СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КУЧНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УРАНОВЫХ РУД
METHOD OF CONTROL OF TECHNOLOGICAL PROCESS OF HEAP LEACHING OF URANIUM ORES

Способ контроля технологического процесса кучного выщелачивания урановых руд относится к области бесшахтной разработки урановых месторождений, и конкретно к кучному выщелачиванию с использованием воздействия химических реагентов на добытую и извлеченную из недр руду.
Непосредственно в рудном штабеле контролировать процесс кучного выщелачивания руд невозможно. Не существует прямых или косвенных методов оценки результатов протекания химических реакций внутри кучи. Косвенно можно определять степень извлечения полезных компонентов путем сопоставления их массовой доли, заложенной в сформированный штабель и извлекаемой в растворах на выходе. Дополнительно к этому учитывают количество оставшегося полезного компонента в штабеле на основе результатов опробования при расформировании.
Для прогнозирования параметров технологического процесса конкретных руд при кучном выщелачивании применяют различные методы гидрогеологического моделирования в лабораторных условиях. Здесь определяют фильтрационные свойства руд, вид реагента и метод выщелачивания (кислотное или карбонатное), концентрацию растворов и их расход. Изучают влияние состава вмещающих пород на расход растворов. Полученные результаты моделирования не всегда могут быть перенесены на руды в конкретных условиях в штабеле со своим грансоставом и с различной плотностью. Существенное значение приобретает поведение раствора в объеме штабеля, его перемещение, то есть здесь может быть выделен и геометрический фактор поведения раствора.
Выщелачивание полезных компонентов из кускового рудного материала описывается диффузионно-кинетической теорией гетерогенных процессов, где извлечение полезного компонента идет на контакте раствора с поверхностью куска с участием диффузионного процесса.
Вообще процесс выщелачивания может быть разделен на три стадии:
- поступление раствора в объем выщелачиваемой руды;
- выщелачивание полезного компонента;
- отвод продуктивного раствора.
Контролировать процесс выщелачивания можно только по отдельным стадиям, так например, с помощью электроразведочных методов можно оценивать расположение контуров зон закисления в штабеле, то есть характеризовать зону поступления растворов в штабель.
Широкое распространение кучное выщелачивание получило при переработке бедных и забалансовых урановых руд. Основы выщелачивания урановых руд изложены в работе [И.К. Луценко и др. «Бесшахтная разработка рудных месторождений», под редакцией В.Д. Носова и В.И. Кочеткова. Издательство «Недра», М., 1986 г. с. 176]. Контролировать процесс выщелачивания урановых руд можно с использованием методов радиоактивного каротажа в пробуренных и обсаженных в штабеле вертикальных скважин и в проложенных с небольшим уклоном труб, имитирующих скважины.
На настоящий момент начинают широко использовать комплекс ядерно-физических методов, включающих прямые методы определения массовой доли урана при подземном его выщелачивании (КНД-МО гамма-каротаж (ГК) и импульсный нейтрон-нейтронный каротаж (ИННК). Основой прямого определения урана является регистрация потока мгновенных нейтронов деления (МНД) ядер U-235. Изотоп U-235 составляет 1/138 долю от изотопа урана-238. Воздействуя на изотоп U-235 импульсным потоком тепловых нейтронов, вызываем его деление с образованием мгновенных нейтронов, которые регистрируем в промежутках между первичными импульсами нейтронного генератора (ИНГ).
Метод ИННК, позволяющий определять первоначальное водородосодержание руды и периодическое водородосодержание после орошения штабеля и тем самым характеризовать динамику перемещения растворов в плане и в разрезе штабеля. Получаемая информация при этом дает временной характер заполнения перового пространства руды. Изменение водородосодержания за счет гравитационного просачивания и перемещения растворов вниз будет определять скорость фильтрации и эффективную пористость. ГК используется только перед началом орошения штабеля, так как радий в процессе выщелачивания урана не растворяется и практически остается на месте. Отсюда следует, что степень извлечения урана или его привноса в объем кучи можно оценивать путем сопоставления данных КНД-М и ГК. ИННК, который выполняется одновременно с КНД-М оценивает нейтронные свойства руды и определяет время появления выщелачивающих растворов на различной глубине в штабеле при периодическом повторении.
Каротаж в скважинах может выполняться серийно выпускаемыми приборами АИНК-48, АИНК-50 АИНК-43. Положение зон закисленной руды может определяться с помощью аппаратуры электроразведочной томографии Скала-48 или Скала-64М (Бобачев А.А., и другие. Электротомография методом сопротивлений и вызванной поляризации. Приборы системы разведочной геофизики. №02. 2006. с.14-17).
Исходя из выше приведенных предпосылок, суть предлагаемого изобретения заключается в том, что в штабель рудной массы укладывают горизонтально трубы-скважины с диаметром, обеспечивающим перемещение по ним скважинного каротажного прибора для одновременной регистрации потока мгновенных нейтронов деления, потока рассеянных тепловых нейтронов от импульсного нейтронного источника и интенсивность гамма-излучения. Для получения информации по вертикали штабеля устанавливают вертикальные трубы-скважины такого же диаметра. Во всех скважинах не должен скапливаться выщелачивающий раствор, что будет упрощать интерпретацию результатов каротажа.
Для оценки массовой доли урана, радия и влажности руды, полученные результаты каротажа сравнивают с данными измерений в градуировочных моделях, имеющих размеры, соответствующие слою насыщения по нейтронам и гамма-излучению. Состав и влажность моделей должен быть близок к руде в штабеле. В результате каротажа регистрируют одновременно поток мгновенных нейтронов деления, поток рассеянных тепловых нейтронов от импульсного нейтронного генератора и интенсивность естественного гамма-излучения, по которым оценивают распределение массовой доли урана, радия и влажности руды в разрезе, и в плане рудного штабеля до и после начала процесса выщелачивания.
По результатам периодически выполняемого каротажа с учетом времени проникновения раствора на уровень расположения выделенных зон в скважинах, определяют скорость фильтрации. По сопоставлению массовой доли урана в различные периоды времени оценивают степень его извлечения за этот период. По сопоставлению массовой доли радия, в эквивалентных процентах урана, с массовой долей урана характеризуют степень извлечения урана за период от начала процесса выщелачивания. Получаемые при этом параметры контроля технологического процесса выщелачивания будут характеризовать в пространстве штабеля и во времени. Изменчивость величины скорости фильтрации позволит давать заключение о наличии зон «проскальзывания» растворов и зон их застоя и тем самым указывать на их устранение, и по достижению определенного значения степени извлечения прекращать процесс выщелачивания, где продолжение экономически не целесообразно.
На фигурах 1 и 2 схематически приведено общее расположение оборудования при кучном выщелачивании урановых руд, где показано в разрезе и плане положение контрольных скважин в штабелях руды.
На площадке выщелачивания расположен штабель 1, сформированный из забалансовой или бедной руды. Руда для обеспечения эффективного извлечения урана имеет крупность - 50 мм, для чего она может додрабливаться. Руда укладывается на гидроизолирующую пленку 2, которая лежит на «подушке» 3, препятствующей повреждение пленки 2. Штабель 1 укладывают на склоне с небольшим уклоном и по краям располагаются растворосборные канавки 4. В процессе формирования штабеля укладываются трубы-скважины 5, которые располагают горизонтально с небольшим уклоном, чтобы исключить в них скапливание растворов. Материал труб может быть полиэтилен высокой плотности (ПВП) или трубы армированные металлопластиковые (МПТ) такой толщины, чтобы исключить их смятие. Можно использовать стальные трубы. Количество скважин, их расположение определяется точками контроля технологии выщелачивания. Трубы 5 можно располагать в двух или нескольких плоскостях по несколько штук в пределах одной плоскости, в зависимости от требований объема информативности. Для непрерывного наблюдения процесса выщелачивания, в штабеле располагают (путем бурения) вертикальные скважины 6. Хотя возможно здесь по вертикально расположенной обсадке может происходить прохождение растворов (проскальзывание) и тем самым вносить незначительные искажения, которые не будут существенно влиять на результаты контроля. Для обеспечения представительного контроля по всему объему штабеля 1 трубы 5 и 6 соединяют резьбовым соединением (сварное соединение способствует образованию швов, препятствующих перемещению скважинного прибора 9 при выполнении КНД-М и ИННК). Для уменьшения влияния искажающих факторов на результаты каротажа КНД-М и ИННК, скважины не должны заполняться выщелачивающими растворами.
На верхней поверхности штабеля 1 располагается система орошения, где на стойках 7 закреплены форсунки. Доступ к устью скважин 5 и 6 обеспечивается лестницей 8. Сигналы по кабелю 11 из скважинного прибора 9 через блок-баланс 10 подаются на регистрирующую аппаратуру. Сам скважинный прибор 9 предварительно подается на забой с помощью толкающих штанг, а затем вытягивается «вручную» или лебедкой каротажной станции с соблюдением заданной и постоянной скоростью. КНД-М можно выполнять и в точечном режиме, обеспечивая минимальную статистическую погрешность регистрации, но вести измерение следует от забоя к устью, чтобы исключить регистрацию наведенной гамма-активации. В процессе перемещения через штабель выщелачивающий раствор поступает в зумпф 12, где насосом 13 подается на сорбцию.
Методы КНД-М и ИННК для определения массовой доли урана и водородосодержания в выщелачиваемой руде являются относительными. При этом регистрируемый параметр в скважине сопоставляют с измеренной величиной такого же параметра в градуировочных моделях 14, где известна массовая доля урана и водородосодержание (влажность). Скважинный прибор должен располагаться в центре моделей 14 так, чтобы и мишень ИНГ, и окончание удаленного детектора отстояли от краев модели не менее чем на 45 см. Состав градуировочных моделей 14 из дробленой руды, по которой отбирают представительные пробы, анализируют их на U, Ra, влажность. Модель с повышенной влажностью создается путем формирования отдельных и одинаковых слоев, разделенные полиэтиленовой пленкой, мощность которых не более 10 сантиметров. Пленка по весу должна учитываться при расчете влажности модели. Все модели устанавливаются на передвижной платформе 15 для мобильного многократного применения. Одна из моделей имеет влажность, соответствующую усредненному значению в формируемом штабеле (первоначальную влажность). Другая модель с такой же рудой, но дополнительно увлажненной присутствующим раствором в штабеле. Через центр моделей устанавливают трубы, диаметром и по составу соответствующие трубам, уложенным в штабель. Значение фона оценивают по измерениям в фоновой модели, изготовляемой из песка или пустой породы. Дополнительно для характеристики 100%-й влажности и фона, изготовляют такую модель, заполненную водой, в которой заведомо отсутствуют элементы, аномально поглощающие нейтроны (B, Cl, Cd, и др.). Модели с урановой рудой герметизируются для накопления продуктов распада радона, чтобы в последующем контролировать результаты ГК.
рр
Учет количества урана, заложенного в выщелачиваемый штабель, ведут исходя из результатов КНД-М и ГК по всем скважинам (расчет количества урана выполняют с учетом геометрии расположения скважин) и суммарного веса автосамосвалов фиксируемого на рудоконтрольной станции (РКС) и массовой доли урана в них. По данным КНД-М определяют массовую долю урана и ее пространственное распределение, а по ГК и на РКС определяют массовую долю радия в эквиваленте % урана. По отношению радия и урана оценивают естественный (природный) коэффициент радиоактивного равновесия руды в штабеле (К).
1
2
3
1
2
3
Одним из основных контролируемых параметров является определение скорости фильтрации выщелачивающих растворов в объеме штабеля и ее изменчивость во времени. Как показано на фигуре 1 наблюдение можно вести по вертикальным скважинам 6 и по горизонтальным 5. Динамику развития процесса можно наблюдать по КНД-М в скважинах 6 с периодичностью, установленной предварительно по результатам лабораторного моделирования. Здесь можно будет наблюдать изменение концентрации урана в растворах и степень его извлечения в соответствии с данными, приводимыми в работе [И.К. Луценко и др. «Бесшахтная разработка рудных месторождений», под редакцией В.Д. Носова и В.И. Кочеткова. «Недра». М., 1986 г. с. 40-46]. КНД-М и ИННК в горизонтальных скважинах 5, расположенных в штабеле 1 на глубине h, h, h, будут фиксировать поступление выщелачивающего раствора за счет гравитационного перемещения с верха штабеля через интервал времени t, t и t. Процесс выщелачивания является гетерогенным, то есть взаимодействие идет с присутствием фильтрационного и диффузионного извлечения, и где присутствует конвективная и молекулярная диффузии. Скорость фильтрации может изменяться во времени. В работе [Г.И. Авдонин и др. «Техногенная гидро- и геохимическая зональность, возникающая в процессе сернокислотного подземного выщелачивания урана». Сб. докладов. Подземное и кучное выщелачивание урана, золота и других металлов. Том 1. 2005 г., с.142-147] рассмотрен вопрос геохимической зональности, формирующейся в процессе выщелачивания.
r
r
m
r
γ
d1
d2
Для сравнительного наблюдения поведения растворов в качестве исходных параметров, используют результаты КНД-М и ИННК, полученные в скважинах 5 и 6 в штабеле до начала орошения. Здесь оценивают массовую долю урана (qU), радия (qRa), время жизни тепловых нейтронов (tau), рассеянный поток тепловых нейтронов (N) и влажность руды (W), используя для этого приборы АИНК-48 и АИНК-43. Скорость КНД-М не должна превышать 20-30 м/час, при этом регистрируют временное распределение (от 32 до 1960 мкс) потока мгновенных нейтронов деления (N), потока рассеянных тепловых нейтронов ИНГа (N) после каждого нейтронного импульса, результаты мониторирования выхода ИНГа (DM) и интенсивность естественного гамма-излучения (N). Для ИННК, с использованием прибора АИНК-43 для оценки влажности, скорость каротажа может быть увеличена до 150 м/час и регистрируется временное распределение (от 32 до 1960 мкс) потока рассеянных тепловых нейтронов ИНГа двумя нейтронными детекторами (N и N).
Появление выщелачивающего раствора в зоне околоскважинного пространства может определяться следующими параметрами, которые регистрируются при выполнении КНД-М или ИННК:
m
- увеличение потока мгновенных нейтронов деления N, если первоначальная руда была ниже 2-3%, если более 5-7%, то будет наблюдаться его уменьшение;
γ
- значение интенсивности гамма-излучения N по каналу ГК будет уменьшаться из-за разбавления концентрации Ra привнесенным раствором;
r
r
a
1
2
- значение N и tau будет снижаться и мало зависит от первоначальной влажности руды, так как с ростом водородосодержания (∑(H)=0,198 см/г) поглощение тепловых нейтронов увеличивается;
d1
d2
- при работе с прибором АИНК-43 значение отношения R=N/N возрастает.
m
m
1
Периодический КНД-М в скважинах 6 позволит наблюдать практически непрерывно динамику процесса выщелачивания, где уменьшение массовой доли урана на начальном этапе обусловлено фильтрационным растворением и его перемещением вниз с наложением на невышелоченный уран из-за снижения кислотности раствора. Это будет отображаться на каротажных кривых КНД-М, где в верхней части штабеля (устье скважины) будет визуально наблюдаться уменьшение значения N, а ниже по глубине прирост на уже существующее (до начала орошения) N. Количественная оценка массовой доли урана до и после начала орошения должна выполняться с учетом привнесенной влажности и с использованием увлажненной градуировочной модели. Периодические наблюдения на скважинах 6 до проникновения раствора на уровень скважин 5 позволяют, где по результатам КНД-М или ИННК оценивать значение времени t.
n
n
Зная координаты положения регистрируемых изменений нейтронных параметров и время их проявления, определяют скорость фильтрации растворов в штабеле для определенной зоны и уровня. Выполняя аналогично КНД-М и ИННК для скважин 5, зоны более низкого уровня h и t, оценивают скорость фильтрации:
Каротаж горизонтальных скважин 5 дает возможность оценить растекание растворов в плане штабеля, где кроме того могут быть выявлены зоны повышенной циркуляции растворов («проскальзывания»), в которых извлечение урана может существенно снижаться.
Оценить степень извлечения урана можно путем сопоставления его массовой доли до начала процесса выщелачивания и после за определенный период времени. Другим путем, оценки степени извлечения урана является сопоставление результатов КНД-М и ГК, полагая при этом, что Ra не извлекается и остается на месте.
Здесь возможен и прирост массовой доли урана за счет привноса его из верхних частей штабеля и отложения в восстановительной среде. Через определенный период времени будет наблюдаться общее его снижение, а прирост будет смещаться на более низкий уровень. Все определения массовой доли урана и радия ведут с пересчетом на сухой вес.
Массовая доля урана по результатам КНД-М оценивается с использованием формул (Инструкции по каротажу методом мгновенных нейтронов деления при изучении урановых месторождений гидрогенного типа. Под редакцией Г.И. Ганичева, И.М. Хайковича и др. - Л.: НПО «Рудгеофизика», 1986):
L
tau
c
где П, П, П - поправки на пространственное распределение нейтронов, на нейтронные свойства руды, за поглощение в стальных трубах обсадки (если они применяются);
с
К - пересчетный коэффициент, определяемый на первоначальной руде и на руде с дополнительным увлажнением;
W - влажность руды, %.
Определение массовой доли радия выполняется согласно формулам (Инструкции по гамма-каротажу при поисках и разведке урановых месторождений. Под редакцией А.В. Мальцева. И.М. Хайковича и др. - М.: Министерство геологии СССР, 1987) по формуле:
где γ - чувствительность к гамма-излучению прибора, мкР/час/(имп./с)
P - поправка за отжатие радона;
о
б
П, П поправки за поглощение в стальной обсадке, на поглощение в буровом растворе или в полиэтиленовом материале (ПВП или МПТ) для скважин 5;
К - пересчетный коэффициент может быть принят - 115 мкр/час.
Массовая доля урана по ГК оценивается по формуле:
рр
где К - значение коэффициента радиоактивного равновесия, определенного еще до орошения штабеля раствором.
Исходя из определяемых значений массовой доли урана на заданном интервале глубины скважины по формуле (2) и (4), можно оценить степень извлечения (∈):
1
2
Можно оценить степень извлечения (∈) по формуле (2), когда сравнивается массовая доля урана, определенная в момент времени t и в момент t:
Влияние массовой доли урана в растворах на результаты КНД-М по скважинам может частично учитывать, если прерывать орошение кучи и через определенный временной интервал выполнить КНД-М, где уран, извлеченный за счет процесса фильтрации, смещается вниз, а уран, растворяемый при капиллярном и микропористовом растворении, будет задерживаться при существенно более низкой скорости фильтрации. Здесь метод КНД-М позволит выявлять зоны, где изменение массовой доли урана не наблюдается или даже наращивается, что может быть связано и с кольматацией некоторых в штабеле.
Таким образом, используя результаты КНД-М и ИННК, выполняемые периодически в процессе кучного выщелачивания в скважинах, можно полностью контролировать всю технологическую цепочку. При этом в штабеле можно выделять зоны различной степени извлечения урана. Метод КНД-М позволит вести постоянный контроль извлечения урана на отдельных участках штабеля (где проложены скважины) и своевременно прерывать орошение. Получаемая в процессе контроля информация позволит регулировать технологию извлечения урана и своевременно увеличивать или прекращать подачу реагентов, что позволит сокращать расходы и обеспечит экономическую выгоду.