某高矿化度砂岩型铀矿地浸开采堵塞机理的研究.pdf

2 0 1 3 年第8 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 8 ．0 0 8 某高矿化度砂岩型铀矿地浸开采堵塞机理的研究 焦学然1 ’2 ，孙占学3 ，张霞 1 ．中国地质大学 北京 ，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．河南城建学院，河南平顶山4 6 7 0 4 4 ； 3 ．东华理工大学，江西抚州3 4 4 0 0 0 摘要新疆某高矿化度地下水分布区砂岩型铀矿采用酸法和碱法地浸时易出现堵塞，采用地球化学模式 P H R E E Q C I 模拟和实验研究的方法对堵塞进行了探讨。结果表明，堵塞主要是因为地下水的矿化度 T D S 、C a ”、M g ”、S 0 4 2 _ 、H C 0 3 一浓度过高，分别为8 ～1 2g ／L 、3 8 6 ．1 7 ～7 7 5 ．9 5m g ／L 、2 5 0 ．8 3 ～ 3 7 7 ．2 1m g ／L 、20 3 6 ．4 7 ～24 3 6 ．0 8m g ／L 、1 0 8 ．6 6 ～5 2 7 ．5 5m g ／L ，方解石和石膏临近饱和状态；采用酸 法和碱法地浸工艺分别会产生石膏和方解石沉淀而引起化学堵塞。该砂岩型铀矿适合采用稀释或水处 理一弱碱性地浸工艺。 关键词地浸采铀；高矿化度地下水分布区；堵塞；地球化学模式 中图分类号P 3 4 5 P 6 1 9 ．1 4 ；P 6 4 1 ．4文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 8 0 0 2 5 0 4 S t u d yo nB l o c k a g eM e c h a n i s mo fI n s i t uL e a c h i n gS a n d s t o n e - t y p eU r a n i u m M i n i n gi nH i g h T D SG r o u n d w a t e rA r e a J I A OX u e r a n l “，S U NZ h a n x u e 3 ，Z H A N GX i a 2 1 ．C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e s ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ．H e n a nU n i v e r s i t yo fU r b a nC o n s t r u c t i o n ， P i n g d i n g s h a n4 6 7 0 4 4 ，H e n a n ，C h i n a ；3 ．E a s tC h i n aI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，F u z h o u3 4 4 0 0 0 ，J i a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t B l o c k a g et e n d e dt oo c c u ri nh i g h T D Sg r o u n d w a t e ra r e ai nX i n ji a n g ，C h i n aw h e ns a n d s t o n e - t y p e u r a n i u md e p o s i tw a sa c i do ra l k a l i n ei n s i t ul e a c h e do fu r a n i u m ．T h eb l o c k a g em e c h a n i s mw a sd i s c u s s e d b a s e do ng e o c h e m i c a ls i m u l a t i o nP H R E E Q C Ia n das e r i e so fi n l a be x p e r i m e n t s ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m a i nf a c t o r st oc a u s eb l o c k a g ea r eh i g hc o n c e n t r a t i o no fT D S ，C a 2 十，M 9 2 ，S 0 42 ，a n dH C 0 3 一i n g r o u n d w a t e r ，w h i c ha r e8 ～1 2g ／L ，3 8 6 ．1 7 ～7 7 5 ．9 5m g ／L ，2 5 0 ．8 3 ～3 7 7 ．2 1m g ／L ，20 3 6 ．4 7 ～24 3 6 ．0 8 m g ／La n d1 0 8 ．6 6 ～5 2 7 ．5 5m g ／L ，r e s p e c t i v e l y ．C a l c i t ea n dg y p s u ma r ec l o s et os a t u r a t i o ns t a t e ．c h e m i c a l ja m m i n go c c u r sw i t ht h ef o r m a t i o no fc a l c i t ea n dg y p s u md e p o s i tr e s p e c t i v e l yp r o d u c e db ya c i do ra l k a l i n e i n s i t ul e a c h i n go fu r a n i u m ．T h ed i l u t i o no rt r e a t m e n t w e a ka l k a l i n et e c h n o l o g i e sa r ef e a s i b l et ot r e a ts a n d s t o n eu r a n i u mo r e s ． K e yw o r d s i n - s i t ul e a c h i n go fu r a n i u m ；h i g h T D Sg r o u n d w a t e ra r e a ；b l o c k a g e ；g e o c h e m i c a lm o d e l 原地浸出 以下简称地浸 采矿又称为化学采 矿，它集采矿、选矿、冶金于一体，是2 0 世纪7 0 年代 后发展起来的一种新的采矿技术。该技术是将溶浸 液直接注入地下含矿岩层中，利用矿物与水溶液的 化学反应来获取有用金属和化合物口2 | ，具有基建投 资少、生产成本低、建设周期短、资源回收率高、保护 地表生态环境等优点。目前应用最广泛和成功的是 地浸采铀，俄罗斯和我国主要是采用酸法地浸采铀， 收稿日期2 0 1 3 0 1 - 3 0 基金项目国家自然科学基金资助项目 4 0 8 7 2 1 6 5 作者简介㈣ 1 9 8 1 一 ，男，安徽阜阳人，讲师，博士生；通信作者孙占学 1 9 6 2 一 ，男，教授，博士 万方数据 2 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第8 期 美国、澳大利亚等国主要采用碱法地浸采铀[ 3 - 1 2 ] 。 但常规的酸法和碱法地浸工艺无法解决低渗透砂岩 型铀矿床、高矿化度地下水条件下的砂岩型铀矿床、 低品位砂岩型铀矿床等方面的开采问题，所以此类 砂岩型铀矿床开采技术的研究已成为当前的发展方 向和重点[ 1 争1 8 ] 。在我国新疆某高矿化度地下水地区 发现一个砂岩型铀矿床，有关单位在该地区分别进 行了酸法和碱法地浸试验，由于堵塞而导致抽注液 孔水量下降，地浸采铀工作无法继续进行。因此必 须根据该铀矿床地浸开采条件研究产生堵塞的原 因，从而提出可行性的地浸开采技术措施。 1 矿床地浸开采条件 1 ．1 矿物、化学成分特征 该砂岩型铀矿矿石由9 0 ％以上的砂屑物和小 于1 0 ％的胶结物组成，主要化学成分 ％ S i O 。 6 5 ．8 3 、A 1 2 0 39 ．8 9 、F e O2 ．8 6 、C a O4 ．4 8 ～1 4 ．3 6 、 M g O1 ．0 4 、T i 0 20 ．2 9 、P 2 0 50 ．0 8 、K 2 02 ．4 1 、N a 2 0 1 ．1 2 、C O 。2 ．8 9 ～1 1 ．0 4 。砂屑中单矿物碎屑和岩屑 各约占4 5 ％。单矿物碎屑主要为石英 3 0 ％～ 4 0 ％ ，长石 2 0 ％～2 5 ％ ，云母 1 ％～7 ％ 。岩屑 以泥岩、粉砂岩、板岩和中酸性火山岩、花岗岩为主， 含量3 7 ％～4 6 ％。胶结物主要是黏土、微屑杂基和 少量碳酸盐。黏土矿物主要是高岭石、其次为伊利 石、蒙脱石。黄铁矿约0 ．9 ％，碳酸盐约0 ．3 ％。对 矿床开采影响较大的是薄层钙质砂一砾岩透镜体， 其厚度占采矿有效厚度的1 1 ．1 ％～3 7 ．7 ％。铀矿 石中，铀呈吸附状态和铀矿物形式存在，两者各占约 5 0 ％，有利于地浸。含矿层中铀含量平均为U 6 0 ．0 2 2 ％、U 4 一0 ．0 3 7o A 、∑U 一0 ．0 5 9 ％。 1 ．2 铀矿区水文地质特征 含矿含水层的顶、底板各为一套厚层的煤和泥 岩，厚度大于1 0m ，具有良好的隔水性。含矿含水 层厚度3 ．9 ～1 3 ．8m ，平均1 0 ．6m ，顶板埋深6 1 ．1 ～1 9 3 ．8m ；单位涌水量7 ．6 ～1 6 2m E ／ m s ，渗 透系数0 ．1 3 8 ～0 ．5 2 7m ／d 。 从水文地球化学特征看，含矿含水层水质类型 为C 1 ．S O 。一N a 型，矿化度8 ～1 2g ／L ，含矿含水层 水中离子成分见表1 。 表1 矿床含矿含水层水中主要离子成分 T a b l e1 H y d r o c h e m i s t r yo fg r o u n d w a t e ri nu r a n i u m - c o n t a i n i n ga q u i f e r 序号 阳离子／ m g L - 1 阴离子／ m g L _ 1 N a K C a 2 M 9 2 综上所述，该砂岩铀矿含矿含水层厚度适中，隔 水顶、底板分布稳定，隔水性能好，地下水位埋藏较 浅，承压水头高度适中，对地浸有利。但渗透性较 差、黏土含量较高，矿体中夹有多层薄层碳酸盐透镜 体，地下水矿化度、C a 2 、H C O 。、S O 。2 _ 浓度过高， 这些对地浸不利。 2 堵塞机理研究 2 ．1 地下水化学成分与堵塞的关系 利用地球化学模式P H R E E Q C I [ 19 。2 妇可以出计 算表1 中含矿层地下水样中方解石和石膏的饱和指 数。当p H 为6 ．8 5 、7 ．1 8 、7 ．0 6 、6 ．8 8 时，方解石的 饱和指数分别为0 ．3 3 49 、0 ．5 3 2 1 、0 ．4 2 37 、0 ．3 7 6 7 ；石膏的饱和指数分别为0 ．1 9 94 、0 ．1 7 2 4 、0 ．1 8 1 3 、0 ．2 3 03 。从上述计算结果可知，地下水中方解石 和石膏的饱和指数都略大于零，表明方解石、石膏处 于产生沉淀的临界状态。 2 ．2 酸法地浸导致石膏沉淀的永久堵塞 图1 为地球化学模式P H R E E Q C I 计算酸法地 浸时溶浸液中H S O 。加入量与p H 、石膏饱和指数 的关系。 图1 表明，当溶浸液中H S O 。加入量分别提高 到0 ．0 5 14m o l ／L 和0 ．1 2 5m o l ／L 时 p H 分别为 2 ．4 和1 ．7 ，石膏饱和指数由原来的0 ．1 7 相应地增 加至0 ．3 6 和0 ．4 5 。同时，当溶浸液进入含矿含水 层时，矿层和夹石中的碳酸盐将大量溶解，C a 2 、 M g 抖、S O 。2 一含量将大幅度增高，促使石膏饱和指 数明显升高，石膏大量沉淀，从而造成石膏沉淀的永 久性堵塞。取该地下水样2 5 0m L 于容器内，加入1 m L 质量浓度为2 0 ％的H 。S O 。溶液，可以发现容器 万方数据 2 0 1 3 年第8 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 7 硫酸加入量／ r e t o o l L o 图1酸法地浸时溶浸液中硫酸加入量与 石膏饱和指数的关系 F i g ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns a t u r a t i o n i n d e xo fg y p s u ma n dH 2S 0 4a m o u n t a d d e di ns a m p l e s 底部有白色沉淀产生，过滤后取沉淀分析为C a S 0 。。 由此可见，酸法地浸工艺不适合处理该铀矿床。 2 ．3 碱法地浸将导致方解石沉淀 图2 为地球化学模式P H R E E Q C I 计算碱法地 浸时溶浸液中N a C O 。加入量与p H 、方解石、石膏 饱和指数的关系。 图2 碱法地浸时溶浸液中碳酸钠加入量 与p H 、方解石、石膏和沥青铀矿饱和 指数的关系 F i g ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns a t u r a t i o ni n d e x o fc a l c i t e ，g y p s u ma n dp i t c h b l e n d ea n dp Ha n d N a 2C 0 3a m o u n ta d d e di ns a m p l e s 从图2 可看出，当溶浸液中碳酸钠加入量增加 时，p H 逐渐增大、方解石的饱和指数增大，方解石 将发生沉淀，导致非常严重的方解石堵塞。同时沥 青铀矿的饱和指数由负值逐渐变为正值，即沥青铀 矿由原来的溶解状态转变为沉淀状态，从而降低浸 铀效率。取该地下水样2 5 0m L 于容器内，加入1 ．0 m g 分析纯无水N a 。C O 。，可以发现容器底部有白色 沉淀产生，过滤后取沉淀分析为C a C O 。。因而，在 钙离子和重碳酸根离子含量较高的含矿含水层中， 采用碱法地浸工艺应特别慎重，该法也不适宜此铀 矿床。 2 ．4 沉淀物质产生的影响因素 地球化学模式P H R E E Q C I 计算结果表明，该 砂岩型铀矿在地浸开采过程中产生的沉淀堵塞，主 要是由于浸出过程中产生了石膏和方解石沉淀而堵 塞溶浸液流动的空隙引起的，因此，探讨产生石膏和 方解石沉淀的影响因素是开展该砂岩型铀矿地浸工 作最主要的技术关键。 2 ．4 ．1 石膏沉淀的影响因素 石膏的溶解平衡方程式如下 C a S 0 4 C a 2 S O i 一 1 S i c 。s q l o g [ - C a 抖] l o g [ S O ] _ ] 一l o gK 。。 2 式中，S I c 。s o 为。的饱和指数，K 。。为。的, C a S OC a S O 浓度积。 由式 2 可知，石膏的饱和指数取决于C a 2 和 S O 。2 一浓度。为防止在地浸过程中产生沉淀堵塞， 须使石膏的饱和指数小于0 ，从而必须降低溶浸液 中C a 2 和S O 。2 一浓度。因此，建议对溶浸液进行水 处理或将其与低矿化度水混合处理的方法。 2 ．4 ．2 方解石沉淀的影响因素 方解石的溶解平衡方程式如下 C a C 0 3 一C a 2 C O ；一 3 S i c ．c o 。一l o g [ C a 2 十] l o g 厂C O ；一] 一l o gK 。。 4 式中，S I 。正q 为C a C O 。的饱和指数，K 。。为C a C O 。的 浓度积。 由式 4 可知，方解石的饱和指数大小受C a 2 和C O 。2 一浓度的影响。为防止在地浸过程中产生 方解石沉淀，需降低溶浸液中C a 2 、C O 。2 一浓度，从 而使方解石的饱和指数小于0 。因此，建议对溶浸 液进行水处理或将其与低矿化度水混合处理。 3结论 1 该地区地下水中的矿化度、p H 、C a 抖、 H C O 。、S O 。2 一浓度过高，方解石和石膏接近沉淀 的临界状态。 2 酸法地浸时采用硫酸为溶浸剂，会导致石膏 饱和指数大于零，产生石膏沉淀而阻碍地浸进行。 碱法地浸时以碳酸钠为溶浸剂，会导致方解石饱和 指数大于零，产生方解石沉淀而阻碍地浸进行。 3 建议采用稀释或水处理一弱碱性地浸工艺， 万方数据 2 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第8 期 即先稀释含矿含水层，降低地下水中C a 2 、 H C O 。一、S O 。2 浓度，使石膏、方解石的饱和指数小 于0 ，然后再加入N a H C O 。溶浸剂，避免地浸过程产 生沉淀堵塞。 参考文献 [ 1 ] 阙为民，王海峰，田时丰，等．我国地浸采铀研究现状与 发展[ J ] ．铀矿冶，2 0 0 5 ，2 4 3 1 1 3 1 1 7 ． [ 2 ] 王海峰，谭亚辉，杜运斌，等．原地浸出采铀井场工艺 [ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 2 ． [ 3 ] 王海峰，武伟，汤庆四，等．新疆某矿床碱法地浸采铀试 验[ J ] ．铀矿冶，2 0 0 7 ，2 6 4 1 6 9 1 7 3 ． [ 4 ] X I EWB ，Q I UDs ，G UL ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a ls t u d y o nw a t e r - 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r e a c t i o n ，o n e - d i m e n s i o n a lt r a n s p o r t ， a n di n v e r s eg e o c h e m i c a lc a l c u l a t i o n s [ , M ] ．D e n v e r G e o l o g i c a lS u r v e y ，1 9 9 9 1 - 4 ． [ - 2 0 ] P a r k h u r s tDL ，T h o u s t e n s o nDC ，P l u m m e rLM ． P H R E E Q E C Ic o m p u t e rp r o g r a mf o rg e o c h e m i c a lc a l c u l a t i o n sI - J ] ．W a t e rR e s o u r c e ，19 9 9 ，2 5 1 8 0 9 6 ． [ 2 1 ] 李义连，王焰新，周来茹，等．地下水矿物饱和度的水 文地球化学模拟分析以娘子关泉域岩溶水为例 [ J ] ．地质科技情报，2 0 0 2 ，2 1 3 3 2 ． 万方数据