16728

Единство технологий естественного рудообразования и техногенного подземного выщелачивания инфильтрационных месторождений урана

Научная статья

География, геология и геодезия

Единство технологий естественного рудообразования и техногенного подземного выщелачивания инфильтрационных месторождений урана залог их успешного освоения Есаулов В.Н. ведущий инженер лаборатории технологии и геотехнологии ЦНИЛ НГМК; Колпакова Е.В. руководитель

Русский

2013-06-25

67.5 KB

1 чел.

Единство технологий естественного рудообразования и техногенного подземного выщелачивания инфильтрационных месторождений урана - залог их успешного освоения


Есаулов В.Н., ведущий инженер лаборатории технологии и геотехнологии ЦНИЛ НГМК; Колпакова Е.В., руководитель группы лаборатории технологии и геотехнологии ЦНИЛ НГМК; Лильбок Л.А., начальник лаборатории технологии и геотехнологии ЦНИЛ НГМК; Саттаров Г.С., начальник ЦНИЛ НГМК, докт. техн. наук, профессор; Ильин П.А., инженер лаборатории технологии и геотехнологии ЦНИЛ НГМК


В середине прошлого столетия геологами Краснохолмской экспедиции (ныне ПГО <Кызылтепагеология>, г. Ташкент) в центре пустыни Кызылкум открыто и разведано урановое месторождение Учкудук нового, неизвестного до того времени типа. Вскоре в Кызылкумском регионе по выявленным критериям были обнаружены и разведаны аналогичные месторождения и рудопроявления (Сугралы, Северный и Южный Букинай, Кетменчи и многие другие). Такие месторождения, имеющие широкое распространение на нашей планете, получили название <эпигенетические инфильтрационного (учкудукского) типа>. Их происхождение связано с гипергенными процессами в краевых частях межгорных и предгорных впадин, заполненных осадочными породами мезозой-кайнозойского чехла и в примыкающих к ним невысоким горам, сложенным коренными кристаллическими породами подстилающего фундамента.
Технология естественного образования урановых руд следующая: при выпадении атмосферных осадков обогащенные кислородом дождевые и талые воды, фильтруясь через разнообразные кристаллические породы, обогащаются макро- и микрокомпонентами, формирующими хим. состав вод, способный окислять, растворять и выщелачивать уран (уран в рассеянном состоянии с концентрациями несколько превышающими кларковые значения находится в кислых кристаллических породах (гранитах, пегматитах, диоритах и др.) и сопутствующие редкие металлы (РМ) и редкоземельные элементы (РЗЭ). Химизм указанных процессов применительно к урану описывается следующими реакциями:
2FeS2 + 7,5O2 + H2O = Fe2 (SO4)3 + H2SO4        (1)
Fe2 (SO4)3 + 6H2O = 2Fe (OH)3 + 3H2SO4               (2)
H2SO4 + CaCO3 = CaSO4 + H2O + CO2             (3)
CaCO3 + H2O + CO2 = Ca (HCO3)2                (4)
2UO2 + O2 = 2UO3                                  (5)
UO3 + Ca (HCO3)2 = Ca [UO2 (CO3)2] + H2O             (6)
Представленные реакции определяют процесс формирования химического состава и обогащения ураном атмосферных вод при их инфильтрации через кристаллические породы горных поднятий, служащих источником питания водоносных горизонтов артезианских бассейнов. Сначала из сульфидов генерируется серная кислота (реакции 1 и 2), которая разлагает нерастворимые карбонаты с образованием углекислоты (3), затем бикарбонатов (4), бикарбонаты растворяют окисленный (по реакции 5) уран, который в виде уранилкарбонатных комплексов (6) доставляется в водоносные горизонты артезианского бассейна.
Кроме урана с подземными водами мигрируют окисленные формы сопутствующих РМ и РЗЭ. По пути движения кислород в основном расходуется на окисление закисных форм железа, которыми насыщены осадочные породы. В результате этого вся зона пластового окисления (ЗПО) насыщается гидроокислами Fe3+, которые осаждаются, придавая водоносным породам бурую и желто-бурую окраску.
Основой процесса является бактериально-химическое окисление сульфидов, поскольку без участия бактерий они не разлагаются или окисляются очень медленно. Окисляющие микроорганизмы (тионовые бактерии) повсеместно распространены в подземных водах сульфидных полиметаллических месторождений, а также везде, где водоносные породы содержат сульфидные минералы. Наиболее изученными и распространенными из них является многочисленное семейство Acidithiobacillus ferrooxidans, развивающееся в слабокислотной среде (рН=1,5-2,5). Такие среды возможны только на сульфидных месторождениях. На урановых месторождениях, где сульфидность руд незначительна (до 1,0, реже до 2,0-3,0%), кислоты в подземных водах нет. Значит, здесь действуют другие бактерии, вернее их ценоз, в т.ч Acidithiobacillus ferrooxidans, непосредственно на контактах с сульфидными минералами. Но, по всей вероятности, все гораздо проще. Это обычное кислотно-бикарбонатное или миникислотное выщелачивание, но на микро-уровне. Источником небольшого количества кислоты являются не закачные скважины, а все сульфидные частицы (большие и малые) во всей массе руд и вмещающих пород, постоянно контактирующие с кислородом. Процесс выщелачивания будет постоянным пока не кончится какой-либо из пяти компонентов - сульфиды, кислород, бактерии, карбонаты, уран.
Все выше приведенные окислительные реакции имеют обратимый характер, то есть являются по сути окислительно-восстановительными. При наличии в воде окислителя (О2) все выщелоченные компоненты находятся в растворенном состоянии и мигрируют вниз по потоку подземных вод. При достижении границы ЗПО и внедрении кислородных вод в сероцветную зону восстановления кислород быстро расходуется, тионовые бактерии угнетаются и начинают действовать сульфатредуцирующие бактерии, быстро восстанавливающие окисленные компоненты, включая уран. Последний теряет способность растворяться, то есть выпадает в осадок. Таким образом, вблизи границы ЗПО за длительный геологический период накапливаются промышленные концентрации урана, РМ и РЗЭ, образуются вторичные карбонаты и сульфиды. Первые цементируют песок до плотного сложения и даже каменистого состояния песчаник. Сульфиды пропитывают тонкопесчаный и алевритистый материал, образуют желваки, глобулы и другие стяжения, накапливаются в виде мучнистых скоплений на органических остатках флоры и фауны.

Новые порции кислородных вод растворяют вновь образованные осадки, в том числе урановые, оставляя шлейфы останцовых руд у контактов с менее проницаемыми и водоупорными породами, формируя в разрезе ролловые и лентообразные формы рудных тел. Внедрение в зоны окисления трещинных вод кристаллического фундамента формирует участки вторичного восстановления, придающие рудным телам другие причудливые морфологические формы.
Действительно, на месторождении Учкудук в дренажных скважинах подземных горных выработок и в водосборных траншеях карьеров были выявлены случаи обогащения дренируемых подземных вод ураном до 50-100 мг/л. Это явилось свидетельством окисления руд кислородом при вскрытии их выработками и выщелачивания из них урана бикарбонатным растворителем и указало на возможность отработки инфильтрационных месторождений способом подземного выщелачивания (ПВ). Эта возможность была проверена первыми опытными работами по ПВ на залежи 30 (участок ПВ 101), начатыми в 1963 г. Были опробованы три способа выщелачивания - водное, содовое и кислотное с применением в качестве окислителя кислорода воздуха. К сожалению, в тот период не были выявлены и осознаны преимущества водного выщелачивания и остановились на применении сильного и доступного растворителя - серной кислоты. Проведенные опыты позволили разработать технологию добычи урана способом кислотного подземного выщелачивания (КПВ) и выявить преимущества ПВ перед традиционными горными работами. Но эти преимущества проявляются только при отработке богатых руд в продуктивных горизонтах небольшой мощности (до 10-15 м.), ограниченных надежными водоупорами. В сложных гидрогеологических и геохимических условиях (бедные руды в водоносных комплексах пород большой мощности до 20-30 м и более, с нечеткими внутренними водоупорами, высококарбонатные руды, сложная морфология рудных тел и пр.) КПВ неприемлемо. Этому способу присущи и другие недостатки - кольматация пласта образующимися слаборастворимыми сульфатами кальция, разрушение естественной структуры водоносных горизонтов, низкое извлечение урана вследствие небольшой производительности скважин.
Бикарбонатное (содовое) реагентное ПВ для отработки инфильтрационных руд оказалось также неприемлемым вследствие карбонизации пласта, вызываемой избытком бикарбонат - ионов - реакция (4) идет в обратную сторону образования слаборастворимых карбонатов. Пришлось вернуться к водному выщелачиванию, именуемому ныне <безреагентным и миниреагентным ПВ> [1-3]. Дополнительного разъяснения технологии безреагентного ПВ не требуется. Она подсказана природой и изложена выше при описании гидрохимического процесса естественного рудообразования.
Необходимо лишь отметить, что вместо атмосферных осадков здесь используется пластовая вода, насыщаемая кислородом. Кислород воздуха подается в пласт эжекционным способом через заливочные шланги, опущенные в закачные скважины под уровень воды, или непосредственным периодическим нагнетанием сжатого воздуха через закачные и откачные скважины. Многократное увеличение темпов извлечения урана по сравнению с естественным его накоплением и переотложением достигается за счет такого же многократного увеличения насыщения пластовой воды кислородом (атмосферным или чистым из кислородных баллонов), используя пласт в качестве природного автоклава, в котором растворимость газов увеличивается пропорционально гидростатическому давлению. Необходимо только подавать его в пласт в газообразном состоянии.
Несмотря на очевидную перспективность безреагентного ПВ (не нужны реагенты, так как они генерируются в пласте, а окислитель можно получать из воздуха, который пока не имеет цены), внедрение его идет очень медленно. К нему пока относятся скептически, ссылаясь на его экстенсивность и зависимость от карбонатности руд, считая, что для низкокарбонатных руд (менее 1-2% СО2 и особенно менее 0,5%) способ неприемлем. Но этот скептицизм не имеет оснований, так как при недостатке сульфидов и карбонатов можно немного подкислять воду до рН=4-3. К тому же при отработке любых инфильтрационных залежей урана рекомендуется применять так называемую трехстадийную универсальную схему ПВ - вначале вести ПВ пластовой водой, насыщенной кислородом (1), затем подкисленной (рН=4-3) газонасыщенной водой (2) и, наконец, раствором серной кислоты (3). При необходимости отработки бескарбонатных руд кислотным способом (3) время, затраченное на осуществление первых двух стадий ПВ, нет оснований считать потерянным, поскольку пласт подвергся интенсивному окислению, что позволяет многократно снижать расход серной кислоты. Эта схема является беспроигрышной, поскольку дает возможность отрабатывать бескарбонатные руды в мягком режиме кислотного выщелачивания, используя растворы кислотностью не 10-20 г/л, а не более 3-5 г/л.
Недостатки безреагентного ПВ, как и кислотного выщелачивания, обусловлены главной причиной - низкой производительностью скважин, не позволяющей обеспечивать требуемое извлечение урана (60-70%), которое обычно не превышает 50%, а чаще достигает всего лишь 20-30%. Это легче объяснить, исходя из особенностей реагентного жесткого кислотного выщелачивания, выражающихся в следующем (рис.). Раствор серной кислоты 10-20 г/л, фильтруясь по пласту от закачной к откачной скважине в ореоле, площадь которого зависит от дебита скважины, растворяет уран и другие компоненты (карбонаты, РМ, РЗЭ и др.) и теряет кислоту. Образующиеся бикарбонаты растворяют уран и сопутствующие РМ и РЗЭ, а также переводят растворенные сульфатные комплексы этих элементов в карбонатные комплексы, образуя передовой фронт бикарбонатных продуктивных растворов (БПР) с рН=6-8. Новые порции кислоты нейтрализуют бикарбонатную щелочность, растворенные уран, РМ и РЗЭ выпадают в осадок, кислота опять расходуется на разложение карбонатов и генерацию углекислоты и  бикарбонат - ионов, которые растворяют, выносят и транспортируют далее уран, РМ и РЗЭ. И так, проходя несколько стадий растворения, выщелачивания и переосаждения подвижных компонентов, передовой фронт БПР с содержанием урана до 100 мг/л и более достигает, наконец, откачной скважины. Этот так называемый бикарбонатный эффект кислотного выщелачивания, сопровождаемый выносом с БПР-ми белесой и буроватой коллоидной взвеси гидроокислов алюминия и железа, продолжается 1-3 месяца до тех пор, пока не разложатся все карбонаты в ореоле фильтрации растворов. При высокой карбонатности руд процесс жесткого кислотного выщелачивания невозможен из-за полной кольматации порового пространства слаборастворимым сульфатом кальция.

С этого момента продуктивный раствор (ПР) осветляется, кислотность его повышается, концентрация урана уменьшается до нуля (при рН=4-3) и снова повышается, начиная с рН=3-2, достигая стабильно высоких концентраций при значениях рН=1,5-1,0 и ниже до 3-5 г/л H2SO4. Кислотный процесс ПВ продолжается до тех пор, пока не будет извлечен уран, доступный растворам данной кислотности, из фильтрационного ореола. Весь уран может быть извлечен только раствором с потенциалом рабочего раствора (РР), способным растворять кислотоупорные разности переотложенного урана, накопившиеся в зоне откачки, то есть при выравнивании кислотностей РР и ПР. Достичь этого в разумные сроки не реально, поскольку кислота еще долго будет расходоваться на разложение полевых шпатов и других кислотопоглощающих силикатов после нейтрализации менее упорных карбонатов. Весь уран из зоны откачки можно выщелочить, направив РР в ряд откачных скважин, или слабокислым (рН=1,5-2,5) бактериальным раствором, используя штаммы Acidithiobacillus ferrooxidans [4].

Аналогичные особенности кислотной технологии ПВ характерны и для безреагентного выщелачивания, хотя процесс ПВ здесь усложняется тем, что переносится на микроуровень. Пласт насыщается кислотой не через одну точку (закачную скважину), а источником серной кислоты являются все сульфидные частицы, окисляемые кислородом, т. е. роль внешнего агента ПВ выполняет не готовая кислота, а кислород, которым легче насытить пласт, обеспечив его доступ к микро- и макрочастицам  сульфидов, генерируя кислоту и бикарбонаты одновременно во всей рудной массе.
Таким образом, следуя схеме на рис., в ячейке 40х20 м из руд проницаемостью 3,0-5,0 м/сутки и дебитом откачки 10 м3/ч площадь зоны фильтрации в полуячейке (800 м2) составит примерно 25% всей площади, то есть 200 м2. Извлечение урана из этой зоны составит, согласно схеме 70-80% ,а по отношению к запасам урана на всей площади всего лишь около 20%.
Такая картина очень часто наблюдается в действительности при кислотном выщелачивании. По большинству ячеек конечное извлечение составляет 20-30%. Различные мероприятия (бурение дополнительных скважин, остановки скважин, увеличение кислотности РР, хим. обработки скважин и пр.) позволяют по отдельным ячейкам достигать 50-60%-го извлечения, но в целом по блокам и залежам проблемы не решают. В настоящее время это широко распространенное мероприятие получило <хитрое> название - <доработка техногенных запасов урана> и рассматривается многими специалистами, как выдающееся научно-техническое достижение. На самом деле это <выдающееся> упущение.

Достаточно повысить дебиты скважин в несколько раз (до 40-50 м3/ч, по рис.), и зона фильтрации растворов захватит всю площадь ячейки, обеспечив извлечение не менее 70-80%.
Большая часть <техногенных> запасов урана создана в прошлом, когда разработчики месторождений, в т.ч. авторы, не имели достаточного опыта и не было соответствующих средств раствороподъема. Но в настоящее время, с накоплением опыта и появлением возможности приобретения импортных скважинных насосов любой производительности, пора, наконец, избавиться от указанного недостатка, сооружая огромное количество малодебитных скважин заведомо плохого качества, не имея возможности нормально их обслуживать и эксплуатировать, продолжая таким образом пополнять быстрыми темпами <техногенные> запасы урана.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42004. Информационное обеспечение систем управления 882 KB
  Пример ERмодели [7] Лабораторная работа №3Создание простых запросов и запросов на изменение [7.1] Задание к лабораторной работе [8] Лабораторная работа № 4Создание сложных запросов.1] Цель работы: создание итоговых параметрических перекрестных запросов и запросов на объединение; создание и настройка отчетов по запросам на основе учебной БД Библиотека. Запрос – это объект БД который служит для извлечения данных из таблиц и предоставления их пользователю в удобном виде.
42007. ДОСЛІДЖЕННЯ ОПИСУ ТА ВИКОРИСТАННЯ КЛАСІВ 130 KB
  Вивчити опис класу в мовах програмування С та С. Написати програми мовами програмування С та С що демонструють випадки застосування класу згідно з варіантом дод. Короткі теоретичні відомості Мова С Опис класу: опис класу ::= clss позначка класу { тіло класу }; тіло класу ::= {privte:} закритий елемент public: відкритий елемент {protected:} захищений елемент позначка класу ::= ідентифікатор закритий елемент ::= опис змінної метод прототип методу опис статичної змінної опис статичної змінної ::= sttic опис змінної...
42011. Вычислительные машины, системы и сети 1.32 MB
  Цель работы Изучение преобразования Фурье и его основных свойств а также методики получения быстрого преобразования Фурье БПФ. Теоретические сведения Ортогональные функции Для лучшего понимания вопроса о рядах Фурье дадим определение ортогональным функциям.
42012. Топливо и его использование. Лабораторный практикум 672.5 KB
  Приборы и оборудование: шкаф сушильный электрический с терморегулятором, обеспечивающий устойчивую температуру нагрева от 40 до 110 ºС, с отверстиями для естественной вентиляции; пронумерованные бюксы стеклянные с крышками для определения влаги в лабораторной или аналитической пробе; противни из неокисляющегося металла для подсушивания проб; эксикаторы, наполненные свежепросушенным силикагелем или другими высушивающими веществами; весы микроаналитические с пределом взвешивания до 0,001 г.