鐘佳霖，張振強(qiáng)，夏毓亮

(1.核工業(yè)二四三大隊(duì)，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.核工業(yè)二四〇研究所，遼寧 沈陽 110032；3.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029)

錢家店鈾礦床是中國(guó)為數(shù)不多的大型可地浸鈾礦床。該礦床是第1個(gè)采用CO2+O2地浸開采的鈾礦床，2006年開始對(duì)錢Ⅱ礦塊進(jìn)行開采，經(jīng)過多年實(shí)踐取得了豐富的科研生產(chǎn)成果與經(jīng)驗(yàn)，開采過程中基本實(shí)現(xiàn)了無廢水、無廢渣和無廢氣排放。CO2+O2地浸開采工藝是一種對(duì)環(huán)境友好的工藝方法[1-3]。

錢家店鈾礦床受“晚白堊世姚家期辮狀河道洼地、晚白堊世嫩江期末反轉(zhuǎn)隆升剝蝕構(gòu)造天窗、NNE向貫通性基底斷裂”三位一體控制，礦床成因類型為同生沉積后生疊加復(fù)成型；成礦作用歷經(jīng)了同生沉積成礦、流體疊加成礦和含氧含鈾流體疊加成礦3個(gè)階段[4]。鈾主要以鈾礦物和吸附鈾形式存在，鈾集中分布在0.10～0.25 mm粒級(jí)中[5-6]。

鈾礦床濕度、鈾-鐳平衡系數(shù)、鐳-氡平衡系數(shù)、有效原子序數(shù)和釷鉀元素等參數(shù)至關(guān)重要，它們直接影響鈾礦的資源量修正計(jì)算。前人對(duì)鈾礦資源量的修正研究主要集中在對(duì)鈾-鐳平衡系數(shù)[7-8]，對(duì)其他參數(shù)(鐳-氡、有效原子序數(shù)等)的修正研究較少。為減小資源量估算的偏差，在樣品采集和分析測(cè)試基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算，以期獲得科學(xué)、準(zhǔn)確的修正參數(shù)，為鈾資源量估算、礦山開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦床地質(zhì)概況

錢家店鈾礦床位于開魯坳陷錢家店凹陷中，礦床可進(jìn)一步分為錢Ⅰ、錢Ⅱ、錢Ⅲ、錢Ⅳ、錢Ⅴ、錢Ⅵ塊段(圖1)。

1—斷裂；2—凹陷；3—盆地界線；4—石油參數(shù)孔；5—城鎮(zhèn)；6—鈾礦床。

鈾礦化主要產(chǎn)于姚家組下段中下部的砂體中。鈾礦體產(chǎn)狀與地層基本一致，傾角2°～8°。礦體形態(tài)多為板狀、透鏡、不規(guī)則狀。礦體埋深174.10～520.55 m。礦體長(zhǎng)50～1 300 m，寬50～725 m。礦石平均品位0.028 7%，平均厚度5.65 m。含礦主巖以灰色長(zhǎng)石質(zhì)石英細(xì)砂巖為主，部分為中砂巖。

2 樣品的采集與測(cè)試

2.1 礦石濕度樣品

在鉆井現(xiàn)場(chǎng)，按礦石品位、氧化還原情況、深度分別采集樣品[9]。樣品長(zhǎng)為 5～10 cm，質(zhì)量為 250～500 g。用 β+γ編錄儀選取計(jì)數(shù)大于 10 nC/(kg·h)的天然狀態(tài)礦芯樣品。錢Ⅱ塊的物探參數(shù)孔及濕度樣分布如圖2所示。

1—工業(yè)孔及編號(hào)；2—物探參數(shù)孔及編號(hào)；3—濕度取樣孔；4—勘探線及編號(hào)。

采集濕度樣品后，刮掉泥漿，稱重(P濕)；然后將樣品粉碎成散沙狀或小碎塊狀，在80～100 ℃下烘干48～90 h，稱重,當(dāng)兩次稱重相對(duì)誤差小于 1%時(shí), 將其計(jì)為穩(wěn)定質(zhì)量(P干)。用式(1)計(jì)算樣品的濕度B[10]：

B=(P濕-P干)/P濕×100%，

(1)

式中：P干—穩(wěn)定質(zhì)量，kg；P濕—濕度樣品質(zhì)量，kg；B—濕度，%。

2.2 鈾、鐳、釷、鉀樣品的采集和分析

先用地質(zhì)、物探編錄資料編制取樣圖，經(jīng)測(cè)井資料校正位置后，計(jì)算準(zhǔn)確的取樣位置。按不同鉆探回次、不同巖性、氧化還原情況、β+γ編錄曲線形態(tài)所對(duì)應(yīng)的品級(jí)，以及不同礦體或同一礦體的不同形態(tài)、部位、礦體走向和傾向分別劃分[10]181，共對(duì)19條勘探線65個(gè)工業(yè)孔取樣686個(gè)，樣品總長(zhǎng)240.46 m。單個(gè)樣品連續(xù)長(zhǎng)為0.2～0.5 m。當(dāng)?shù)V層厚度大于 2 m 時(shí)，樣品長(zhǎng)取 0.35～1.0 m；當(dāng)?shù)V層厚度為 1～2 m 時(shí)，樣品長(zhǎng)取 0.2～0.5 m；當(dāng)?shù)V層厚度小于 1 m 時(shí)，樣品長(zhǎng)取 0.1～0.3 m；礦體邊界連續(xù)取2個(gè)邊樣，樣品長(zhǎng)取 0.1～0.2 m；取樣時(shí)，刮掉巖礦芯泥漿，連續(xù)劈半取樣，一半留樣。在個(gè)別地段巖性和礦化比較均勻的區(qū)段，樣品連續(xù)長(zhǎng)為1.0 m。錢Ⅱ塊單工程鈾礦石樣品的鈾-鐳平衡系數(shù)(Kp)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 錢Ⅱ塊單工程鈾礦石樣品鈾-鐳平衡系數(shù)(Kp)計(jì)算結(jié)果

2.3 鐳-氡平衡系數(shù)采集與分析

在鉆探勘查過程中，由于循環(huán)井液泥漿壓力大于含礦段含水層的壓力，井液泥漿會(huì)浸入鈾礦層巖石孔隙，使得層間水及溶解于其中的氡(222Rn)被擠壓而離開孔壁，這一過程被稱為 “壓氡現(xiàn)象”?！皦弘爆F(xiàn)象”破壞了鐳-氡之間的放射性平衡，導(dǎo)致伽馬測(cè)井結(jié)果偏低。同時(shí)在鉆進(jìn)過程中，泥漿滲入井壁并在井壁形成厚厚的泥漿餅，泥漿餅會(huì)對(duì)伽馬射線有屏蔽吸收作用，使得伽馬測(cè)井照射量率偏低。因此，必須測(cè)定鐳-氡平衡系數(shù)，通過修正求出鈾含量[11]。

對(duì)姚家組含礦層分別設(shè)計(jì)施工了錢Ⅱ-WT-1、錢Ⅱ-WT-2、錢Ⅱ-WT-3、錢Ⅱ-WT-4、錢Ⅱ-WT-5共 5個(gè)物探參數(shù)孔(圖2)。

根據(jù)下套管前的γ測(cè)井結(jié)果，區(qū)分出延伸到圍巖且處于滲透性巖石中的鈾礦段，計(jì)算礦段內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的γ照射量率之和(∑I0)。在該界限內(nèi)，據(jù)狀態(tài)觀測(cè)結(jié)果計(jì)算鈾礦段內(nèi)各測(cè)點(diǎn)經(jīng)套管和沖洗液吸收修正后的γ照射量率之和(∑Ii)，以γ照射量率I為縱坐標(biāo)，以時(shí)間t為橫坐標(biāo)作I-t關(guān)系圖。假定∑I0=A，t=0，然后把各點(diǎn)用平滑曲線連接起來，得到氡狀態(tài)觀測(cè)曲線圖。鐳氡平衡系數(shù)PRn按公式(2)[12]計(jì)算：

(2)

式中：PRn—鐳氡平衡系數(shù)；I0—I-t關(guān)系圖始端各測(cè)點(diǎn)的γ照射量率測(cè)量值，nC/(kg·h)；I∞—I-t關(guān)系圖終端各測(cè)點(diǎn)的γ照射量率測(cè)量值，nC/(kg·h)。

礦床的鐳氡平衡系數(shù)根據(jù)各專門物探參數(shù)孔測(cè)量的結(jié)果取其平均值來確定。

2.4 有效原子序數(shù)樣品

樣品采樣原則和方法與鈾、釷、鉀、鐳樣品相同。對(duì)所取樣品登記裝袋后，送化驗(yàn)室做硅酸鹽全分析。用公式(3)[10]182計(jì)算有效原子序數(shù)：

(3)

式中：PZ、AZ分別為礦石樣品中原子序數(shù)為Z 的元素的相對(duì)質(zhì)量含量和原子量。

3 參數(shù)計(jì)算

3.1 鈾-鐳平衡系數(shù)

鈾-鐳平衡系數(shù)的計(jì)算和整理是在準(zhǔn)確的化學(xué)分析結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

3.1.1 單工程U-Ra平衡系數(shù)KP

利用公式(4)[11]16計(jì)算每個(gè)單樣(單工程)的 U-Ra 平衡系數(shù)KP：

KP=w(Ra)/w(U)/(3.4 ×10-7)，

(4)

式中：w(U)、w(Ra) 分別為化學(xué)分析的鈾、鐳百分含量。

3.1.2 等效U-Ra平衡系數(shù)KPP

平衡系數(shù)并不是各單樣或組合樣平衡系數(shù)的算術(shù)平均值, 而是鈾線儲(chǔ)量加權(quán)平均值。Hi、w(Ui)和w(Rai)為該組合樣品的長(zhǎng)度和U、Ra含量的加權(quán)平均值，對(duì)Kp進(jìn)行組合樣品長(zhǎng)度和鈾含量加權(quán)平均獲得鈾礦床的鈾鐳平衡系數(shù)[10]186

Kpp=∑[KpHiw(Ui)]/ ∑[Hiw(Ui)],

(5)

式中：Hi—組合樣品長(zhǎng)度，m；w(Ui)—組合樣品加權(quán)平均鈾百分含量；Kp—單工程鈾鐳平衡系數(shù)；Kpp—鈾礦床經(jīng)過組合樣品長(zhǎng)度和鈾含量加權(quán)平均的鈾-鐳平衡系數(shù)。

獲得Kpp=0.765 0，單工程鈾-鐳平衡系數(shù)的均方差為0.16，單工程鈾-鐳平衡系數(shù)的變化系數(shù)為0.21。按鈾-鐳平衡系數(shù)Kpp=0.765 0,對(duì)放射性測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行修正是合理的。

把姚家組礦石的鈾-鐳平衡系數(shù)進(jìn)行分布特征研究，發(fā)現(xiàn)Kp的頻譜分布具有明顯的正態(tài)分布特點(diǎn)(圖3)，峰值為0.765 0。

圖3 錢Ⅱ塊鈾礦石樣品Kp分布

3.2 鐳-氡平衡系數(shù)

通過連續(xù)觀察5個(gè)物探參數(shù)孔測(cè)井結(jié)果，鉆孔壓氡現(xiàn)象明顯。鐳-氡平衡系數(shù)在測(cè)井前8 d變化顯著，特別是前2～6 d變化最大；在測(cè)井第9～16 d，變化逐漸減??；在第17～24 d，變化較小并開始趨于穩(wěn)定；在第25～30 d以后基本沒有變化。物探參數(shù)孔鐳-氡平衡系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 錢Ⅱ塊鈾礦床鐳-氡平衡系數(shù)計(jì)算結(jié)果

可以看出，5個(gè)物探參數(shù)孔8個(gè)統(tǒng)計(jì)單元的鐳-氡平衡系數(shù)結(jié)果很接近，平均值為0.877 5?！皦弘爆F(xiàn)象”明顯，伽馬測(cè)井結(jié)果需要進(jìn)行修正：

用公式(6)[11]17對(duì)礦層品位進(jìn)行鐳-氡平衡系數(shù)修正:

Qu=Qa/PRn，

(6)

式中：Qu—不存在壓氡現(xiàn)象時(shí)的鈾照射量率，nC/(kg·h)；Qa—存在壓氡現(xiàn)象時(shí)的鈾照射量率，nC/(kg·h)；PRn—鐳-氡平衡系數(shù)。推導(dǎo)可得，Qu=Qa/0.8775=1.140Qa

3.3 鈾礦石濕度

當(dāng)鈾礦石濕度>5%時(shí)，需用公式(7)[11]18對(duì)礦層中的鈾含量做濕度修正:

Qg=Qs/(1-W)，

(7)

式中：Qg、Qs分別為礦石中干、濕鈾的百分含量；W為礦石濕度百分值。

對(duì)錢Ⅱ礦塊6個(gè)鉆孔(圖2)19個(gè)礦石樣品進(jìn)行了濕度分析，其平均濕度為12.29%(>5.0%)(表3)，對(duì)礦層中的鈾含量應(yīng)做濕度修正。Qg=Qs(1-0.122 9)=0.877 1。

表3 礦(巖)石濕度測(cè)定結(jié)果

3.4 有效原子序數(shù)的確定

γ測(cè)井換算系數(shù)是礦層γ射線譜成分和探測(cè)器能譜靈敏度的函數(shù)。譜成分是由礦石的物質(zhì)成分決定，常用有效原子序數(shù)Zeff表征。Zeff的差異影響著小于400 keV的低能γ散射譜，會(huì)影響γ測(cè)井的換算系數(shù)。通常根據(jù)礦(巖)石化學(xué)全分析結(jié)果，利用公式(8)[13]計(jì)算Zeff：

Zeff=(∑PZZ23)1/23

(8)

式中：PZ—礦石組分中原子序數(shù)為Z的元素的質(zhì)量含量；Z—相應(yīng)元素的原子序數(shù)。

利用礦區(qū)302個(gè)化學(xué)全分析的結(jié)果，計(jì)算出礦(巖)石的有效原子序數(shù)，各類不同巖性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 錢Ⅱ塊鈾礦床礦(巖)石有效原子序數(shù)(Zeff)

由表4可知，鈾礦床各類樣品有效原子序數(shù)沒有明顯變化，其算術(shù)平均值Zeff=12.40，在規(guī)定的9～21的范圍內(nèi)，對(duì)放射性測(cè)井無影響[11]5，不予修正。

3.5 釷、鉀含量及修正

在鈾礦層中，Th和K元素的含量過高，γ總量測(cè)井會(huì)導(dǎo)致測(cè)井解釋結(jié)果的鈾含量偏高。“當(dāng)γ測(cè)井確定的鈾礦層中的釷含量大于0.005%或釷鈾比值大于0.1”時(shí)，應(yīng)進(jìn)行Th干擾因素的修正[11]17。

使用FD-3019γ進(jìn)行總量測(cè)井時(shí)，如果Th、K含量高，則會(huì)對(duì)測(cè)鈾有不同程度的影響。故在礦區(qū)范圍內(nèi)，對(duì)Th、K元素含量進(jìn)行了大量分析，并對(duì)Th和U、K和U相關(guān)性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。U-K2O相關(guān)性如圖4所示。U-Th相關(guān)性如圖5所示。

40K具有放射性。鉀含量大于10%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行鉀干擾因素修正。但由圖4可知，分析的312件樣品的鉀含量都很低，平均w(K2O)為3.38%，U與K的相關(guān)系數(shù)為-0.043，表明其沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。因此放射性測(cè)井不必考慮鉀的影響，不予修正。

圖4 U-K2O相關(guān)圖(312件, R=-0.043)

圖5 U-Th相關(guān)圖(312件，R=0.070 5)

由圖5 可知，對(duì)含礦層姚家組312件樣品釷含量測(cè)定表明，巖(礦)石釷含量總體很低，所有樣品的w(Th)均<20×10-6，平均為9.50×10-6，且w(Th)/w(U)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.1。U和Th的相關(guān)系數(shù)為0.070 5，基本無相關(guān)關(guān)系。因此放射性測(cè)井不必考慮Th的影響，不予修正。

4 物探參數(shù)修正值的應(yīng)用

按最低工業(yè)品位0.01%，邊界工業(yè)平米鈾量1 kg/m2(埋深小于500 m)，用地質(zhì)塊段法對(duì)錢家店錢Ⅱ礦床334潛在資源量進(jìn)行估算[14]，鈾資源在修正后比修正前增加30.70%(表5)。

表5 錢Ⅱ塊鈾334資源量估算修正結(jié)果

5 結(jié)論

錢Ⅱ塊鈾礦床鈾資源量估算時(shí)，鈾-鐳平衡系數(shù)、鐳-氡平衡系數(shù)、礦石濕度需要修正；而有效原子序數(shù)、鉀、釷含量與鈾含量無相關(guān)性，不需要進(jìn)行修正。運(yùn)用這些參數(shù)修正后，鈾資源量增加30.70%。這些參數(shù)的修正使計(jì)算出的鈾資源量更接近于實(shí)際鈾資源量。