新疆某铀矿床天然成因试剂地浸条件评价

天然成因试剂地浸工艺是在低酸地浸和弱碱地浸基础上发展起来的一项新的地浸工艺。该工艺在最小程度地改变地下水环境的条件下，能达到有效浸出矿石中铀的目的，因而，该工艺对地下水矿化度高、矿石渗透性低和钙质含量高等条件复杂的砂岩性铀矿床有良好的浸出效果，具有试剂消耗少、对地下水环境影响小、对仪器设备及材料的腐蚀性小、浸出液铀浓度稳定、不破坏矿石的天然渗透性等优点。该工艺已在乌兹别克斯坦国得到了广泛的应用。

新疆某铀矿床(NO2)是我国近年来新发现的疏松砂岩型铀矿床。因矿石中碳酸钙含量较高，地下水矿化度高，地下水中Ca²⁺、Cl^-和SO₄^2-等离子含量高等多种因素的影响，该矿床在采用常规酸法和碱法进行地浸采铀试验时，出现了含矿层化学堵塞严重、钻孔抽注液能力下降、浸出液铀浓度低等问题。由于天然成因试剂地浸工艺与常规酸碱法地浸相比具有独特的优点，因此，该矿床有望通过采用天然成因试剂浸出工艺取得技术上的突破。

本文是新疆某铀矿床天然成因试剂地浸条件试验的部分内容，旨在通过对该砂岩铀矿床地质和水文地质条件的分析，评价该矿床采用天然成因试剂地浸采铀的可能性，为开发该砂岩铀矿资源提供基础和依据。

一、天然成因试剂地浸原理与适用条件

天然成因试剂最初是指含矿含水层中自然存在的含有氧气和重碳酸盐等化学成分的地下水。地下水中通常含有天然的重碳酸钙、重碳酸镁和氧气等化学成分，但含量较低，达不到浸出矿石中铀的程度和浸出的铀浓度相当低。因此，广义的天然成因试剂是在地下水中自然存在的化学成分基础上，向含矿含水层中压入压缩空气（或氧气）、或加入少量的稀硫酸，或加入少量的CO₂气体，使含矿含水层中生成具有一定浸出强度的试剂。

砂岩型铀矿床中铀矿物主要以四价形式存在，不与碳酸盐直接作用，浸出前应先氧化成六价铀。空气或氧气是较好的氧化剂，天然成因试剂地浸采铀工艺主要采用自然中广泛存在的空气或氧气作氧化剂。

天然成因试剂浸出铀的过程，与重碳酸盐浸出过程类似，基本原理是：向钻孔中压人空气，利用空气中的氯气氧化铀矿石，将U⁺转化为U⁶⁺，再利用地下水中的碳酸氢根或碳酸根将铀浸出。

六价铀与地下水中存在的碳酸氢根反应，生成碳酸铀酰离子，形成浸出液。铀的配合反应如下：

当矿石中含有碳酸盐时，H⁺与碳酸盐反应生成碳酸氢根离子，导致碳酸氢根离子的浓度增加。如果矿石中含有少量的硫化物，硫化物氧化生成的硫酸作用于碳酸盐，生成的CO₂对浸出更有利。反应式有：

由上述分析可知，天然成因试剂浸出工艺对矿石中碳酸盐含量高、硫化物高的铀矿床有很强的适应性。

由于地下水中天然成因试剂的浓度较低，浸出强度较弱，导致了浸出液铀浓度较低，故浸出过程中要求地浸钻孔的抽液能力较大。另外，为了将高压空气压入钻孔内充分氧化矿层，该工艺对矿床的水文地质条件和地浸钻孔结构有较高的要求。因此，天然成因试剂地浸工艺并不能适合所有的可地浸砂岩型铀矿床，有一定的适用范围：

（一）矿石中含有一定质量分数碳酸盐，一般要求大于1%(以CO₂计，下同)，当矿石中碳酸盐质量分数较低时，可直接采用酸法地浸。

（二）矿石具有较好的渗透性，一般要求大于0.5m/d，这是天然成因试剂地浸采铀工艺钻孔抽液量大、浸出液铀浓度低的特点决定的。

（三）含矿含水层具有较好的隔水底顶板，保证压入矿层的空气能充分与矿石接触。

（四）由于空压机设备、井孔装置和材料等条件的限制，要求含矿含水层的水头值小于200m。

二、矿床地质条件

该砂岩铀矿床是受层间氧化带的控制，矿体呈近东西向展布，长为820m，宽为26～400m。矿体形态以板状为主，局部为复杂的卷状，产状与砂体基本一致，总体NNE向，倾角一般为3⁰～8⁰，矿体埋深为81.6～174.9m。含矿层厚度为22.8～59.9m，平均为41.8m，中部含有0.5～5.Om的黏土质岩石夹层，把含矿层分成上下2个亚层，上部为Ⅰ号矿体，下部为Ⅱ号矿体，其中Ⅱ号矿体为主要矿体。矿层剖面中，通常含有1～3层致密的钙质砂岩和黏土质砾岩夹层，厚度为0.2～1.Om，矿层厚度与含矿层厚度比值为0.38～0.49，平均为0.44。铀矿层的主要参数见表1。

表1  试验块段水文地质参数

矿石自然类型为层间氧化带砂岩型，主要为疏松、次疏松、灰色、深灰色砂（砾）岩矿石，其次为泥岩类矿石和致密的钙质胶结砂（砾）岩矿石。矿石以接触式胶结为主，少量溶蚀孔隙式胶结。胶结物主要为黏土，含有少量碳酸盐。矿石矿物成分中石英质量分数为30%～40%、长石质量分数为10%～25%。黏土矿物主要为高岭石、、蒙脱石和少量绿泥石（见表2），此外矿石中还含有少量黄铁矿、碳酸盐矿物。矿石的化学成分见表3。通过与新疆NO1矿床、乌兹别克国蒙库图克矿床的各矿物质量分教的比较（以硫酸溶解程度划分），该砂岩铀矿床矿物成分复杂，矿石中碳酸盐质量分数＞2%，不利于酸法地浸（见表4）。

表2  矿石黏土相各矿物质量分数%

表3  矿石各组分质量分数及烧失量  %

表4  矿厂各矿物平均质量分数%

三、矿床水文地质条件

矿区内共分8个含水层组，含矿含水层位于第V含水层组。矿层地下水为孔隙承压水，水位埋深39.95～42.62m；隔水底顶板在区域上连续稳定，厚度较大，隔水性能较好；岩性主要为泥岩、泥质粉砂岩及煤层。含矿层孔隙度为8.65%～39.84%，平均为26.75%，含矿岩石与非矿化层的渗透系数比为1.24∶1，矿床其他水文地质参数见表5。地下水化学类型为Cl·SO₄－Na，矿化度为8.46～13.16g/L，pH为6.9～7.5，Eh为－64～－23mV，水温为18～21℃，地下水化学成分见表6。

表5  含矿层的水文地质参数

表6  含矿含水层地下水化学成分

从表6看出：矿床地下水矿化度较高，属高含盐量地下水。水的硬度若用每L水中Ca⁺ 和Mg²⁺的物质的量表示，则由表6计算出地下水总硬度约为130mmol，表明硬度较高。

根据矿床地下水化学成分，在加入化学试剂的浸出过程中可能生成CaCO₃、Ca(HC0₃)₂、MgCO₃、CaSO₄等化学沉淀，在抽液附近还可能形成各种铁的沉淀物。化学沉淀的生成与地下水中离子的溶度积和离子强度有关。主要沉淀物的理论溶度积常数和溶解度以及计算的实际溶度积和溶解度见表7。

   表7  地下水主要成分的实际溶度积和溶解度（20℃）

从表7看出，该矿床地下水成分的实际溶度积和溶解度均大于理论，地下水中可能沉淀组分已达到过饱和状态；但其没有发生化学沉淀的原因是水中Cl^-浓度较高，盐效应的作用增大了各成分的溶解度，使得地下水处于一种动态平衡的状态。

四、矿床条件评价

从地浸采铀的角度，将该矿床地质和水文地质条件划分为有利因素和不利因素。有利因素有：矿体厚度与含矿含水层厚度的比值、矿体相对于含矿含水层的位置、矿层的埋藏深度以及隔水顶底的连续性、含矿含水层原始水位埋深、水头高度等；渗透性较差，但仍可满足地浸采铀的基本要求(≥0. m/d)。不利因素有：矿层中渗透性岩层与非渗透性岩层（泥岩层或钙质层）的复杂交互，易使溶液稀释和流失；矿石中碳酸盐含量偏高，不宜采用酸浸；含矿含水层地下水为高矿化度水，地下水中氯根含量高，钙镁离子已达到饱和，易产生化学沉淀。

采用天然成因试剂地浸采铀时，可拓宽地浸采铀的条件，将含矿含水层HCO^3-的含量高、矿石中碳酸盐质量分数偏高等不利因素变为有利因素，同时可避免地下水矿化度高，地下水中氯根含量高，钙镁离子含量高等不利因素对地浸工艺的影响，因此，可通过天然成因试剂地浸采铀工艺的实现对该矿床合理开采。

五、室内试验

（一）搅拌浸出试验

1、自来水或地下水浸出

取细磨样品和自然粒级样品若干，放置于空气中使其自然氧化，再用这些样品进行用自来水或地下水作浸出剂的浸出试验。试验条件及结果见表8。

表8  用自来水或地下水作浸出剂的浸出试验条件及结果

从表8看出：

① 矿石样品经自然氧化后，用地下水浸出时浸出率为35.4%，大于用自来水作浸出剂的浸出率，表明地下水中的碳酸盐具有浸出性能。

② 无论用自来水浸出，还是用地下水浸出，浸出率都较低，说明矿石的自然氧化程度及浸出剂浓度都较低，必须对浸出条件加以强化。

2、加压条件下O₂＋CO₂浸出

由于该矿床地下水中钙镁等离子已处于过饱和状态，通过补加碳酸氢盐提高HCO₃^-浓度的方法，各种离子间的化学平衡将被破坏，生成化学沉淀，降低矿石的渗透性。因此，必须在含矿含水层中建立一种新平衡体系，在这种新的平衡体系中，Ca²⁺、HCO₃^-等离子浓度都较地下水高，但不产生CaCO₃和CaSO₄等沉淀，而且铀浓度及其浸出率也显著提高。为此进行了用O₂＋CO₂＋地下水作浸出剂的加压浸出试验。

试验在高压釜中进行，未经自然氧化的矿样200g，铀品位为0.0283%，溶浸剂为O₂＋CO₂＋地下水，液固体积质量比为10L/kg，浸出时间为24h，试验时先通入C0₂，然后通O₂。试验结果见表9。

表9  CO₂加压浸出试验结果

从表9可以看出，用压入O₂＋CO₂的地下水浸出时可以获得46.3%～53.9%的铀浸出率，且随着CO₂浓度的升高，Ca²⁺、HCO₃^-和SO₄^2-有不同程度的升高，pH值不断降低。

（二）柱浸试验

选择2种浸出剂进行柱浸试验，即除Ca²⁺、Mg²⁺后的地下水和未经处理的地下水，具体试验条件见表10。试验结果见图1、图2。

    表10  自然氧化矿石柱浸试验条件

1－ZR－1柱；2－ZR－2柱

图1  浸出率随液固体积质量比的变化

1－ZR－1柱；2－ZR－2柱

图2  浸出液P（U）随液固体积质量比变化曲线

从图1、图2看出：用地下水直接浸出时，P(U)峰值较高，出现峰值时的液固体积质量比为1.0L/kg左右；2种浸出剂的浸出率均达到约40%，浸出率随液固体积质量比的变化趋势基本一致，但要获得较高的浸出率，需要加入O₂和CO₂进行强化浸出。

（三）室内试验结果评价

尽管该矿床地下水中的钙镁离子浓度高，矿石中碳酸盐含量高，但在室内柱浸试验中，矿石经自然氧化后，利用矿层的地下水进行浸出仍取得了较好的结果，当液固体积质量比为4L/kg时，矿石的浸出率达到了40%以上，与用除钙后地下水的浸出相比无明显差别，表明该矿床有可能采用天然成因试剂进行地浸开采。

六、结论

新疆某铀矿末的矿石渗透性差，矿层有钙质胶结夹层或透晶体，矿石中碳酸盐含量高，含矿含水层地下水为高矿化度水，采用常规酸法和碱法地浸采铀工艺难以在大规模工业生产中应用。但采用天然成因试剂地浸采铀新工艺，可以将该矿床的不利因素转化为有利因素，同时，矿层的埋藏深度、隔水顶底的连续性、含矿含水层原始水位埋深等矿床地质水文地质条件基本满足天然成因试剂地浸采铀工艺的要求。

该矿床铀矿石经过自然氧化后，用天然试剂－含矿含水层的地下水进行室内浸出获得了约40%的浸出率，为进一步进行现场试验奠定了基础。天然成因试剂浸出工艺是一种需要不断强化的地浸工艺。用压缩空气氧化矿石，或压入O₂＋CO₂是一种常用的强化浸出方式，在室内试验取得了近60%的浸出率。