某酸法地浸矿山终采区铀资源强化浸出试验研究

许 影，成 弘，张万亮，赵利信，邓锦勋，张 翀

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中核通辽铀业有限责任公司，内蒙古 通辽 028000)

0 引 言

铀资源作为核工业的“粮食”，其有效开采利用具有重要的战略意义。当前世界范围内采用原地浸出工艺生产的天然铀比例已超过50%，在我国，地浸采铀产能占我国天然铀总产能的90%以上，短期内地浸采铀仍将处于主导地位。我国现有运行的地浸铀矿山部分已处于开采后期待退役治理阶段，其中仍有一些采区存在资源回收率低的问题。

为解决生产运行中的问题，提高资源开采率，国内外资源性行业在资源开采方面进行了关于强化开采或深度开采的系列技术研究，如油田开采行业，已经建立了油田“二次开发”和“三次开采”等增采技术[1-4]。砂岩型铀矿床的地浸开采与油田开采相似之处在于以下两方面[5-7]，一是水流开采，也是在矿床地表建设井场，通过井场的系列抽注液井将目标矿物带至地表进行回收处理；二是低浓度浸出液回收处理，吸附尾液返回井场进行循环使用。与油田开采的不同之处主要在于此处的流动液体必须含有特定的浸出剂，并通过氧化和配位等化学反应溶解铀矿物。因此，铀矿地浸是一个伴随化学反应的流动过程，在井场布置、基本操作方式等方面均与油田开采相似。

新疆某层间氧化带控制的砂岩铀矿床作为我国使用酸法地浸采铀的老矿山，经过长期的地浸开采，矿石中容易浸出的铀大部分已被开采，预进行后续深度回收铀资源，有针对性的强化浸出技术十分必要。研究借鉴油田强化开采的技术手段和研究思路，寻求有效提高铀矿开采利用率的技术措施。鉴于铀矿地浸开采中存在的问题，在浸出方面，从重新刻画矿床资源、重新建立浸出技术的角度出发，对开采中后期矿床继续进行经济开采，提高资源利用率[8-10]。

1 研究背景

1.1 矿床水文地质背景

1) 矿床地质。目标采区所在矿床矿化受层间氧化-还原过渡带控制，平面上沿氧化带前锋呈蛇曲带状延伸，剖面上呈短头长尾卷状或长头短尾卷状等。矿带沿走向延伸超过5 000 m，沿倾向宽度50～587 m，主矿段位于3号线～32号线之间。矿体分为卷头和翼部两个部分，卷头矿体主要发育于还原带和过渡带砂体中下部黄色砂岩尖灭部位的灰色中粗砂岩中，矿体较稳定，各剖面均有发育，长度45～205 m，平均长度115 m。翼部矿体一般分为上翼和下翼，上翼与下翼之间夹有较厚的疏松黄色砂体，其厚度为5～8 m，渗透性能好。由于翼部矿体主要发育在中-弱氧化亚带环境，其六价铀与四价铀的比值高于卷头。翼部矿体长度50～587 m，平均长度204 m。矿床由翼部向卷头的发育方向上，矿体厚度呈薄-厚-薄叠层变化，翼部矿体薄，卷头矿体厚。矿石品位从卷头到翼部差异较大。卷头矿石品位为0.015 2%～0.141 6%，平均品位为0.085 8%；翼部矿石品位为0.015 2%～1.521 0%，平均品位为0.089 7%。总的来说，翼部矿体与卷头矿体相比，矿石品位高，厚度小，平方米铀含量低，矿体可利用的地质储量比例小[11]。

该矿床砂岩铀矿石岩性以中粗粒和中细粒砂岩为主，粗粒砂岩和细砂岩次之。矿石中黏土-粉砂质含量约占15.8%，其余为碎屑物，约占84.2%。碎屑物主要由石英(51.0%～79.0%)、岩屑(8.0%～20.0%)以及长石(5.0%～15.0%)组成，并含有少量的白云母、黑云母及炭化植物碎屑[11]。矿石中铀有3种存在形式，即铀矿物、吸附态铀以及含铀矿。铀矿物以沥青铀矿为主，约占铀矿物总量的98%，另有少量的铀石和钛铀矿物[12]。

2) 矿床水文地质。矿区内赋存于第V旋回含矿砂体中的层间承压水，是矿床内最主要的含矿含水层。含矿含水层砂体平均厚度19.5 m，渗透系数0.52～1.16 m/d，平均为0.861 m/d，沿矿带走向不同地段含矿含水层渗透系数变化幅度不大，变化系数仅24.4%，渗透性较均一。含矿含水层单位涌水量为0.060～0.115 L/s·m，单孔抽水量为1.3～7.8 m3/h，平均为5.4 m3/h，承压水位埋深为34.50～83.56 m，平均为57.57 m。承压水头高度为109.54～149.90 m，平均为125.36 m。含矿含水层地下水为中-弱碱性低矿化度HCO3—SO4或HCO3型淡水，pH值为7.31～8.20，矿化度为0.23～0.69 g/L，水温11 ℃。地下水流向近北向，水力坡度为0.02～0.03，流速0.013～0.029 m/d。翼部矿体主要赋存于渗透性能较差的泥质和不等粒砂岩中，上翼矿体的渗透系数为0.1～0.5 m/d，下翼仅为0.1 m/d左右。另外，上翼与下翼矿体之间有一处厚度为5～8 m的夹层，其室内所测的渗透系数为矿层的5～8倍[11-12]。

1.2 生产历史和存在问题

该矿床自实施地浸采铀工艺以来，率先投产的采区A和采区B取得了较好的开采效果，至2016年底，其浸出率均高于100.0%。而相继投产的部分采区，如采区C和采区D，浸出效果不佳，运行十几年后，铀的浸出率为70.00%和69.38%。至2016年底，采区A～采区D生产孔已全部停止运行，准备退役，其资源状况及开发参数见表1。

从表1矿床开发参数得出，采区C和采区D仍有数量可观的资源，如直接退役治理则造成资源浪费。以采区D为例，该采区2004年7月开始酸化，采用超前酸化法酸化，至2005年1月结束酸化，进入抽注浸出阶段，浸出液浓度一直在30～40 mg/L徘徊，至2015年下半年铀浓度开始持续下降，年底低于10 mg/L，已经与注入的浸出剂中铀浓度相当。2016年初停止抽注运行，资源累积回收率为69.28%。该区自投入运行以来一直未能达到预期的浸出效果，浸出液浓度一直处于较低水平，依据前期卷头矿体开采经验进行强化浸出，如调整井型、添加氧化剂，但是均未改善浸出效果[11]。本文试验选择采区D作为研究对象，开展铀资源强化浸出。

表1 采区资源状况和开发参数Table 1 Resources and development parameters of the mining area

2 目标采区铀资源刻画分析

2.1 靶区选择和分析

通过收集该矿床采区生产孔的原始测井资料、从开始工业化运行至停止运行期间的生产运行数据，对生产孔的累计运行时间、终止运行时浸出液铀浓度、运行周期内浸出液平均铀浓度、本底平方米铀量、矿体厚度/含矿含水层厚度比值等参数，对每个钻孔的分布情况进行了统计和分析，划定了铀资源量可能会比较高的靶区位置，即符合以下标准的区域：①原始平方米铀量高的区域；②砂岩矿体厚度/含矿含水层厚度之比大的区域；③难浸区域或溶浸死角。在靶区位置施工6组试验孔，钻孔测井结果见表2。

表2 钻孔测井结果Table 2 Results of borehole log

由表2可知，选取的6个试验钻孔矿石品位在0.02%～0.17%之间，平方米铀量均大于1 kg/m2，其中，H-4孔、H-5孔、H-6孔矿石平方米铀量较高，以H-5孔为例，在埋深188.71～195.80 m位置，平方米铀量最高可达22.11 kg/m2。此外，γ值较高的区域大部分存在于紧靠底板附近的泥质砂岩或粉砂岩中。因此，就工艺开采角度而言，地浸开采难度较大。

2.2 钻孔岩芯样品分析

2.2.1 X荧光测试

岩石样品X荧光分析测试结果见表3。由表3可知，所选取的钻孔均在矿石样品中检测到铀，大部分砂岩中，铀品位低于0.1%，而含泥质砂岩中铀的含量较高，如H-4孔，在埋深194.15～194.25 m灰色泥质粉砂岩中，铀品位可达0.531%。而H-6孔检测到砂岩中铀的含量较高，有利于地浸开采。X荧光测试结果同钻孔测井结果基本相符。

由表2和表3可知靶区位置残余铀资源主要有两类，一类赋存于砂岩中，品位低；另一类赋存于靠近底板的泥岩、含泥砂岩中，铀品位较高。因此有必要开展强化浸出研究，进一步实现残余铀资源回收。

表3 岩芯组成X荧光分析结果Table 3 X-ray fluorescence analysis results of core composition

2.2.2 SEM-EDS分析

对采自目标采区6个钻孔约72个样品(含矿含水层砂岩、顶底板泥岩和粉砂岩)进行了扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)分析测试，结果见图1～图3。

扫描电镜分析采区矿物赋存特征表现如下所述。

1) 由图1可知，扫描电镜下观察到硫酸钙出现的情况。硫酸钙是酸法地浸采铀中最常见的堵塞物质，硫酸钙覆盖砂岩颗粒骨架表面或充填孔隙之中，导致该区域矿石不能接触到浸出剂，无法有效地浸[13]。

图1 扫描电镜下发现的石膏堵塞物及其能谱结果Fig.1 Results of gypsum plug found under scanning electron microscope and its energy spectrum

2) 由图2可知，扫描电镜观察到因矿石溶蚀形成的机械堵塞现象[14]。由图2(a)可见长石溶蚀导致矿石粉化或泥化，将降低矿层渗透性。由图2(b)和图2(c)可见广泛分布于颗粒间的微粒物质，同时在钾长石颗粒表面观察到了微晶石英与高岭石共生，二者共同覆于钾长石表面(图2(c)和图2(d))。这些微小颗粒物在地浸抽注行为的作用下随地下水流动而移动，当颗粒堆积在一起时即可能发生机械堵塞，进而在矿层中形成异常溶浸区域。

图2 电镜下矿物溶蚀现象Fig.2 Mineral dissolution phenomenon under electron microscope

3) 由图3可知，矿石中存在黄铁矿硬质结核的情况。在已酸法地浸开采20余年的某矿床目标采区含矿含水层内发现了较大的黄铁矿结核，说明存在黄铁矿结核的区域仍保留着还原性，该区域有进一步氧化浸出的潜力[15-16]。

图3 黄铁矿结核形成异常溶浸现象Fig.3 Abnormal leaching phenomenon of pyrite nodules

3 强化浸出试验研究

3.1 化学强化浸出条件试验

3.1.1 强化配位反应浸出试验

控制铀矿物反应的因素主要为浸出强度，理论上，酸法地浸采铀浸出反应过程见式(1)～式(5)。

(1)

(2)

UO3+H2SO4→UO2SO4+H2O

(3)

(4)

(5)

就地浸采铀工艺而言，在浸出过程中需将矿物中U(Ⅵ)、U(Ⅳ)更多地转化为[UO2(SO4)2]2-和[UO2(SO4)3]4-，以利于水冶工艺铀的回收。铀浸出过程包含配位反应和氧化反应控制，两种反应相互促进[17-20]，彼此制约。因此，实现强化铀的浸出，提高铀资源的回收率，必须综合考虑U(Ⅳ)的氧化条件和配位条件。

病房里传来楼兰的声音，是西双来了么？声音跳跃着，仿佛有了闪烁和微笑的表情。老人和西双走进去，老人说西双借给我们三万块钱。楼兰就愣住了。她看着西双，两滴眼泪突然涌出，却挂在眼角，挣扎着不肯落下。她把眼泪蹭上被子，又轻轻揭开被角，伸出惨白纤细的手。她的指尖颤抖着，她说西双，我能握握你的手吗？

本文研究将砂岩岩芯样按矿层特征和质量关系进行配比，留作室内强化浸出试验。矿样分析结果见表4。化学分析结果表明：砂岩矿样的铀品位为0.015%，U(Ⅵ)/U(Ⅳ)=1.142，Fe(Ⅲ)/ΣFe=0.202。

表4 矿样化学分析结果Table 4 Chemical analysis results of ore sample 单位：%

从表5浸出结果得出，通过提高酸浓度的方式，将浸出剂中的硫酸浓度从2.5 g/L提高到10.0 g/L，铀的渣计浸出率可从20.0%提高至53.3%，液计浸出率从26.7%提高至54.0%，上升幅度较大；进一步提高硫酸浓度至15.0 g/L，铀的渣计浸出率不变，液计浸出率由54.0%提高至56.7%，上升幅度较小。同时，提高酸浓度后吨金属酸耗增加，由最初的52 t/t上升至123 t/t，上升幅度高达236%。由图4还可以看出，吨金属酸耗增长幅度高于铀浸出率增长幅度。

表5 强化硫酸浸出试验结果Table 5 Results of enhanced sulfuric acid leaching test

图4 铀浸出率、酸耗同硫酸浓度关系Fig.4 Relationship between uranium leaching rate, acid consumption and sulfuric acid concentration

浸出液中ΣFe、Fe2+浓度随着硫酸浓度的上升而升高，其原因在于，浸出反应中提高硫酸浓度虽有利于矿石中铀的溶出，但一些黏土矿物如高岭石、伊利石、绿泥石等，随着硫酸浓度的增加溶解性也随之增加。甚至一些在酸浓度较低时不耗酸矿物如黄铁矿，也会随酸浓度升高而溶解，增加酸耗。因此，采用提高酸浓度的方式强化铀的浸出酸耗增大，这不仅增加了生产成本，也使得浸出液中杂质增多，增大了铀回收难度。

表6 低酸硫酸盐强化浸出试验结果Table 6 Results of low acid sulfate enhanced leaching test

表7 氧化剂浸出试验结果Table 7 Results of oxidant leaching test

3.2 不同孔位矿石的强化试验

试验分别针对6个试验孔岩芯样品，筛选不同岩性、埋深、U含量矿段岩芯，破碎至自然粒径后混合均匀。取各岩芯混合样开展不同孔位浸出试验研究，考察强化浸出措施对于不同钻孔铀矿石的浸出效果。

由表8可以看出，在第1轮强化浸出中，6组钻孔均实现了铀的浸出，浸出原样中铀含量高的样品其浸出率也比较高，如H-6孔，其原样中铀含量最高达0.021%，以渣计的浸出率为71.4%，是6组钻孔中浸出率最高的；经过第1轮强化浸出，原样中绝大部分的铀已被浸出，浸出渣中的铀含量均降至0.01%以下。

表8 不同孔位样品强化浸出试验结果Table 8 Enhanced leaching test results of samples with different hole locations

经过第1轮的强化浸出试验，第2轮浸出原样(即第1轮浸出渣)中铀含量均低于0.01%，浸出后渣计浸出率在14.3%～33.3%之间。这表明，矿石经过第1轮浸出后，虽然其剩余铀含量较低，但第2轮强化浸出中仍浸出了部分铀，结果表明延长反应时间，有利于铀的浸出。

总体而言，经过2轮强化浸出，6组试验总渣计浸出率在42.8%～76.2%之间。这表明，就不同孔位岩芯样品而言，虽其铀品位、埋深、岩性均存在差异，但经过2轮强化浸出后均浸出了其中的铀。

4 采区强化浸出扩大试验

图5 6个试验孔现场运行记录Fig.5 Operation records of 6 test holes on site

由图5可知，H-1孔、H-5孔、H-6孔浸出液浓度较其他孔高，其原因在于，它们均位于累计运行时间较短的区域，周围的矿体平方米铀量较高且处于砂岩矿体厚度/含矿含水层厚度比值较大的区域。H-3孔、H-4孔浸出液浓度较低，一方面其矿体平方米铀量较其他孔低，另一方面，周围钻孔抽注时间较长，可地浸资源剩余较少。总体而言，试验现场自2016年运行以来，抽孔浸出液铀浓度平均为50 mg/L，其中，H-6孔浸出液中铀浓度最高可达310 mg/L，其余5个孔铀浓度较H-6孔低，浸出液铀浓度最低为10 mg/L，均高于强化浸出前铀浓度。

截至2019年12月底，6个试验单元回收金属均在1.5 t以上，累积回收铀资源最高的抽孔为H-6孔，回收金属约为2.7 t。6个试验单元共浸出金属量约10.8 t，实现了试验采区铀资源的进一步强化浸出。

5 结 语