硬岩铀矿无废协同开采模式及技术研究_薛希龙.pdf

收稿日期2019-12-21 基金项目湖南省自然科学基金青年项目 （编号 2019JJ50516） ， 湖南省教育厅优秀青年项目 （编号 19B486） ， 金属矿山安全与健康国家重点实验 室开放基金项目 （编号 2019-JSKSSYS-008） ， 南华大学大学生创新创业训练计划项目 （编号 2018XJXZ301） 。 作者简介薛希龙 （1985） ， 男， 讲师， 博士， 硕士研究生导师。通讯作者张晓 （1988） ， 女， 讲师， 硕士。 总第 527 期 2020 年第 5 期 金属矿山 METAL MINE 硬岩铀矿无废协同开采模式及技术研究 薛希龙 1， 2 戴勇 1 范永亮 2 张晓 1 刘德奇 3 张树文 11 （1. 南华大学资源环境与安全工程学院， 湖南 衡阳 421001； 2. 金川集团股份有限公司龙首矿， 甘肃 金昌 737100； 3. 重庆重科院注册安全工程师事务所有限公司， 重庆 401331） 摘要针对我国硬岩铀矿开采中效率低、 损失大以及堆浸铀尾渣、 含放射性废石处置难等问题， 结合 “协同 开采” 理念， 提出了硬岩铀矿无废协同开采模式。该模式通过调整回采工程布置， 优化充填与尾废处置工艺流程， 采取相应的工程技术措施， 使采矿与堆浸、 采矿与充填、 充填与堆排在时间和空间上实现协同， 达到安全高效开采 铀矿资源和无废处置铀矿冶尾废的目的。以粤北某铀矿为例， 分析了现有上向分层干式充填法和堆浸、 尾废处置 工艺的特点， 开展了堆浸铀尾渣充排试验， 改进了采矿方法， 设计了采充排协同工艺方案， 并对其工程应用效 果进行了评价。研究表明 灰砂比为1 ∶10和1 ∶14、 质量浓度为76的充填体， 能够满足该矿机械化上向分层充填 法和地表同步固化堆排的要求； 采用无废协同开采模式后， 采场生产能力和回采率可分别提升至 135 t/d 和 88.86， 含放射性废石达到地表零排放， 堆浸铀尾渣通过井下胶结充填和地表固化堆排得到了有效处置， 矿山经济 效益和环境质量得以明显提升。 关键词协同开采硬岩铀矿堆浸铀尾渣含放射性废石充填固化堆排 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -05-095-06 DOI10.19614/ki.jsks.202005014 Study on the Mode and Technology for Wasteless Synergistic Mining of Hard Rock Uranium Deposits Xue Xilong1， 2Dai Yong1Fan Yongliang2Zhang Xiao1Liu Deqi3Zhang Shuwen12 （1. School of Resource Environment and Safety Engineering， University of South China， Hengyang 421001， China； 2. Long- shou Mine， Jinchuan Group Co.， Ltd.， Jinchang 737100， China； 3. Chongqing Institute of Safety Production Certified Safety Engineer Office Co.， Ltd.， Chongqing 401331， China） AbstractBased on the problems of low efficiency， high loss ratio， as well as difficult disposal of heap leaching urani- um tailings and radioactive waste rocks in hard rock uranium deposits， combined with the concept of“synergetic mining” ， a wasteless synergetic mining mode is proposed．The basic principal of the synergetic mining model can be described as the min- ing and heap leaching， mining and backfilling， backfilling and cemented discharge operations in time and space are synerget- ic by adjusting the layouts of stoping engineering， backfilling and disposal of tailings and waste rocks processes， as well as the corresponding engineering measures， so as to exploit uranium deposits and dispose of solid wastes effectively．The characteris- tics of the present upward horizontal slicing dry filling mining ， heap leaching and waste discharge process in a urani- um mine in Northern Guangdong were analyzed．The tests of backfilling and discharging based on heap leaching uranium tail- ings were carried out， and the mining was optimized．Then， the synergetic process of mining， backfilling and discharg- ing was designed and its engineering application effects were uated．The study results indicate that the backfill with a ce- ment-sand ratio of 1 ∶10 and 1 ∶14 and a mass fraction of 76 can meet the requirements of mechanized upward horizontal slicing cemented filling mining and solidified discharge．After adopting this model，the stope productivity of the mine up to 135 t/d， while the stoping rate 88．86．By the application of the synergetic mining model proposed in this paper， there is no discharge of radioactive waste rocks， and heap leaching uranium tailings can be effectively disposed through backfilling and solidified discharge．The economic benefits and environmental quality of the mine are obviously improved． Series No． 527 May 2020 95 ChaoXing 金属矿山2020年第5期总第527期 KeywordsSynergetic mining， Hard rock uranium deposits， Heap leaching uranium tailings， Radioactive waste rocks， Filling， Solidified discharge 铀是重要的战略资源和能源矿产。我国铀矿资 源较为丰富， 但成矿床规模小、 产状变化大、 赋存条 件复杂、 品位低 ［1］。多年来， 我国硬岩铀矿主要采用 空场法和干式充填法开采， 矿山生产效率低、 资源损 失大、 采空区危害等问题较为突出。同时， 铀矿开采 过程中掘进的含放射性废石， 以及地表酸法堆浸提 铀过程中产生的尾渣， 在长期堆排过程中对地表水 土造成了永久性污染 ［2-3］， 严重制约了我国绿色生态 铀矿冶的发展。 目前， 充填开采作为实现绿色无废开采的重要 发展方向， 为解决上述问题提供了有效途径 ［4-5］。近 年来， 不少学者针对铀矿充填开采开展了一定的研 究， 如刘玉龙等 ［6］、 张征等［7］进行了堆浸铀尾渣胶结 充填配比试验， 分析了质量浓度、 灰砂比、 预处理材 料对充填体强度的影响规律， 获得了铀矿充填的最 佳配比参数， 并讨论了一步骤充填体固化时间与二 步骤矿房回采时间的匹配关系； Deb等 ［8］研究了碳酸 盐型超细铀尾砂充填膏体的工作特性和力学特性， 并对充填后的环境效应进行了评估； 范楠彬等 ［9］、 蒋 复量等 ［10］研究了铀尾渣充填体中氡的析出规律。上 述研究丰富了铀矿充填理论体系， 对于硬岩铀矿无 废开采具有一定的参考意义， 但并未将矿石开采与 堆浸铀尾渣、 含放射性废石等铀矿冶尾废的处置作 为一个整体统筹考虑， 弱化了各工序之间的系统效 应， 易导致矿山生产效率低下以及尾废间歇式排放 对环境造成污染。 为此， 本研究引入 “协同开采” 理念 ［11-15］， 将 “协同 开采” 的创新思维与创新技法引入硬岩铀矿开采中， 一方面通过优化采矿方法、 充填与堆排工艺， 将矿石 开采与尾废处置作为一个高度协同的系统， 在提升 开采效率的同时， 最大限度减少尾废在地表临时或 永久性堆置； 另一方面， 将剩余尾废进行同步胶结堆 排， 使低放射性核素在库堆硬化体中得到固化 ［16］， 减 轻地表污染。针对硬岩铀矿禀赋特征， 以及开采、 堆 浸和尾废排放中存在的问题， 提出硬岩铀矿无废协 同开采的新模式并进行相应的技术研究。 1硬岩铀矿无废协同开采模式 硬岩铀矿无废协同开采是指在充填开采的基础 上， 结合 “协同开采” 理念， 通过分析硬岩铀矿资源的 开采技术条件、 隐患因素和相应的措施工程目的， 调 整回采工程布置， 优化充填工艺流程， 改进铀矿冶尾 废处置方案， 并采取相应的工程技术措施， 使采矿与 堆浸、 采矿与充填、 充填与堆排在时间和空间上高度 协调， 实现硬岩铀矿资源安全、 高效、 绿色、 经济、 和 谐开采。 硬岩铀矿无废协同开采是一项复杂交叉融通的 综合技术， 其技术模式如图1所示。该技术实现了硬 岩铀矿由传统独立粗放的采矿堆浸直排模式向 基于采矿堆浸充填固化堆排协同开采模式的 转变， 使开采过程中掘进的废石就近处置， 堆浸产生 的尾渣胶结充填， 充填剩余的尾渣固化堆排， 在时间 上实现采矿、 堆浸、 充填和堆排等工序的有机配合， 在空间上实现采矿、 堆浸、 充填和堆排工程的协调布 置， 在工艺上实现各工序同步。该技术的核心是采 充排协同工艺技术， 目的是最大限度提升硬岩 铀矿开采效率、 资源回收率和矿山整体经济效益， 同 时实现含放射性废石地表零排放和堆浸铀尾渣绿色 无害化处置。 2试验 2. 1试验材料 试验中堆浸铀尾渣取自粤北某铀矿山堆浸场， 其粒径组成如表1所示。由表1可知 堆浸铀尾渣粒 径不均匀系数Cu为22.75， 曲率系数Cc为2.99， 粒径 粗、 分布较广， 属于连续级配， 有利于提高充填体强 度。堆浸铀尾渣的化学元素组成如表2所示。由表2 可知 堆浸铀尾渣中Si含量较高， 有利于促进胶凝体 系的水化反应， 同时含少量的S， 对于充填体后期强 度存在一定的影响。试验中的胶凝材料选用 P C32.5普通硅酸盐水泥。 2. 2试验结果及分析 为确定堆浸铀尾渣胶结充填和堆排所需的强度 指标和管道输送参数， 设计了质量浓度为74、 76、 78， 灰砂比为1 ∶ 6、 1 ∶ 10、 1 ∶ 14的9种配比试验方案。 首先按照试验方案配制充填浆体， 然后采用扩展度 筒 （筒高150 mm， 上口直径50 mm， 下口直径100 mm） 测试浆体的扩展度， 并将浆体注入 70.7 mm70.7 mm70.7 mm标准三联模具中制作试块 ［17］。试块脱 模后在温度20 ℃、 湿度90的条件下进行养护， 并用 YAW-100D试验机测试其7 d和28 d的单轴抗压强 度。试验结果如表3所示。 2. 2. 1浆体流动性 充填浆体的扩展度与灰砂比之间的关系如图2 所示。由图2可知 浆体扩展度随着质量浓度增加而 大幅下降， 灰砂比相同条件下浓度每降低2， 扩展度 96 ChaoXing 2020年第5期薛希龙等 硬岩铀矿无废协同开采模式及技术研究 增加2.1～7.6 cm， 说明扩展度对质量浓度较为敏感。 当质量浓度为74时， 浆体离析较严重， 浓度为78 时浆体流动性较差， 浓度在 76时， 扩展度为 13.9～ 16.7 cm， 可满足管道输送要求 ［18］。 2. 2. 2充填体的强度特性 充填体强度与灰砂比之间的关系如图 3 所示。 由图3可知 充填体7 d和28 d的强度随灰砂比和质 量浓度的增大而增加， 且灰砂比大于1 ∶14时， 7 d强 度均大于0.8 MPa， 表明堆浸铀尾渣能够使充填体形 成较高的早期强度。当质量浓度为76时， 充填体7 d和28 d强度分别为1.0～1.68 MPa和1.57～2.23 MPa， 均明显高于相似配比的全尾砂充填体 ［19］， 不仅有利 97 ChaoXing 金属矿山2020年第5期总第527期 于支撑顶板和降低成本， 也有利于固化堆浸铀尾渣 中的放射性核素。 3工程应用 某铀矿山矿石类型为硅酸盐-单铀矿石类型， 矿 体为急倾斜脉状矿体， 松散系数1.47， 密度2.56 t/m3， 上下盘为花岗岩或石英脉岩， 矿岩硬度系数f 8～10， 采用上向分层干式充填法开采， 在生产中效率低、 矿 柱损失大， 地表堆浸尾渣和废石处置率较低。为解 决上述问题， 基于无废协同开采模式， 将采矿方法调 整为机械化上向水平分层胶结充填法， 并对与之相 配套的协同工艺进行设计。 3. 1采充排协同工艺流程 充填材料的工作特性、 强度特性以及环境效应 是实施采充排协同工艺的关键。根据矿山开采 现状及充排试验结果， 设计了如图4所示的采充 排协同工艺流程。其基本思路是 矿石在地表堆浸 提铀后产生的尾渣与改性材料、 胶凝材料和水按设 计配比参数在双轴搅拌槽内初级混合， 而后进行二 次高效活化搅拌， 加压输送至井下预定充填区域， 并 与掘进的废石就地混合充填； 与此同时， 剩余的堆浸 铀尾渣充填浆体直接输送至尾矿库进行固化堆排。 充填时， 采场第一分层和每分层胶面采用质量浓度 76、 灰砂比1 ∶ 10的浆体充填， 充填体28 d强度不低 于1.5 MPa ［17］， 其余部位充填与尾矿库固化堆排采用 的浆体质量浓度为76、 灰砂比为1 ∶ 14。 3. 2机械化上向水平分层胶结充填工艺设计 （1） 采场结构要素。采场沿走向布置， 高度和长 度均为50 m， 底柱5 m， 顶柱2 m， 不留间柱， 宽度为矿 体水平厚度， 分层高度为3～3.3 m， 回采过程中最大控 顶高度为6.3 m。 （2） 采准切割。采准工程采用下盘脉外布置方 式， 主要包括采准斜坡道、 分段联络平巷、 分层联络 道、 卸矿横巷、 溜井、 充填回风井、 穿脉等。在最下一 分层自下向分层联络道垂直于矿体布置一拉底平 巷， 以拉底平巷为自由面向两边扩帮至采场边界形 成拉底空间。 （3） 回采与充填。采用 Boomer 281 凿岩台车钻 凿水平炮孔， 崩落的矿石通过WJ-2铲运机出矿。充 填时， 第一分层和每分层胶面的充填体28 d强度不 低于1.5 MPa， 其余部位采用低配比浆体与废石混合 充填。采场生产能力为 135 t/d， 矿块回采率为 88.86， 贫化率为 5， 胶凝材料成本为 14.31元/t原 矿。 3. 3采充排协同平衡 （1） 废石堆浸铀尾渣掘充平衡。经计算， 单个 矿块采出矿石为45 389 t， 副产废石为6 808 t， 堆浸铀 尾渣产量为44 481 t。按推荐的配比， 废石全部就地 充填， 单个采场堆浸铀尾渣消耗24 466 t， 其充填处置 率达55。 （2） 堆浸铀尾渣充排平衡。充填剩余 45的堆 浸铀尾渣， 按固化堆排技术要求同步输送至尾矿库 98 ChaoXing 2020年第5期薛希龙等 硬岩铀矿无废协同开采模式及技术研究 进行固化处置。 3. 4预期协同效果 该矿山采用无废协同开采模式后， 预计采场生 产能力提升至135 t/d， 回采率提高至88.86， 废石达 到地表零排放， 堆浸铀尾渣通过胶结充填和固化堆 排方式得到全部无害化处置。 4结论 （1） 基于 “协同开采” 理念， 提出了硬岩铀矿无废 协同开采模式。该模式通过优化回采工程布置、 充 填与尾废处置工艺， 使采矿、 堆浸、 充填与堆排在时 间和空间上实现协同， 达到铀矿资源的安全高效开 采和铀矿冶尾废的绿色无害处置。 （2） 基于充排试验， 获得满足采场充填或地表同 步固化堆排要求的配比参数， 浆体质量浓度为76、 灰砂比为1 ∶ 10和1 ∶ 14。 （3） 某硬岩铀矿实施无废协同开采后， 预期采场 生产能力提升至135 t/d， 矿块回采率达88.86， 废石 达到地表零排放， 堆浸铀尾渣在井下充填和地表固 化堆排中得到有效处置。 参 考 文 献 朱鹏飞， 蔡煜琦， 郭庆银， 等．中国铀矿资源成矿地质特征与资 源潜力分析 ［J］ ．地学前缘， 2018， 25 （3） 148-158． Zhu Pengfei， Cai Yuqi， Guo Qingyin， et al．Metallogenetic and geo- logical characterization and resource potential assessment of urani- um resources in China［J］ ．Earth Science Frontiers， 2018， 25 （3） 148-158． 李秦．低品位硬岩铀矿床开采技术状况与发展方向 ［J］ ．铀矿 冶， 2015， 34 （2） 72-77． Li Qin．Mining technical progress and development direction of low grade hard rock uranium deposit ［J］ ．Uranium Mining and Metallur- gy， 2015， 34 （2） 72-77． 裴晶晶， 胡南， 张辉， 等．铀尾矿中不同形态铀释放的影响 因素及其相关性 ［J］ ．中国环境科学， 2019， 39 （7） 3073-3080． Pei Jingjing， Hu Nan， Zhang Hui， et al．An analysis of influencing factors on the release of different species of uranium from uranium tailings and their correlation［J］ ． China Environmental Science， 2019， 39 （7） 3073-3080． Qi C C， Fourie 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