鈾礦開采廢物最小化技術

徐樂昌,張國甫,張學禮

(1核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149; 2中國國核海外鈾業(yè)有限公司,北京 100822)

鈾礦開采廢物最小化技術

徐樂昌1,張國甫2,張學禮1

(1核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149;2中國國核海外鈾業(yè)有限公司,北京 100822)

介紹了鈾礦開采廢物的組成,重點分析了鈾礦山采礦廢物最小化管理技術,并給出了加拿大和法國廢物最小化管理的實例。

鈾礦;廢物;廢物最小化

鈾礦采冶工藝包括常規(guī)采冶、地浸、堆浸和原地爆破浸出。除地浸工藝不涉及地下礦石開采出隆、不向地表產(chǎn)生采礦廢石外,其他鈾礦采冶工藝均離不開礦石的開采出隆和向地表排放采礦廢石。鈾礦傳統(tǒng)開采包括地下開采和露天開采,產(chǎn)生大量的廢物,主要為采礦廢石,其次是廢氣和廢水。廢石含鈾和鈾系衰變子體,放射性核素的含量比本底高出 2～3量級,此外,還含有非放射性有毒有害物,給環(huán)境造成較大的潛在環(huán)境影響。由于鈾礦開采產(chǎn)生的廢物量巨大,進行鈾礦開采廢物最小化管理是鈾礦開采廢物管理的非常有效的途徑,也是整個鈾礦采冶廢物最小化的一個重要組成部分。

1 采礦廢物的組成

1.1 廢石

采礦和選礦會產(chǎn)生很多的廢石。

(1)采礦產(chǎn)生的廢石。露天采礦：露天采礦一般開采lt鈾礦石會產(chǎn)生4～6t廢石,有時高達 6～8t廢石。地下來掘：地下采掘產(chǎn)生的廢石相對少得多,開采 lt鈾礦石,產(chǎn)出0.5～1.2t廢石。

(2)選礦產(chǎn)生的廢石。為了減少遠距離運輸廢石和減少廢石的處理量,常用放射性選礦法 (簡稱放選法)在礦場把廢石挑揀出來,把精礦石送到水冶廠加工處理。一般放選法選出的廢石率為 15%～30%。

1.2 廢氣

鈾是天然放射系母體核素,它在衰變過程中不斷釋放出 α、β、γ粒子,形成一系列子體核素,所以鈾礦石開采鑿巖、爆破、裝卸、運輸?shù)然顒?除釋放出一般礦井所含有的有毒有害物質(zhì)如礦塵、CO、H2S、SO2、NO2外,還釋放危害性很大的氡及氡子體以及放射性氣溶膠和鈾塵。

1.3 廢水

鈾礦山在開采過程產(chǎn)生大量廢水,主要有露天開采廢水、地下采礦廢水、礦倉下水及沖洗車輛廢水和廢石場廢水等。鈾礦山廢水中含有一定量的鈾、鐳及其子體,酸性水質(zhì)中會含有較多的鈾、鐳放射性物質(zhì),經(jīng)露天水源稀釋后,可能還超過相關標準。

(1)露天開采廢水。鈾礦露天開采過程的廢水,主要來源于礦體滲流水、鑿巖作業(yè)水、雨淋水等。這些廢水受氣象和水文條件影響很大,廢水量一般為 0.01～4m3/h。

(2)地下采礦廢水。鈾礦地下采掘過程的廢水,主要來源于礦體的涌水、礦脈裂隙水、地表滲透水、鑿巖作業(yè)水、洗壁水、除塵降溫水等。

(3)礦倉廢水及沖洗車輛廢水。露天堆放的鈾礦石受雨淋和噴霧灑水形成的廢水;運礦車輛 (汽車、火車)沖洗也產(chǎn)生廢水,不同礦山這些廢水量差別很大。

(4)廢石場廢水。廢石場的廢石受雨水和流水沖刷、浸漬所產(chǎn)生的廢水,受氣候影響很大,雨季廢水多,干旱季節(jié)幾乎不產(chǎn)生廢水。

2 采礦廢物管理技術

2.1 采礦方法選擇

采礦就是通過經(jīng)濟有效地鉆孔、爆破、挖掘、運輸?shù)V石材料至地表處理設施進行處理的一個過程。采礦工藝的選擇必須考慮礦床地質(zhì)特征、輻射防護、地表徑流控制、采礦效果、采礦成本等問題。

采礦方法很多,如充填采礦法、膠結(jié)充填采礦法、空場采礦法、崩落采礦法和留礦采礦法等。其中最有利于采礦廢物最小化的采礦方法為充填采礦法,包括膠結(jié)充填采礦法。

對于高品位礦體,采礦業(yè)正在發(fā)展革新一種 “高技術”采礦法以處理因高輻射水平引起的健康和安全問題。世界上只有兩個高品位地下鈾礦(加拿大的McArthur河鈾礦和Cigar湖鈾礦)。這種鈾礦的采礦方法為類似于使用地表凍結(jié)或注漿法穩(wěn)定礦體的噴射鉆進和上向鉆進的 “非進入”法。

2.2 廢物分類管理

根據(jù)廢石所含有害物的含量可將廢石分為“清潔”廢石和 “特殊”廢石。

“清潔”廢石是指所含有害物含量較少,易于氧化和分解的礦物含量較少,難于被淋溶出來。這種廢石通常 (但并不總是)指的是那些遠離礦體的巖石,如剝離廢石和開拓廢石。

“特殊”廢石是指所含有害物含量較多,含有易起反應的礦物較多,常被當作 “礦化”廢石。包括具有產(chǎn)酸潛力的廢石、接近經(jīng)濟開采品位的低品位礦石以及常存在于礦體周圍的礦化度較高的暈狀巖石。這種廢石可能含有硫化物和/或金屬 (包括鎳、砷、硒和鉬等,以及在鈾礦中含有釷和鐳)。

對某一礦體而言,將廢石分成清潔廢石和特殊廢石的標準通常是唯一的,這依賴于與礦石有關的礦化類型。如加拿大薩斯喀徹溫鈾礦床將U含量 ＜0.085%的巖石定義為廢石,而將 U含量 ＞0.025%且具有產(chǎn)酸潛力的廢石定義為特殊廢石[1]。

通常,對于地下采礦法,從礦井和巷道的掘進過程中產(chǎn)生的清潔廢石量較少。在礦山運營期間,為了礦體的穩(wěn)定而進行的井下回填,可有限地處理掉部分特殊廢石。相反,露天開采會產(chǎn)生大量的清潔廢石 (覆蓋于礦體上的巖石),而礦山運營期間不必進行采礦坑的回填。這兩種采礦法中只在靠近礦體的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生少量的特殊廢石。

采礦過程,將這兩種廢石進行分類貯存,則可大大減少放射性廢石產(chǎn)生量,而且可將剝離和開拓廢石作為將來礦山退役時的放射性廢石或尾礦的覆蓋材料,減少其他覆蓋材料用量和其他環(huán)境影響,降低退役成本。

2.3 采礦廢石的回填

采礦過程將產(chǎn)生巨大的采空區(qū)。將采礦廢石回填采空區(qū),不僅可大大減少地表采礦廢石的堆放量,而且可增加地下采空區(qū)和露天坑的安全性,減少地表塌陷及沉降和地表廢石的占地面積,從而可降低氡的釋放、廢水的產(chǎn)生量以及生態(tài)環(huán)境的影響。

2.4 采礦廢石的有組織堆放

由于各種原因,采礦過程中總有相當多的采礦廢石暫時或永久不能回填井下或露天坑,需要臨時或永久在地表堆放。實施地表堆放采礦廢石最小化措施主要有：

(1)集中堆放以減少堆放面積,達到減少廢石場數(shù)量、減少氡析出、減少廢石場的地表徑流、減少滲漏水量、減少廢石流失量。

(2)修建擋渣墻和截 (排)水溝以防治廢石流失、減少廢石場的地表徑流、減少滲漏水量,達到減少廢石流失造成的污染面積。

(3)建立滲漏水收集池,鋪設防滲基底。對于某些可產(chǎn)生含有毒有害污染物的滲漏水的廢石 (如含硫化物的產(chǎn)酸廢石),需要建立滲漏水收集池,以減少滲漏水的流散,避免造成環(huán)境污染。

2.5 廢石及時覆蓋或退役治理

在廢石場使用終了時,應及時進行覆蓋或進行退役,以減少氡析出、粉塵產(chǎn)生、廢石流失、滲漏水的產(chǎn)生。

2.6 廢水的處理

對于含有毒有害污染物的廢水,應采取有效處理措施進行處理,以減少廢水中有毒有害物的含量。常用的廢水處理方法有離子交換法、化學處理法、膜處理法、生物處理法、人工濕地長處理法等。

2.7 通風和濕式作業(yè)

建立良好通風系統(tǒng)、加強通風設計和管理,以及采取濕式作業(yè),對除塵降氡有十分重要的意義?？刹捎玫拇胧┖芏?如：選用合理風量和換氣次數(shù),分區(qū)通風,消除通風死角,避免入風污染和污風循環(huán),噴涂防氡保護層,以密閉氡源,排除礦坑水等。

2.8 廢物的循環(huán)利用與再利用

采礦過程中產(chǎn)生的礦化廢石可用于建筑尾礦壩、廢石場擋土墻、地下或露天構筑物、尾礦降氡覆蓋材料等,清潔廢石除上述用途外,還可做鋪路等的建筑材料,實施廢石的再利用,變廢為寶。廢水可循環(huán)或再利用于采礦作業(yè)或水冶工藝水等。通過廢物的循環(huán)利用與再利用,達到減少廢物的目的。

2.9 監(jiān)測

通過監(jiān)測,不僅可了解廢物的產(chǎn)生途徑及產(chǎn)生量,還可了解廢物的處理效果及排放量,及時掌握廢物的來源、變化及去向,及時采取有限措施,減少廢物產(chǎn)生量。

3 采礦廢物管理最小化實例分析

以加拿大和法國為例[5],分析采礦廢物的最小化管理。

3.1 加拿大

(1)McClean湖區(qū)[1]

加拿大McClean湖區(qū)的廢石目前采用較先進的廢石管理技術：先將清潔廢石放置在地表留待以后復用,而將特殊廢石臨時放置在鋪有防滲襯底的露天坑內(nèi),然而用水淹蓋。

(2)科林斯灣 B區(qū)露天礦

加拿大科林斯灣B區(qū)在露天礦整個服務年限內(nèi),礦巖采剝總量為 1800萬 t,其中廢石1520萬 t,礦石 280萬 t。廢石用自卸汽車運至與堆礦場相臨的排土場。雖然試驗結(jié)果表明流過廢石堆或經(jīng)廢石堆滲出的水沒有受到污染,但是仍然在排土場周圍挖出一條邊溝,以匯集和監(jiān)測廢石堆的排水。這條水溝可將未受污染的水導入廢石堆西側(cè)的水倉和引入科林斯灣。如由于某種原因水被污染時,就將污染水引入礦山污染水沉淀池,然后用泵送入拉比特湖選礦廠處理?？屏炙篂?B區(qū)為減少排土場廢石的堆存量,將部分廢石 (16萬m3)用于B區(qū)攔水圍堤的構筑 (圖1)。

圖1 科林斯灣B區(qū)圍堤斷面

科林斯灣B區(qū)采下的礦石由露天采場用自卸汽車運出,經(jīng)過輻射掃描之后堆存在鋪有特殊襯墊的堆礦場。為了徹底防止礦山排水滲入地下水中,堆礦場底部加墊一層lmm厚的高密度聚乙烯。為了匯集受污染的徑流,繞堆礦場周邊修一條加聚乙烯襯里的導流溝。將水匯集到水倉內(nèi),然后用泵排入礦山污染水沉淀池。

(3)McArthur河鈾礦[5]

加拿大McArthur河鈾礦地質(zhì)儲量估計為4億1千6百萬磅 (16萬t U),平均品位高達15%U3O8。

由于該礦品位極高,首次排除了需要人員進入的下向膠結(jié)充填開采、分層充填開采、進路式開采、房柱式開采和留礦法開采等采礦方法,同時排除了不適應于注漿法和凍結(jié)技術的分塊崩落開采、分段崩落開采和水力開采等采礦方法以及與礦床地質(zhì)特征不相協(xié)調(diào)的螺旋鉆機開采、水平上向鉆進開采和上向鉆進爆破開采等采礦方法。通過優(yōu)化比較,采用了聯(lián)絡小巷鉆進法、上向鉆進法和聯(lián)絡小巷風障法,而在另一個高品位礦Cigar湖礦則采用凍結(jié)法、噴射鉆進法和膠結(jié)充填采礦法。

安全隔離是解決高品位鈾礦石的最佳辦法。在井下建立采礦業(yè)中并不少見的破磨設施,在井下破磨采下的礦石,通過管道將破磨礦漿輸送至地表,以避免任何污染生產(chǎn)礦井的可能,其輸送壓力高達 14000kPa。整個過程采用遙控操作。

該礦同時采用了其他措施以減少廢物產(chǎn)生量,如：將產(chǎn)酸廢石、一般廢石和礦石分類堆存;采用一次性流過式通風,避免氡的污染。

3.2 法國

法國許多鈾礦山都將地表廢石用于井下采空區(qū)充填,或在井下就地對廢石進行爆破以直接充填采空區(qū),以減少地表廢石的堆存量[5]。

(1)遠距離泵送弱膠結(jié)充填

法國阿庫塔礦山公司在尼日爾開采的沉積鈾礦床,平均深度為 250m。該礦床大部分采樣全面充填的房柱法開采。充填料應具有足夠的強度和密度。它的組成是：粒度 0～40mm廢石、細砂和粘土;水泥用量不大 (4%～5%);添加木質(zhì)硫酸鹽,以減少水分,保持可塑性。

充填料由皮帶秤給進攪拌機,攪拌的充填料經(jīng)直徑200mm金屬管道送往250m深的充填井底部。隨后用普通混凝土泵將充填料送至料倉。充填料沿 200mm金屬管道的泵送距離為500m。在巷道頂板安裝半剛性充填管道,通過活動金屬模板口或廢石隔墻入口進行采空區(qū)充填。該系統(tǒng)自 1983年使用以來,已充填 80萬 m3,大大減少了地表廢石的堆存量。

(2)鏟運機運輸?shù)谋谑侥z結(jié)充填采礦

法國核材料總公司(Cogema)在埃羅礦區(qū)開采的沉積鈾礦床中采空區(qū)全部充填。回采作業(yè)循環(huán)如下：局部鑿巖;用地質(zhì)物探方法圈定礦體;鑿巖結(jié)束;采空區(qū)充填;礦石爆破與二次清理礦巖邊界;出礦;廢石爆破;清除采空區(qū)廢石和安裝錨桿。

充填料在地面中心站制備。每立方米充填料的組成是：0～40mm廢石 1800kg,水泥50kg,水150L。

充填料經(jīng)充填井 (直徑200mm金屬套管安裝在275mm鉆孔中)送至井底,并聚集于井底部的橫巷中,再用CT1700或CT2500型鏟運機送往工作面。借助混凝土推送機推料,可保證充填料接頂良好。早在 1988年時,埃羅礦區(qū)就已向采空區(qū)充填膠結(jié)充填料約 10萬m3。

(3)垂直鑿巖上向分層充填法

多年來,法國旺代鈾礦一直采用水平鑿巖上向分層充填法采礦,工作面分段爆破推進,造成鑿巖和裝運作業(yè)的頻繁交替。為了進行垂直鑿巖,采場應留 4m高的采空區(qū),沿工作面全長度垂直鑿巖,鑿巖深度 2m。然后進行部分水砂充填,充填厚度略低于 2m。接著進行爆破回采。清除崩落礦石后,就地進行廢石爆破,充填到 2m的厚度。

法國旺代礦區(qū)的科芒德里礦采用分層充填法回采。開采窄的扁豆狀礦體時,在其上水平和下水平之間掘一脈內(nèi)斜坡道;開采厚礦體時,掘一脈外斜坡道,并由此掘進水平分段巷道,用鑿巖爆破方法回采礦石。充填由下而上進行,用鏟運機將廢石卸入采場并將其壓實,隨即通過地表鉆孔灌入尾砂漿。尾砂是由運礦車輛從厄卡爾皮埃爾選廠運回的,由 +50μm粒級的旋流分級砂組成。建筑有木隔板,以便疏干時將充填料滯留在采場中。

(4)露天開采

法國克魯齊爾礦區(qū)貝列扎爾礦(Bellezane)用露天和地下法開采。地下用混凝土頂板下向分層開采法采礦。第一分層高 3m,底板鋪混凝土作假頂,采場用廢石充填。該礦的露天開采工作始于 1984年初,為獲得近千噸的鈾產(chǎn)品,需要剝離 1400萬 t廢石。該礦相當重視環(huán)境保護,露天采礦時,將表土層剝離后單獨堆存起來,以供礦山退役時的廢石場覆蓋和植被恢復。露天采場最終需用廢石和選廠尾礦充填。而對于當?shù)爻邪虂碚f,銷售合乎規(guī)格尺寸和質(zhì)量要求的花崗巖塊石是個誘人的副業(yè)。

4 結(jié)論

采礦廢石和水冶尾礦是采礦業(yè)的兩大副產(chǎn)品。與水冶尾礦有關的危害已得到了長期的認識,控制這些危害的管理技術也得到了很好的發(fā)展。相反,與廢石有關危害的認識要滯后得多。由于鈾礦開采產(chǎn)生的廢物量巨大,不僅包括廢石,而且包括廢水和廢氣,如果管理不善,將造成廢物的大量擴散,對環(huán)境和人類健康造成不可忽視的影響。因此,實施鈾礦開采廢物最小化對于保護環(huán)境和人類健康具有重要的意義。實現(xiàn)鈾礦開采廢物最小化的主要措施包括采礦方法選擇、廢物分類管理、廢石回填、廢石有組織堆放、廢石及時覆蓋或退役治理、廢水處理、通風和濕式作業(yè)、廢物的循環(huán)利用與再利用、監(jiān)測等。

[1]徐樂昌.“IAEA采鈾廢物管理與處置最佳實踐準則與指南編寫咨詢會”介紹.鈾礦冶,2007,26(4)：214～218

[2]魏廣芝,徐樂昌.低濃度含鈾廢水的處理技術及其研究進展.鈾礦冶,2007,26(2)：90～95

[3]徐樂昌,張國甫,高潔,等.鈾礦冶廢水的循環(huán)利用與處理.鈾礦冶,2010,29(2)：78～81

[4]李小燕,張葉 .放射性廢水處理技術研究進展.鈾礦冶,2010,29(3)：153～156

[5]IAEA.Guidebook on good practice in themanagement of uranium mining and m ill operations and the preparation for their closure.IAEA-TECDOC-1059,IAEA.Sustria,1989

Waste Minimization of Uranium Mining

XU Lechang1,ZHANG Guofu2,ZHANG Xueli1
(1Beijing Research Institute of Chemical Engineering and Metallurgy,CNNC,Beijing 101149,China;2China Uranium Co.,Ltd,Beijing 100822,China)

Waste generation of uranium mining is introduced.Wastem inimization technologies are analyzed.Working cases aboutwasteminimization ofuranium mining of Canada and France are given.

uranium m ine;waste;wastem inimization