 52m 并自涌出地表约 15m 实验室测定渗透系数为 0 23 1 71m d 从南向北变差 地下水流向西北 pH 7 67 TDS 0 3g L Eh 231 mV 主要化学成分和其含量见表 1 表 1 地下水化学成分 mg L 项目UCl SO42 HCO3 CO32 值0 325183 819542 6 项目Ca2 Mg2 Fe2 Fe3 pH 值96 517 7 1 17 45 3 3 铀矿化铀矿化 铀矿化主要发生在中侏罗纪的含铀砂岩和泥岩中 主要工业矿化分布在氧化带前缘 特别是尖灭弧的凸起部分 矿体在剖面上呈卷状 矿床由 1 和 2旋回组成 试验在 2旋回展开 2旋回铀矿体位于 357 373 勘探 线之间 勘探见矿孔 11 个 矿体长 800m 宽 62 5m 200m 平均品位 0 03 平均厚度 4 43m 通过对物探测井数据的分析得出 在见矿孔中多半孤立揭露矿化带 连续性差 矿层上下 具有不透水的页岩层 可在浸出过程中限制注入的溶浸剂流动范围 矿体埋深 160 230m 倾角 5 10 旋回铀矿化砂岩粒度各异 主要为渗透性能较好的粗砂岩和中砂岩 其中砾石含量 为 3 32 1 粗砂 2 6 中粗砂 9 3 中砂 24 9 98 9 铀包含在含铀砂中 4 4 矿物成分和化学成分矿物成分和化学成分 3 4 1 矿石矿物成分 矿石岩性主要为中细 中粗粒岩屑长石砂岩或长石岩屑砂岩 碎屑物含量 86 88 填隙物含量 12 14 砂岩矿石的矿物组成基本上与含矿围岩成分一致 主要由碎屑矿物 粘土矿物 铀矿物 铁矿物等 其中碎屑矿物成分主要由石英 长石 岩屑等组成 石英含量一般 52 60 长石含量 24 32 岩屑含量 12 20 见少量 云母及金属矿物 粘土矿物中粘土含量 5 13 5 以伊利石 高岭石和绿泥石为主 含少量蒙脱石 铀矿物主要是铀的氧化物及少量铀石 铀氧化物的矿物类型为沥青铀矿 赋存于粉砂 泥质充填物中 呈黑色及灰黑色 铁矿物主要为铁的氧化物 钛铁矿和磁铁矿 含少量的菱铁矿及黄铁矿 矿带铁矿物 的含量在 1 1 25 65 之间变化 碳酸盐矿物含量以 CO2计 均小于 1 如表 2 表 2 矿石中 CO2含量 含矿层位氧化带过渡带还原带 1 0 075 22 0 65 46 0 40 38 2 0 11 38 0 49 29 0 44 25 注 表中 内数据为样品个数 4 2 矿石化学成分 由于不溶于硫酸的 SiO2在矿石化学成分中占大多数 表 3 这较适合酸法浸出 浸出 剂消耗低 表 3 矿石化学成分及含量统计表 项 目SiO2Fe2O3FeOAl2O3CaOMgOK2OCO2Na2O 值80 520 980 8511 070 390 922 850 570 85 样品分析结果表明 SiO2从氧化带到还原带含量无变化 Al2O3从氧化带到过渡带前缘 含量略有升高 原生岩石带略有降低 反映了岩石中 Al2O3在层间氧化作用下有迁移现象 Fe2O3从氧化带到原生岩石带逐渐降低 FeO 则逐渐升高 而二者的总量基本保持不变 Fe2O3 FeO 比值在氧化带中大 反映氧化作用越强烈 更有利于铀的迁移 CaO 在氧化程 度较高的岩石和原生岩石中含量偏低且相似 在弱氧化带与过渡带含量明显偏高 K2O Na2O 和 MgO 从氧化带到原生岩石带含量逐渐升高 但总体变化不大 说明这些元素在 氧化带有一定程度的迁移流失现象 4 5 实验室矿石浸出试验实验室矿石浸出试验 5 1 矿石样品 实验室试验矿样取自钻孔 一共 10kg 同时 取试验地段含水层地下水 250l 将各样品用木板破碎到自然粒级作为柱浸试验样品 然后将缩分样破磨到 200 目作为 搅拌浸出试验样品 5 2 矿样分级 将矿石样品分级 确定不同粒级中铀含量 从分级结果中看出 30 97 铀包含在 0 4 0 8mm 的颗粒中 此级别含量最高 5 3 搅拌浸出试验 实验室搅拌浸出试验在 15 25oC 温度下浸出 48 小时 300ml 浸出剂和 60g 样品 液 固比 5 1 搅拌浸出试验结果见表 4 表 4 H2SO4 和 H2O2搅拌浸出试验 配酸浓度 H2SO4 g L 025101520 H2O2 g l 0 5 余酸浓度 H2SO4 g L 0 662 956 139 3115 67 U mg L 30 2560 1470 5373 0173 1375 10 H2SO4消耗 kg t ore 4 49 112 514 7519 25 H2SO4消耗 t tU 1123323749 浸出率 38 2976 1389 2892 4292 5795 06 从表 4 中看出 当使用 H2SO4作浸出剂 H2O2作氧化剂时 浸出率可达 95 06 浸出率 浸出液平均铀浓度和酸耗随 H2SO4 浓度增加而增加 因此 现场试验推荐使用 5 15g L 的 H2SO4 5 4 矿石柱浸试验 柱浸试验使用 4 个柱子 浸出剂浓度分别为 5 g L 2 g L 1 g L 和 pH 4 同时加入 浓度 0 2g L 的 H2O2 试验结果见表 5 5 表 5 柱浸试验工艺参数及结果 项 目1 号柱2 号柱3 号柱4 号柱 H2SO4 g L521pH 4 装样重量 g356 0378 3374 6361 7 矿石品位 0 03560 03560 03560 0356 金属量 mg126 74134 675133 36128 77 矿柱内径 mm20202020 矿柱高度 cm80 884 584 781 9 浸出液平均铀浓度 mg L65 4634 4819 7722 48 浸出液最高铀浓度 mg L234 03100 5761 10345 70 液固比4 568 9814 3512 77 酸耗 kg t ore16 0515 9912 4113 41 渣品位 0 00250 00310 00260 0029 渣计浸出率 92 9891 2992 7091 85 从表 5 中注意到 矿石样品浸出性能较好 超过 90 的铀易被浸出 H2SO4最佳浓度为 5g L 同时加入 H2O2作为氧化剂 6 6 水文试验水文试验 水文试验在 3 个井中展开 抽水试验持续 42 小时 水位恢复试验持续 24 小时 确定 含矿含水层渗透性 导水系数 单位涌水量 影响半径和降落漏斗等参数 地下水水位 地下水温度 抽水试验中抽水量为 4 38m3 h 2 个监测井分别距抽出井 11m 和 14m 无论是抽水试 验还是水位恢复试验使用非稳定流公式计算水文参数 王海峰 2005 T 0 183Q B K T M 式中 T 导水系数 m2 d Q 抽水井体积流量 m3 d B 曲线斜率 K 渗透系数 m d 6 M 含矿含水层厚度 m B 值可通过抽水试验 S lgt 图或者 S lg t r2 图求得 也可从水位恢复试验的 lg T ti ti 图求得 此处的 M 值取井过滤器的长度 水文地质试验结果见表 6 表 6 含矿含水层水文地质试验参数及结果 lg T ti ti 井类型 含水层厚度 m 过滤器长 度 m 流量 m3 h 井半径 mm TK 监测井11 324 0302 170 48 注入井11 504 5301 980 49 抽出井11 346 0 4 38 651 450 51 平均11 393 6331 251 870 49 7 7 现场浸出试验现场浸出试验 7 1 工艺参数 试验矿段工艺参数见表 7 表 7 试验矿段工艺参数 参 数单位注入井抽出井监测井平均 矿层厚度m2 14 42 32 93 矿石品位 0 04550 05930 01890 0412 含水层厚度M11 5011 3411 3211 39 地下水温度 14 矿段面积m260 6 金属量kg155 7 2 地下浸出 现场试验于 2004 年 10 月 4 日开始 严格按照两孔试验程序 同时注入 H2SO4和 H2O2 抽注不平衡系数为 5 即抽液量 5 m3 h 注液量 1 0 m3 h 以便通过第九节公式获得比较 精确的参数 注酸 10 天后 浸出液铀浓度开始上升 并于 11 月 10 日达到峰值 56mg l 如图 1 所 示 现场试验于 2005 年 1 月 22 日结束 时间 天 0 10 20 30 40 50 60 70 1112131415161718191101 U mg L 7 图 1 浸出液铀浓度变化曲线 在试验初始阶段 浸出液铀浓度上升主要是 HCO3 和 CO32 的作用 HCO3 和 CO32 产生于 硫酸与碳酸盐的化学反应 并在酸化区域前沿生成碳酸铀酰 UO2 CO3 2 2 和 UO2 CO3 3 4 另一方面 硫酸与铀的反应生成硫酸铀酰 UO2 SO4 3 4 这一反应主宰后期的浸出 化学反应过程和所生成的不同类型铀酰在图 1 的铀浓度曲线中表现出来 一般情况下 由 于 HCO3 CO32 和 SO42 的作用 铀浓度曲线将出现两的峰值 7 3 矿层的堵塞 酸法地下浸出通常发生三种形式的堵塞 气体堵塞 机械堵塞和化学堵塞 由于抽液 量是注液量的 5 倍 气体堵塞表现不明显 浸出剂在注入之前经管道过滤器过滤 防止溶 液中的细颗粒造成井的堵塞 经常发生在注入井的机械堵塞在试验中未出现 而化学堵塞 在不同试验阶段相对严重 当浸出液 pH 值从 7 8 降低到 4 6 时 抽液量逐渐降低 浸出液 颜色变为乳白色 存在氢氧化铝沉淀 这说明化学堵塞发生在抽出井周围 随浸出的进行 pH 值进一步降低到 2 3 氢氧化铝溶解 化学堵塞得到缓解 浸出液颜色变得清澈 7 4 降落漏斗形状 试验中抽出井静水位 89m 而距抽出井 10m 的注入井静水位为 22 45m 距注入井 4m 的监测井水位与注入井相同 因此 在抽注期间形成的降落漏斗陡峭 这种陡峭的降落漏 斗由于两井之间水力联系差 或者抽出井周围渗透能力弱 或者存在水跃 8 8 对浸出影响的因素对浸出影响的因素 8 1 氢氧化铁和氢氧化铝 理论上 pH 6 时 Fe2 的氢氧化物溶解 pH 4 时 Al OH 3开始溶解 pH1 计算得出溶浸面积为 60 6m2 2 液固比 2 FM tQi f 式中 f 液固比 Qi t 注入浸出剂总量 m3 矿石密度 M 含水层有效厚度 m 计算得出液固比为 1 84 3 平均铀浓度 3 V Qu C 式中 C 平均铀浓度 mg l Qu 浸出金属总量 t V 抽出浸出液总量 m3 计算得出平均铀浓度为 37 5mg l 4 酸耗 4 FM tCpQptCiQi Z 式中 Z 酸耗 t t 矿 Ci 注入浸出剂酸浓度 g l 11 Cp 抽出浸出液酸浓度 g l Qi 注入浸出剂总量 m3 Qp 抽出浸出液总量 m3 计算得出酸耗为 66kg t 矿 5 浸出率 5 GpTpGiTiF Qu R 式中 R 浸出率 Gi 注入井矿石品位 Ti 注入井矿层厚度 m Gp 抽出井矿石品位 Tp 抽出井矿层厚度 m 计算得出浸出率为 62 7 1010 结论结论 矿床位于平原地带 靠近供电站和饮用水源 公路进出方便 已探明一定的储量 矿 体埋藏深度中等 矿石品位和厚度可以接受 矿体浸在地下水中 从水文地质试验结果看 出渗透性适合浸出 地下水清澈透明 无味 TDS 0 3 1 0g l 不含任何不利浸出元素 满 足酸法浸出需要 实验室搅拌浸出试验和柱浸试验获得可喜结果 矿石可被硫酸浸出 浸出率达 90 以 上 显示出相当好的浸出性能 矿体内不含对酸浸有害的矿物和化学成分 矿床可用地浸 法开采 从图 1 注意到 硫酸注入后 浸出液铀浓度随时间上升 在大约 40 天达到峰值 56mg l 在约 50mg L 保持 35 天 试验持续 107 天 平均铀浓度 37 5mg L 从前苏联出版 的书籍中得知 两孔法现场试验的主要特点是时间短 一般情况下 2 到 3 个月 本次试验 在 3 个月内结束 符合两孔法浸出规律 铀浓度曲线表现出典型的酸法浸出特性 实验室试验和现场试验证明 硫酸注入后只能通过浸出剂与铀矿物的化学反应溶解 U6 因此 必须加入 H2O2 增加氧化还原电位 Eh 在矿层中创造将 U4 氧化成 U6 的氧化环境 试验期间 Eh 随时间增加 最终稳定在 400mV 如图 4 所示 此时铁以 3 价态形式存在 也即氧化铀的最佳条件 浸出条件得到满足 酸法浸出使用氧化剂时 当 pH 值小于 5 时矿层中铀进入溶液 不使用氧化剂时 当 pH 值小于 4 5 4 时矿层中铀进入溶液 试验中浸出液 pH 值从 7 8 降低到 2 2 铀可以 溶解并进入溶液 铁和铝的存在仅在浸出初期引起化学堵塞 它们在后期的溶解增大了矿层孔隙度 有 12 利于浸出进行 当 Fe3 浓度达 1 0 1 5g L 时 酸耗减少 30 50 Fe3 对浸出的作用 是氧化铀 当 Fe3的浓度大于 0 6g L 且 pH 为 5 4 时 铀的浸出强度可得到增加 实践证明 当存在 Fe3 且 pH 3 0 时 铝的存在有利于浸出 当铝的含量为 0 5 1 0g L 时 酸耗可以减少 15 铝的作用是因为铀和铁的混合多核羟基络合物开始沉 淀的 pH 值与铝水解的 pH 值吻合 铝的水解伴随着氢离子析出 这为保持多核羟基络合物 形式中的铀的稳定状态创造了条件 提高了被溶解铀带的运动速度 铝的存在能改善矿层 的渗透性能 当液固比在 0 5 1 0 范围内 铀的浸出强度有随溶液中铝含量的增加而增加 的趋势 一般来讲 酸浸注入硫酸后 浸出