Подземное выщелачивание урана из месторождений пластового типа

16.07.2020

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.
[/center
В США уже более 10 лет практикуется выщелачивание урана из осадочных месторождений пластового типа. С апреля 1970 г. успешно осуществляется подземное выщелачивание урана фирмой «Анаконда» (США) из рыхлого пластового месторождения, представленного песчаником, залегающим ниже водоносного горизонта, ограниченного снизу и сверху водоупорными пластами. Мощность месторождения в районе опытной ячейки по подземному выщелачиванию 42 м.

Урановая минерализация сконцентрирована в нижних 12 м. Первые опытные ячейки (диаметр каждой 60 м) состояли из двух: нагнетательных скважин и девяти откачных, пробуренных на глубину 60—72 м. В наиболее важных местах на расстоянии 300 м от центра ячейки были пробурены наблюдательные скважины.

Затраты на подготовку скважин к эксплуатации составляют, в зависимости от необходимого давления и типа обсадных труб, 8,3—13,3 долл./м скважины.

В 1975 г. в связи с изменившейся ситуацией на урановом рынке резко повысился интерес к добыче урана методом подземного выщелачивания. В США многие фирмы приступили к подземному выщелачиванию урана из месторождений, представленных песчаниками.

Пионером в этой области в шт. Техас явилась фирма «Атлантик ричфилд», которая начала в промышленном масштабе добывать уран этим методом из месторождений площадью 1,2 га, залегающих на глубине 120 м. В апреле 1975 г. вступила в строй опытно-промышленная установка «Клей Уэст» по извлечению урана подземным выщелачиванием производительностью 115 т U3O8/год, расположенная в 16 км к юго-западу от Джордж Уэста (шт. Техас). В 1979 г. намечено увеличение производительности производства до 450 т U3O8/год за счет бурения дополнительных: нагнетательных и откачных скважин на ближайшем участке. Капиталовложения в установку составили 7 млн. долл., численность производственного персонала — 50 чел., управленческого — 12 чел.

Предприятие принадлежит фирме «Атлантик ричфилд» и ею эксплуатируется, участвуют также фирмы «Далко» и «Ю. С. Стил», являющиеся авторами запатентованного процесса подземного выщелачивания карбонатными растворами и применяемой установки. В октябре 1975 г. была получена первая продукция.

Выщелачивание осуществляется из пластамиоценового песчаника формации Оуквиль на максимальной глубине 165 м. Формация сложена перемежающимися слоями песчаников, алевролитов и бентонитовых глин. Руда встречается в отдельных участках мощностью 3—18 м при содержании урана от 0,05 до 0,5% (последнее очень редко). Пласты имеют падение в направлении Мексиканского залива (уклон 0,015°).

Формация Оуквиль мощностью 740 м подстилается глинами с тонкими пластами песка. К песчанику Оуквиль приурочен водоносный горизонт с естественной скоростью движения потока примерно 3,6 м/год, который является источником снабжения пресной водой городка Джордж Уэста и других населенных пунктов. Вблизи залегания уранового месторождения вода имеет высокий уровень естественной радиоактивности и не пригодна в качестве питьевой.

Во избежание нанесения необратимого вреда водоносному горизонту были разработаны жесткие правила, гарантирующие возможность проведения работ с соблюдением необходимых требований по охране окружающей среды. Правила предусматривают непрерывное наблюдение в зонах вокруг участка выщелачивания, с тем чтобы растворы не проникли за его пределы. После окончания процесса добычи необходимо будет обеспечить практически первоначальный состав пластовых вод в водоносном горизонте. В группу по контролю за окружающей средой вошли химики и инженеры-нефтяники, геологи и гидрогеологи, зоологи, биологи и радиологи. До начала работ из всех водозаборных скважин, расположенных в радиусе 8 км от установки, отбирали и анализировали пробы воды. В течение всего срока службы установки из каждой восьмой скважины будут отбирать и анализировать пробы воды каждые три месяца, что позволит каждые два года полностью обновлять данные по всем скважинам. Анализ будет проводиться на содержание ионов кальция, натрия, железа, молибдена, бикарбоната, сульфата, хлора, нитрата, нитрита, аммиака, общее количество растворенных твердых частиц и pH раствора. Кроме того, будет производиться анализ на общий уровень а- и p-излучения. В случае концентрации радия-226 более 3 пКи/л будет осуществляться соосаждение его барием. Определение концентрации свинца-210 необходимо при уровне p-излучения более 50 пКи/л.

Помимо указанных выше анализов 10 из 28 имеющихся скважин анализируют на радиоактивность и концентрацию тяжелых металлов (магния, мышьяка, бария, бора, кадмия, меди, хрома, свинца, марганца, ртути, никеля, селена, серебра, урана, цинка, а также фтора) и щелочность.
[center]

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.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна