我國地浸采鈾工藝技術發展現狀與展望

蘇學斌，杜志明

(1.核工業北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中核通遼鈾業有限責任公司,通遼 028000)

地浸采鈾是一種在天然埋藏條件下，通過溶浸劑與礦物的化學反應選擇性地溶解礦石中的鈾，而不使礦石產生位移的集采、冶于一體的鈾礦開采方法。“八五”規劃以來，我國針對砂巖型鈾資源地浸技術進行了一系列的科研攻關，在許多關鍵技術上取得了突破，工業生產實現了零的突破。地浸采鈾技術的成功不僅有效地降低了我國天然鈾生產的投資和成本，提高了生產效率，而且擴大了我國鈾礦資源的開發利用范圍，拓展了我國可供開發的鈾資源量。但是，隨著核電對天然鈾需求持續增長，鈾礦開采難度加大和成本的上升，以及鈾資源的分布特點，我國對地浸采鈾的工藝技術、生產規模、勞動生產率等提出了越來越高的要求。“十二五”期間，我國將建成相山基地、新疆基地和內蒙古基地等3個鈾礦大基地，其中新疆基地和內蒙古基地均采用地浸開采工藝，從目前掌握的情況來看，地浸基地建設條件還不完全具備，一些關鍵技術和流程還需要突破。因此，只有依靠地浸采鈾技術、設備、材料的不斷進步，才能逐步拓展我國可供開發的鈾資源量，提高我國砂巖型鈾礦資源利用率，實現基地建設，提高地浸采鈾生產能力，改善我國天然鈾生產結構。

1 我國砂巖型鈾資源及地浸采鈾生產現狀

1.1 我國砂巖型鈾資源分布特點

目前，我國已經探明提交的鈾礦床主要有火山巖型鈾礦床、砂巖型鈾礦床、花崗巖型鈾礦床和碳硅泥巖型鈾礦床。我國砂巖型鈾礦資源量約占我國已探明鈾礦資源總量的35%，見圖1。

圖1 我國各類已探明鈾資源比例

我國的砂巖型鈾礦資源的找礦勘探得到了迅速發展，取得了可喜的成果。根據地質部門的工作成果，我國可地浸砂巖鈾礦資源主要分布在北方地區,主要有內蒙古的二連盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地、海拉爾盆地，新疆的伊犁盆地、吐哈盆地；南方地區分布較少，主要分布在云南的龍川江盆地等。其中伊犁盆地、鄂爾多斯盆地和松遼盆地是我國目前可地浸砂巖鈾礦找礦勘探的重點區域，伊犁盆地鈾礦床主要采用酸法地浸，松遼盆地已成功進行了CO2+O2地浸采鈾試驗并已順利投入工業生產，鄂爾多斯盆和吐哈盆地地也開展了地浸采鈾的相關試驗工作。

與國外砂巖型鈾資源比，我國已探明的數萬噸砂巖型鈾資源普遍特點主要有：

1)碳酸鹽含量高。吐哈盆地、二連盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地等四大盆地砂巖型鈾資源鈾礦石碳酸鹽含量均大于2%(以CO2計)。由于碳酸鹽含量高，酸法浸出過程中礦層化學堵塞嚴重，使地浸工藝無法進行；或者單位金屬酸耗高，生產成本高，企業無法承受，從而導致部分鈾資源暫時不能得到合理利用。

2)礦石滲透性低。我國砂巖型鈾礦床滲透性普遍偏低，礦石滲透性小于0.5m/d，低滲透資源占砂巖型資源70%以上。由于礦石滲透性低，導致鉆孔抽注液能力小，生產能力低，抽注不平衡，浸出周期長。

3)礦石品位低。低品位砂巖型鈾資源主要有松遼盆地錢家店鈾礦床、二連盆地巴彥烏爾鈾礦床，平均品位約0.02%，由于礦石品位低，平米鈾量小，導致浸出液鈾濃度低，只能采用低濃度大流量工藝才能保證一定的生產規模。

4)部分鈾礦床含礦含水層地下水礦化度高(吐哈盆地十紅灘鈾礦床)，部分鈾礦床含礦含水層厚度超過100m(鄂爾多斯盆地納林溝鈾礦床)，部分鈾礦床埋深超過500m(伊犁盆地蒙其古爾鈾礦床)，部分地下水位埋藏深(伊犁盆地扎吉斯坦鈾礦床局部礦段)，這些不利條件均不同程度制約地浸采鈾發展。

5)約5%砂巖型鈾資源分布于人口稠密、經濟較發達的地區，如云南龍川江盆地鈾資源，由于酸法地浸硫酸溶液對鈾的選擇性差，地下水污染治理難度相對較大，采用酸法地浸技術受到很大局限。

總的來說，我國已探明的砂巖鈾礦資源各礦床地質與水文地質條件各異，同一礦床不同塊段地質與水文條件也存在很大不同，盡管我國砂巖型鈾資源數量可觀，但可經濟開采的鈾資源量依然貧乏。

1.2 我國地浸采鈾生產現狀

我國地浸采鈾技術自1984年在云南381鈾礦床取得條件試驗成功以來，1991年在該礦床建成了我國第一座小規模地浸采鈾試驗礦山。1993 年在伊犁盆地庫捷爾泰鈾礦床半工業性試驗取得了成功，1996 地浸采鈾工業性試驗投入運行后各項運行指標良好，1998年工業性試驗工程順利通過國家驗收，標志著我國已初步掌握了地浸采鈾技術。

2000年伊犁盆地庫捷爾泰鈾礦床酸法地浸采鈾工業性工程建成并投產，我國擁有第一座酸法地浸礦山。2002年伊犁盆地扎吉斯坦鈾礦床酸法地浸采鈾工程建成并投產。2010年伊犁盆地烏庫爾奇鈾礦床酸法地浸礦山建成并投產，伊犁盆地鈾礦床酸法地浸采鈾技術的成功應用，實現了我國酸法地浸采鈾已從試驗研究向工業生產的跨越。

2000年以來，我國吐哈、松遼和鄂爾多斯等盆地的砂巖型鈾礦床進行了以CO2+O2浸出為主的弱堿性地浸采鈾試驗。2009年在松遼盆地錢家店鈾礦床建成了我國第一座堿法地浸工業生產礦山，取得多項國防技術專利，主要工藝技術指標達到了國際先進水平。

目前，我國已建成并正在運行中的酸法地浸采鈾工程 3個，堿法地浸采鈾工程1個，堿法地浸工業性試驗工程2個，關閉酸法地浸采鈾試驗工程1個，援建巴基斯坦堿法地浸采鈾工程1個。2011年地浸采鈾生產量占天然鈾總產量約30%，圖2為近3年地浸采鈾生產量所占天然鈾總產量比例。

圖2 近3年來地浸采鈾生產量占天然鈾總量比例

經過30多年的研究與生產實踐，地浸采鈾技術已成為我國鈾礦開采的重要技術手段，其主要工藝技術水平和指標已達到或接近國際先進水平，形成了一套以可地浸砂巖型鈾資源評價、溶浸劑配制和使用方法、地浸鉆孔結構設計與施工工藝、鉆孔排列和鉆孔間距的優化確定、溶浸范圍模擬和控制、浸出液處理技術、地浸礦山環境保護等為主體的地浸采鈾技術體系。

2 我國地浸采鈾技術主要成果

2.1 可地浸鈾資源評價技術

通過多年地浸采鈾現場試驗工作，開發出了 “鈾礦地浸開采評價專家系統”(ESILU)、“地浸鈾礦資源經濟評價數學模型和計算機系統軟件” (EEISLU)、 “地浸工藝信息系統” (GTSILU)等系統軟件。運用這些系統軟件對影響地浸采鈾產品成本的各項因素作了敏感性分析，對相關可地浸砂巖型鈾礦床進行了經濟評價和分類，提高了我國地浸礦山現代化管理的水平。

2.2 地浸鉆孔結構設計和施工工藝技術

地浸采鈾鉆孔是溶浸劑注入與浸出液抽出的通道也是揭露礦層的唯一工程。經過多年的研究工作，研制了地浸鉆孔新型過濾器，新型孔口及配套裝置，完善和改進了填礫式鉆孔結構和施工工藝，通過采用大孔徑鉆孔結構，現場應用表明地浸鉆孔的抽注液量提高了10%～20%，鉆孔成井的合格率大于95%。

2.3 地浸合理井網布置與溶液集中控制技術

確定適合于礦床地質特點的井網布置是地浸采鈾的重要內容。目前國內采用的井型主要有五點型、七點型和行列式井型，井距一般為25～40m，以上井型與井距在不同礦床均取得了較好的浸出效果。為了便于井場抽注液流量集中控制、操作簡便和保證生產的正常高效運行，設計了一種集中控制室，實現了浸出液與溶浸液集中控制與計量，實現了自動化控制。

2.4 溶浸液配制與使用技術

我國以H2SO4為體系的酸法地浸溶浸液配制與使用方法、以CO2+O2為體系弱堿性地浸溶浸液配制與使用方法均已取得重大突破，高壓水力溶氧裝置和二氧化碳氣化溶解裝置已取得良好應用效果，與此同時還開展低酸地浸工藝的探索性試驗研究。經過多年生產驗證，表明針對我國砂巖鈾礦資源的特點，可以大范圍地選擇溶浸液配制與使用技術。目前，我國是世界上唯一同時具備酸法與堿法地浸礦山的國家。

2.5 溶浸范圍控制技術

溶浸劑在含礦含水層中運移需要控制在有效的范圍內，避免被大量稀釋或漏失，使得范圍內的含礦成分與溶浸劑有效接觸而無“溶浸死角”，為此目的而應用的技術方法稱作溶浸范圍控制技術。

經過多年的實踐研究，掌握了一系列地浸采鈾溶浸范圍的控制技術方法，開發出了地浸溶浸范圍和污染范圍控制的計算模擬軟件，并在新疆512礦床礦床等地浸工程中推廣應用。通過對地下浸出水動力學環境和地球化學環境的優化，實現了溶浸劑在地下礦層中的合理分配，基本消除了原來的溶浸死角，溶浸劑的覆蓋率可大于90%，提高鈾資源回收率約2%～3%。

2.6 浸出液回收工藝和設備

針對酸法地浸工藝，新研制出了密實移動床、新型大孔樹脂、低濃鈾在線分析儀等，開發和采用流態化沉淀和飽和再吸附等新工藝，應用效果良好。針對CO2+O2為體系弱堿性地浸工藝，研究開發了大直徑高流速固定床、酸化老化沉淀、浸出液自行轉型樹脂、反滲透處理高濃度轉型廢水以及沉淀母液再生淋洗劑技術，適應地浸浸出液濃度低、流量大的特點，多項技術取得了國防發明專利。

2.7 地下水污染的防治技術

在庫捷爾泰鈾礦床浸出結束的采區，主要開展了地下水抽除法、自然凈化法地下水恢復治理工作。在松遼盆地錢家店鈾礦床主要采用反滲透法預防地下水發生污染。從目前取得的效果來看，采用這些方法進行地下水污染防治是可以滿足環保要求的。

2.8 自動化控制系統的研制

根據地浸采鈾的工藝流程，研制應用了配套的自動監控系統，該系統采用了先進的遠程遙控和自動調節功能，具有形象、動態的井場生產工藝流程圖和友好的用戶界面，能夠進行完備的相關數據采集，能夠完成生產歷史數據的記錄和保存，進行報表曲線繪制和打印輸出，實現了對抽注孔和抽注總管的流量、壓力、及其溶液pH值與Eh的自動監測，相關水冶配套設備實時運行狀態監測，集液池、配液池液位顯示與報警，配酸配氣的自動化及對潛水泵自動連鎖保護。通過自控系統的研制和應用，將地浸采鈾工作進一步從復雜、繁瑣的勞動環境中解放出來并大大提高了生產效率。

3 我國地浸采鈾技術與國外技術的比較

3.1 礦山生產規模與效率

與國外的地浸采鈾礦山相比，我國地浸采鈾礦山的生產規模較小。2006年， 哈薩克斯坦的Akdala地浸礦山產鈾1000t，美國的Highland-smitch地浸礦山產鈾786t，Crow Butte地浸礦山產鈾318t，澳大利亞Beverley地浸礦山產鈾699t，均比我國地浸礦山規模大。由于我國鈾礦山生產規模小，限制了我國地浸技術和生產管理技術水平的提升，導致了生產成本高，勞動生產率低。據報道，美國人均勞動生產率已達到10.0tU3O8/人·a以上，但在國內，地浸礦山勞動生產率僅為0.5～2.0t U3O8/人·a。

3.2 鉆孔工藝技術

3.2.1 鉆進效率與鉆孔成本

在30多年的地浸采鈾研究、試驗和生產中，國內地浸鈾礦鉆孔施工效率一直沒有取得突破性進展，一般情況下為50m/d，主要原因鉆機能力所致。美國、哈薩克斯坦、澳大利亞等國家的地浸鉆孔鉆進效率高、鉆孔成本低，在這些國家單臺鉆機進尺可達約100m/d，國外地浸工藝鉆孔成本約60～80美元/m，國內地浸工藝鉆孔成本約70～100美元/m。

3.2.2 鉆孔逆向注漿與鉆孔套管切割

我國目前地浸工藝鉆孔施工封孔采用的注漿方法為正向注漿，即將水泥漿從上向下注入。這種方法不足之處是容易產生混漿段，其封孔質量無法保證。美國地浸鈾礦采用了逆向注漿成孔工藝，該方法是將水泥漿從套管預留孔注入孔壁與鉆孔套管間的環形空間，從下往上排擠掉泥漿，直至上升到地表，該注漿工藝可有效的避免產生混漿段。

美國的地浸礦山在鉆孔施工中，為保證鉆孔質量將鉆孔鉆穿礦層部位至終孔深度，然后全段下入套管，然后在井內注水泥漿，在其固結后用切割刀具將礦層段的套管和水泥一并切掉，將可更換式過濾器下入即可。該工藝將注漿水泥、套管、孔壁緊密黏結可確保溶液不擴散至上下含水層。

3.2.3 鉆孔清洗與過濾器的更換

為解決在生產過程中過濾器常發生堵塞的問題，需要經常清洗鉆孔。地浸礦山單個采區的生產期需3～5a時間，地浸鉆孔清洗平均1次/a。特別是在堿法地浸礦山，碳酸鹽的結垢會影響過濾器工作性能，使得過濾器工作壽命縮短。單獨依靠對鉆孔的清洗解決過濾器堵塞問題影響生產，且產生了大量的廢水。更換過濾器是有效的途徑，既節省時間又減少廢水排放。

3.3 衛星式浸出液處理技術

隨著地浸采區擴大，地浸井場管線不斷延伸，動力消耗與損失逐漸增大，輸液管線管徑和強度也逐漸提高，美國地浸礦山為了解決該問題，采用了分散吸附集中淋洗的地浸工藝。即地浸浸出液在分散的小型衛星廠進行吸附，當離子交換樹脂飽和后，運至中心處理廠處理，在中心處理廠處理好的貧樹脂返回分散的衛星吸附塔。

采用衛星式浸出液處理技術，除了解決單個礦床地浸井場延伸帶來的問題外，還可以避免在相鄰每一個礦床都建設浸出液處理廠，減少投資，提高工作效率，這也是國外地浸礦山勞動效率高的原因之一。

目前，我國已建成4座地浸礦山仍采用集中吸附集中淋洗浸出液處理方式，對于現有生產規模而言，產生的問題尚不十分突出，但隨著大基地建設，單座礦山產能的增大，衛星式浸出液處理工藝技術有必要進行研究。

3.4 地浸專用設備

盡管我國地浸采鈾已具備10多年生產經驗，但在地浸設備和材料方面，缺少統籌考慮，每個礦山采用的設備和材料型號差異性較大，缺少統一的標準，研制出的相關專用設備不具備大規模生產的條件。一些國外地浸采鈾國家研制開發出了地浸鈾礦山配套的專用設備和裝置，如潛水泵專用提升與下放設備、樹脂轉移專用運輸車、射孔設備、套管井下切割設備、各類井型專用管材等，基本實現了地浸生產的現代化，提高了勞動生產效率。

我國也開始進行該方面的研究工作，在松遼盆地某鈾礦床研制了標準的集中控制室，對井場抽液管和注液管型號、管道連接方式等進行統一，但與國外標準型礦山相比還有一定的差距。

3.5 地下水污染治理

美國地浸礦山建設時對地下水環境影響評價較為苛刻，長期只采用CO2+O2浸出工藝，在地下水治理方面，主要采用清除、反滲透和還原沉淀三種方法，反滲透廢水采用深井注入。目前美國各礦山地下水治理時，地下水的抽出處理量約為6個孔隙體積數。其中地下水清除1～3個孔隙體積數，反滲透處理-再注入1～5個孔隙體積數，后加H2S還原沉淀重金屬，Christensen礦和Highland 礦都采用這種方法治理地下水。結果表明，地浸生產對環境沒有嚴重影響，而且地下水治理費用可以接受。

哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦和俄羅斯等獨聯體國家均采用酸法地浸，浸出結束，主要采取自然凈化化進行地下水治理。在烏茲別克斯坦南 Букинай礦床1968年開始地浸開采，1975年資源回收率達到84%。為探索地浸礦山在開采后地下水中污染物遷移狀況，對10號礦體進行監測。11年的監測證實，采區鹽擴散面積減小到原來的56.4%，含鹽類的總量減少到原鹽量的28.1%。

我國地浸礦山地下水治理主要采取了地下水監測和影響范圍控制和自然凈化的方法。隨礦山開采的進行，不斷有采區退役，國家對環境保護的要求日益嚴格，地浸礦山地下水治理有必要進一步加強。

4 我國地浸采鈾技術發展的主要任務

4.1 以基地建設為中心，做好前期試驗工作

鈾礦采冶領域將緊緊圍繞著大基地建設開展工作，集中以伊犁盆地、吐哈盆地、二連盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地等鈾資源開發研究為突破口，建成新疆和內蒙古兩個地浸鈾礦基地，使地浸采鈾產能規模逐步達到國內天然鈾產能的50%以上。

4.2 加強地浸采鈾基礎理論研究

我國在有關地浸采鈾的基礎理論研究環節較為薄弱。開展基礎理論的研究可提高地浸采鈾的理論水平，有效的分析、揭示、預測地浸采鈾過程中的內在規律，加強我國現有實驗室基礎科研能力建設，加快可模擬現場采鈾精密裝備的研制，協調理論研究與生產試驗現場相結合，使現場生產試驗中的現象和問題得到合理解釋都具有重要的指導意義。

4.3 加強復雜砂巖型鈾礦資源技術攻關

根據我國砂巖型鈾資源的特點，地浸采鈾技術研究今后十年工作目標是：以鈾礦基地建設為核心，為鈾礦基地工程建設提供可靠技術參數和技術保障，重點解決復雜形態砂巖型鈾礦、大埋深砂巖型鈾礦、高礦化度砂巖型鈾礦、高碳酸鹽含量砂巖鈾礦、多層砂巖鈾礦、低滲透砂巖型鈾礦和含礦含水層大厚度等復雜砂巖型鈾資源技術問題。

4.4 加強新材料、新設備的研究和標準化礦山建設

低濃度、大流量地浸采鈾典型特征，簡化工藝操作流程，降低生產工藝成本，努力實現工藝廢水的零排放是研究發展方向。為此，應加強對高強度輕質鉆孔套管、新型高效吸附材料、高強度高壓力抗腐蝕的溶液輸送管材、高效率過濾材料和反滲透膜等新材料研究與應用。針對我國可地浸砂巖鈾礦床自然賦存條件變化大，礦體規模小、較分散的特點，重點研制大通量固定床離子交換和高效沉淀設備，同時，研制可自由裝卸樹脂的離子交換塔。

4.5 加強地浸高級人才的培養

按照中核集團公司“科技興核、人才強企”戰略，砂巖型鈾資源開發重點靠人才，特別是高級地浸人才。目前，地浸采鈾科研設施和技術人員主要集中少量研究院所和企業中，分布不均衡。面對這種情況，首先要協調研究院所與企業科研人員的資源，加大研究院所基礎研究和企業技術創新工作，使兩者互動；其次要加大人才培養和交流，鼓勵研究院所研究人員到企業發展，企業技術骨干到研究院所從事基礎研究，最后逐步形成一支開拓進取、實踐能力強和具有創新精神的人才團隊；三是建設現場試驗平臺，推動科研、項目建設相互促進，建立科技創新體系。

4.6 加強地浸過程伴生元素的回收研究

在伊犁盆地鈾礦床酸法地浸采鈾浸出液中和松遼盆地錢家店鈾礦弱堿性地浸采鈾浸出液中，均發現了伴生元素錸的浸出。該元素與鈾一起同時被浸出而轉入溶液中，由于浸出液錸濃度極低，只能通過吸附后在離子交換長期積累，才能在樹脂中分析檢測到。檢測的結果表明，鈾淋洗回收并不影響錸金屬在樹脂中的積累。目前錸的價格為6000～7000萬元/t，具有回收價值，錸伴生元素回收工藝于20世紀80年代在獨聯體一些地浸鈾礦山已經得到成功應用。我國對砂巖型鈾礦床中伴生元素的回收工藝研究工作才剛剛起步，需要加強對相關伴生元素的研究，以提高資源綜合利用水平。

4.7 加強地浸結束后地下水治理工作

在我國地浸鈾礦山中，已經存在退役或即將退役的井場采區和試驗礦山。由于地浸采鈾過程中，不可避免地改變了含礦含水層地下水的原始地球化學環境，因此，今后地浸采鈾研究有必要對已退役的試驗礦山或采區進行地下水污染治理工作。通過地下水治理研究，使井場退役后地下水達到規定的標準，同時，積累酸法地浸和堿法地浸地下水治理成功經驗，逐步建立了相應的地浸礦山環境保護和指標控制體系，為新的地浸采鈾工程提供地下水防治技術保障和技術方案。

5 總結

以地浸采鈾大基地建設為核心，對目前已經基本具備開發技術條件和試驗基礎的砂巖型鈾礦床進行前期試驗研究，加強關鍵技術攻關，最終建成世界一流的地浸礦山，新增一定的天然鈾生產能力，使我國砂巖型鈾資源地浸采鈾產能比例提高至50%以上，同時，大幅度降低天然鈾礦提取的成本，大幅度提高勞動生產率，改善我國天然鈾生產結構，使地浸采鈾技術達到國際先進水平。

[1]曾毅君，張飛鳳，王廷學，等.我國硬巖鈾礦資源開發的技術基礎及研究前景[J].鈾礦冶，2005,24(1)：1-5.

[2]闕為民，王海峰，田時豐，等.我國地浸采鈾研究現狀與發展[J].鈾礦冶，2005,24(3)：113-117.

[3]王海峰.地浸采鈾技術在我國應用中存在的問題[J].鈾礦冶，2008，27(3)：112-117.