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大流量、 低浓度地浸采铀浸出工艺试验
王海峰
( 核工业北京化工冶金研究院, 北京101149)
摘要: 讨论了影响地浸采铀浸出液铀浓度和钻孔抽液量的因素, 结合现场试验在中国首次探索大流量、 低浓度浸出工艺, 并对其可行性提出看法。
关键词: 大流量; 低浓度; 地浸采铀; 浸出工艺
1大流量、 低浓度浸出工艺的提出
1957年美国学者提出地浸法开采铀矿床的想法, 可是,较为系统地开展地浸采铀试验研究始于20世纪60年代初[1]。1961年, 美国犹她州建筑和采矿公司首先在怀俄明州ShirlyBasin的一个铀矿床采用酸法进行了半工业试验, 并于1963年至1968年间组织了小规模的生产, 从而拉开了地浸采铀工业生产的序幕。在此时期, 乌克兰也同时开展了地浸采铀试验。地浸采铀技术试验得到成功后, 它的应用便迅速在世界范围内扩展, 美国、 捷克、 保加利亚、 哈萨克斯坦、 乌兹别克斯坦等都不同程度地应用地浸采铀技术开发铀矿床。中国也在上世纪70年代初开展地浸采铀试验。
在这些国家的地浸矿山生产中, 钻孔抽液量一般在4m3/h左右, 浸出液铀浓度在40mg/L以上, 这些指标或多或少成为设计依据。本世纪初, 乌兹别克斯坦专家来中国工作时, 针对浓度低的某矿床, 建议增大抽液量来弥补, 以保证单孔月产金属量, 即所谓大流量、 低浓度的浸出工艺, 这也是中国地浸工作者首次引入大流量、 低浓度浸出工艺的概念。大流量、 低浓度的浸出工艺虽然尚无确切的定义, 但它毕竟是针对当前绝大多数地浸矿山生产时的抽液量和浓度指标提出的。因此, 能够理解为抽液量在8m3/h以上, 浸出液铀浓度在40mg/L以下。
2流量与浓度概念的内涵
这里提及的流量是指钻孔抽液量, 浓度指浸出液铀浓度。在地浸采铀工程中, 诸如浸出液铀浓度、 钻孔抽液量、 矿层渗透系数、 井距、 矿体埋藏深度、 矿石品位与平米铀量、 矿石矿物成分和岩石化学成分及液固比等, 都是影响地浸矿山经济效益的因素。
钻孔抽液量在自然条件上直接决定于矿层渗透系数, 在工艺上与钻孔结构、 施工技术、 过滤器性能有关。
浸出液铀浓度取决于矿石品位、 平米铀量、 井距和浸出剂浓度。无论是实验室试验还是现场试验均已证实, 矿石品位与浸出液铀浓度成正比。平米铀量概念中包括矿石品位, 它是矿石品位、 矿石密度和矿层厚度的乘积, 是地浸采铀的专有名词。以矿层厚度作为惟一的因素决定浸出液铀浓度的高低, 当前尚无充分证据。只是在含矿含水层厚度相等的情况下, 矿层厚度大, 浸出液铀浓度高, 实质上是矿层厚度与含矿含水层厚度的比值大。而矿石密度在平米铀量计算中, 以正因子形式出现, 即矿石密度越大平米铀量越高。可是, 从地浸采铀角度考虑, 矿石密度大, 矿石坚硬, 不利于溶液渗透, 是我们不希望的。换句话说, 平米铀量高的矿床并不一定好于平米铀量低的矿床, 这也是为什么不能以平米铀量作为比较两个矿床地浸开采质量指标的原因。
在这些因素中, 矿石渗透系数蕴涵在钻孔抽液量之中; 井距、 矿石品位和平米铀量蕴涵在浸出液铀浓度之中; 而矿体埋藏深度蕴涵在井距之中。矿石矿物成分和岩石化学成分、 液固比反映在试剂消耗上。经归纳, 能够将影响地浸矿山经济效益的指标锁定在钻孔抽液量、 浸出液铀浓度和硫酸消耗这三个主要参数上。
3影响钻孔抽液量的因素
3.1矿层自然因素
3.1.1矿层渗透系数
从理论上讲, 单孔抽液量的计算公式符合裘布依(J.Dupuit)非完整承压井流的涌水量方程, 即:
(1)
式中: Q抽—钻孔的抽液量, m3/d;
K—矿层的渗透系数, m/d;
M—含矿含水层厚度, m;
S—抽出井水位降深, m;
R—影响半径, m;
r—钻孔半径, m;
△Φ—非完整钻孔的阻力系数, 可查表计算。
公式( 1) 表明, 钻孔抽液量与矿层渗透系数、 含矿含水层厚度和水位降深成正比。从矿层渗透系数的概念得知, 它表示多孔介质输送液体的能力, 数值上, 它表征水力梯度等于1时的渗透速度。理论和实践都证明, 矿层渗透系数大, 钻孔抽液量也大。
3.1.2含矿含水层厚度
地浸开采时, 我们希望含矿含水层厚度与矿层厚度的比值越小越好, 或者说, 矿层厚度一定时, 含矿含水层厚度越小越好。在这种情况下, 能够保证绝大多数浸出剂在矿层中流动, 有效地浸出金属, 避免消耗在非矿层, 造成浪费和污染地下水。可是, 从公式( 1) 看出, 含矿含水层厚度大, 钻孔抽液量大。这是因为, 含矿含水层厚度大, 过水面积大, 在同样流速条件下( 渗透系数相等) , 钻孔涌水量大。
3.1.3水位降深
从地下水动力学角度考虑, 钻孔抽水时水位降深大小直接反映地下水的补给量和补给速度。在地浸采铀中, 水位降深与钻孔间距和注液量相关。如果地下水补给充分, 在抽注时地下水动水位降深小, 且稳定。如果地下水补给困难, 在抽注时地下水动水位降深大, 波动大。特别是地下水水位埋深大、 或地下水静水位与矿层顶部距离小的条件, 生产时必须严格控制抽注平衡, 确保动水位不低于矿层。
3.2工艺因素
3.2.1过滤器直径
所谓工艺因素主要指地浸钻孔设计和施工中所形成的, 对钻孔抽液量有影响的因素, 诸如过滤器直径、 过滤器长度、 过滤器孔隙率等。

对于抽液钻孔, 其过水面积也即过滤器过水面积。而过滤器过水面积等于其直径、 长度和孔隙率的乘积。因此, 过滤器直径的大小直接影响钻孔抽液量。为增大抽液量, 增大过滤器直径是最直接的办法之一。虽然钻孔抽液量随过滤器直径的增大而增加, 可是, 两者之间并非呈线性关系, 当钻孔直径增大到一定数值时, 涌水量的增大梯度逐渐减少, 如图1所示[2]。钻孔涌水量小, 抽液量一定小。

图1过滤器直径与钻孔涌水量的关系
3.2.2过滤器长度
与过滤器直径因子的功能相同, 过滤器长度与钻孔抽液量正相关, 在一定水位降深的条件下, 抽液量随过滤器长度增加而增大, 但大到一定值时, 抽液量不再增加, 如图2[3]。从图中看出, 当过滤器长度超过14m时, 钻孔涌水量增大梯度变缓, 超过20m时趋于零。言外之意, 为追求抽液量采用过长的过滤器是没有实际意义的。
3.2.3过滤器孔隙率
过滤器是钻孔与矿层连接的咽喉, 抽液量的大小与它有直接关系。过滤器孔隙率是过滤器孔隙面积与总表面积之比。过滤器的孔隙率设计的原则是保证经过过滤器的水量不小于钻孔自然涌水量, 绝不能因过滤器的设置而制约抽液量。孔隙率决定过滤器的过水面积, 直接影响钻孔抽液量, 必须严格计算或试验。

图2过滤器长度与涌水量关系
4影响浸出液铀浓度的因素
4.1矿石品位
矿石品位(平米铀量)是决定浸出液铀浓度高低的最直接的影响因素, 这一点已被实验室试验和现场试验所证实。
图3是实验室柱浸试验结果, 图中5个浸出柱的矿石品位分别为0.15%、 0.12%、 0.08%、 0.05%、 0.02%。从图3中明显看出, 浸出液铀峰值浓度随品位升高而升高, 这一试验也反映了浸出过程浸出液铀浓度与矿石品位的典型关系。

图3矿石品位与浸出液铀浓度的关系( 易卫平, )
4.2浸出剂浓度
根据质量作用定律, 体系的反应速度与各反应物浓度的乘积成正比, 因此, 浸出剂浓度的增加显然有利于浸出反应速率的提高。对于地浸来说, 浸出剂浓度是决定地下浸出反应速率的基本因素。浸出剂浓度增加, 浸出液中铀浓度提高。
5大流量、 低浓度工艺现场试验
5.1试验钻孔布置
现场试验于 在砂岩型铀矿床展开。矿床埋深200m左右, 最深212.5m, 最浅192.5m, 矿石平均品位0.0278%, 平均厚度7.45m, 平均平米铀量2.51kg/m2。地下水涌出地表15m, 含矿含水层平均厚度22.7m。
试验钻孔布置如图4所示, 中间3个抽液孔, 周围8个注液孔。抽液孔与抽液孔间距25m, 抽液孔行与注液孔行间距30m, 注液孔与注液孔间距25m, 注液孔0511与抽液孔0505间距25m, 注液孔0518与抽液孔0507间距25m。抽液孔套管直径160mm, 注液孔110mm, 试验钻孔参数见表1。

图4试验钻孔布置示意图
表1试验钻孔结构与矿层参数表
孔号
过滤器位置/m
矿层厚度/m
矿石品位/%
平米铀量kg/m2
井深/m
0511
201.50-205.48
2.00
0.0246
0.98
209.61
0512
202.10-207.03
3.15
0.0339
2.31
211.41
0513
197.10-206.48
13.65
0.0161
4.39
209.61
0514
201.02-205.96
2.25
0.0135
0.61
210.10
0515
198.00-206.94
7.85
0.0301
4.72
211.09
0516
198.00-203.06
0.65
0.0326
0.39
207.19
0517
195.00-202.41
6.00
0.0278
3.34
206.63
0518
192.01-196.01
3.50
0.0266
1.86
200.14
0505
193.09-201.75
3.55
0.0345
2.42
205.9
0506
192.62-202.50
7.45
0.0409
6.09
205.98
0507
196.00-203.01
6.00
0.0278
3.34
206.88
平均

4.6
0.0272
2.51
207.68
注: 表中过滤器个别孔为为两段。
5.2抽注液量控制
5.2.1钻孔抽注量控制原则
由于矿床地下水自涌出地表, 造成注液困难。针对这一水文地质特征, 试验中始终保持抽注液量平衡。丰富的地下水为采用大流量、 低浓度的浸出工艺创造了条件。
依照流体力学理论, 井场在抽注状态下, 矿层中的溶液从高压处向低压处渗透。在抽液量大于注液量的条件下, 地浸作业区内地下水的液面凹凸不平, 总的来讲, 要比地浸作业区外的液面低。在这个低液压区内, 溶液在凹凸不平的液面下运移是地下矿石经过钻孔实现浸出的根本途径。
实践证明, 地浸井场在抽注条件下, 打破原始含矿含水层内地下水流动状态, 由于抽出与注入存在的时间差, 即使抽出液量与注入液量保持平衡, 地下水位也会下降, 井场内形成有利于溶液流动控制、 有利于污染范围控制的低压区。试验中, 各抽液孔的地下水动水位下降就是低压区形成的佐证。
5.2.2钻孔抽注液量与压力
试验初期, 各注孔的注液量在氧气加入后, 未出现大幅的下降, 但各注液孔之间的注液量存在一定差异。同样, 抽液孔的抽液量也存在一定的差异, 0506孔13.85m3/h, 0507孔10.79孔m3/h, 而0505孔仅为4.20m3/h, 这将造成地下浸出不均匀, 降落漏斗不平衡。另外, 从各钻孔的动水位变化可发现同样的问题, 0506孔和0507孔下降了30m左右, 而0505孔下降80m以上。
随着试验的进行, 加入CO2, 这时, 各注孔的注液压力逐渐上升, 最高的0511孔从初始的1.14MPa上升到1.32MPa。经过一段时间后, 抽液钻孔的压力也开始上升, 表现在动水位有所下降。
5.2.3大流量抽液状态分析
( 1) 0506和0507钻孔抽液量维持在10m3/h以上, 说明试验块段含水层水文地质条件良好, 具备再增大抽液量的条件。
( 2) 与0506和0507钻孔相比, 0505孔抽液量长期持低, 未达到设计要求的10m3/h抽液量, 且动水位下降大, 在同样的水文地质条件和相同的钻孔结构下, 能够确定, 该孔施工存在一定问题。为查明0505钻孔工作异常的原因, 对该钻孔进行热测井。测井曲线显示, 过滤器的主体工作正常, 过滤器的上端和下端有一小段不工作, 从而认识到, 0505钻孔抽液量低的原因是洗孔未洗彻底。再则, 0505钻孔过滤器所在含水层层位与0506和0507孔不同。
( 3) 试验运行一段时间后, 抽液钻孔动水位略有下降, 虽然抽液量未减小, 但说明有堵塞发生。
( 4) 0511、 0513、 0515钻孔注液量长期保持较高, 而0518、 0517、 0516钻孔注液量长期保持较低, 各注入孔施工质量存在差异。
5.3浸出液铀浓度变化特征
5.3.1浸出剂的使用
大流量、 低浓度的地下浸出试验开始于 11月6日。试验期间, 首先加入O2进行矿层的预氧化, 使U4+得到浸出, O2加入量为200～250mg/L; 而后加入CO2, CO2平均浓度365mg/l, 生成浸出铀所需的HCO3-; HCO3-在溶液中的浓度低于所需求量时, 加入NH4HCO3,直接补加HCO3-, 保证HCO3-浓度达到1200mg/L。实践证明, CO2+O2+NH4HCO3为该矿床最适宜浸出剂。
5.3.2浸出液铀浓度
经过一年的试验, 得出浸出液铀浓度变化特征。本次试验采用前苏联国家推崇的中心孔井型( 图1) , 此井型的最大特点是中心抽液井0506不被地下水稀释, 该井数据可代表整个试验结果。0506孔浸出液铀浓度曲线如图5所示。

图50506孔浸出液铀浓度变化
从图5中看出, 浸出液铀浓度峰值为22.65mg/L。试验中钻孔抽液量为30m3/h, 因此, 本次试验为典型的大流量、 低浓度浸出工艺。后期浸出液铀浓度下降,是因已停止加入CO2和NH4HCO3所致。
6认识与结论
( 1) 从所得参数分析, 本试验与地浸采铀大流量、 低浓度浸出工艺完全吻合。虽然浸出液铀浓度不高, 可是, 单孔月产金属产量并不低, 从某一方面讲, 这也是大流量、 低浓度浸出工艺因的特点, 是它生命的所在。事实上, 对于一个矿床, 在浸出过程中, 钻孔抽液量与浸出液铀浓度存在一定关系。当浸出条件一定时, 随钻孔抽液量的增加, 浸出液铀浓度会下降。例如, 在酸法浸出酸化后或地表池浸浸泡一段时间后, 铀浓度会增加很高, 这是由于浸出剂与铀矿物接触时间长, 反应充分, 在不抽液的情况下未受到外来地下水的稀释的原因。可是, 抽液开始后, 铀浓度会逐渐下降至某一值。因为, 浸出剂与铀矿物的化学反应速度低于抽出液液流速度, 或者说, 一定量的金属尚未进入溶液时就被抽出, 地下水稀释严重。因此, 即便不考虑水冶成本, 无限制地增大抽液量( 如果矿层允许) 而提高产量的办法也是行不通的。生产中, 应根据成本要素找出浸出液铀浓度和钻孔抽液量的最佳值, 既不能盲目增大抽液量, 也不能过分追求高浓度, 要进行经济比较。
( 2) 矿床单孔平均抽液量10m3/h左右, 浸出液铀浓度16mg/L, 单孔月产金属量高( 129.6kg/月) , 试验结果远好于单孔抽液量2m3/h, 浸出液铀浓度40mg/L的情况。因为, 9m3/h×16mg/L的值大于2m3/h×40mg/L。它告诉我们, 绝对不能以浸出液铀浓度作为唯一指标, 评价矿床浸出效果的好坏。这也是前苏联国家推崇的”大流量、 低浓度”地浸工艺的精神所在。在中国, 这是首次经过现场试验探索此工艺的内涵。
( 3) 试验采用前苏联推荐的最佳试验井型, 即9点型。”这种井型能够很好地获得浸出性能的定量评价参数, 中央抽液井和周围的注液井构成一个浸出液未被地下水稀释的中央单元, 来自单元的数据被用来计算工业开采的浸出参数。”[4]。这也是试验为什么采用9点型的原因。由于它的中央孔未被地下水稀释, 数据可靠、 准确, 因此, 试验应以中央的0506号抽液孔数据进行评价, 并作为工业试验和生产的依据。
( 4) 试验中的8个注液孔中, 3个未见矿( 表1中平米铀量低于1kg/m2的钻孔) , 属无矿孔。在这种情况下, 浸出液平均铀浓度达16mg/L, 单孔抽液量达10m3/h。因此, 经推算, 生产中8个注液孔均见矿时, 其浸出液平均铀浓度至少高于25mg/L, 单孔产金属量达162kg/月, 远远超过可接受的地浸工程运行指标。
( 5) 矿床属高承压水的水文地质条件, 地下水涌出地表15m。对于这种条件, 地浸最大的难题是如何注入浸出剂, 控制抽注平衡。在试验中, 经研究、 论证, 决定浸出剂采用注液泵注入。经半年多的运行, 能够肯定地说, 高承压条件下的地浸开采抽注平衡问题得到彻底解决, 为工业生产打下坚实基础。
( 6) 试验中, 注入碳酸氢铵2个月之后, 发现碳酸钙沉淀迹象, 最严重时注液泵一星期内因碳酸钙结垢就不得不拆洗几次, 否则, 无法启动。针对这一情况, 现场施工60m3沉淀池一个, 采取注液沉淀的办法。一个多月的运行证明, 此方法非常有效, 沉淀完全消失, 碱法浸出碳酸钙沉淀问题得以解决。
( 7) 经过一年的试验得出, 大流量、 低浓度的CO2+O2+NH4HCO3浸出工艺是适宜矿床的最佳地浸开采方案。
参考文献
[1]王海峰, 阙为民, 钟平汝.原地浸出采铀技术与实践.北京:原子能出版社, 1998, P1-5
[2]房佩贤, 卫中鼎, 廖资生编.专门水文地质学.北京:地质出版社, 1987.P22-23
[3]李世忠主编.钻探工艺学(下册).北京: 地质出版社, 1989, P76-102
[4]马飞张书成潘燕等译, 酸法地浸采铀工艺手册, 原子能出版社, , P138～149
IN-SITULEACHINGTESTOFURANIUMWITHTECHNOLOGYOFHIGHPUMPINGVOLUMEANDLOWURANIUMCONCENTRATION
WangHaifeng
(BeijingResearchInstituteofChemicalEngineeringandMetallurgy,CNNC,Beijing101149,China)
Abstract:Theinfluencefactorstouraniumconcentrationandpumpingvolumetoin-situleachingofuraniumarediscussed,combinedwithfieldtesttheleachingtechnologyofhighpumpingvolumeandlowuraniumconcentrationarefirstlyexploredinChinaandthecommentsareproposed.
Keywords:highpumpingvolume;lowuraniumconcentration;in-situleachingofuranium;leachingtechnology
Fig.1Relationbetweendiameteroffilterandflowrateofdrillinghole
Fig.2Relationbetweenlengthoffilterandflowrateofdrillinghole
Fig.3Relationbetweenoregradeanduraniumconcentrationinpregnantsolution
Fig.4Layoutoftestdrillingholes
Fig.5Variationofuraniumconcentrationinpregnantsolutionfordrillinghole0506
Table1Theparametersofdrillingholesconfigurationandorebed
有色金属 .9
姓名: 王海峰
出生日期: 1948年7月12日出生
出生地: 哈尔滨
籍贯: 吉林省梨树县
工作单位: 核工业北京化工冶金研究院
职称: 研究员
中国核工业集团公司科技委委员
专业: 采矿
当前从事专业: 原地浸出采铀研究与试验
通信地址: 北京234信箱
邮编: 101149
电话: 81518462
电子信箱: Email: