砂岩铀矿地浸开采“高压CO2和O2－地下水－岩石矿物”相互作用研究

During the in-situ leaching process with high pressure CO2 and O2 at Mengqiguer uranium deposit, a sandstone type deposit characterized by strong carbonate, strong sulfide and great depth, the interaction between CO2, O2, groundwater and minerals not only makes the uranium being oxidized and then leached out from the ore , but also causes the erosion of carbonate and pyrite and then makes Ca, Mg, S, Fe and other elements continue to migrate to solution from minerals , causing calcium sulfate , calcium carbonate , and ferric iron precipitation and aquifer blockage. It is a big problem typically in the sandstone uranium deposits in northern China. Focusing on this problem, this project will make efforts to study the mechanism of interaction between higy pressure CO2 and O2, water and rock by field surveys , mineralogical studies , laboratory and field “high pressure CO2 + O2- groundwater - rock “reaction test , and geochemical and hydrodynamic simulations, and reveal the laws of U, C, O, S, Fe Ca, Mg and other elements migration in the three-phase system. The expected findings will not only provide theoretical foundation for the in-situ leaching technology innovation of mengqiguer deposits and other similar deposits, but also develop the theory of water -rock interaction under extreme conditions. The research work is of great practical and theoretical significance both for the uranium mining industry and the understanding of water-rock interaction.

新疆蒙其古尔矿床是一个强碳酸盐、强硫化物型大埋深砂岩铀矿床，在以CO2+O2工艺地浸过程中，高压CO2、O2溶入地下水作用于矿石，铀矿物被氧化溶解浸出，但也导致了碳酸盐溶蚀和黄铁矿氧化以致Ca、Mg、S、Fe等元素不断从固体矿物向溶液中迁移，引起硫酸钙、碳酸钙以及三价铁的沉淀和矿层堵塞，这在我国北方砂岩铀矿中具有一定代表性。为解决此难题，本项目以该矿床为基地，针对CO2+O2地浸过程中气、水、岩三相作用及元素迁移转化过程进行研究，通过野外调查、矿物分析、实验室和野外“高压CO2+O2－地下水－岩石”反应试验，及地球化学和水动力模拟，揭示U、C、O、S、Fe、Ca、Mg等元素在“高压CO2+O2-地下水-岩石”体系中迁移转化规律及水化学与水动力耦合机制。研究成果不仅可为推动蒙其古尔及类似矿床地浸技术创新提供理论基础，也将丰富和发展对极端条件下的水岩作用的认识，具有十分重要的理论和实践意义。

新疆蒙其古尔矿床因碳酸盐黄铁矿含量高，CO2+O2地浸过程中碳酸盐溶蚀和黄铁矿氧化导致Ca、Mg、S、Fe等元素不断从向溶液中迁移，引起化学沉淀和矿层堵塞。本项目针对该矿床CO2+O2地浸过程中水文地球化学作用过程按计划完成了野外调查、矿物分析、实验室和野外浸出试验以及渗流条件下多组分反应运移模拟研究。取得成果：（1）揭示了铀矿物及相关矿物的赋存特征；（2）CO2/O2比值是控制碳酸盐溶解-沉淀的关键因素，碳酸盐沉淀风险与CO2占比及其压力反相关；（3）S可持续向溶液迁移，主因是黄铁矿氧化，其中铁的氧化迁移程度可达35%~60%并形成铁沉淀而阻滞铀的迁移；（4）HCO3-、pH值和Eh是影响铀浸出的关键因素且受控于CO2和O2，研究表明溶液其它化学组分对铀的浸出没有明显影响，且K、Na、Mg、Al等元素迁移很弱；（5）铀向溶液扩散受粘土矿物以及氢氧化铁胶体的吸附阻滞，矿石介质对铀的平衡吸附量可达10.07~18.23 mg/g，平衡吸附量与液固比呈正相关关系，吸附过程符合粒内扩散模型；（6）浸出剂在运移途中化学势持续降低使Ca2+、SO2- 4、U累积速率下降并在到达运移终点（抽液孔）前趋于平衡，使地浸体系易形成以注液孔为中心的化学堵塞环且不断向抽液孔推进；（7）550～700mg/L的CO2可使体系获得900mg/L以上的HCO3-以满足浸铀需求，且能将pH值调控在6.3-6.5避免发生碳酸盐沉淀（临界pH值为6.7）；SO42-浓度1400mg/L是避免发生硫酸钙饱和的临界值，通过调节O2可加以控制。本项目从矿物、水动力和水化学方面综合揭示了CO2+O2地浸体系多组分迁移转化机制，成果已应用于蒙其古尔矿床地浸工艺优化。本项目实施期间，发表相关论文18篇,培养博士研究生2名和硕士研究生6名。