某砂岩铀矿酸法地浸溶质运移与酸化进程分析.pdf

5 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 5 年第6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 r ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 6 ．0 1 3 某砂岩铀矿酸法地浸溶质运移与酸化进程分析 黄群英 新疆中核天山铀业有限公司，新疆伊宁8 3 5 0 0 0 摘要为分析某砂岩铀矿酸法地浸试验初期的酸化进程，对与地浸水岩作用密切相关的S O t 2 - 、H 、 C a ”、M g ”、F e 2 和F e ”等溶质离子运移特征进行了研究。结果表明，下注溶液最快8d 抵达抽液孔， 4 0d 形成由注液控制的稳定渗流场；H 在水岩作用过程中被部分消耗，其运移羽前沿扩散至抽液孔的 时间晚于S O 。2 一离子1 3d ，由H 溶蚀出来的C a ”、M 9 2 则与S O 。2 _ 同步运移；6 6d 地浸流场实现H 的补给与消耗平衡并形成稳定的浸铀化学场，但需进一步增加注液酸度以达到酸化要求。F e ”、F e ”的 运移受H 的控制和氧化还原作用的影响，运移与H 基本同步。持续增高的S O t ”导致大部分时间内 硫酸钙处于过饱和状态，引起浸出液C a 2 浓度和抽液流量的下降。 关键词砂岩型铀矿；酸法地浸；溶质运移；矿层酸化 中图分类号T L 2 1 2 ．1 2文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 0 6 0 0 5 0 0 5 A n a l y s i so fS o l u t eT r a n s p o r t a t i O na n dA c i d i f i c a t i o nP r o c e s sd u r i n g I n s i t uA c i dL e a c h i n go fS a n d s t o n eU r a n i u mO r e H U A N G Q u n y i n g X i n j i a n gT i a n s h a nU r a n i u mC o ．，L t d ．C N N C ，Y i n i n g8 3 5 0 0 0 ，X i n j i a n g ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt oi n v e s t i g a t ea c i d i f i c a t i o np r o c e s sd u r i n ga c i dl e a c h i n gt e s to fs a n d s t o n eu r a n i u mo r e ， t h et r a n s p o r t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o l u t ei o n s ，s u c ha sS 0 4 2 ，H ，C a 2 ，M 9 2 ，F e 2 a n dF e 3 ，w h i c h a r ec l o s e l yr e l a t e dw i t hw a t e r r o c ki n t e r a c t i o no fi n s i t uu r a n i u ml e a c h i n g ，w e r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t s s h o wi nc a s eo fS O d2 _ ，i tt a k e s8d a y sf o rt h ee a r l i e s tl e a c h i n gs o l u t i o nt or e a c he x t r a c t i o nw e l l ，a n d4 0 d a y st of o r mas t a b l ef l o wf i e l db yl e a c h i n gs o l u t i o n ．C a 2 a n dM 9 2 十m o v es y n c h r o n o u s l yw i t hS 0 4 卜． R e t a r d e db yw a t e r r o c ki n t e r a c t i o n ．t h ef o r e f r o n to fH p l u m er e a c h e se x t r a c t i o nw e l l1 3d a y s1 a t e rt h a n S 0 4 卜，a n di tt a k e s6 6d a y st os t a b l i s hb a l a n c eb e t w e e ns u p p l ya n dc o n s u m p t i o no fH ，i no t h e rw o r d s ， f o r m a t i o no fs t a b l eg e o c h e m i c a lf i e l df o ru r a n i u ml e a c h i n g ．B u taf u r t h e ri n c r e a s eo fa c i d i t yi ss t i l l n e c e s s a r yt o m e e ta c i d i f i c a t i o n r e q u i r e m e n t sw h e nt h e s t a b l e g e o c h e m i c a l f i e l di s ju s t b u i l t ．T h e t r a n s p o r t a t i o np r o c e s so fF e 2 a n dF e 3 a r ec o n t r o l l e db yH a n d a f f e c t e db yo x i d a t i o n r e d u c t i o nr e a c t i o n r e s u l t i n gi ns y n c h r o n o u st r a n s p o r t a t i o no fF e 2 a n dF e 3 w i t hH ．G y p s u mr e m a i n ss a t u r a t e dm o s to ft h e t i m ed u r i n gl e a c h i n gp r o c e s sd u et oh i g hc o n c e n t r a t i o no fS 0 4 2 a n dC a 2 ，a n dc h e m i c a lb l o c k a g ec a u s e db y g y p s u mp r e c i p i t a t i o ni sa l s oc o n f o r m e db yd r o po fC a 2 c o n c e n t r a t i o na n de x t r a c t i o nf l u x ． K e yw o r d s s a n d s t o n eu r a n i u mo r e ；i n s i t ua c i dl e a c h i n g ；s o l u t et r a n s p o r t a t i o n ；a c i d i f i c a t i o no fo r eb o d y 砂岩型铀矿地浸开采是集采、选、冶于一体的采 收稿日期2 0 1 5 0 1 0 4 基金项目国家自然科学基金资助项目 4 0 8 7 2 1 6 5 作者简介黄群英 1 9 7 3 一 ，女，广西三江人，高级工程师 矿工艺Ⅲ，地浸过程中包含了复杂的水文地球化学 万方数据 2 0 1 5 年第6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y ．b g r i m m ．c n 5 1 和水动力作用，它们控制着溶质迁移的状态、速度和 强度，而溶质组分迁移和浓度变化则揭示地浸的水 动力和水文地球化学过程和状态[ 2 _ ] 。新疆某砂岩 铀矿钙质胶结夹层较多和地下水矿化度较高[ 5 ‘6 ] ，采 用酸法地浸工艺酸化速度慢且易发生化学堵 塞[ 7 。10 ‘，因此对酸浸过程中溶质组分的变化和运移 特征进行分析，对于了解和掌握地浸溶液的运移规 律、矿层酸化进程以及发生的水岩作用都具有很重 要的意义。 1 研究块段及酸化概况 研究区块位于新疆某砂岩铀矿酸法地浸试验区 内，抽注钻孔布置采用“五点式”井型。本文以其中 一个抽注单元为例，如图1 所示，抽液孔C K 一1 位于 单元中心，其余为注液孔，位于四角，抽注孔距2 0m 左右。 图l研究块段地浸钻孔分布图 F i g ．1 W e l ld i s t r i b u t i o no ff i e l dl e a c h i n gt e s tu n i t 研究块段含矿含水层以埋深2 9 0 ～3 0 0m 的煤 层和泥岩为稳定顶板，以埋深3 4 0 ～3 4 5m 的较薄 钙质胶结层及粉砂岩、泥岩为底板，矿体发育在含矿 含水层底部。含矿含水层结构复杂，不连续的钙质 层及粉砂岩、泥岩透镜体发育，位于矿层中上部发育 一层在本块段内基本连续的钙质胶结层，厚度0 ．5 ～1 ．0m ，将矿体分隔为上下两层，各试验孔过滤器 位于下层，地浸溶液主要在下层运移。抽液流量从 2 0 0m 3 ／d 渐降至5 4m 3 ／d ，单孔注液流量为3 0 ～6 0 m 3 ／d ，注液酸度从1g ／L 持续增加至1 8g ／L 左右， 具体如图2 所示。 2 溶质离子运移特征分析 硫酸溶液进入含矿层后与岩石矿物反应，部分 H 被消耗，S 0 。卜及从岩石矿物以离子形式进入溶 液的C a 、M g 、F e 等随溶液向抽液孔运移。以下分 别对这些溶质离子的运移特征进行分析和讨论。 图2 酸化抽注液流量及酸度变化曲线 F i g ．2 C u r v e so ff l u xa n da c i d i t yo f l e a c h i n gs o l u t i o n 2 ．1 S 0 42 一的运移 C K 一1 孔浸出液S O 。2 一浓度变化如图3 所示。 图3 注液与浸出液S O ．2 一浓度变化 F i g ．3 T i m ep r o f i l eo fS 0 42 一c o n c e n t r a t i o n o fl e a c h i n ga n dp r e g n a n ts o l u t i o n 随着注液S O 。2 一浓度大致呈线性 线性趋势线 ￡。 增加，浸出液S O 。卜浓度以第4 0 天为界呈前后 两个阶段线性上升，线性趋势线如图3 的l 和z 。。 前一阶段，注液驱替原赋存于含矿含水层孔隙的地 下水并混合向抽液孔运移，S O 。卜在地浸流场内形 成以注液孔为中心的弥散羽，酸化开始后的第8 天 见图3 中局部放大图 浸出液S O 。卜浓度开始上 升，表明此时S O 。2 一弥散羽的前沿抵达抽液孔。这 一阶段地浸流场主要处于注液对原地下水的驱替和 置换过程，混合稀释作用较强，抽液孔S O 。2 一浓度上 升速度较慢，其线性趋势线z 。斜率小于注液z 。。第 二阶段，抽注孔之间的地下水大部分被驱替完毕，地 浸流场水化学成分主要受注液控制，浸出液S O ；2 _ 浓度与注液基本保持同幅度上升 z 。与z 。斜率基本 相当 ，表明酸法地浸流场基本进入稳定阶段。但由 于H 在运移过程中被持续消耗，酸化进程滞后于 万方数据 5 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第6 期 地浸水动力流场的稳定，稳定的水化学酸法浸铀场 尚未形成。 2 ．2H 十的运移 与一起进入含矿含水层的S 0 。2 - 离子不同，H 在运移过程中与碳酸盐及黏土等矿物反应而被消 耗，因而H 在地浸流场中的运移特征与S O 。2 一也 有所差异，浸出液p H 的变化曲线如图4 所示。 2 1舢l“1出l 1 1 2 I 舢1l “ 时徊j ／d 图4浸出液p H 的变化曲线 F i g ．4 C u r v eo fp Hv a l u eo fp r e g n a n ts o l u t i o n 由图4 可见，浸出液p H 在试验前期2 0 天处于 地下水背景状态没有明显变化，第2 1 天开始以接近 0 ．1 ／d 的较快速度从6 ．5 5 持续下降至第6 7 天的 2 ．6 1 ，此后保持与注液p H 平行缓速下降。与 S O 。2 一前锋在第8 天即抵达抽孔速度相比，H 的前 锋抵达时间滞后了1 3 天，这期间注入的H 在与岩 石矿物反应过程中被消耗殆尽。试验进行至第6 7 天后，水岩作用对H 的消耗与注液对H 的持续补 充渐趋平衡，地浸化学场的酸度基本受注液酸度控 制，这标志着在既定工艺条件下的酸化进程的结束， 若此时浸出液p H 仍未达到工艺要求，则需进一步 提高注液酸度。 C a 2 、M 9 2 、F e 2 、F e 3 在H 与岩石矿物反应 过程中溶解并随溶浸液运移，在抽液孔浸出液化学 成分的变化中得以体现，其变化特征有助于进一步 了解地浸溶液在含矿含水层中的运移过程。 2 ．3C a 2 、M g 的运移 图5 为浸出液C a 2 十、M 9 2 浓度变化曲线。 2 04 0“l8 01 0 01 2 1 4 0lc j I 时间，d 图5浸出液c a 2 a 和M g b 浓度变化曲线 F i g ．5 T i m ep r o f i l eo fc o n c e n t r a t i o no fC a 2 【a a n dM g 【b o fp r e g n a n ts o l u t i o n C a 2 、M 9 2 浓度分别自加酸后的第9 天和第8 天开始上升，这与S 0 。2 一的上升起始时间吻合，之所 以存在这种一致性，是由于H 十与S 0 42 一同步进入 含矿含水层，C a 2 、M 9 2 作为H 与岩石矿物的反 应产物进入溶液与S 0 。2 一同步运移。图5 a 所示 C a 2 浓度上升至峰值8 5 0m g ／L 后从约第5 0 天开 始下降，有两方面的原因，一是注液C a 2 浓度有所 降低，二是在S 0 4 C I N a 型地下水中C a 2 浓度 受硫酸钙溶度积控制[ 1 卜”] ，试验过程中由于S O 。2 一 浓度的持续上升，溶液中C a 2 和S O 。卜活度积上 升，根据地球化学模式计算 如图6 ，试验第1 1 天 后，C a 2 和S 0 。2 一活度积超过硫酸钙的溶度积，石膏 饱和发生沉淀导致浸出液C a 2 含量下降。因此， C a 2 的运移在一定程度上受S O 。2 一浓度的影响。 图6 浸出液石膏饱和指数变化曲线 F i g ．6G y p s u ms a t u r a t i o ni n d e xc u r v eo f p r e g n a n ts o l u t i o n 万方数据 2 0 1 5 年第6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 5 3 2 ．4F e s 和F e 2 的运移 与C a 2 、M 9 2 一样，F e 2 、F e 3 也是在H 与岩 石矿物作用下进入溶液的，所不同的是F e 2 、F e 3 在水中的溶解度因p H 而异，尤其是F e 3 易水解沉 S ● 誉 趟 矮 芑 淀，其运移受H 的运移控制，在酸化过程中呈溶解 一沉淀一再溶解的形式滚动运移。浸出液F e 2 和 F e 3 的浓度变化情况如图7 所示。 图7 浸出液F e ” a 和F e 2 b 浓度变化曲线 F i g ．7T i m ep r o f i l eo fc o n c e n t r a t i o no fF e 3 a a n dF e 2 b o fp r e g n a n ts o l u t i o n 从图7 可见，浸出液中F e 3 从酸法试验的第2 3 天开始低浓度出现，与前述H 前锋抵达抽液孔的 时间 第2 1 天 接近，但直至第5 5 天p H 降至4 以 下后才开始明显加速上升，可见F e 3 的溶解运移与 酸化过程中H 的运移密切相关。而除此之外， F e 3 在运移过程中还受到地下还原物质 包括低价 态铀矿物 的影响，部分被还原成F e 2 而较易迁移。 F e 2 从试验第2 2 天开始在抽液孔浸出液中出 现，也与H 前锋抵达抽液孔的时间吻合，但与F e 3 直至p H 降至4 以下才开始快速上升有所不同， F e 2 从出现后即呈快速上升的趋势，这与F e 2 水解 弱于F e 3 有关。F e 2 一部分直接来自酸溶液对含 铁矿物的溶蚀，另一部分来自上述F e 3 的还原。 3结论 1 S O t2 一作为酸法地浸期间化学性质相对稳定 的溶质组分，其运移和浓度变化特征可以反映出酸 法地浸初期溶液渗流场的逐步形成和稳定的过程。 浸出液S 0 。2 - 浓度变化实现与注液S O 。2 一浓度同幅 变化时，地浸渗流场开始由注入的浸铀溶液控制，稳 定的酸法地浸流场形成，本试验用时4 0 天实现这一 过程。 2 与耗酸物质的反应使得H 的运移羽的前沿 滞后于S 0 。2 一抵达抽液孔，但由H 置换出来的 C a 抖、M 9 2 与S O 。2 一的同步运移。当浸出液H 浓 度变化与注液保持一致步调时，地浸流场内H 的 消耗和补给趋于平衡，预示稳定的酸性环境的形成。 若此时浸出液p H 未能达到酸化要求，则需考虑提 高酸化强度。本试验用时6 6 天实现H 的补给和 消耗平衡，但未达到酸化要求。 3 浸出液C a 2 浓度的变化可以作为判断地浸 过程中是否存在石膏饱和沉淀的表观依据，当排除 注液因素时，浸出液C a 2 浓度的下降预示发生了硫 酸钙沉淀，与之相应的是抽液流量持续下降。本试 验的大部分时间内因S 0 。2 一浓度持续增高，硫酸钙 沉淀在持续发生。 4 F e 2 、F e 3 的运移则受H 的显著影响，运移 滞后于C a 2 、M 9 2 ，与H 的运移保持同步。F e 3 因水解和还原作用，在地浸酸化过程中呈溶解一沉 淀一再溶解的形式滚动运移，并被部分还原为 F e z 。 参考文献 i 1 ] BH 别列茨基，J IK 博加特科夫，HH 沃尔科夫，等．地 浸采铀手册I - M ] ．朱志泉，罗筱芳，王西文，等译．湖南 衡阳核工业第六研究所，2 0 0 0 1 6 ． 1 - 2 3 史维浚，高柏，王国华．砂岩型铀矿地浸过程中的溶质 迁移机理[ J ] ．东华理工学院学报。2 0 0 4 ，2 7 1 2 4 3 2 ． [ 3 ] 彭丁茂，张红军，王树德．原地浸出采铀的水岩作用研 究[ J ] ．华东地质学院学报，2 0 0 1 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