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地浸采铀铀浓度影响研究与工艺改进
----问题和建议
王海峰
(核工业北京化工冶金研究院,北京101149)

摘要:对浸出液铀浓度的影响因素研究不够,导致在浸出过程中地下水垂向稀释程度、钻孔抽液量对浸出液铀浓度的影响、过氧化氢用量对铀浓度的影响等问题上解释不清,同时,对钻孔逆向注浆工艺的开发和应用、沉砂管设置的必要性及长短等问题亦存在争议,经过对试验结果的分析得出,地下水对浸出液的垂向稀释限制在一定范围内;钻孔抽液量仅在变化梯度极大时才能体现其对铀浓度的影响;过氧化氢过量使用既浪费又无法提高铀浓度和浸出率;逆向注浆工艺和沉砂管的设置仍需研究和试验。
关键词:地浸采铀;铀浓度;工艺;改进
在地浸采铀基础研究方面,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,在中国地浸采铀界影响较深。
回顾中国几十年的地浸采铀技术的开发和应用历程,在地浸采铀基础研究方面,特别是铀浓度影响因素,不同井型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上十分欠缺,无确切结论。地浸采铀基础研究看似与试验和生产不发生直接关系,但中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,导致无法科学地制定进一步的研究方案。
对国外的先进工艺我们不能盲目照搬,但也不能置之不理。中国地浸采铀矿山生产工艺多样化的发展,为无配液池和集液池流程的应用创造了契机,具备了开发和试验的条件。
1地下水在垂向上对铀浓度的稀释
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,一概归罪于矿层厚度与含矿含水层厚度比值太小,地下水稀释严重。可是,对地下水稀释对铀浓度的影响量、稀释量随浸出时间的变化关系以及如何反算无垂向稀释时的铀浓度等问题缺乏研究,况且,溶液垂向稀释量并非呈无限扩大。
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,压力梯度增幅增大,流体流速增大,渗流阻力增大,压力梯度和速度可经过公式计算[1]。根据研究,单列式布置5点型采区第1年稀释量71%,第2年稀释量25%,第3年稀释量16%;正方形布置5点型采区第1年稀释量53%,第2年稀释量17%,第3年稀释量10%[2]。
虽然一般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,但在矿层水平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,浸出过程中地下水在垂向上稀释浸出液,铀浓度降低。此时,两维径向流的公式已不再适用。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、注液压力等因素有关。特别是注液压力,在渗透性差的矿床,为增大钻孔抽注液量,一味提高注液压力将增大溶液垂向稀释范围,这一点往往被忽视。与水平稀释不同,垂向稀释覆盖整个采区,而水平稀释仅限于边界单元,采区的稀释量直接与中心单元与边界单元的数量比值有关。遗憾的是当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,掩盖了其它因素的影响。
矿层和含矿砂体的垂向渗透系数是研究浸出过程溶液垂向稀释的重要参数,可经过实验室试验测定,前提是必须建立实验室试验结果与现场结果的对应关系。另外,矿层水平渗透性和含矿砂体水平渗透性的大小以及她们之间的比值,因中国地浸采铀现场试验从未做过含水层的分层抽水试验,尚待研究。
2钻孔抽液量与铀浓度的关系
2.1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,试验中经过流速控制流量,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)3.121.540.95浸出率/%95.4488.0596.87总液固比2.442.442.5浸出周期/d17.2526.730.25峰值浓度/(mg.L-1)364033003780平均浓度/(mg.L-1)783722775表1流量与浸出液铀浓度关系试验参数
从图1和图2的图形形态看出,两个试验的结果完全一样,渗透流量由大到小的变化时,引起铀浓度曲线在时间横坐标上向右平移,但峰值铀浓度和平均铀浓度相等,峰值浓度出现的时间滞后,浸出周期随流量增大而缩小。试验证实,渗透速