CN110359913B - 一种提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，包括以下步骤：步骤S1、勘察地质条件，确定待开采低渗透砂岩型铀矿层的具体位置，对地表至铀矿层的长度方向布置钻孔；步骤S2、通过钻孔对铀矿层实施含支撑剂的液态二氧化碳相变致裂，进行第一次增加渗透性处理；步骤S3、对铀矿层施加超声波空化作用，进行第二次增加渗透性处理；步骤S4、将浸出剂注入经过两次增加渗透性处理后的铀矿层，溶解矿石中的铀，然后将反应后的含铀溶浸液抽取并提纯，得到纯铀；本发明利用含支撑剂的液态二氧化碳相变致裂技术并辅助超声波空化作用，用以提高低渗透砂岩型铀矿层的整体渗透性能，提高了铀浸出率和采铀生产效率，缩短试验周期。
Description
技术领域
本发明属于地浸采铀技术领域，具体涉及一种提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法。
背景技术
目前，地浸采铀技术作为采铀领域内的一种重要方法，特别是针对含水并有一定渗透性的砂岩型铀矿床时，地浸采铀相比其他采铀方法更具效益。地浸采铀是通过钻孔往矿层注入浸出剂使其与含铀矿物发生化学反应，溶解矿石中的铀，随后将含铀的溶液抽至地表，再做进一步处理来提取和回收铀金属的采冶工艺。
评价地浸采铀适用性的关键因素之一就是矿层(矿石)的渗透性能。通常情况下，低渗透砂岩型铀矿层的地浸开采会因为渗透性较低，导致钻孔抽注阻力增大，浸出剂流动性较弱，难以与矿石中的铀充分接触，从而导致资源回收率低。随着勘探工作的不断深入，低渗透砂岩铀矿资源占据我国已探明砂岩铀矿资源的比例越来越大，这已成为当前制约我国地浸采铀产能的重要因素。低渗透砂岩铀矿层一般具有黏土矿物含量高、非均质严重、孔喉细小、毛细管现象突出、溶浸液流动阻力大等特点，这导致溶浸液难以有效通过含矿层与含铀矿物发生反应，从而造成低渗透砂岩铀矿床的地浸采铀成本高、开采速度和资源回收率低，严重阻碍了我国砂岩型铀矿资源的综合开发和利用。
对于提高和改善低渗透砂岩型铀矿床的渗透性能，目前国内较多借鉴石油、天然气领域的物理、化学增渗方法，包括水力压裂技术、高能气体压裂技术、复合射孔技术、爆炸松动技术、“层内”爆炸改造技术、低频脉冲波强化技术及表面活性剂配置新型浸出液等，通这些物理、化学增渗技术可在一定程度上改善矿层渗透性，但是一般只能进行一次增渗，无法对其小范围形成的盲区内部的铀进行捕获且部分方法还存在浪费资源和污染资源的缺陷，此外地浸采铀工程是一个物理—化学反应的综合过程，不仅包括地下流体迁移，更为重要的是浸出剂与矿石中目标元素发生的化学反应。因此单一地依赖于以上物理增渗方法，并非地浸采铀工艺的理想方式。
目前，仅发现含支撑剂的液态二氧化碳相变致裂技术在煤矿领域初步运用，以及超声波空化作用在真空预压处理软土地基排水板淤堵治理方面具有显著的改善效果。而在地浸采铀工程方面尚未见利用上述综合方法提高低渗透砂岩型铀矿床渗透性的研究。
随着我国核事业的不断发展进步，铀矿资源的战略地位迅速上升，必须重视低渗透砂岩型铀矿资源的开采和利用。评价地浸采铀适用性的关键因素之一就是矿层(矿石)的渗透性能，目前对于低渗透砂岩型铀矿床的地浸开采来说还是一个技术难题。由于低渗透砂岩的孔隙结构复杂、孔喉狭小，导致根据常规浸出剂所配置的溶浸液流动阻力大，在微小孔隙和毛细孔道中溶液的渗透速率会显著降低甚至难以有效地通过，从而降低溶液流动速率甚至形成“溶浸死区”，严重影响铀浸出率和生产效率。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，以解决目前低渗透砂岩型铀矿层空隙结构复杂，毛细管现象突出，小范围内铀矿层难以捕获，溶浸液流动阻力大，地浸采铀成本高、开采速度慢，采铀浸出率和生产效率低下的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、勘察地质条件，确定待开采低渗透砂岩型铀矿层的具体位置，对地表至铀矿层的长度方向布置钻孔；
步骤S2、通过钻孔对铀矿层实施含支撑剂的液态二氧化碳相变致裂，进行第一次增加渗透性处理；
步骤S3、对步骤S2中施加过第一次增加渗透性处理后的铀矿层施加超声波空化作用，进行第二次增加渗透性处理；
步骤S4、将浸出剂注入步骤S3中经过第二次增加渗透性处理后的铀矿层，与待开采矿物发生反应，溶解矿石中的铀，然后将反应后的含铀溶浸液抽取并提纯，得到纯铀。
在如上所述的提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，优选，所述步骤S2中对铀矿层进行第一次增加渗透性处理的具体步骤包括：
步骤S21、将液态二氧化碳充装在致裂管中，并向所述致裂管中添加固体支撑剂，将盛装有固体支撑剂的所述致裂管放置在所述钻孔内，并进行埋设；
步骤S22、对所述致裂管加热，使液态二氧化碳气化后容积膨胀，二氧化碳冲出所述致裂管并释放，产生爆破致裂；
优选地，所述步骤S22中利用起爆器对所述致裂管进行加热。
在如上所述的提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，优选，所述步骤S21中致裂管的管内压强为8-10MPa。
在如上所述的提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，优选，所述固体支撑剂占所述致裂管的容积的四分之一。
在如上所述的提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，优选，步骤S3中对铀矿层进行第二次增加渗透性处理的具体步骤包括：
步骤S31、在超声波空化管内加装水，将所述超声波空化管放置在所述钻孔内，并在所述超声波空化管上端安装超声波激振器，所述超声波激振器与超声波发射装置连接；
步骤S32、打开所述超声波发射装置，所述超声波发射装置促使所述超声波激振器产生超声波，所述超声波空化管内的水分子发生震动并产生气泡，直至所述超声波空化管发生爆破。
在如上所述的提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，优选，所述超声波空化管与所述致裂管的直径和长度尺寸相同。
在如上所述的提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，优选，所述超声波空化管内的装水量的水面高度与所述铀矿层厚度的上层面相同。
在如上所述的提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，优选，所述步骤S32中超声波发射装置采用的超声波频率为40kHz。
在如上所述的提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，优选，所述钻孔设置有多个，相邻所述钻孔之间的间距为80-100m。
在如上所述的提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，优选，所述固体支撑剂为钢珠、陶粒或石英砂。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
本发明首先运用实施含支撑剂的液态二氧化碳相变致裂技术对低渗透砂岩型铀矿层渗透性进行第一次增加渗透性，再次施加辅助超声波空化作用对已进行第一次增加渗透性的低渗透砂岩型铀矿层渗透性进行第二次增加渗透性，在不完全破坏低渗透砂岩型铀矿层结构的前提下，尽可能的增加整体渗透性，达到提高低渗透性砂岩铀矿层渗透性和铀浸出率的效果。
本发明的采铀方法采用含支撑剂的液态二氧化碳相变致裂技术并结合超声波空化效应的联合作用，用以提高低渗透砂岩型铀矿层的整体渗透性能，最后再运用地浸开采方法对铀矿层进行采铀，提高铀浸出率和采铀生产效率，缩短试验周期，使低渗透砂岩型铀矿资源得以顺利开采和利用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明实施例的超声波空化管在铀矿层内的位置示意图。
图中：1、地表；2、超声波空化管；3、水；4、铀矿层。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系是为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
根据本发明的实施例，提供了一种提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，包括以下步骤：
步骤S1、详细勘察地质条件，确定待开采低渗透砂岩型铀矿层4的具体位置，从地表1至铀矿层4长度方向布置多个钻孔，以便后续对铀矿层4实施含支撑剂的液态二氧化碳相变致裂，进行第一次增加渗透性处理；在本发明的具体实施例中，钻孔设置有多个，相邻两个钻孔之间的间距为80-100m，钻孔的深度为铀矿层的厚度的最深处。
步骤S2、第一次增加渗透性处理：
通过钻孔对铀矿层4实施含支撑剂的液态二氧化碳相变致裂，进行第一次增加渗透性处理，具体步骤包括：
步骤S21、充装液态二氧化碳和添加固体支撑剂：
采用液态二氧化碳充装台及连接设备，在本发明的具体实施例中，选用的致裂管为可重复性致裂管，将液态二氧化碳充装在可重复性致裂管中，并通过连接设备向可重复性致裂管内添加固体支撑剂，将可重复性致裂管和固体支撑剂运输至钻孔附近，然后对盛装有固体支撑剂的可重复性致裂管进行埋设。
在本发明的具体实施例中，固体支撑剂为钢珠，当然在其他实施例中固体支撑剂也可以是陶粒或石英砂。
在本发明的具体实施例中，固体支撑剂的用量占可重复性致裂管的容积为四分之一，结合实际操作可行性，将固体支撑剂的用量确定为致列管容积的四分之一，以便于爆破的二氧化碳气体充分与之混合。
步骤S22、含支撑剂的液态二氧化碳相变致裂：
液态二氧化碳通过充装台被装入进可重复性致裂管内部封装，可重复性致裂管为金属管，致裂管的管内压强为8-10MPa，在安全距离范围外，使用电池电压(9V)触发起爆器对可重复性致裂管加热，对致裂管进行瞬间加热并使其温度达到31.2℃，内部液态二氧化碳瞬间气化，容积膨胀扩大，可重复性致裂管中压力急剧增大，压力瞬间达到160-270MPa，直至高压气体冲破可重复性致裂管端部的定压剪切片并通过卸能头的出气孔释放，瞬间产生的强大冲击力，沿岩体的自然裂隙或冲击导致的裂缝喷射，并将其推离主体，从而达到爆破致裂的目的。
步骤S3、第二次增加渗透性处理：
对步骤S2中施加过第一次增加渗透性处理后的铀矿层4施加超声波空化作用，进行第二次增加渗透性处理，具备步骤包括：
步骤S31、安装超声波发射装置：
在超声波空化管2内充装水3，然后将超声波空化管2放置在钻孔内，如图1所示，超声波空化管2的底部与钻孔的深度一致，在超声波空化管2 上端开口安装超声波激振器，通过连接线将超声波激振器与超声波发射装置连接，以便通过超声波发射装置激发产生持续性稳定的超声波。
在本发明的具体实施例中，超声波空化管2与可重复性致裂管的直径和长度尺寸相同，便于将超声波空化管2和可重复性致裂管放入钻孔内；超声波空化管2为普通金属管，可重复性致裂管和超声波空化管2的长度与钻孔的长度相同，可重复性致裂管和超声波空化管2的直径与钻孔的孔径相同。
在本发明的具体实施例中，超声波空化管2内装水3量的水面高度与铀矿层4厚度的上层面相同，以便对铀矿层4厚度内进行充分爆破，即第二次增加渗透性处理更充分彻底。
步骤S32、超声波空化效应：
打开超声波发射装置，超声波发射装置促使超声波激振器产生持续性稳定的超声波，超声波发射装置采用的超声波频率为40kHz，在此频率下超声波空化管2内水分子发生震动并产生无数微小气泡，超声波发射装置持续工作直至气泡发生爆破，待其产生空化作用后停止产生超声波。
水分子气泡沿超声波传播方向在负压区形成、生长，并在正压区迅速闭合而产生上千个大气压的瞬间高压而爆破，形成无数微观高压冲击波作用于超声波空化管2表面并冲出，巨大的冲击力再次对岩体的自然裂隙或冲击导致的裂缝喷射，此即超声波与液体发生的“空化效应”，通过施加超声波空化效应，对低渗透砂岩型铀矿层4渗透性进行了第二次增加渗透性处理。
步骤S4、对步骤S3中施加过第二次增加渗透性处理后的铀矿层4进行地浸开采。
根据勘探的铀矿层4的矿物情况，将浸出剂注入经过第二次增加渗透性处理后的铀矿层4，与待开采矿物发生反应，溶解矿石中的铀，然后将反应后的含铀溶浸液抽取至地表外，抽取出的含铀溶浸液即抽注液，送进回收车间进行离子交换、淋洗、沉淀、压滤，干燥，最终得到高纯铀。
在地浸开采过程中，根据铀矿层4中的碳酸盐矿物中CO2含量来选取不同的浸出剂，通常碳酸盐矿物含量中以CO2计＜2％时，采用酸法(H2SO4、 HCl、HNO3中的一种)配置浸出剂地浸采铀；当碳酸盐矿物含量以CO2计≥ 2％时，采用碱法配置浸出剂(Na2CO3和NaHCO3的混合物、(NH4)2CO3和 NH4HCO3的混合物)、中性(CO2+O2)时采用两种地浸采铀工艺之一浸出采铀。
实施例1
内蒙古某低渗透砂岩型铀矿床的铀品位为0.0242％，铀矿石渗透系数为 0.763～0.951m/d；对该地进行地浸采铀过程具体步骤如下：
(1)确定低渗透砂岩型铀矿层4的位置后对其进行钻孔开采，在可重复性致裂管内加入固体支撑剂陶粒颗粒，然后在可重复性致裂管内充装入液态二氧化碳，其利用起爆器对可重复性致裂管加热，直至液态二氧化碳相变气化，对铀矿层4矿物致裂，利用相变致裂技术对铀矿层4进行第一次增加渗透性处理；
安装超声波发射装置，在超声波空化管2内加装水3，并在超声波空化管2上端安装超声波激振器，超声波激振器与超声波发射装置连接，对水3分子进行激振，促使其发生超声波空化作用，对铀矿层4进行第二次增加渗透性处理，用以提高低渗透砂岩型铀矿层4的整体渗透性能。
(2)根据本矿床地质特征，确定酸法地浸采铀技术路线，酸化期采用质量浓度为0.5％H2SO4作为浸出剂，浸出期采用质量浓度为1％H2SO4作为浸出剂；
(3)酸化期抽注液流量为5～7m3/h，历时30天。
(4)浸出期抽注液流量为8～10m3/h，浸出液铀浓度达到峰值浓度 80mg/L，历时22天；浸出液铀浓度降至7mg/L，历时80天。
(5)最终渣中铀品位为0.0060％，浸出率为82.9％，试验期间矿层渗透性能明显改善，相比于不进行第一次增加渗透性处理和第二次增加渗透性处理的铀矿层4本实施例中的平均渗透系数提高了46.5％，抽注液压力得到缓解，浸出试验周期相比不进行增渗处理的缩短了20％。
实施例2
内蒙古某低渗透砂岩型铀矿床的铀品位为0.0527％，铀矿石渗透系数为为0.165～0.312m/d；对该地进行地浸采铀过程具体步骤如下：
(1)同实施例1中采用相同的第一次增加渗透性处理和第二次增加渗透性处理方式，利用含固体支撑剂钢珠的液态二氧化碳相变致裂技术并辅助超声波空化作用综合作用，提高低渗透砂岩型铀矿层4的整体渗透性能。
(2)根据本矿床地质特征，确定酸法地浸采铀技术路线，酸化期采用质量浓度为0.4％H2SO4作为浸出剂，浸出期采用质量浓度为0.6％H2SO4作为浸出剂；
(3)酸化期抽注液流量为2～3m3/h，历时30天。
(4)浸出期抽注液流量为4～6m3/h，浸出液铀浓度达到峰值浓度 55mg/L，历时25天；浸出液铀浓度降至4mg/L，历时60天。
(5)最终渣中铀品位为0.0141％，浸出率为82.9％，试验期间矿层渗透性能明显改善，相比于不进行第一次增加渗透性处理和第二次增加渗透性处理的铀矿层4，本实施例中的平均渗透系数提高了86.5％，抽注液压力得到显著缓解，浸出试验周期相比不进行增渗处理的缩短了30％。
综上所述：低渗透砂岩型铀矿层受矿层结构影响，渗透性差，溶浸液流动阻力大，毛细管现象突出，小范围内铀矿层难以捕获，且浸出剂容易堵塞矿层，地浸采铀成本高、开采速度慢；本发明通过液态二氧化碳相变致裂处理和超声波空化效应的联合作用，对低渗透砂岩型铀矿层进行两次增加渗透性处理，在不完全破坏低渗透砂岩型铀矿层结构的前提下，尽可能的增加整体渗透性，又可以快速解决矿层堵塞问题，达到提高低渗透性砂岩铀矿层渗透性和采铀浸出率的效果；同时缩短了开采周期，使低渗透砂岩型铀矿资源得以顺利开采和利用。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、勘察地质条件，确定待开采低渗透砂岩型铀矿层的具体位置，在地表至铀矿层的长度方向上布置钻孔；
钻孔的深度为铀矿层的厚度的最深处；
步骤S2、通过钻孔对铀矿层实施含支撑剂的液态二氧化碳相变致裂，进行第一次增加渗透性处理；
所述步骤S2中对铀矿层进行第一次增加渗透性处理的具体步骤包括：
步骤S21、将液态二氧化碳充装在致裂管中，并向所述致裂管中添加固体支撑剂，将盛装有固体支撑剂的所述致裂管放置在所述钻孔内，并进行埋设；
步骤S22、对所述致裂管加热，使液态二氧化碳气化后容积膨胀，气态二氧化碳冲出所述致裂管并释放，产生爆破致裂；
所述步骤S22中利用起爆器对所述致裂管进行加热；
所述固体支撑剂占所述致裂管的容积的四分之一；
步骤S3、对步骤S2中施加过第一次增加渗透性处理后的铀矿层施加超声波空化作用，进行第二次增加渗透性处理；
步骤S31、在超声波空化管内加装水，将所述超声波空化管放置在所述钻孔内，并在所述超声波空化管上端安装超声波激振器，所述超声波激振器与超声波发射装置连接；
步骤S32、打开所述超声波发射装置，所述超声波发射装置促使所述超声波激振器产生超声波，所述超声波空化管内的水分子发生震动并产生气泡，直至所述超声波空化管发生爆破；
所述超声波空化管与所述致裂管的直径和长度相同；
所述超声波空化管内的装水量的水面高度与所述铀矿层厚度的上层面相同；
所述步骤S32中超声波发射装置采用的超声波频率为40kHz；
步骤S4、将浸出剂注入步骤S3中经过第二次增加渗透性处理后的铀矿层，与待开采矿物发生反应，溶解矿石中的铀，然后将反应后的含铀溶浸液抽取并提纯，得到纯铀。
2.如权利要求1所述的提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，其特征在于，所述步骤S21中致裂管的管内压强为8-10MPa。
3.如权利要求1所述的提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，其特征在于，所述钻孔设置有多个，相邻所述钻孔之间的间距为80-100m。
4.如权利要求1所述的提高低渗透砂岩型铀矿层渗透性的安全高效采矿方法，其特征在于，所述固体支撑剂为钢珠、陶粒或石英砂。
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