СПОСОБ ПОДЗЕМНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ РУД МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ГЕОХИМИЧЕСКИХ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ БАРЬЕРАХ
METHOD OF UNDERGROUND LEACHING OF ORES OF DEPOSITS ON GEOCHEMICAL OXIDISING-REDUCING BARRIERS

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при отработке методом подземного выщелачивания (ПВ) и кучного выщелачивания (KB) руд различных металлов (урана, меди, золота и др.) месторождений, образованных на геохимических окислительно-восстановительных барьерах.
Наибольшее распространение получили способы ПВ при отработке урановых месторождений, окислительно-восстановительный барьер которых располагается в песчаных породах [1]. Эти способы включают в себя такие основные операции, как сооружение геотехнологических скважин, приготовление на основе пластовых вод выщелачивающих растворов, подачу их в закачные скважины, извлечение продуктивных растворов из откачных скважин. Среди этих способов известны способы, в которых при приготовлении выщелачивающих растворов используется подача в пластовую воду только одного реагента - серной кислоты [1] или кислорода в виде кислорода воздуха, технического (баллонного) кислорода или перекиси водорода [2].
К основным недостаткам сернокислотного выщелачивания относятся: большие затраты реагента на реакции с рудовмещающими породами, достигающие 30% от себестоимости добычи; сокращение производительности рабочих скважин из-за кольматационных явлений и связанные с этим дополнительные затраты на увеличение числа рабочих скважин; большие затраты энергии на подачу и извлечение растворов из скважин; заметное ухудшение экологической обстановки в подземной среде в связи с использованием реагента, отличающегося по составу от содержащихся в природных подземных водах веществ и др.
Кислородное выщелачивание практически лишено приведенных недостатков. Главным его недостатком является чрезвычайно низкая интенсивность выщелачивания, поскольку окисленный кислородом в твердой фазе уран и перешедший из плохо растворимой четырехвалентной формы в легкорастворимую шестивалентную форму не может перейти в раствор из-за недостаточного количества в нем веществ, с которыми он мог бы образовывать легкорастворимые соли. Этот недостаток кислородного ПВ с избытком перекрывает его достоинства, из-за чего он не может быть использован в промышленном масштабе.
Известен также способ, в котором при приготовлении выщелачивающего раствора используют добавки в пластовую воду двух содержащихся в ней веществ, а именно бикарбоната натрия и кислорода [3]. Этот способ по технической сущности наиболее близок к заявленному и поэтому принимается за прототип. В бикарбонатно-кислородном способе заметно уменьшены недостатки сернокислотного и кислородного способов, но недостаточно полно. Остается низкой интенсивность выщелачивания, заметным остается расход реагентов на реакции с вмещающими породами, не устранены кольматационные процессы и т.п.
Задачей изобретения является повышение эффективности выщелачивания за счет повышения интенсивности процесса ПВ, снижения затрат на реагенты, на подачу и извлечение растворов из скважин и других операций.
Эта задача решается в способе ПВ руд на геохимическом окислительно-восстановительном барьере, включающем сооружение геотехнологических скважин, приготовление на пластовой воде выщелачивающего раствора, подачу его в закачные скважины, извлечение продуктивных растворов из откачных скважин, при этом согласно изобретению при приготовлении выщелачивающего раствора повышают концентрацию в пластовой воде не менее трех входящих в нее веществ, количественные соотношения между концентрируемыми веществами сохраняют равными их соотношению в пластовой воде, содержание этих веществ и соотношение между ними определяют по пробам воды, взятым из окисленной части окислительно-восстановительного барьера.
Операции этого способа и сочетания между ними ранее не известны в практике ПВ. Они позволяют получить новые технические результаты от их применения и связанное с ними повышение эффективности ПВ руд.
Одним из этих результатов является существенное сокращение затрат реагентов выщелачивающего раствора на реакции с рудовмещающими породами.
Этот результат основывается на представлениях о геохимических процессах, проходящих на урановых месторождениях, приуроченных к окислительно-восстановительным барьерам. Согласно этим представлениям поток подземных вод, несущий растворенный кислород в количестве до 8 мг/л [4], при входе в геохимический барьер начинает окислять находящийся в твердой фазе уран и переводить его из четырехвалентной в легкорастворимую шестивалентную форму. Этот уран, контактируя с компонентами пластовой воды, с которыми он образует легкорастворимые соли, переходит в пластовую воду и переносится с ней в неокисленную, восстановительную часть барьера. Здесь кислород расходуется на окисление восстановительных компонентов вмещающих пород (двухвалентное железо, органика и др.), уран восстанавливается до четырехвалентной формы и выпадает в осадок.
-6
-4
-3
-7
В пластовой воде, входящей в барьер и содержащей уран обычно в концентрациях n-10 г/л, по мере продвижения по барьеру и растворения урана в барьере его концентрация повышается до n-10 - n-10 г/л. Затем по мере расходования кислорода концентрация урана снижается до n-10 г/л при выходе пластовых вод из барьера [5]. Этот процесс определяет накопление урана в барьере и перемещение барьера вдоль потока подземных вод. Характерным для этого процесса является практически малоизменяющийся в барьере состав подземных вод за исключением урана и кислорода.
С геотехнологических позиций входящие в барьер подземные воды являются природным выщелачивающим раствором, пластовая вода внутри барьера с повышенным содержанием урана является продуктивным раствором и исходящие из барьера подземные воды - маточным раствором. Маточный раствор в данном случае после его насыщения кислородом может стать выщелачивающим.
Отсутствие заметных изменений в составе подземных барьера (кроме кислорода и урана) объясняется тем, что этот состав находится в равновесии с составом вмещающих пород. Использование же для выщелачивания этих рудовмещающих пород растворов, отличающихся по составу от пластовых вод, приводит к нарушению равновесия между раствором и породой, к возникновению между ними реакций и расходованию выщелачивающих реагентов на эти реакции.
Согласно изобретению использование в качестве выщелачивающего раствора пластовой воды с повышенными концентрациями не менее трех растворенных в ней веществ практически мало меняет по составу выщелачивающий раствор от состава пластовой воды. Тем самым сохраняется равновесие между выщелачивающим раствором и рудовмещающей породой и устраняются причины возникновения между ними реакций и расходования на них реагентов.
Другим техническим результатом является повышение интенсивности процесса ПВ за счет создаваемых условий для дополнительного перехода урана в раствор. Например, выщелачивание урана из руды пластовой водой гидрокарбонатно-сульфатно-натриевого состава с добавками кислорода, бикарбоната натрия и сульфата натрия схематично может быть выражено следующими возможными реакциями [1, 3].
2
3
2
4
В приведенном списке реакций первая из них (1) выражает реакцию окисления минерала уранинита (UO) с переводом урана из четырехвалентной в шестивалентную форму. Вторая реакция (2) выражает растворение (выщелачивание) урана в растворе бикарбоната натрия (NaHCO) и перевода его в растворимый уранилтрикарбонатный комплекс. Третья реакция (3) выражает растворение урана в растворе сульфата натрия (NaSO) с возможностью возникновения уранилтрисульфатного комплекса. Эта реакция в практике ПВ не применяется из-за появления в растворе щелочи (NaOH), переводящей уран в нерастворимые полиуранаты. Четвертая реакция (4) выражает реакцию между продуктами реакций (2) и (3). Пятая реакция является суммирующей первых четырех реакций с использованием коэффициентов, обеспечивающих полноту участия входящих в эти реакции веществ.
2
Как видно из этих реакций, полному растворению урана при бикарбонатном выщелачивании по реакции (2) препятствует сопутствующий этой реакции продукт в виде углекислоты (СO). Кроме того, появление углекислоты способствует растворению трудно растворимых карбонатов кальция и магния, которые, как следует из практики ПВ, затем выпадают в осадок в прифильтровой зоне откачных скважин, кольматируя ее и снижая производительность этих скважин. В реакции (3), как отмечалось ранее, сопутствующий продукт в виде щелочи препятствует существенному растворению урана. При совместном же протекании реакций (2) и (3) вредные для растворения урана сопутствующие продукты нейтрализуют друг друга по реакции (4), продуктом которой является благоприятствующий для выщелачивания урана бикарбонат натрия и снижающий также его потребность по реакции (2).
Итоговым техническим результатом реакций (1)-(5), когда выщелачивание урана после его окисления кислородом производилось смесью двух выщелачивающих растворов, является получение более концентрированных по урану растворов, чем простое сложение концентраций от каждого из них. Этот интенсифицирующий процесс ПВ эффект не известен из практики применения способов ПВ. По существу приведенные реакции соответствуют проведению ПВ смесью карбонатного и сернокислотного растворов, это видно из следующей реакции.
Приведенная смесь карбоната натрия и серной кислоты не укладывается в установившуюся многолетнюю практику раздельного использования этих растворов при ПВ руд [1, 3].
Еще один технический результат, влияющий на эффективность ПВ, определяется операцией в изобретении по определению состава подземных вод по пробам воды, взятым из окисленной части геохимического барьера, т.е. из той части барьера, в которой пластовая вода является естественным выщелачивающим раствором. Эта операция позволяет определить наиболее точно состав и пропорции между растворенными в пластовой воде веществами, концентрации которых следует повышать при приготовлении выщелачивающего раствора. Эти пропорции могут быть несколько искажены в других частях барьера, что может понизить эффективность приготовляемого по ним раствора, как выщелачивающего. Особенно это касается содержания кислорода, величина подачи которого в выщелачивающий раствор может быть существенно занижена, если бы содержание кислорода определялась в какой - либо другой части барьера.
Для определения величины минимально необходимого повышения концентраций растворенных в пластовой воде веществ при приготовлении выщелачивающего раствора для достижения в продуктивном растворе промышленных содержаний выщелачиваемого элемента, исходя из предыдущих представлений, может быть использована следующая пропорция:
где k - коэффициент повышения концентраций,
р
С - минимально промышленная концентрация выщелачиваемого элемента,
b
C - максимальное содержание выщелачиваемого элемента в природной воде барьера.
При использовании этой пропорции для урановых месторождений можно предполагать, что фактически получаемые концентрации урана будут превышать расчетные по формуле (7) значения, поскольку формула получена при учете влияния на выход урана в раствор только одного реагента - кислорода пластовой воды.
Пример применения способа приводится для уранового месторождения, в котором основным ураносодержащим минералом является уранинит. Месторождение приурочено к геохимическому окислительно-восстановительному барьеру в песчаном водоносном горизонте и вскрыто системой рабочих закачных и откачных скважин. По пробам воды, взятым в пределах геохимического барьера, установлено, что в окисленной части барьера воды относятся к гидрокарбонатно-сульфатно-натриевому типу и содержат кислород в концентрации 5 мг/л.
Общее солесодержание в пластовой воде составляет 0,5 г/л, из этого количества, в пересчете на вещественный состав, приходится бикарбонат натрия 0,25 г/л и на сульфат натрия 0,20 г/л. Эти соли составляют 90% от их общего количества в пластовой воде. Максимальное содержание урана в пластовой воде в центральной части барьера составляет 0,5 мг/л.
Технико-экономическими расчетами установлено, что для природных условий месторождения минимальное содержание урана в продуктивном растворе должно составлять 10 мг/л и соответственно коэффициент концентрирования растворенных в пластовой воде веществ, определенный по формуле (7), равен 20. В соответствии с этим коэффициентом готовят выщелачивающий раствор посредством подачи в пластовую воду перекиси водорода в пересчете на кислород 100 мг/л, бикарбоната натрия 5,0 г/л и сульфата натрия 4,0 г/л.
3
После подачи выщелачивающего раствора с таким содержанием солей в закачные скважины и выщелачивания ими урана из руды по мере прохождения через нее растворов до откачных скважин этот раствор становится продуктивным с содержанием урана 30 мг/л, что превышает его значение по прототипу. Этот раствор после извлечения из него трехокиси урана(UO) на перерабатывающей установке используют вновь для выщелачивания с добавкой 100 мг/л кислорода, но уже без добавок бикарбоната и сульфата натрия. Этот процесс продолжается до полного извлечения урана из руды.
Таким образом, применение способа позволяет увеличить интенсивность выщелачивания при существенном сокращении затрат на реагенты. По прототипу и аналогам выщелачивающие реагенты подаются в течение всего срока отработки месторождения и их расход достигает нескольких десятков кг на 1 кг добытого урана. По изобретению такой расход многократно меньше. Кроме того, появляется ряд положительных результатов, таких как увеличение производительности откачных скважин за счет минимизации кольматационных явлений, сокращение затрат на восстановление природной среды в связи с неизмененным составом подземных вод и др.
4
2
4
3
Другим примером применения изобретения с теми же техническими результатами является его использование на одном из месторождений рения на окислительно-восстановительном барьере. На этом месторождении общее солесодержание в пластовой воде составляет 450 мг/л, из этого количества, в пересчете на вещественный состав, приходится на хлорид натрия (NaCl) 250 мг/л, на сульфат магния (MgSO) 150 мг/л и на сульфат трехвалентного железа (Fe(SO)) 8 мг/л. Эти соли составляют более 90% от их общего содержания в пластовой воде. Установлено также, что максимальное содержание рения в этой воде составляет 0,002 мг/л.
Технико-экономическими расчетами установлено, что для природных условий месторождения минимальное содержание рения в продуктивном растворе должно составлять 0,1 мг/л и соответственно коэффициент концентрирования растворенных в пластовой воде веществ, определенный по формуле (7), равен 50. В соответствии с этим коэффициентом готовят выщелачивающий раствор посредством подачи в пластовую воду хлорида натрия 12,5 г/л, сульфата магния 7,5 г./л и сульфата трехвалентного железа 0,4 г/л.
После подачи выщелачивающего раствора с таким содержанием солей в закачные скважины и выщелачивания ими рения из руды по мере прохождения через нее растворов до откачных скважин этот раствор становится продуктивным с содержанием рения 1,0 мг/л, что превышает его значение по известным аналогам. Этот раствор после извлечения из него рения на перерабатывающей установке используют вновь для выщелачивания с доокислением оставшегося в нем железа в сульфате до трехвалентного состояния, но уже без добавок хлорида натрия и сульфата магния. Этот процесс продолжается до полного извлечения рения из руды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Добыча урана методом подземного выщелачивания / Мамилов В.А., Петров Р.П., Шушания Г.Р. и др. Под ред. В.А. Мамилова. - М.: Атомиздат, 1980, 148 с.
2. Культин Ю.В., Новгородцев А.А., Фоменко А.Е., Васюта О.Н., Алтунин О.В. Оценка возможности разработки комплексного уран-молибден-рениевого месторождения способом подземного выщелачивания. Горный журнал, 2007, №6, с.47-51.
3. Тураев Н.С., Жерин И.И. Химия и технология урана. - М.: ЦНИИАТМИНФОРМ, 2005, 407 с.
4. Бровин К.Г., Грабовников В.А., Шумилин М.В., Язиков В.Г. Прогноз, поиски, разведка и промышленная оценка месторождений урана для отработки подземным выщелачиванием. - Алматы: Гылым, 1997, - 397 с.
5. Разведка месторождений урана для отработки методом подземного выщелачивания /Шумилин М.В., Муромцев Н.Н., Бровин К.Г. и др. - М.: Недра, 1985, 208 с.