Подземное выщелачивание урана из месторождений пластового типа

Технологическая схема процесса подземного выщелачивания руды, залегающей в пластовых условиях, включает следующие операции: 1) проведение предварительных геологических и гидрогеологических исследований; 2) разбуривание выбранной залежи по определенной схеме (рудное тело разбивается на определенные участки с учетом падения пласта, направления естественного водного потока и пр.); 3) закачку раствора химического реагента и откачку урансодержащих растворов; 4) переработку продукционных растворов; 5) доукрепление отработанных растворов реагентом и возврат в пласт на выщелачивание. В такой схеме единственной горной, выработкой является скважина, устройство которой показано на рис. 6.1.

Наиболее приемлемыми для подземного выщелачивания являются проницаемые песчаные или песчано-глинистые залежи, расположенные в водоносном горизонте.

Наиболее целесообразной является линейная схема расположения скважин отдельными рядами с последовательно-стадийным осуществлением процесса подземного выщелачивания с переработкой продукционных растворов на сорбционной установке. Расстояние между рядами скважин выбирают в зависимости от времени, необходимого для насыщения пласта реагентом, что обусловлено проницаемостью рудоносного пласта, вещественным составом руды и вмещающих пород и кинетикой процесса. При применении раствора серной кислоты скважины обсаживаются полиэтиленовыми трубами. Скважины целесообразно иметь взаимозаменяемые, их

расположение в ряду в основном определяется геометрией рудного тела и профилем поверхности подстилающего упора (скважины должны проходить в низких точках — впадинах). Закачка растворителя осуществляется в краевой части месторождения (залежи), формирующиеся растворы движутся по ходу естественного потока к откачным скважинам.

После определенного времени насыщения пласта реагентом начинается выщелачивание полезного компонента. Когда основное количество металла будет на первом участке выщелочено, приступают к отработке второго участка, для чего закачку реагента переносят в откачные скважины первого участка, а откачку продукционных растворов осуществляют через новый ряд скважин, пробуренных на втором участке. В закачные скважины первого участка после его отработки подается вода для промывки пласта. Образующиеся бедные растворы соединяются с общим потоком, формирующимся по направлению к откачным скважинам второго участка.

Продукционные растворы перерабатываются на сорбционной установке, после чего отработанные растворы возвращаются в цикл подземного выщелачивания. Полнота извлечения урана из рудного тела определяется в основном следующими факторами: 1) степенью извлечения урана в раствор реагента, обусловленной возможностями контакта растворителя с частицами минерала (определяется пористостью пласта и условиями движения в нем химического раствора), и скоростью химического взаимодействия растворителя и минерала; 2) полнотой выдачи продукционного урансодержащего раствора из пласта на перерабатывающую установку, определяемой потерями этого раствора с потоком подземных вод и удержанием его породой, т. е. неполным вытеснением из пор и капилляров. При подземном выщелачивании в пластовых условиях исключаются все операции горного дела: проходка шахт, организация карьеров, разрушение рудных массивов, выемка руды, ее измельчение и т. п. — и производится одна операция — бурение и оборудование скважин. В связи с этим капитальные затраты на выпуск 1 кг урана при подземном выщелачивании руды снижаются в несколько раз (в 2—2,5 раза) по сравнению с затратами по обычному горнометаллургическому комплексу. При этом значительно повышается производительность труда и коренным образом изменяются и улучшаются условия работы обслуживающего персонала.

Число производственных операций по сравнению с традиционным способом добычи руды сокращается до 8 вместо 17 (при подземной добыче) и 16 (при открытой добыче). Согласно расчетам зарубежных специалистов, расходы на строительство комплекса по производству концентратов снижаются на 60—90%, при этом срок освоения месторождения также сокращается на 60—70%.

Срок освоения месторождения имеет большое значение с точки зрения стоимости производства концентратов. В табл. 6.1 приводятся некоторые экономические данные по добыче урана подземным выщелачиванием и обычным способом с переработкой руды на заводе. Расчеты произведены с учетом того, что работы по вводу предприятий были начаты в 1975 г.

В табл. 6.2 приведены основные расчетные данные по капиталовложениям и стоимости производства концентратов на предприятиях, указанных в табл. 6.1.

Установка «Клей Уэст» расположена на площади 1,4 га. На этом участке пробурено 66 нагнетательных и 46 откачных скважин (46 ячеек) (рис. 6.2). Откачные скважины пробурены в центре квадрата, в углах которого размещены нагнетательные скважины. Расстояние между нагнетательными скважинами 15 м. Средняя глубина скважин 135 м. Нагнетательные скважины обсажены полихлорвиниловыми трубами диаметром 100 мм, откачные трубы — полихлорвиниловыми трубами диаметром 152 мм. В забое откачных скважин установлены насосы погружного типа. Все скважины оборудованы фильтрами, что позволяет извлекать продукционные растворы с минимальным содержанием твердых частиц. Использование полихлорвиниловых обсадных груб способствует уменьшению до минимума коррозии, что, в свою очередь, будет препятствовать закупорке нагнетательных скважин и загрязнению конечного продукта.

Откачные скважины соединены коллекторами с магистральным полихлорвиниловым трубопроводом диаметром 305 мм, длиной 1800 м, по которому продукционный раствор с концентрацией урана 20—200 мг/л подается на извлечение урана сорбционным методом. На рис. 6.3 показан разрез нагнетательной и откачной скважин.

По контуру участка, разрабатываемого подземным выщелачиванием, пробурены контрольные скважины, из которых регулярно отбираются пробы воды для обнаружения возможной миграции .выщелачивающего карбонатного раствора за пределы зоны выщелачивания. В процессе анализа определяют также общее количество твердых частиц, pH раствора и концентрацию урана. Откачка и закачка растворов — равнодебитные. Если выщелачивающий раствор будет обнаружен в контрольной скважине, нагнетание раствора в соответствующих ячейках зоны будет производиться в уменьшенном объеме, в то время как откачка останется на прежнем уровне до исчезновения раствора в контрольной скважине. В контрольном помещении имеются центральный щит, регулирующие расходомеры, и ежесуточно проводится проверка для обеспечения равнодебитной откачки и закачки растворов в течение суток. Скорость циркуляции раствора 7,6 м3/мин.

Для удовлетворительного выщелачивания урана необходим окислитель. Процесс окисления обеспечивается подачей кислорода в пласт или добавлением перекиси водорода в выщелачивающий раствор в количестве 0,5—5 г/л раствора; pH выщелачивающего раствора 7,4—9.

Расстояние от ячеек до сорбционной установки составляет ~3 км. Продукционный раствор собирают в промежуточном чане объемом 3 м3 и затем перекачивают на сорбционную установку, где его пропускают через колонну с угольным фильтром для удаления ила из раствора и подают в ионообменные колонны для извлечения урана (сорбент — смола типа «амберлит»). Периодически подача раствора в колонны прекращается и производится десорбция урана со смолы раствором NaCl. Регенерат (содержание урана до 10 г/л) пропускают через колонну с древесным углем для удаления примесей, включая молибден, а затем направляют в чаны для осаждения аммиаком. Всего имеется шесть колонн. Пульпу химического концентрата сгущают (в деревянном чане-осветлителе), фильтруют, сушат и затаривают в барабаны для отправки на завод по производству гексафторида. Рассматривается возможность попутного извлечения молибдена в будущем. Удаление молибдена из древесного угля производят периодической промывкой гидроокисью натрия. Сушилка типа шнекового транспортера обогревается рубашкой, через которую циркулирует нагретое масло. Теплопередающую среду — масло — нагревают в печи, отапливаемой пропаном. Одним из преимуществ сушилки является минимальное выделение пыли. Отходящие из сушилки тазы очищают в две ступени в мокром скуббере.

Раствор после извлечения из него урана доукрепляют реагентами и возвращают в зону выщелачивания по второму трубопроводу, от которого он распределяется по системе коллекторов в нагнетательные скважины. Все трубопроводы и коллекторы также изготовлены из полихлорвинила ввиду его коррозионной стойкости, более низкой стоимости, простоты изготовления и укладки.

Жидкие отходы удаляют в резервуары с коррозионно-стойкой футеровкой из полиэтилена. Объем резервуаров рассчитан таким образом, чтобы ежегодная скорость испарения была эквивалентна ежегодному объему образующихся химических отходов. Вместимость резервуаров рассчитана с учетом возможных сильных дождей и низкой скорости испарения. В ходе эксплуатации проводится тщательный анализ для уменьшения объема отходов. На рис. 6.4 показана технологическая схема установки.

Согласно существующему плану, после отработки месторождения загрязненные растворы из зоны выщелачивания будут закачаны в глубокую скважину для их захоронения. Это позволит свежей воде водоносного горизонта промыть зону выщелачивания и восстановить концентрацию природных ионов до первоначальных значений. Нагнетательные и откачные скважины будут заполнены цементом, а обсадные трубы — отрезаны. Весь участок засеян травой и за короткое время примет первоначальный вид.

Глубина каждой из двух скважин для удаления загрязненных растворов составит 1370 м. Скважины будут пробурены в песчанике формации Кокфилд олигоценового периода. В период восстановления водоносного горизонта после выщелачивания намечается откачка слабосоленой воды из зоны выщелачивания с максимальной вероятной концентрацией твердых частиц 2000 мг/л с дебитом 570 л/мин. Вода в песчаниках Кокфилд имеет более высокую соленость, чем закачиваемая вода.

Скважина диаметром 317,5 мм будет пробурена с поверхности до глубины 180 м через водоносный горизонт Оуквиль в подстилающие пласты глины. В качестве обсадных труб до глубины 180 м будут использоваться трубы типа Н-40 диаметром 244,5 мм, и цементация цементом класса С будет производиться до устья скважины. После этого до глубины 1370 м будет пробурена скважина диаметром 222 м. По окончании бурения скважин будет произведен электрокаротаж скважин для определения проницаемости пород. До забоя скважин будут спущены обсадные трубы диаметром 178 мм и зацементированы в два этапа. На первом этапе цементация будет осуществлена до кровли формации песчаника Кокфилд на глубине 1065 м. На втором этапе цементация будет произведена до устья скважины.

По данным электро- и гамма-каротажа будет определено, на какой глубине и в какие участки пласта закачивать сбросные растворы. Предполагается, что растворы будут закачиваться в породы, залегающие на глубине в интервале 1090—1120 и 1125—1160 м. Породы на глубине в интервале 1160—1370 м рассматриваются как резервные для удаления сбросных растворов в будущем, если объемы или перепады давления превысят существующие в настоящее время расчетные значения. На рис. 6.5 показан разрез скважины для удаления сбросных растворов.

Помимо установки «Клей Уэст» вблизи Брюни, в 64 км к востоку от г. Ларедо (шт. Техас), действует вторая промышленная-установка по подземному выщелачиванию фирмы «Вайоминг минералз». Согласно сообщениям, для выщелачивания используют слабый карбонатный раствор, а уран извлекают сорбционным методом. Проектная производительность установки также 112,5 т U3O8/год.

Кроме того, фирма «Вайоминг минералз» подготавливает аналогичную установку в районе Рей Пойнт, которая войдет в эксплуатацию в 1979 г. Ее производительность 225 т U3O8/год.

К юго-востоку от Брюни, в округе Уэбб (шт. Техас), фирма «Мобил ойл» построила опытную установку для проверки в полевых условиях разработанного ею метода подземного выщелачивания урана на глубине 123—130 м. Производительность установки будет определена лишь после закачки выщелачивающего и получения продукционного растворов. Ячейка состоит из 15 нагнетательных и 7 откачных скважин. Выщелачивающий раствор — разбавленный раствор карбоната аммония, приготовленный перемешиванием газообразного аммиака и двуокиси углерода с пластовой водой, в которую добавлен обычный умягчитель. Добавляют также окислитель. Продукционные растворы собирают в промежуточном чане и затем перекачивают в сборную емкость на установке па извлечению урана на расстоянии 210 м. Взвешенные твердые частицы из раствора удаляют фильтрацией на песчаном фильтре, а уран извлекают сорбционным способом. Раствор после извлечения урана будут перекачивать в сборник, а затем, после добавления окислителя и выщелачивающих реагентов, возвращать в цикл, т. е. закачивать в нагнетательные скважины.

Характерно, что во всех последних планах извлечения урана подземным выщелачиванием предусматривается использование в качестве растворителя карбонатных растворов. Окислителем может служить кислород, подаваемый в пласт, или раствор перекиси водорода, добавляемый в выщелачивающий раствор.

Для обводненных пластовых месторождений, аналогичных описанным выше, разработан и запатентован также следующий метод: в рудном теле бурят нагнетательные и откачные скважины. Расположение скважин в ячейке может быть различным, например откачная скважина в центре кольца нагнетательных скважин. Воздух в качестве окислителя закачивают в пласт через нагнетательные скважины для вытеснения воды из пласта, с тем чтобы вода оказалась за пределами нагнетательных скважин. После этого в рудное тело нагнетают концентрированный раствор минеральной кислоты и получаемый продукционный раствор откачивают на поверхность.

Другим американским патентом предусматривается подача серной кислоты или какого-либо другого выщелачивающего раствора в нагнетательные скважины. На глубине 30—90 м кислота или раствор контактирует с кислородом под давлением. При этом обеспечивается более высокая концентрация кислорода в растворе, чем при аэрации на поверхности земли, и четырехвалентный уран в руде быстро переводится в шестивалентный.

Изучается возможность подземного выщелачивания из месторождений, залегающих на глубине ~600 м и более, добыча урана из которых традиционными методами нерентабельна.