地浸采铀基础研究与井场设计

1.3钻孔抽液量与浸出液铀浓度的关系
1.3.1实验室试验结果
为探索流量对铀浓度的影响，前苏联曾开展了酸法柱浸试验，3个柱，柱长4m，试验中通过流速控制流量，结果见图1[3]。核工业第六研究所在上世纪90年代开展了类似的试验，见表1和图2。
参数
1号柱
2号柱
3号柱
平均流量/（mL.min-1）
3.12
1.54
关键词：地浸采铀；基础研究；井场；设计
1地浸基础研究和试验
1.1概述
在地浸基础研究方面，前苏联国家曾做过大量系统性的工作，诸如浸出率与浸出剂浓度的关系、浸出剂运移与浸矿过程、浸出过程中气堵、机械堵塞和化学堵塞的形成及发展过程等，并出版过大量书籍，诸如《溶浸采矿法的地质工艺研究》、《无井采矿法》、《地浸采铀手册》等。
第4组
第5组
双氧水浓度/（g.L-1）
0
0.2
0.5
1.0
1.5
NH4HCO3浓度/(g.L-1)
1.5
1.5
1.5
ห้องสมุดไป่ตู้1.5
1.5
起始/pH
7.77
7.80
7.79
7.80
7.78
起始电位/mV
134
191
194
198
199
U/(mg.L-1)
32.6
66.4
69.5
60.9
57.9
电位/mV
83
76
地浸采铀井场内液体的流动是将断面流动转变为线流动，呈典型的平面径向流动。越靠近抽出井井体渗流面积越小，等压线密集，表明压力梯度增幅增大，流体流速增大，渗流阻力增大，压力梯度和速度可通过公式计算[1]。根据前苏联研究，5点型井型浸出开始地下水稀释量100%，两年后仅有5%[2]。
虽然通常情况下地下液流沿矿层从注入井向抽出井运移以渗流为主，但在矿层渗透性差时液流垂向上的水动力弥散作用凸显。在这种情况下,浸出过程中地下水对浸出液产生垂向稀释作用，铀浓度降低。此时，两维的径向流公式已不再适用。对于理想流体，垂向弥散量与矿层水平和垂向渗透系数、含矿砂体渗透系数，液流速度、钻孔间距、浸出时间等因素有关，遗憾的是目前尚未建立考虑垂向弥散的三维地下液流模型，以至于对浸出过程中地下水对铀浓度的稀释在量上说不清楚的情况下一味强调，掩盖了其他因素的影响。
72
72
71
浸出率/%
22.7
46.2
48.3
42.3
40.3
在矿床2的地浸采铀现场试验中，也对过氧化氢氧化剂的作用进行了多种试验(表3)。试验采用硫酸浸出，从表3看出，无论是铀浓度还是浸出率都与H2O2浓度不成线性关系上升，而是超过一定值时（0.6g/L），反而下降，与矿床1的结果相似。上述两个矿床得出的结论能否认同过氧化氢浓度过高对铀浓度存在负作用，原因是因________________________________________________________________________________________________过氧化氢本身是一种铀的沉淀剂，在pH值一定范围内，浓度过高会将溶解的铀重新沉淀。那么，过氧化氢这种对铀浓度的影响特性和上述试验结果能否肯定。另外，也应注意到，在矿床1和矿床2试验中氧化还原电位与H2O2浓度并未呈直线相关，原因何在？。
图1流速与浸出液铀浓度的关系图2流量与浸出液铀浓度的关系
1.3.2现场试验结果
为进一步探讨流量与铀浓度的关系，曾在某矿床CO2+O2+NH4HCO3浸出现场扩大试验期间将总抽液量30m3/h调低为15m3/h，维持10天，浸出液铀浓度变化情况如图3（图中第30天到第40天）[4]。从图中看出，流量的改变对铀浓度无影响。另外，在另一矿床现场条件试验中也开展了同样的试验，抽液量从8m3/h调低到4m3/h，持续一个月(2013年7月9日-8月 9 日，同样未发现铀浓度的明显变化。
如此之低资源利用率，长期以往会给外界对地浸采铀方法带来错觉或偏见，质疑地浸采铀方法投资少、成本低、环境保护和操作条件优越、能利用低品位资源的优势，或因资源利用率低而堵死地浸采铀技术的持续发展之路。因此，为解决目前资源利用系数方法造成回收率低的问题，寻找其他科学的途径或规范目前的利用系数办法，建议：
（1）尽快修订《地浸砂岩型铀矿资源/储量估算指南》，尤其是工业指标，如边界平米铀量、最大夹层厚度等；
图7配液池硫酸和双氧水加入图8采区集中控制室管道加酸
但是，我国目前新建设的不但是酸法地浸矿山，就是CO2+O2浸出矿山仍然设计配液池和集液池，对于这种工艺其用途耐人揣摩。再则，尽管CO2+O2浸出现场条件试验和扩大试验都未采用配液池和集液池，试验期间也从未因无配液池和集液池发生任何问题，但是，仍在工业生产设计中建设配液池和集液池，目的实在令人费解。配液池和集液池的存在不但增大矿山建设投资，占用土地，更是环境保护的安全隐患，尤其在风沙较大的地区，还要构筑池盖，增大建设费用。
6号矿
0.8
0.25
从表4看出，各矿对各级别资源所采取的利用系数各异，项目建议书或可行性研究报告中都对各自的系数取值阐述了缘由，有理有据，看似无懈可击。但是，不可否认，这种无规范的系数取值方法更大程度上取决与设计者。实践证明，目前这种资源利用系数的取值方法带来日趋凸显的问题是资源利用率低。依据表4中的不同级别的资源利用系数，即地质资源×利用系数（得出设计可利用资源）×矿山回收率×水冶回收率=最终资源利用率，2号矿设计最终资源利用率仅为27%，同样情况也发生在5号矿和6号矿。
1.2地下水垂向对浸出液的稀释
某矿床含矿含水层厚度120m,局部50m，矿层厚度3m，平米铀量6.5kg/m2，试验峰值浓度仅达35mg/l。在分析浸出液铀浓度低的原因时，一概归罪于矿砂比值小，地下水稀释严重。但是，地下水稀释对铀浓度的影响量多大？稀释量随浸出时间的变化关系如何？溶液垂向稀释量呈无限扩大吗？而且，如果忽略垂向稀释铀浓度又能达到多高呢？
2地浸矿山设计资源利用系数
资源利用系数涉及矿山规模和资源回收率，是地浸矿山建设设计中首要面临的问题。虽然我国从事地浸采铀研究和应用已有40多年的历史，但在地浸采铀矿山设计时尚无章可循，资源利用系数的取值更是因人而异，表4是近些年我国地浸新建矿山设定的不同类别资源利用系数。
表4不同矿山不同级别设计资源利用系数
回顾我国几十年的地浸采铀研究与应用历程，在地浸采铀基础方面的研究上十分欠缺，对不同井型时溶浸范围及随浸出时间的变化，岩矿矿物成分和化学成分与浸出剂类型的关系，化学试剂与铀矿物和非铀矿物反应及反应生成物的机理等等问题给不出确切结论，仅依靠推断。
地浸采铀基础研究看似与试验和生产不发生直接关系，但我国多个现场试验实例证实，正是因缺乏基础研究的支持，面对试验结果给不出正确的解释，导致无法科学地确定进一步的研究方案。与地浸基础研究相比，我们更重视工程性试验和生产。
美国铀能源公司在Palangana地浸铀矿山溶浸范围控制时，使用pathCAD地下水模拟软件，在一个采场开拓前进行钻孔布置模拟寻找最佳方案，对生产采场模拟溶浸范围，提出改善方案，主要描述抽出液、注入液和监测井内溶液运移和扩散特征。
模拟根据需要设定时间间隔，通过一个阶段溶液运移的动态特征来模拟含矿含水层内溶液的动态变化过程，判断钻孔布置、钻孔抽注液量的分配是否合理，注液扩散和抽液覆盖模拟图见图5和图6（图中模拟时间1年，每两天1取一个点）。
图3抽液量与铀浓度关系图4抽液量与铀浓度关系
1.3.3流量变化梯度
无论实验室试验还是现场试验，都未得出铀浓度随流量增大而降低的变化关系特性。但是，依据地浸矿山超前酸化后生产初期的高铀浓度和池浸铀浓度都直接受浸出时间影响的事实，当流量增大浸出时间缩短的情况下，铀浓度势必降低。综合分析试验结果和超前酸化、池浸现象认定，流量变化梯度小于某值时，铀浓度不受流量大小影响，或影响不明显。另外，两个矿床的现场试验有一共同缺欠，即流量调整后运行时间过短，仅是浸出时间周期的1/7-1/14，很难说明问题，不足以得出结论。那么，流量与铀浓度到底关系如何？受影响取决于那些因素和条件？特别是某矿床地浸采铀现场条件试验中，钻孔单孔抽液量9m3/h以上，致使多人质疑增大钻孔抽液量会导致铀浓度降低的问题。综上所述，目前尚无法给出流量对铀浓度影响的确切结论究。
表3氧化剂浓度试验结果
H2O2/(g.L-1)
Eh/mV
ρ(U)/（mg·L-1）
浸出率/%
0
376
23
63.89
0.4
375
19
52.78
0.6
359
30
83.33
0.8
376
22
61.11
1.0
370
22
61.11
1.2
370
25
69.44
1.5地浸采铀地下水模拟
矿床地浸开采现场试验和生产期间，因矿体局部地质和水文地质条件的差异，更兼施工的影响，各钻孔抽注液量不同，导致平面上溶浸范围变化，且随浸出时间而不断改变。目前，我国因不具备地浸采铀专用软件，无法根据矿体原始数据和钻孔生产运行数据，模拟不同时期溶浸范围，完成钻孔抽注液量的调整，保证生产处于最佳运行状态。
3集配液和浸出液处理系统
3.1配液池和集液池
我国无论酸法还是碱法矿山都设计配液池和集液池，与国外地浸矿山形成反差。美国地浸矿山均无配液池和集液池。
早期我国酸法地浸矿山在配液池中加入硫酸和双氧水（图7），配液池必须具备，但近些年随管道加酸（图8）技术的应用，采区已不建设配液池。对于CO2+O2浸出，配液池中既不加入CO2也不加入O2，更是无任何配液作用，与名不符。对于集液池，无论酸法还是碱法浸出，都只起到缓冲作用。
矿山名称
122b系数
331系数
332系数
333系数
1号矿
1
0.8
0
2号矿一期
0.7、0.6、0.5