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摘要：本文主要是针对砂岩型铀矿床低渗透性的特点，对矿床渗透性的影响因素进行分析，并在此分析的基础上提出改善矿床渗透性的研究方法，为砂岩型铀矿床的浸铀试验提供理论基础。
关键字：砂岩铀矿低渗透性影响因素
Abstract: This paper is mainly aimed at sandstone type uranium deposits in low permeability characteristics, ore permeability influence factors are analyzed, and based on this analysis is put forward to improve the deposit permeability study method, for sandstone type uranium deposit and uranium leaching test provides a theoretical basis.
Keywords: low permeability influence factors of sandstone type uranium deposits
中图分类号：O741+.2 文献标识码：A 文章编号：
1引言
砂岩型铀矿多采用原地浸出的方法进行开采，渗透系数是评价矿床是否适宜于地浸开采的最重要的因素。一般地讲，矿石渗透性好，溶浸液与矿石的接触充分，铀易于浸出，铀的浸出率高，且钻孔的抽注液流量大，生产能力高[1]。反之，矿石的渗透性差，则铀的浸出率低，钻孔的生产能力小。
鉴于目前强大的铀资源需求形式以及理论上对于某些矿段有相应的科学方法，提高砂岩型铀矿的含矿层渗透能力是十分必要的。如果室内提高含矿层砂岩的渗透能力试验成功，将会在一定程度上丰富和完善地浸采铀理论和方法，将为野外改善低渗透性砂岩含矿层试验提供重要的理论和工艺基础，而且对于低渗透性的砂岩型铀矿的规模开采将具有重要的借鉴作用。总结起来有三个方面的原因和意义：提高自身渗透性低矿床的渗透能力；提高虽然卷头适宜地浸开采但翼部不适宜开采或适宜能力低下的卷状矿体；提高本身渗透性适宜开采的矿床的渗透性，进一步提高铀矿开采和生产能力，提高经济效益。
2砂岩型铀矿床渗透性研究
2.1低渗透矿层的特征
对我国低渗透砂岩型铀矿床进行分析，可发现该类矿床矿层结构十分复杂，有的矿床矿石中粘土含量高，如二连盆地某铀矿床、云南某铀矿床等，粘土质量分数达30%以上；有的矿床矿层中含有粘土夹层或钙质胶结层，把矿层分割成多层，导致浸出时水力学特征更加复杂，如伊宁铀矿矿床Ⅲ、内蒙某铀矿床等，不渗透矿石夹层占整个矿层20%以上；还有的矿床矿层各向渗透性差异较大，高品位矿石往往赋存于渗透性较差的岩层中，并有钙质胶结层控矿和泥岩层控矿的现象。
2.2砂岩成岩作用及渗透性
碎屑物沉积后转变为沉积岩要经过一系列变化，主要包括压实和压溶作用、胶结和交代作用、重结晶作用、溶解作用等。对灰色岩层来讲，表现较为有特征的是压实作用、石英次生加大（压溶作用）、自身黏土化（胶结作用）、黄铁矿、菱铁矿化。最终形成了硅质、碳酸盐质、铁质、泥质胶结等，因此也就决定了岩石的孔隙度和渗透性。硅质、碳酸盐、铁质胶结都使砂岩变得致密坚硬，渗透性极差，甚至不渗透，不具备砂岩型铀矿床形成的条件。而泥质胶结则情况不同，泥质胶结中自生黏土矿物在砂岩中起着缩小孔隙的作用，如伊利石、绿泥石、蒙脱石和伊蒙混层黏土大多变成颗粒包膜，并以孔隙衬边形式产出，易于堵塞孔隙喉道，对砂岩渗透性起破坏作用[4]。但自生高岭石粒度较粗、结晶较好，以充填孔隙形式产出，在高岭石粒间仍可保留微孔隙，因而对渗透性影响较小，甚至可增加渗透性。
3地浸工艺中含矿层渗透性的影响因素
对我国低渗透砂岩型铀矿床进行分析，可发现砂岩型铀矿床矿层结构十分复杂，有的矿床矿层中含有粘土夹层或钙质胶结层，把矿层分割成多层，导致浸出时水力学特征更加复杂，不渗透矿石夹层占整个矿层20%以上；有的矿床矿石中粘土含量高，粘土质量分数达30%以上；还有的矿床矿层各向渗透性差异较大，高品位矿石往往赋存于渗透性较差的岩层中，并有钙质胶结层控矿和泥岩层控矿的现象。综合考虑以上情况，对几种地浸工艺中常见的影响含矿层渗透性的因素详述如下：
3.1夹层和隔层的物理性质
在层间氧化带砂岩型铀矿开采过程中，流体发挥着重要作用。含矿含水层作为一个承压的流动单元，其中的隔层、夹层是影响流体流动的主要因素之一。夹層一般为透镜状钙质岩层和泥岩，夹层也可以形成局部隔水层。特别是钙质砂岩在铀矿地浸过程中，对流体流动单元产生较大的影响：一是对流动单元流体流动产生影响，改变流体的流动方向和流域以及波及范围；二是碳酸盐岩在酸法地浸开采中易形成严重的气堵（CO2）和化学堵塞（CaS04），降低渗透率。隔、夹层的物性导致局部孔隙度、渗透率降低，影响流体流动的流动方向和流域以及波及范围，从而影响砂岩型铀矿含矿层的渗透性。
3.2注水压力
运用砂岩高压三轴加载装置和渗透压加载装置，对砂岩进行固定应力变渗透水压力试验，同时借助SOMATOMPLUS螺旋CT扫描机进行实时观测。据大量实验数据及拟合，从CT尺度上得出渗透率与注水压力的关系式：
K=alnp+k0…………………………………………式（1）
式中k为渗透率（m2）；a为待定系数；k0为初始渗透率；p为注水压力。
从公式（1）可看出：砂岩的渗透率随渗透水压力的增加而增大，渗透系数随渗透水压力的变化呈对数关系，这是由于渗透水压力使砂岩内部空隙发生变形。因而地浸工艺中适当的增加注水压力，有利于铀的浸出，过低的水压力，严重影响砂岩的渗透性。
3.3地下水矿化度
按独联体的标准，含矿含水层地下水矿化度小于5g/L的砂岩铀矿床才可以被认为是可地浸砂岩型铀矿床。地下水的溶解和沉淀作用，可用地下水水化学研究中应用最多的一个指标饱和指数（SI）来判断。为了研究地下水天然水与矿物的平衡状态，帕希思1972年提出不平衡指数，后人该称为饱和指数，其计算公式如下：
SI=log(Q/K) ………………………………………式（2）
式中，K——平衡常数；Q——水中离子活度积。
对各种景观地下水中碳酸盐不平衡指数及其与矿化度的关系分析可知：碳酸钙在矿化度较低的天然水中经常处于不平衡状态，当矿化度大于0.6g/L时，碳酸盐不平衡指数将小于零，即将发生碳酸盐沉淀，从而降低含矿层的渗透性。
4低渗透性砂岩铀矿地浸的对策研究
4.1表面活性剂提高地浸采铀渗透性的初步研究
溶液本身存在表面张力，因而在微小孔隙和裂隙中溶浸液的渗透速率会显著降低甚至难以渗透，从而降低溶浸液流动速率甚至形成“溶浸死区”，严重影响生产效率、浸出率和资源回收率。如果在溶浸液中加入某种非离子表面活性剂可以显著降低溶浸液的表面张力，进而改善其润湿性能，那么就可以使溶浸液快速渗透到以前所不能进入的微小孔隙和裂隙中，使溶浸液与矿石快速充分接触，起到提高矿体渗透性的作用，进而提高矿石的浸出率和生产效率。
4.2酸化技术
国外对于提高岩层渗透性方面的研究多集中于油气储存，包括压裂改造技术改善其储层渗透性，酸化工艺技术改善其储层渗透性，增压注水调剖技术改善其储层渗透性，气动力深穿透增油增注技术改善其储层渗透等措施（John L，Gidley G，1996），对于铀矿开采而言，含矿段一般为疏松砂岩或次疏松砂岩，即使铜矿开采中的微水力压裂都是不值得可取的，酸化则具有一定的借鉴作用，只是对于适合与碱法开采或近中性条件开采的砂岩型铀矿具有较大的局限作用，有可能引起某些矿床产生石膏堵塞等情况。近年来随着环境保护技术的发展，国外发达国家为减少二氧化碳向大气中排放量，直接将二氧化碳注入碳酸盐岩层中，明显提高了孔隙度，进而改善了岩层的渗透能力。
4.3高压气体脉冲
以高压气体脉冲提高矿石的渗透性在乌兹别克国有较广泛的应用，该方法可以改善溶浸剂与矿石的接触，可提高钻孔涌水量达数倍以上。在松辽盆地某铀矿床地浸开采时，乌兹别克专家采用该方法已经取得了较好的效果，单孔涌水量达20m3/h以上。
参考文献：
[1]乔海明，张复新等，吐哈盆地十红滩铀矿床的水文地质特征及矿床成因分析[J]．地质论评，2005，51（3），257～263
[2]朱西养，汪云亮，王志畅，等．东胜砂岩型铀矿微量元素地球化学特征初探[J]．地质地球化学，2003．(02)
[3]刘卫群，缪协兴，陈占清．破碎岩石渗透性的试验测定方法[J]．实验力学，2003，18(1)：56～6
[4]陈占清，缪协兴．影响岩石渗透率的因素分析[J]．矿山压力与顶板管理，2001，(2)：83～86．
[5]Bhat，S．K．，Kovscek，A．R．：Statistical network theory of silica deposition and dissolution in diatomite．In Situ 23，21～53 (1999)
[6]A．B．Khalezov et al．，“Ore-Controlling Epigenetic Zonation at the Dalmatovsk Deposit，” in aterials on the Geology of Uranium Deposits (VIMS，Moscow，1983)，Issue 77，pp．169～176．
关键字：砂岩铀矿低渗透性影响因素
Abstract: This paper is mainly aimed at sandstone type uranium deposits in low permeability characteristics, ore permeability influence factors are analyzed, and based on this analysis is put forward to improve the deposit permeability study method, for sandstone type uranium deposit and uranium leaching test provides a theoretical basis.
Keywords: low permeability influence factors of sandstone type uranium deposits
中图分类号：O741+.2 文献标识码：A 文章编号：
1引言
砂岩型铀矿多采用原地浸出的方法进行开采，渗透系数是评价矿床是否适宜于地浸开采的最重要的因素。一般地讲，矿石渗透性好，溶浸液与矿石的接触充分，铀易于浸出，铀的浸出率高，且钻孔的抽注液流量大，生产能力高[1]。反之，矿石的渗透性差，则铀的浸出率低，钻孔的生产能力小。
鉴于目前强大的铀资源需求形式以及理论上对于某些矿段有相应的科学方法，提高砂岩型铀矿的含矿层渗透能力是十分必要的。如果室内提高含矿层砂岩的渗透能力试验成功，将会在一定程度上丰富和完善地浸采铀理论和方法，将为野外改善低渗透性砂岩含矿层试验提供重要的理论和工艺基础，而且对于低渗透性的砂岩型铀矿的规模开采将具有重要的借鉴作用。总结起来有三个方面的原因和意义：提高自身渗透性低矿床的渗透能力；提高虽然卷头适宜地浸开采但翼部不适宜开采或适宜能力低下的卷状矿体；提高本身渗透性适宜开采的矿床的渗透性，进一步提高铀矿开采和生产能力，提高经济效益。
2砂岩型铀矿床渗透性研究
2.1低渗透矿层的特征
对我国低渗透砂岩型铀矿床进行分析，可发现该类矿床矿层结构十分复杂，有的矿床矿石中粘土含量高，如二连盆地某铀矿床、云南某铀矿床等，粘土质量分数达30%以上；有的矿床矿层中含有粘土夹层或钙质胶结层，把矿层分割成多层，导致浸出时水力学特征更加复杂，如伊宁铀矿矿床Ⅲ、内蒙某铀矿床等，不渗透矿石夹层占整个矿层20%以上；还有的矿床矿层各向渗透性差异较大，高品位矿石往往赋存于渗透性较差的岩层中，并有钙质胶结层控矿和泥岩层控矿的现象。
2.2砂岩成岩作用及渗透性
碎屑物沉积后转变为沉积岩要经过一系列变化，主要包括压实和压溶作用、胶结和交代作用、重结晶作用、溶解作用等。对灰色岩层来讲，表现较为有特征的是压实作用、石英次生加大（压溶作用）、自身黏土化（胶结作用）、黄铁矿、菱铁矿化。最终形成了硅质、碳酸盐质、铁质、泥质胶结等，因此也就决定了岩石的孔隙度和渗透性。硅质、碳酸盐、铁质胶结都使砂岩变得致密坚硬，渗透性极差，甚至不渗透，不具备砂岩型铀矿床形成的条件。而泥质胶结则情况不同，泥质胶结中自生黏土矿物在砂岩中起着缩小孔隙的作用，如伊利石、绿泥石、蒙脱石和伊蒙混层黏土大多变成颗粒包膜，并以孔隙衬边形式产出，易于堵塞孔隙喉道，对砂岩渗透性起破坏作用[4]。但自生高岭石粒度较粗、结晶较好，以充填孔隙形式产出，在高岭石粒间仍可保留微孔隙，因而对渗透性影响较小，甚至可增加渗透性。
3地浸工艺中含矿层渗透性的影响因素
对我国低渗透砂岩型铀矿床进行分析，可发现砂岩型铀矿床矿层结构十分复杂，有的矿床矿层中含有粘土夹层或钙质胶结层，把矿层分割成多层，导致浸出时水力学特征更加复杂，不渗透矿石夹层占整个矿层20%以上；有的矿床矿石中粘土含量高，粘土质量分数达30%以上；还有的矿床矿层各向渗透性差异较大，高品位矿石往往赋存于渗透性较差的岩层中，并有钙质胶结层控矿和泥岩层控矿的现象。综合考虑以上情况，对几种地浸工艺中常见的影响含矿层渗透性的因素详述如下：
3.1夹层和隔层的物理性质
在层间氧化带砂岩型铀矿开采过程中，流体发挥着重要作用。含矿含水层作为一个承压的流动单元，其中的隔层、夹层是影响流体流动的主要因素之一。夹層一般为透镜状钙质岩层和泥岩，夹层也可以形成局部隔水层。特别是钙质砂岩在铀矿地浸过程中，对流体流动单元产生较大的影响：一是对流动单元流体流动产生影响，改变流体的流动方向和流域以及波及范围；二是碳酸盐岩在酸法地浸开采中易形成严重的气堵（CO2）和化学堵塞（CaS04），降低渗透率。隔、夹层的物性导致局部孔隙度、渗透率降低，影响流体流动的流动方向和流域以及波及范围，从而影响砂岩型铀矿含矿层的渗透性。
3.2注水压力
运用砂岩高压三轴加载装置和渗透压加载装置，对砂岩进行固定应力变渗透水压力试验，同时借助SOMATOMPLUS螺旋CT扫描机进行实时观测。据大量实验数据及拟合，从CT尺度上得出渗透率与注水压力的关系式：
K=alnp+k0…………………………………………式（1）
式中k为渗透率（m2）；a为待定系数；k0为初始渗透率；p为注水压力。
从公式（1）可看出：砂岩的渗透率随渗透水压力的增加而增大，渗透系数随渗透水压力的变化呈对数关系，这是由于渗透水压力使砂岩内部空隙发生变形。因而地浸工艺中适当的增加注水压力，有利于铀的浸出，过低的水压力，严重影响砂岩的渗透性。
3.3地下水矿化度
按独联体的标准，含矿含水层地下水矿化度小于5g/L的砂岩铀矿床才可以被认为是可地浸砂岩型铀矿床。地下水的溶解和沉淀作用，可用地下水水化学研究中应用最多的一个指标饱和指数（SI）来判断。为了研究地下水天然水与矿物的平衡状态，帕希思1972年提出不平衡指数，后人该称为饱和指数，其计算公式如下：
SI=log(Q/K) ………………………………………式（2）
式中，K——平衡常数；Q——水中离子活度积。
对各种景观地下水中碳酸盐不平衡指数及其与矿化度的关系分析可知：碳酸钙在矿化度较低的天然水中经常处于不平衡状态，当矿化度大于0.6g/L时，碳酸盐不平衡指数将小于零，即将发生碳酸盐沉淀，从而降低含矿层的渗透性。
4低渗透性砂岩铀矿地浸的对策研究
4.1表面活性剂提高地浸采铀渗透性的初步研究
溶液本身存在表面张力，因而在微小孔隙和裂隙中溶浸液的渗透速率会显著降低甚至难以渗透，从而降低溶浸液流动速率甚至形成“溶浸死区”，严重影响生产效率、浸出率和资源回收率。如果在溶浸液中加入某种非离子表面活性剂可以显著降低溶浸液的表面张力，进而改善其润湿性能，那么就可以使溶浸液快速渗透到以前所不能进入的微小孔隙和裂隙中，使溶浸液与矿石快速充分接触，起到提高矿体渗透性的作用，进而提高矿石的浸出率和生产效率。
4.2酸化技术
国外对于提高岩层渗透性方面的研究多集中于油气储存，包括压裂改造技术改善其储层渗透性，酸化工艺技术改善其储层渗透性，增压注水调剖技术改善其储层渗透性，气动力深穿透增油增注技术改善其储层渗透等措施（John L，Gidley G，1996），对于铀矿开采而言，含矿段一般为疏松砂岩或次疏松砂岩，即使铜矿开采中的微水力压裂都是不值得可取的，酸化则具有一定的借鉴作用，只是对于适合与碱法开采或近中性条件开采的砂岩型铀矿具有较大的局限作用，有可能引起某些矿床产生石膏堵塞等情况。近年来随着环境保护技术的发展，国外发达国家为减少二氧化碳向大气中排放量，直接将二氧化碳注入碳酸盐岩层中，明显提高了孔隙度，进而改善了岩层的渗透能力。
4.3高压气体脉冲
以高压气体脉冲提高矿石的渗透性在乌兹别克国有较广泛的应用，该方法可以改善溶浸剂与矿石的接触，可提高钻孔涌水量达数倍以上。在松辽盆地某铀矿床地浸开采时，乌兹别克专家采用该方法已经取得了较好的效果，单孔涌水量达20m3/h以上。
参考文献：
[1]乔海明，张复新等，吐哈盆地十红滩铀矿床的水文地质特征及矿床成因分析[J]．地质论评，2005，51（3），257～263
[2]朱西养，汪云亮，王志畅，等．东胜砂岩型铀矿微量元素地球化学特征初探[J]．地质地球化学，2003．(02)
[3]刘卫群，缪协兴，陈占清．破碎岩石渗透性的试验测定方法[J]．实验力学，2003，18(1)：56～6
[4]陈占清，缪协兴．影响岩石渗透率的因素分析[J]．矿山压力与顶板管理，2001，(2)：83～86．
[5]Bhat，S．K．，Kovscek，A．R．：Statistical network theory of silica deposition and dissolution in diatomite．In Situ 23，21～53 (1999)
[6]A．B．Khalezov et al．，“Ore-Controlling Epigenetic Zonation at the Dalmatovsk Deposit，” in aterials on the Geology of Uranium Deposits (VIMS，Moscow，1983)，Issue 77，pp．169～176．