王如意，王 菁，李 鵬，楊 敬，鄭文娟，牛 奔，徐 奇

(中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，呼和浩特 010010)

CO2+O2原地浸出工藝具有低試劑消耗、化學(xué)反應(yīng)溫和，不易產(chǎn)生有毒有害污染物，對(duì)地下水影響小、利于維持天然滲透性等優(yōu)點(diǎn)，且可有效浸出礦石中鈾，近年來成為低品位砂巖型鈾資源開采的重要方法，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。由于工藝主要的化學(xué)反應(yīng)都在埋藏較深的地下含礦含水層中進(jìn)行，浸出劑與圍巖之間會(huì)發(fā)生極為復(fù)雜的水巖反應(yīng)，不管是采用酸法、堿法或CO2+O2中性浸出，開采過程中都存在不容忽視的礦層堵塞問題，極大的影響正常的開采工作[1]。

納嶺溝鈾礦床采用CO2+O2地浸采鈾工藝開展工業(yè)性試驗(yàn)，隨著浸出周期推移，過濾器、礦層因結(jié)垢物團(tuán)聚堵塞導(dǎo)致整體抽注液量逐漸降低，整體生產(chǎn)運(yùn)行能力下降，通常需要投入大量的人力、物力開展龐雜的洗井工作。近年來發(fā)現(xiàn)，特別是大型地浸鈾礦山洗井強(qiáng)度太大，無論采用哪種洗孔方法，都是一項(xiàng)長(zhǎng)期繁雜的工作，這也成為了目前制約地浸礦山生產(chǎn)運(yùn)行的最重要因素。因此，結(jié)合礦床水文地質(zhì)特征，研究如何有效控制、減緩溶浸通道沉淀物的生成及富集，保持良性的溶浸環(huán)境，對(duì)提高地浸礦山開采效率有重要意義。

1 礦床水文地質(zhì)條件

礦床地下水賦存類型主要有松散巖類孔隙潛水、碎屑巖類孔隙裂隙潛水及承壓水。根據(jù)中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z)沉積環(huán)境和含水巖組在垂向及水平方向上的變化規(guī)律，自下而上可劃分出2個(gè)含水層：直羅組下段(J2z1)含水層(第Ⅰ含水層)和直羅組上段(J2z2)含水層(第Ⅱ含水層)。其中，直羅組下段含水層為主要含礦含水層，賦存類型為孔隙承壓水。含礦含水層上部為砂質(zhì)辮狀河沉積體系的河流相沉積砂體，下部為礫質(zhì)辮狀河沉積的砂礫巖；巖性由淺綠、綠、灰色中砂巖、粗砂巖及砂礫巖組成，具上細(xì)下粗的特點(diǎn)；厚度一般在70～170 m，平均厚度119.14 m，含礦含水層與礦層厚度之比為23～89，變異系數(shù)為30.12%。

水文地質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果顯示，含礦含水層滲透系數(shù)0.55～0.63 m/d，導(dǎo)水系數(shù)17.34～72.55 m2/d。

2 沉淀物生成情況

2.1 沉淀物主要類型

通過對(duì)浸出液提升潛水泵泵體及過液濾網(wǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，周身附著有大量沉淀物(圖1)，經(jīng)對(duì)抽注液鉆孔洗井水、泵體附著物主要化學(xué)物質(zhì)含量檢測(cè)分析(表1、表2)發(fā)現(xiàn)，主要為碳酸鹽、鐵鋁化合物、有機(jī)質(zhì)及少量泥沙。通過開展注液孔微酸增注試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通常微酸注入3 d后流量出現(xiàn)大幅上升(圖2)，且能維持近一個(gè)月的時(shí)間，佐證了主要沉淀物類型為碳酸鹽沉淀。

圖1 沉淀物附著泵體Fig.1 Sediment attached to pump body

表1 洗井水水質(zhì)成分分析數(shù)據(jù)Table 1 Analysis data of well flushing water quality components

表2 潛水泵固體附著物分析數(shù)據(jù)Table 2 Analysis data of solid attachment of submersible pump

圖2 微酸增注試驗(yàn)流量變化情況Fig.2 Change of flow rate after dissolution of calcium carbonate with change of pH value

2.2 固體顆粒物粒徑分布

浸出液中的大顆粒沉淀物經(jīng)精度為100 μm的袋式過濾器過濾后從溶液中分離，小顆粒的沉淀物進(jìn)入離子交換塔。

取原液、尾液及樹脂解堵液樣品，開展樣品粒度分析工作，分析結(jié)果見表3。

表3 原液、尾液及樹脂解堵液粒徑分布分析結(jié)果Table 3 Particle size distribution analysis results of original solution，tail solution and resin plug removal solution /個(gè)

粒徑分析數(shù)據(jù)表明，原液、尾液固體顆粒粒徑分布范圍大部分集中在100 μm以下，分別占比99.834%、99.996%。原液及尾液中沉淀懸浮顆粒分布范圍隨粒徑的增大而減少，5～15 μm的沉淀懸浮占總沉淀物的比例分別為76.43%、96.47%，袋式過濾僅過濾極少(0.1%)的沉淀物，大部分沉淀物進(jìn)入塔內(nèi)重新進(jìn)入溶浸通道。

3 沉淀物生成的成因特征

原地浸出采鈾生產(chǎn)運(yùn)行過程中，普遍會(huì)出現(xiàn)堵塞問題，以致抽注液鉆孔過濾器及礦層巖石的滲透降低性。通常見到的堵塞類型有化學(xué)堵塞、氣體堵塞、離子交換堵塞與機(jī)械堵塞[3]。CO2+O2原地浸出工藝，一方面受本底地下水礦化度的影響，同時(shí)在浸出過程中會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，造成某些離子在運(yùn)移過程中，形成單一的或混合的難溶物質(zhì)，造成溶浸通道內(nèi)孔隙堵塞，降低礦層滲透性，最常見的是Ca(Mg)CO3[4-5]。

3.1 本底pH值高

圖3 溶液中與pH值的關(guān)系 pH value in solution

圖4 碳酸鈣溶解度與pH值的關(guān)系Fig.4 Relationship between calcium carbonate solubility and pH value

碳酸鈣(CaCO3)結(jié)垢過程主要包括四個(gè)化學(xué)反應(yīng)步驟：

1)地下水中的相關(guān)離子結(jié)合形成低溶解度的鹽類分子；

2)低溶解度分子相結(jié)合，形成微小的晶粒，然后產(chǎn)生晶粒化過程；

3)大量晶體遷移到特定位置堆積長(zhǎng)大；

4)在溶浸液通道不同部位形成結(jié)垢物。

(1)

(2)

(3)

3.2 O2與耗氧物質(zhì)反應(yīng)生成鐵及有機(jī)質(zhì)沉淀物

除四價(jià)鈾外，礦石中其他主要耗氧物質(zhì)為硫化鐵和有機(jī)質(zhì)，且硫化鐵和有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)大于四價(jià)鈾。根據(jù)鈾的氧化浸出動(dòng)力學(xué)，鈾的浸出要快于硫化物(黃鐵礦)和有機(jī)質(zhì)，因此在氧化浸出前期，鈾氧化快速反應(yīng)帶位于前段，鈾的氧化速度快于黃鐵礦及有機(jī)質(zhì)的氧化速度，所以鈾先氧化[8]；但是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，前段的鈾大量浸出，氧化劑再注入就大量消耗在前段氧化黃鐵礦(式4、5)及有機(jī)質(zhì)上，造成Fe3+及有機(jī)質(zhì)的浸出。

4FeS2(s)+15O2+2H2O=4Fe3++

(4)

Fe3++3H2O=Fe(OH)3↓+3H+(鐵離子水解沉淀)

(5)

4 沉淀物控制措施

工藝鉆孔運(yùn)行過程中，化學(xué)沉淀物的生成來源于所加入的溶浸劑與脈石礦物的反應(yīng)，如何在確保所需浸出參數(shù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)盡可能少的脈石礦物的浸出，將對(duì)鉆孔運(yùn)行的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生重大影響。

4.1 浸出初期降低pH

圖5 SYC-1孔U濃度和離子濃度變化圖Fig.5 U concentration and concentration of SYC-1 pore

表4 擴(kuò)大試驗(yàn)單孔U濃度變化情況Table 4 Single hole U concentration change /(mg·L-1)

4.2 控制O2加入量

在整個(gè)浸出過程中，O2加入量的控制一般分為由高到低或由低到高2種：

1)O2加入量采用由高到低的分段加入法在不同階段進(jìn)行控制，即浸出前期，采用較高的O2加入濃度，快速氧化礦層中的鈾，隨著浸出過程的延續(xù)，逐步降低O2加入濃度，該方式可減少其他耗氧物質(zhì)的氧化，避免沉淀物的大量生成，可確保浸出液鈾濃度維持在較高水平。

2)采用由低到高的方式加入氧化劑，即浸出前期，采用較低的O2加入濃度，隨著浸出過程的延續(xù)，逐步調(diào)高O2加入濃度，該方式在浸出前期，鈾濃度上升過程較慢，隨著運(yùn)行的延續(xù)，易浸出的鈾礦物先浸出，若此時(shí)加大O2加入濃度，大量的O2將消耗在浸出前端其它耗氧物質(zhì)上形成沉淀，并使達(dá)到鈾反應(yīng)前沿的氧化劑濃度降低，從而影響浸出液量及鈾濃度。

根據(jù)礦物組分含量，納嶺溝鈾礦床耗氧物質(zhì)較大，在整個(gè)浸出過程中，O2加入量應(yīng)采用由高到低的方式進(jìn)行控制，當(dāng)浸出液余氧含量達(dá)到規(guī)定參數(shù)(余氧含量為20 mg/L左右)后，及時(shí)降低O2加入量，使浸出液余氧含量保持在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

4.3 調(diào)節(jié)抽液量

分析納嶺溝鈾礦床2015～2017年抽液量運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，單孔抽液量在2.89～10.76 m3/h，平均流量為6.05 m3/h。按照歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)各單孔流量差異，并結(jié)合抽注平衡理論計(jì)算值調(diào)節(jié)、保持合理的抽液量，即控制抽注運(yùn)移時(shí)間在20～30 d理論的最大抽液量，此舉旨在控制溶浸液有效流速，實(shí)現(xiàn)溶浸劑與礦石高效接觸，創(chuàng)造一個(gè)溫和的浸出環(huán)境。

4.4 地表過濾處理

目前，納嶺溝地浸采鈾主要采用袋式過濾器對(duì)沉淀物進(jìn)行過濾處理，但由于袋式過濾器對(duì)浸出液中小顆粒懸浮物、絮狀物過濾效果較差；濾袋納污量較小，一旦雜質(zhì)堵塞濾袋空隙，不宜清洗，再次使用時(shí)，易失去過濾效果；每班需安排人員開展過濾袋清洗工作，維護(hù)成本高等缺點(diǎn)。結(jié)合國內(nèi)外地浸采鈾礦山鈣鎂、懸浮物等沉淀處理方式，目前，主要有以下5種處理方式：

1)在抽注液循環(huán)過程中加入適量的CO2或其他化學(xué)試劑，降低抽注液溶液pH值，提升CaCO3在溶液中的溶解度，避免結(jié)垢的發(fā)生。

2)采用反滲透、硬水軟化裝置等方法除去溶液中的Ca2+，減少結(jié)垢的形成。澳大利亞Honeymoon鈾礦床報(bào)道使用反滲透處理結(jié)合上含水層水替換的方法降低浸出液中Ca2+濃度。

3)通過采用陽離子交換樹脂從注液中較徹底吸附去除鈣、鎂、鐵等生產(chǎn)沉淀的陽離子，實(shí)現(xiàn)控制沉淀物生成。

4)通過使用螯合劑或絡(luò)合劑來抑制CaCO3結(jié)垢。金問龍等[11]曾采用(NaPO3)6作為防結(jié)垢劑，通過利用其依附特性，使CaCO3晶形高度扭變，抑制了CaCO3沉淀的生長(zhǎng)。

5)采用不同粒級(jí)、不同厚度的石英砂在過濾容器內(nèi)填裝成石英砂過濾器，對(duì)浸出液進(jìn)行集中過濾，達(dá)到攔截大量雜質(zhì)、減少和杜絕沉淀物進(jìn)入水冶、井場(chǎng)系統(tǒng)。新疆天山鈾業(yè)七三五廠已對(duì)該過濾系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)和論證，將浸出液濁度從6.0 NTU降至0.9 NTU，去除效率達(dá)到85%。

納嶺溝鈾礦床地浸采鈾工藝系統(tǒng)中沉淀成分及粒徑分析數(shù)據(jù)表明，只有開展前端集中過濾，去除浸出液中的鈣、鎂、鐵等陽離子、懸浮物、膠體等微粒雜質(zhì)，改善浸出液水質(zhì)，才能從源頭杜絕大量微粒徑沉淀物隨溶液不斷回注至地下溶浸通道。

5 結(jié)論

1)在納嶺溝鈾礦床井場(chǎng)投入生產(chǎn)前的20～30 d，含礦層加入碳酸氫鹽結(jié)合高濃度CO2，進(jìn)行微酸預(yù)“酸化”，調(diào)節(jié)溶液pH值，創(chuàng)建優(yōu)良的溶浸通道。

2)在納嶺溝鈾礦床整個(gè)浸出過程中，O2加入量應(yīng)采用由高到低的方式進(jìn)行控制，當(dāng)浸出液余氧含量達(dá)到20 mg/L左右時(shí)，降低O2加入量，減少其他耗氧物質(zhì)的氧化，避免沉淀物的大量生成。

3)根據(jù)各單孔流量差異，結(jié)合抽注平衡理論計(jì)算值調(diào)節(jié)、保持合理的抽液量，創(chuàng)造溫和的浸出環(huán)境。

4)研究采用陽離子樹脂、石英砂、活性炭等濾料開展前端集中過濾，去除浸出液中的陽離子、懸浮物、膠體等微粒雜質(zhì)，改善浸出液水質(zhì)，從根源解決沉淀物的不斷累積。