倒堆采矿法(采矿机产物堆积) 采场爆堆原地浸矿技术研究
采场爆堆原地浸出矿物技术的研究 李西栋 杨振宏 核工业九七四矿，西安建筑科技大学 摘要 我国铀矿床以储量小、品位低、硬度大而难采。本文介绍了采场爆堆原地浸出矿物技术的使用条件、主要采矿工艺、水冶工艺流程及缺点。通过在陕西省铀矿多年的应用实践和技术经济分析表明，该方法为我国硬岩铀矿床的开发利用提供了新途径。 关键词 采场爆堆 原地浸出 布液系统 集液系统 1 问题提出 我国是一个贫铀国家，铀矿床以硬岩为主，储量小、品位低，开采的经济性较差。研究开发先进的硬岩铀矿开采技术，降低生产成本，提高生产能力，满足核工业发展需求是铀矿冶界多年来一直潜心研究的重大课题。采场爆堆原地浸出矿物技术试验在陕西铀矿获得成功，从多年的生产实践来看，不论是经济效益、资源利用率还是环境保护方面为我国硬岩铀矿床的开发利用提供了新途径。 2 采场爆堆原地浸出矿物的理论 2.1 铀矿床形成理论 铀矿床形成的形式有两种。一种是含溶解铀的氧化铀地下水，沿倾科岩层向下迁移，遇到还原环境时，迁移的铀金属便沉淀下来形成铀矿床；另一种是地下含铀液体浸入岩石裂隙中，沉淀而形成，实际上浸出过程是沉淀过程的反过程。 对氧化性矿物而言：UO2-2+3SO4-2→UO2(SO4)3-2 或 UO2-2+3CO3-2→UO2(CO3)3-2 对还原性矿石而言：UO2-2+O2→ (UO2)-2 UO2-2+3SO4-2→UO2(SO4)3-2 或 UO2-2+3CO3-2→UO2(CO3)3-2 2.2 对流扩散理论 粗粒物料浸出过程的动力学主要包含两个不同的机制，分子扩散和对流扩散，分子扩散是由于饱和溶液浓度和现时实际浓度之差产生的；对流扩散是由于已溶解物质在液流运动方向上和与其垂直方向上随液流一起迁移而形成的。 上述浸出时的过程是同时进行的。矿石的浸出过程是一种复杂的物理化学过程。像所有非均质反应一样，浸出过程包括一系列阶段：①反应物质间反应表面的物理迁移；②化学转化本身；③溶剂与已反应物质一起从反应处导出；上述的物理化学机理，决定着矿石浸出速度与浸出率。2.3 渗流理论 （1）达西定律（线性渗流定律） Q= K ω (∆H/L)= K ω I （1） 式中Q———渗流量； ∆H/L=I———水力坡度； ω———试验圆筒的横截面积（包括砂石颗粒、孔隙的面积）； K———渗透系数。 渗透系数不仅取决于矿岩的性质（如粒度成分、颗粒排列、充填状况、孔隙情况等），而且和渗流液体的物理性质（容重、粘滞性等）有关。 （2）渗流的连续方程 在渗流区域内取一无限小的平行六面体，各边长度为∆x、∆y、∆z，沿坐标轴方向的渗透速度分量为vx、vy、vz，液体的浓度为ρ，在∆t时间内流入、流出平行六面体的液体质量满足质量守恒定律，则渗流的连续方程式为：
(2)
由于浸出矿物的液体为不可压缩的均质液体（液体的密度为常数），在稳定流情况下的渗流的连续性方程式为： ![]()
（3） （3）降落漏斗 根据松散岩石中的水力学的观点，在水力梯度的条件下，向排液口流动，如果在饱和水层中建立一排泄口，含水层内的液体，向泄口径流并在其周围形成一定的液体而下降，即为“降落漏斗”。降落漏斗范围内的液体从漏斗下部排出，溶浸剂能在注液口进入矿堆，与矿石发生化学物理反应后，从排液口排出，这是浸出时要求的最好状态，也是制定布液系统技术参数的主要原理。[next]3 采场爆堆原地浸出矿物的使用条件 3.1 矿床充水条件 （1）矿床充水条件：矿床不充水，涌水量在100m3/h是最适宜原地堆浸；其次为弱充水，涌水量在100m3/h～300m3/h；当涌水大于300m3/h时，在现有技术条件下认为不适宜采用原地爆破浸出。 （2）围岩透水性：围岩不透水、渗透系数小于0.1m/d是保证浸出液不流失的最好条件；其次为围岩弱透水、渗透系数为0.1m/d～1.0m/d，虽然浸出液有少量流失，还可以回收浸出液，经济损失不大；当围岩渗透系数大于1.0m/d时，浸出液很难收集，即使收集到，经济上也不合理。 （3）矿体结构：矿床矿化特征最好是含铀矿物呈细脉状，张开裂隙上的薄膜与复层；其次为胶结岩石裂隙的细脉状，细脉浸染状；不利的是细粒浸染状，沿全矿岩分散状。3.2 矿石条件 （1）矿石品位均匀。由于爆破落矿一次施工，大块无法进行二次破碎，破碎粒度不能完全控制，布液条件受到限制，因此矿石品位均匀可使浸出率为70%以上。 （2）矿石碳酸盐含量。考虑到经济性，酸性浸出剂一般采用硫酸，碱性浸出剂一般采用碳酸钠和碳酸氢钠的混合液。采用酸性浸出系统时，矿石的碳酸盐含量最好控制在3%以下；其次为3%～5%之间；高于5%之时，一般采用碱性浸出系统。 （3）矿石中铀的赋存形式。考虑到还原性矿石必须氧化后才能被浸出，最好是单独氧化性铀矿物，其次是表生矿物，类质同象混合物。 （4）矿石中有害杂质含量。根据环保要求和现有工艺技术与经济性，生产过程中排出母液的铀含量最好小于5.0g/L以下，其次是0.5g/L～15.0g/L。如果生产过程排出的母液中，铀金属含量大于15.0g/L时，无论从环保，经济角度考虑都说难以承受的。 4 采场爆堆原地浸出矿物的主要工艺 浸出是将溶浸剂注入井下或地表矿堆，然后使其与矿石中的有用组分（铀金属）发生化学反应后，溶解成为离子状态迁移到液相中，通过一系列技术流程将铀金属回收的工艺方法。原地破碎浸出是将20%的副产矿石出窿堆置地表进行浸出，70%的矿石经爆破筑堆通过井巷、钻孔和布液管线进行注液浸出的方法。4.1 采场要素 中段高度：30.0m～40.0m； 分段高度：10.0m左右； 切割天井距离：20.0m（过长易产生夹制作用）； 切割空间：由爆破补偿系数确定； 巷道规格：2.5m×2.5m（选用YGZ-80型钻孔机）。 采场爆堆原地浸出矿物一般采用中深孔落矿，孔深一般控制在10.0m～15.0m；当矿体赋存条件变化较大时，孔深过大则引起贫化损失过大。4.2 爆破筑堆 （1）爆破块度过大，会造成矿堆“含”不住浸出剂，浸出剂与矿堆作用时间过短，造成短路，使浸出周期过长、浸出液浓度过低、矿堆的浸出率低，造成经济效益流失和资源损失； （2）爆破块度过小，造成矿堆透水性能差，浸出液难于矿物充分接触，从而影响矿物的浸出率； （3）爆破块度在爆堆中分布不均匀，则易造成浸出剂从空隙大的大块率高的区域通过容易，而块度小、空隙小的区域由于溶液渗透阻力大，造成与破碎的矿体未能充分接触，从而影响浸出和降低原液浓度。 因此，采场爆破及爆破筑堆要求矿石的块度分布均匀。由浸出理论可知，粒度与含铀矿物分布有关，最好是使含铀矿物均能充分暴露在破碎后的矿石颗粒表面，并且矿石的渗透性能较好。4.3 布液系统 根据“降落漏斗理论”，浸出液流区分为液体运动完全不同和扩散层厚度也完全不同的两个区：（1）运动积极区，液流速度快，面积不大于20%～20%，但液体体积达80%～90%；（2）运动消极区，液体渗出量很小，漏斗界外，存在浸出死区。因此，采场爆堆原地浸出矿物集液系统应制做疏液性良好的底部结构，必要时钻疏液孔来尽可能扩大出液口范围以消除浸出死区；正是由于漏斗界外可认为无液流，从而可有效控制浸出液流的散失。地下布液系统的要求是： （1）建立布液系统管网，通过地面高位池，用防腐管道送入地下，为了使每个孔能得到所需的溶剂量，必须建立液流分配器，以准确地调整各个孔所需的流量。 （2）控制钻孔内液流，将打有花孔的管道，通过钻孔插到矿堆内部来保证布液要求。4.4集液系统 溶浸液在矿堆中溶解矿石中的有用组分，消耗溶剂达到矿堆底部液体成为浸出液（H2SO4含量为3.0g/ L～5.0g/L），浸出液直接送到后工艺车间处理。地下集液系统的要求是： 在浸出时，由于矿堆中有大量耗酸物质，溶浸剂被消耗后，酸度下降，金属沉淀下来，随着浸出剂的不断加入，沉淀的金属又被溶解，反反复复，使整个矿堆都酸化后，金属就溶解在液相内。所以要加快矿石的酸化过程，提高矿石浸出的速度，必须采用高酸溶浸剂（H2SO4含量在5%左右）。但是如果矿石中碳酸盐含量较高(3%～5%)时，初始必须以低酸度浸出，防止大量的CaSO4沉淀、MgSO4沉淀，使浸出条件恶化。为了保证吸附效果，浸出液应当清澈透亮，不含固体颗粒和悬浮物；多级澄清池及纱网过滤给予保证。[next]5 浸出矿物的水冶工艺流程 5.1 工艺流程 浸出液进入密实移动床吸附塔，10%的吸附尾液进入废水处理，90%的尾液返回堆浸。再饱和树脂进淋洗塔淋洗。合格液沉淀。产品沉淀底流经压滤得“111”产品；淋洗塔转移出的贫树脂进入转型塔，转型液进淋洗剂配制；贫树脂进再回收塔，尾液进转型剂配制。5.2 工艺参数 （1）吸附（201×7强碱性阴离子交换树脂，密实移动床吸附塔） 浸出液Me浓度：年平均≥140mg/L； 吸附塔空塔速度：45m/h～50m/h； 吸附尾液铀浓度：3.5～5.0mg/L； 树脂操作容量：25～45g/L湿R。 （2）饱和树脂再吸附 吸附原液铀浓度＞10g/L； 树脂在塔内停留时间24小时； 淋洗液空塔速度0.4m/h； 饱和树脂吸附富尾液铀浓度0.3g/L～0.5g/L。 （3）淋洗 淋洗剂：1 NNaCl+0.1N H2SO4,串联淋洗； 淋洗剂空塔速度2.0～2.5m/h，温度为常温； 合格液铀浓度≥10g/L； 树脂铀残余容量≤10g/L湿R。 （4）产品沉淀过滤 沉淀剂：20%～30%NaOH； 终点：Ph=7.5～8.0,母液铀浓度≤15mg/L； 产品U含量≥63%，产品水份50%～60%。 与原来使用的悬浮床工艺相比，密实移动床吸附淋洗工艺具有处理能力大、产量高、适应原液浓度幅度宽、浓缩比达、化工原材料消耗低特点。尽管有树脂使用和消耗量较大的缺点，但结合大量的尾液返回、余酸再利用，饱和树脂再吸附等技术，密实移动床吸附淋洗工艺在不增加处理成本的情况下，很好地适应了原地破碎浸出低浓度、大流量的特点。因此，密实移动床吸附淋洗工艺是原地破碎浸出的一个很好的配套工艺。综上所述，原地破碎浸出—密实移动床吸附淋洗工艺，是开发利用我国大量硬岩铀矿床的一个值得推广的好方案。 6采场爆堆原地浸出矿物的评价 采场爆堆原地浸出矿物作为一种新型采矿工艺，其主要优点： （1）方法简单。由于采矿爆堆原地浸出矿物不同于其它地下采矿方法，除开拓工程、穿孔爆破工艺类同，采准工程简单，采准切割工程量小。 （2）采矿爆堆原地浸出矿物采用一次集中大量落矿，劳动生产率高，劳动强度低。 （3）生产规模可大可小，生产安排灵活。采场爆堆原地浸出矿物不占地面空间，不受地表工业场地的限制，可以根据生产需要随时投入，生产能力可以灵活调节。 （4）生产成本低。根据统计，采场爆堆原地浸出矿物成本是常规采矿成本的40%。 （5）安全可靠。在开场爆堆原地浸出矿物施工中，人员进入的只是采准切割井巷。安全可以得到很好的保证。另外，70%的矿石不出窿，很好的控制了地压，避免了对相邻采场的影响，地表几乎无陷落。因此同常规采矿相比，原地破碎浸出的安全性非常突出。 （6）社会效益良好。一般而言，采矿就伴随着对环境的不良影响，就意味着产生大量的废渣，而且人们希望的采矿回收率越高，产生的废物就越多。而原地破碎浸出为减少成本，则想方设法减少矿石出窿量，在经济利益和社会利益上取得了一致，产生的废物自然很少。 采场爆堆原地浸出矿物作为一种新型采矿工艺，其缺点却不容忽视； （1）回收率较低。由于爆破落矿一次施工，大块无法进行二次破碎，破碎块度不能完全控制，布液条件受到限制，因此，一般设计的浸出率为70%，相对地表堆浸而言，回收效果差； （2）回收周期长。原地破碎浸出采场一旦落矿筑堆，其形态便难以改变。连续布液达40%浸出率时，就进入低浓度时期，而且尾巴拖的很长。由于翻堆困难，需停止布液三、四个月再生产才可以获得较高的浓度。一般的采矿爆堆原地浸出矿物生产两年多才可以达到70%的浸出率； （3）平均浓度低，液固比高。由于生产周期长，原地破碎浸出的液固比甚至高达8：1，原液平均浓度很低，加大了水冶成本。 实质上，采场爆堆原地浸出矿物的三方面缺点是相互关联、相互影响的，为提高浸出率，比较有效的方法是延长浸出时间，却导致回收周期加长，并且原液平均浓度降低。人们希望的理想状况是：强化漫出，使铀金属在较短的时间内能够迅速大量浸出，以获得较高浓度的浸出液。为此，采取了补充爆破，加氧化剂、助浸剂，调整淋浸制度一系列措施，但是收效甚微。因此，必须限制原地破碎浸出的使用范围，原地破碎浸出与常规采矿相结合，贫富分采，优势互补。 7 结论 为了更好地回收国家资源，扩大采场爆堆原地浸出矿物技术的应用范围，创造更好的经济效益，陕西铀矿还利用这一先进技术开展了残矿回收。陕西铀矿原开采方案为常规采矿，由于自然条件和技术等方面的原因，采场还残留一些矿石，该矿对这些残矿进行布液浸出，回收了金属，取得了良好的经济效益，也积累了许多有益的经验。而使用密实移动床吸附淋洗工艺技术，回收30mg/L以上的贫液仍然取得了较好的经济效益，大大提高了采场爆堆原地浸出矿物的回收率，减少了对环境的污染，社会效益也进一步提高。 地表筑堆浸出矿物虽然采矿、运输、筑堆工艺多，成本高，但在回收率方面明显占有优势。因此，从效益出发，采场爆堆原地浸出矿物适应于贫矿，而地表筑堆浸出物宜于富矿。据测算.陕西铀矿采场爆堆原地浸出矿物方案的矿石分界品位为0.225%左右，而实际中的矿体品位分布是不均匀的，单纯的采场爆堆原地浸出矿物或常规采矿方案有缺陷。如果利用常规方法采出富矿，形成采场爆堆原地浸出矿物落矿的补偿空间，使这两种方法相结合，优势互补，实现贫富分采，将对提高资源的回收利用、提高劳动生产率，降低生产成本、创造良好的经济效益，产生巨大的推动作用。可以预想，深入研究硬岩铀矿的浸出技术，不断丰富完善并推广采场爆堆原地浸出矿物和密实移动床吸附淋洗工艺，必将对我国硬岩铀矿冶的发展产生深刻的影响。 常规采矿与采场爆堆原地浸出矿物相结合、贫富分采可以使这一先进工艺充分发挥优势，创造良好的经济效益和社会效益，这应当是采矿业的一个重要的发展方向。 参考文献 1.李辉等。污染物浸入水体过程的离散PI控制，黄金，2001，（10）。2.李 辉等。基于遗传算法的土壤环境进化分析黄金，2002，（05）。3.李 辉等。地下水位新陈代谢的自适应控制，中国钼业，2001，（03）。4.薛禹群等。地下水动力学，北京：地质出版社，1979：13～17。5.解世俊。金属矿床地下开采，北京：冶金工业出版社，1989：260～265。
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