Проектирование урановых рудников

4.2 Классификация систем разработки при способе подземного и поверхностного выщелачивания

Сложность и многообразие геолого-гидрогеологических и горно-технологических условий месторождений твердых полезных ископаемых обусловили появление широкого разнообразия конструкций систем разработки способом выщелачивания6 которые отличаются друг от друга как порядком формирования выемочного пространства так и методами и режимами подачи и извлечения продуктивных растворов.

Система разработки при способе выщелачивания -- это определенный порядок образования зоны выщелачивания, увязанный во времени и пространстве с конструктивными элементами, технологическими скважинами и коммуникациями, с целью управляемого перевода полезного компонента, извлекаемого из недр, в подвижное состояние.

Из вышеизложенного следует, что природные и горнотехнические условия применения определяют характерные особенности горных работ при подготовке выемочных участков, поэтому обусловливают общую схему конструктивного построения систем разработки при способах подземного и поверхностного выщелачивания.

В связи с этим, при разделении всех систем на первичные ряды может быть использован вид горных выработок, открывающих доступ к полезному ископаемому и используемых для подготовки зоны выщелачивания- По данному принципу могут быть образованы классы систем разработки (см. табл.1. ).

При дальнейшем разделении на группы использованы признаки, характеризующие конструктивные элементы зоны выщелачивания.

Зона выщелачивания -- пространство в пределах подготовленной части месторождения (залежи), представленное выщелачиваемой горнорудной массой, насыщенной растворителем. Зона выщелачивания состоит из трех фаз--твердой, жидкой и газообразной.

Процесс подготовки руды для подземного или кучного выщелачивания правомерно характеризовать понятием рудоподготовка. Рудоподготовка включает операции по дроблению рудного массива и поддержанию вмещающих пород, частичному выпуску и накопилению горной массы, а также сооружению технологических скважин. Так, 1 и 11 классах выделены варианты по схеме расположения технологических скважин и способу подачи растворителя и разрушения выщелачиваемой руды. Характер подготовки основания зоны выщелачивания использован в III классе систем разработки.

Признаки, используемые при образовании вариантов, конкретизируют конструктивные элементы, свойственные определенному классу и группе. Поэтому полное наименование системы разработки даст достаточно полное представление о порядке подготовки руды, способе орошения и извлечения продуктивных растворов н состоянии заполняемого выщелачиваемой рудой выемочного пространства блока ПВ.

Блок ПВ -- обособленный участок рудного тела (залежи), внутри которого проводятся работы по подготовке руды для выщелачивания па месте залегания. Подготовительными и нарезными горными выработками он может разделяться на отдельные части: подэтажи, слои, полосы, камеры и т. д.

Выработки, проводимые внутри выемочного участка и служащие для передвижения людей, транспортирования горной массы и грузов, размещения коммуникаций и создания фронта выщелачивания, называются подготовительно-нарезными.

Различают нарезные и подготовительные выработки. К нарезным относятся выработки, проводимые в блоке ПВ для создания фронта выщелачивания. Выработки, предназначенные для передвижения людей, перепуска руды на откаточный горизонт, проветривания, размещения коммуникаций и сбора продуктивных растворов, следует относить к подготовительным.

В таблице1 приведена классификация систем разработки месторождений способом выщелачивания. Анализируя таблицу, можно заметить, что I класс не содержит элементов других способов разработки. Второй и третий классы специфичны том, что в них используются отдельные элементы соответственно подземного и открытого способов разработки. И, наконец, в IV классе представлены конструкции, состоящие из сочетания элементов систем при различных способах разработки, применяемых в горнорудной практике.

В силу этих особенностей предлагаемая классификация, позволяющая систематизировать множество различных конструкций систем разработки, может служить основанием для изучения, оценки и выбора области применения эффективных вариантов рудоподготовки при способах подземного и поверхностного выщелачивания в разнообразных горно-геологических и горнотехнических условиях.

К I классу систем в предлагаемой классификации отнесены такие системы разработки при способе ПВ, в которых доступ к полезному ископаемому и фронт выщелачивания обеспечиваются посредством сооружения скважин, оборудованных в пределах рудного тела фильтрами, а водоносного горизонта -- насосами для извлечения продуктивных растворов.

В зависимости от природного состояния для реализации способа подземного выщелачивания может не требоваться предварительного рыхления полезного ископаемого, если оно обладает достаточной естественной пористостью. Если же рудовмещающие породы слабопроницаемые например, представлены скальными породами, то для повышения проницаемости руды и реализации способа их предварительно подвергают дроблению, чаще всего с применением энергии взрыва заряда ВН, ядерного заряда и др. Характер действия взрыва выбран нами при разделении систем разработки при способе ПВ на варианты.

Характерной особенностью данного класса систем разработки является то, что скважины, пробуренные с поверхности, открывают доступ к полезному ископаемому и выполняют функцию добычного комплекса.

В отличие от рассмотренных, II класс объединяет системы разработки способом ПВ, которые требуют для реализации выщелачивания проведения в рудном теле комплекса подземных горных работ, обеспечивающих доступ к полезному ископаемому и развитие фронта выщелачивания. Причем технологические скважины для создания фронта выщелачивания обязательно проходят из подземных горных выработок.

В III класс вошли те системы, при которых для обеспечения доступа растворов к полезному ископаемому использованы открытые горные выработки (канавы, траншеи, котлованы и т. д ) а также кучное выщелачивание.

Кучное выщелачивание -- геотехнологический поверхностный способ добычи металлов из руд, уложенных на специально образуемых водонепроницаемых площадках.

Отвал технологический -- искусственная насыпь минерализованных горных пород, образованная на специально отведенной площадке дневной поверхности, требующая выполнения специальных мероприятий для реализации процесса выщелачивания. Эти системы разработки применяют при неглубоком залегании месторождении или когда они выходят на поверхность. Они отличаются простотой конструктивного оформления, высокой производительностью труда на всех стадиях подготовки и выщелачивания руды. Эффективность вариантов этих систем разработки в значительной степени зависит от затрат на сооружение гидроизоляционного основания и мероприятии, проводимых но улавливанию продуктивных растворов. Помимо этого, решающими в статье затрат на получение единицы готовой продукции могут оказаться длина доставки горной массы и величина земельной ренты, которые и определяют принцип разделения на варианты в этом классе.

Комбинированные системы (IV класс) совмещают работы по подготовке руды к выщелачиванию, очистной выемке, выдаче горной массы из блока, подаче выщелачивающего и извлечению продуктивного раствора, а также связанные с ними мероприятия, которые могут быть настолько тесно взаимосвязаны во времени и пространстве, конструктивно неотделимы друг от друга и обусловлены природными и горнотехническими условиями, присущими разным способам разработки, что исключение хотя бы одного из элементов непременно приведет к нарушению стройности всей технологической цепочки. Эти признаки позволили четко определить возможные сочетания систем разработки при способах подземного и поверхностного выщелачивания с подземным и открытым способами в зависимости от природных и организационно-технических условий эксплуатации конкретного месторождения или его частей.

Таблица 1

Класс	Группа	Варианты
1. Со скважинами, пробуренными с поверхности	A. С горизонтальной фильтрацией в ненарушенном массиве Б. С вертикальной фильтрацией в ненарушенном массиве B. С инфильтрационным просачиванием по раз-рыхленному массиву Г. Со статическим насыщением разрыхленного массива	С рядным располо-жением откачных и закачных скважин С площадным распо-ложением откачных и закачных скважин Со сдвоенными откач-ными и закачными скважинами С совмещенными от-качными и закачными скважинами С дроблением взрывами рыхления С дроблением взры-вами выброса С дроблением взрывами рыхления
II. С элементами подземных горных работ	A. С магазинирова-нием выщелачиваемой руды на месте залегания Б. С этажной отбойкой руды для выщелачивания B. Сплошные системы с отбойкой руды для выщелачивания Г- Столбовые системы с отбойкой руды для выщелачивания Д. С доставкой отбитой руды для выщелачивания в выработанных пространствах	С разбрызгиванием растворов и верхней подсечкой С нагнетанием через горизонтальные скважины С разбрызгиванием растворов с верхней подсечкой С наливом через нисходящие скважины в потолочине блока С нагнетанием через горизонтальные (наклонные) скважины С нагнетанием через восходящие скважины С наливом через нисходящие скважины в потолочине блока С нагнетанием через горизонтальные скважины из подготовительных выработок С разбрызгиванием растворов с верхней подсечки С наливом через нисходящие скважины в потолочине блока С нагнетанием через горизонтальные (наклонные) скважины С нагнетанием через восходящие скважины С разбрызгиванием растворов с верхней подсечки С наливом через нисходящие скважины в потолочине блока С нагнитанием через горизонтальные (наклонные) скважины
III. С элементами открытых горных работ	А. С массовой отбойкой руды в зоне выщелачивания Б. С выщелачиванием на специально отведенной площадке	С естественным гидро-изоляционным осно-ванием Без гидроизоляционного основания С искусственным гидроизоляционным ос-нованием С естественным гидроизоляционным основанием Без гидроизоляционного основания
IV. Комбинированные системы разработки	A. С сочетанием систем разработки I и 11 классов Б. С сочетанием систем разработки I и III классов B. С сочетанием систем разработки II и III классов	С самоизливом раство-ров в горные выра-ботки С рядным располо-жением откачных скважин, пробуренных из горных выработок на горизонт водоупоров С самоизливом раст-воров в горные выра-ботки С улавливанием ра- створов скважинами на поверхности водоупоров С приемом растворов на подземные горные выработки С улавливанием раст-воров на зеркале под-земных вод

Из разработанной классификации систем разработки рудных месторождений способом выщелачивания, рассмотрим систему разработки со скважинами, пробуренными с поверхности (класс1).

Данная система нашла широкое применение при разработке месторождений, фильтрационные свойства которых практически не отличаются от вмещающих пород. Скважины чаше всего располагают чередующимися рядами откачных и закачных скважин, ориентированных вкрест или по простиранию рудного пласта. При последней схеме несколько уменьшается объем буровых работ, поэтому она получила наибольшее применение на предприятиях ПВ. Форма ячейки может быть треугольной, квадратной, прямоугольной и т. д.

При эксплуатации залежей шириной до 150 м обычно применяют два варианта: первый состоит из трех рядов технологических скважин с расположением по середине залежи откачного ряда вдоль простирания, а закачных рядов по внешнему контуру со смещением их внутрь залежи с целью уменьшения зоны растекания продуктивных растворов. Причем откачные и закачные скважины бурят в шахматном порядке, а величину их полевого смещения от контура залежи определяют расчетно.

Второй вариант этой системы разработки предполагает чередование откачных и закачных рядов скважин вкрест простирания узких залежей (Рисунок 1). Он более гибкий с точки зрения возможности варьирования расстояний между технологическими скважинами.

В связи с тем что закачные скважины, в силу объективных причин, работают менее стабильно, чем откачные, для соблюдения баланса закачки-откачки растворов в практике число первых увеличивают пропорционально соотношению их дебитов. Это позволяет предотвратить излишние расходы реагента и разубожива-ние продуктивных растворов, вследствие их дебаланса, и улучшает охрану недр.

Системы с вертикальной фильтрацией в ненарушенном массыве (группа Б) применяют на месторождениях гидрогенного типа, на которых фильтрационные свойства руд хуже вмещающих по-

род. В качестве примера можно привести систему разработки с этажным расположением фильтров воткачных и закачных скважинах, при которой фильтры располагают выше кроили и ниже подошвы пласта, практически, по одной вертикали. Причем фильтры закачных скважин размещают в более проницаемых породах.

Наиболее перспективным с точки зрения гидродинамических процессов является смешанное расположение фильтров. Применение этой схемы позволит эффективно разрабатывать и такие месторождения, на которых по-

лезное ископаемое залегает в кровле пли подошве продуктивного гиризонта и характеризуется более низкими фильтрационными свойствами, чем вмещающие породы.

Одним из существенных недостатков способа подземного выщелачивания на гидрогенных месторождениях является растекание технологических растворов за контуры выемочного пространства, вследствие чего происходит разубоживание растворов подземными водами, потери полезного компонента, повышается расход реагента и увеличивается продолжительность процесса выщелачивания.

В целях улучшения качественных показателей, а также снижения вредного влияния способа ПВ на окружающую среду в настоящее время и практике отечественных и зарубежных предприятий, разрабатывающих гидрогенные месторождения, нередко образуют гидравлические завесы путем бурения по контуру рудного тела так называемого барражного ряда скважин, которые работают в режиме технологических скважин, по с закачкой и откачкой из них законтурных пластовых вод. Этот путь нельзя относить к прогрессивным, поскольку при этом заметно увеличивается объем бурения и повышаются непроизводительные затраты на циркуляцию пластовых вод.

5. Геотехнология добычи урана

Геотехнологическая схема добычи урана из месторождений осадочного типа различными скважинными системами включает следующие взаимосвязанные технологические процессы:

1) собственно сернокислотное выщелачивание урана из рудных тел на месте их залегания с получением продуктивных урансодержащих растворов;

2) сорбционное извлечение урана из продуктивных растворов ионитами c получением насыщенного уранового ионита и обедненных по урану возвратных растворов (маточников сорбции), возвращаемых в цикл подземного выщелачивания после доукрепления серной кислотой;

3) регенерация насыщенного ионита с получением товарного уранового концентрата и регенерированного ионита в исходной солевой форме, возвращаемого на сорбцию урана из продуктивных растворов.

Для подземного скважинного выщелачивания урана из руд, залегающих в рыхлых осадочных обводненных отложениях с горизонтальным или слабонаклонным залеганием пластов в продуктивном горизонте, применяют различные системы откачных-закачных скважин, пробуренных с поверхности.

Растворы из общего магистрального трубопровода поступают в технологический узел закисления, где доукрепляются до заданной концентрации подаваемой насосом из расходной емкости концентрированной серной кислоты. Далее выщелачивающие растворы подаются в схему обвязки блока.

Продуктивные растворы из откачных скважин выдаются на поверхность погружными насосами или эрлифтами и поступают в блочный коллектор продуктивных растворов, по которому транспортируются в отстойник продуктивных растворов блока. Осветленные растворы из отстойника насосами подаются в общий коллектор продуктивных растворов для транспортировки растворов на перерабатывающую установку.

Отработку блока осуществляют при выполнении следующих требований:

* соблюдение баланса откачки-закачки растворов по блоку, рядам и ячейкам скважин; суммарные расходы ПР и ВР должны быть одинаковыми;

* закачивание в скважины только осветленных, то есть очищенных от механических примесей растворов; предельно допустимая концентрация механических примесей в ВР составляет 50 мг/л;

* подача на подкисление ВР кислоты, очищенной от механических примесей;

* при ремонтно-восстановительных работах в скважинах откачиваемые растворы направляются в специальную емкость для отделения механических примесей, после чего осветленные растворы подаются в общий коллектор ПР.

5.1 Отработка эксплуатационных блоков способом ПСВ

Отработка эксплуатационных блоков способом ПСВ подразделяется на три периода:

1. подготовка блоков к добыче;

2. отработка;

3. отключение (погашение) блоков или участков с выводом их из цикла ПСВ.

Период подготовки блока к добыче

Период подготовки блока к добыче металла включает в себя бурение эксплуатационно-разведочных, технологических и наблюдательных скважин, обвязку и оснащение их поверхностными коммуникациями, оборудование контрольно-измерительной аппаратурой, а также стадию закисления рудовмещающего горизонта.

Бурение эксплуатационно-разведочных, технологических, наблюдательных и других скважин осуществляется согласно утвержденному проекту горных работ, в котором определяется схема расположения скважин, а также их конструктивные особенности.

При выполнении буровых работ необходимо учитывать и выполнять следующие основные положения:

* эксплуатационная разведка должна производиться в объемах, обеспечивающих (совместно с разведочным бурением) правильное расположение запроектированных технологических скважин в плане и разрезе, а также обеспечивать дополнительное изучение вещественного состава пород и руд рудовмещающего горизонта;

* в случае, когда после бурения (или в процессе бурения) технологических скважин выявляются дополнительные данные, вызывающие необходимость изменения схемы расположения скважин в плане и разрезе, а также внесения в проектные конструкции скважин соответствующих изменений - добычным предприятием должен составляться дополнительный проект, который согласовывается с недропользователем.

Обвязка скважин поверхностными коммуникациями включает:

* обвязку всех закачных и откачных скважин необходимыми трубопроводами;

* герметизацию устьев закачных скважин во избежание их перелива в режиме свободного налива;

* сооружение локальной установки для приема пластовых вод и непродуктивных растворов из откачных скважин и последующей доводки их до заданной кислотности перед подачей в закачные скважины;

* монтаж, при необходимости, расходных пунктов кислоты;

* подвод к локальной установке кислотопровода с системой дозировки кислоты;

* монтаж нагнетательных трубопроводов, магистралей к узлу сорбции, воздухопроводов от компрессорной станции и др.;

* монтаж пескоуловителей - отстойников на основных магистралях откачных и рабочих растворов;

* монтаж раствороподъемных (насосных или эрлифтных) установок на откачных скважинах;

* установку на каждой технологической скважине, а также на основных магистралях расходомеров для определения дебитов и приемистости скважин, эксплуатационных блоков и участков;

* сооружение ЛЭП, автодорог, переходов, ограждений и других внутренних коммуникаций.

Конструктивное решение основных узлов и оборудования эксплуатационных блоков и участков осуществляется по проектам, выполненным предприятием и согласованным с недропользователем.

После завершения всех подготовительных работ на новом эксплуатационном блоке составляется акт о его готовности к вводу в эксплуатацию и, после утверждения акта руководством добычного предприятия, начинается закисление блока.

Закисление блока - процесс, необходимый для создания в рудовмещающем горизонте геохимической и гидродинамической обстановки, обеспечивающей процесс перевода урана в раствор, что в общем случае (в рудах и породах с малой карбонатностью - менее 1,5% по СО2 и достаточно равномерной их проницаемостью в плане и разрезе) происходит при значениях рН около 2-3. Поскольку вытеснение пластовых вод в эксплуатационном блоке, как правило, носит не «поршневой», а рассредоточенный характер, рудовмещающий горизонт закисляется неравномерно. При этом наиболее быстро закисляются пропластки рудовмещающего горизонта с большими коэффициентами фильтрации и меньшей карбонатностью.

В указанных условиях окончание стадии закисления определяется условно, поскольку она совмещается во времени со стадией отработки блока (полное закисление эксплуатационного блока со снижением величины рН до 2 - 3 нередко достигается при 30 - 50 и более процентах отработки запасов блока). Поэтому, за окончание периода закисления эксплуатационного блока условно принимается момент времени, соответствующий появлению в большинстве (70% и более) откачных скважин продуктивных растворов и подключение блока к добыче.

В зависимости от морфологических, геотехнологических и гидрогеологических условий залегания рудных залежей выделено четыре основных модификации режима закисления и подачи закачных растворов в эксплуатационные блоки:

* руды и вмещающие их породы с малым содержанием карбонатов (до 1,5% по СО2) закисляются растворами с концентрацией кислоты 15 - 20 г/л;

* руды и вмещающие их породы с повышенной карбонатностью (1,5-2.0 % по СО2) закисляются растворами с концентрацией кислоты 10-15 г/л;

* на начальном этапе закисления (5-10 суток), с целью сокращения кольматационных явлений, применяются кислоты с концентрацией на уровне 5 - 7 г/л;

* в отдельных случаях (при закислении вновь подготовленного к отработке эксплуатационного блока за счет проникновения в него растворов из соседних отрабатываемых блоков и появления в большинстве его откачных скважин продуктивных растворов) отработка блока может быть начата без стадии закисления.

Подача закачных растворов в эксплуатационные блоки на стадии закисления, в зависимости от системы отработки, осуществляется различными способами: прямым, опережающим, пульсирующим, с реверсированием, пассивным и т.д.

При прямом способе подача кислых растворов в закачные скважины производится одновременно с непрерывной откачкой пластовых вод из откачных скважин. При этом способе необходимо соблюдать общий баланс растворов. Количество подаваемых растворов в рудовмещающий горизонт каждого блока, и участка в целом, должно соответствовать количеству откачиваемых пластовых вод, что реализуется через контроль за приемистостью закачных и дебитом откачных скважин и обеспечением стабильности этих параметров.

Завершением процесса закисления при такой подаче растворов считается появление в большинстве откачных скважин продуктивных растворов и подключение блока к добыче.

При опережающем способе закисления блока подача закачных растворов производится в предварительно пробуренные откачные скважины до бурения закачных путем свободного налива или под соответствующим давлением.

Продолжительность опережающего режима закисления определяется временным периодом, необходимым для прохождения фронтом закисления половины расстояния между откачными и закачными скважинами (поданным наблюдательных скважин или согласно расчету).

После введения в работу закачных скважин одновременно с подачей кислых растворов в закачные скважины, в откачные необходимо закачивать в течение 3-7 суток маточники сорбции, чтобы отжать от откачных скважин фронт растворов с высокой кислотностью. Такой подход позволяет избавиться от большой остаточной кислотности в продуктивных растворах, после запуска режима откачки.

Описанный способ позволяет ускорить подготовку блока за счет совмещения во времени стадий закисления и разбуривания закачных скважин. При этом исключается необходимость выполнения откачки непродуктивных растворов и снижается степень кольматационных процессов в откачных скважинах.

Пульсирующая подача закачных растворов применяется при однорядной системе отработки узких (до 50 м в плане) залежей или отдельных, небольших по площади, изолированных рудных тел. В таких случаях расстояние от центра закачки до границы рудного тела составляет около 20 - 25 м и закисление блока производится через универсальные скважины, работающие в переменном режиме «закачка-откачка». Закисление блока считается законченным, когда в наблюдательных скважинах, пробуренных вдоль контура отрабатываемых залежей, появляются растворы со значениями рН менее 4-х.

Реверсирование потока закачных растворов на стадии закисления должно производиться преимущественно в эксплуатационных блоках, разбуренных продольной прямоугольной системой скважин. Закисление блока при реверсировании потока растворов считается завершенным, если в наблюдательных скважинах, пробуренных между рядами откачных и закачных скважин, кислотность закачных растворов достигло значений рН 2,5-3,0.

При пассивном (пульсационно-статическом) способе, закачные растворы подаются во все скважины блока наливом либо под давлением и в объеме, определенным предварительным расчетом. Затем блок отстаивается около месяца, после чего все скважины включаются в режиме откачки. Для полной отработки блока необходимо три - четыре таких цикла. Во время отстаивания блока, для обогащения его кислородом, эффективна подача в горизонт воздуха.

В отдельных случаях допускается закисление блоков отдельными частями с использованием эффекта растекания растворов и т.д.

Из вышеизложенного видно, что методика закисления эксплуатационных блоков должна определяться в зависимости от природных условий залегания рудных залежей и схем расположения технологических скважин.

Режимы закисления эксплуатационных блоков и способы подачи в них рабочих растворов должны оговариваться в проектах эксплуатационных работ, а также в паспортах отработки блоков.

Без утверждения проекта отработки блока его закисление запрещается.

Период отработки блоков

Период отработки эксплуатационных блоков подразделяется на две стадии - активное выщелачивание и доработка блока.

Стадия активного выщелачивания представляет собой процесс массового перехода урана в раствор и перенос его продуцирующими растворами к разгрузочным скважинам. На этой стадии концентрация кислоты в закачных растворах устанавливается в зависимости от карбонатности руд и вмещающих их пород.

При содержании карбонатов до 1,5 % по СО2 извлечение металла из недр до 70 - 80% производится сернокислыми растворами с содержанием кислоты 7 -15 г/л. Показатель рН откачных растворов необходимо поддерживать на уровне 2,0, увеличивая кислотность закачных растворов в случае повышения рН откачных и наоборот.

При содержании карбонатов выше 1,5% по СО2, наиболее эффективно металл выщелачивается при рН более 5,5 с использованием слабокислотных режимов выщелачивания - порядка 5 -10 г/л за счет так называемого «бикарбонатного эффекта».

С целью обеспечения оптимальности процесса ПСВ в период активного выщелачивания целесообразно поддерживать величину ОВП (окислительно-восстановительного потенциала) в области значений около 400 мВ и более. Увеличение ОВП выше значения 500 мВ не приводит к положительному эффекту.

Выщелачивание урана выполняется оборотными растворами, до-укрепленными после процесса сорбции, а также доукрепленными непродуктивными растворами, откачиваемыми из закисляющихся блоков. Как и в процессе закисления блоков, в период активного выщелачивания должно обеспечиваться гидродинамическое равновесие (баланс растворов), как по отдельным эксплуатационным блокам, так и по участку в целом. В этом случае, система скважин блоков и участков работает в стационарном режиме фильтрации, что позволяет максимально локализовать зону циркуляции растворов в плане и разрезе рудной залежи и, как следствие, достичь минимального разубоживания продуктивных растворов.

При отрицательном балансе растворов (откачка превышает закачку) продуктивные растворы разубоживаются за счет привлечения пластовых вод из безрудной (законтурной) части рудовмещающего горизонта. При положительном балансе (закачка превышает откачку) происходит утечка закачных растворов за пределы рудных залежей, что приводит к потерям металла и повышенным расходам выщелачивающего реагента.

В общем случае, как отрицательный, так и положительный дебаланс растворов в эксплуатационных блоках создает условия для перетекания закачных и продуктивных растворов из блока в блок. Это приводит к удлинению траекторий движения продуцирующих растворов и, следовательно, к увеличению сроков отработки блоков. Контроль процесса ПСВ в такой ситуации существенно усложняется и, практически, исключает возможность поблочного учета добычи металла.

Особенно важным обстоятельством при отработке эксплуатационных блоков является соблюдение заданного режима работы откачных и закачных скважин. Необходимо обеспечивать равномерную по площади блока подачу закачных и откачку продуктивных растворов, что может быть достигнуто следующими основными мероприятиями:

* расчетом оптимального соотношения и расположения откачных и закачных скважин по площади эксплуатационного блока, в соответствии с их дебитами и приемистостью;

* строгим соблюдением заданных параметров дебита и приемистости скважин (корректная регулировка) и своевременным выполнением РВР;

* восстановлением (ремонтом) технологических скважин либо бурением новых скважин взамен вышедших из строя;

* бурением дополнительных технологических скважин на участках эксплуатационного блока, где дебиты и приемистость скважин снижаются до минимальных величин в результате интенсивной кольматации фильтров и прифильтровых зон.

Выполнение перечисленных работ является одним из основных и обязательных требований к функционированию эксплуатационной службы предприятия. Неравномерная по площади проработка эксплуатационного блока технологическими растворами вызывает следующие негативные последствия:

* неравномерное выщелачивание урана в блоке и образование целиков, выявление которых как на площади блока, так и, особенно, участка, требует неоправданно больших затрат на контрольное бурение;

* увеличение сроков отработки блока в целом из-за более длительной отработки его отдельных частей;

* повышение удельного расхода кислоты и показателя Ж:Т, снижение концентрации металла в продуктивных растворах и, как следствие, повышение расхода электроэнергии, сжатого воздуха, других материальных и финансовых затрат на единицу выпускаемой продукции.

Гидродинамическое равновесие по отдельным скважинам, рядам, ячейкам скважин, эксплуатационным блокам, участкам поддерживается поданным расходомеров, пьезометров и другой контрольно-измерительной аппаратуры, установленной в точках измерения в соответствии с проектом работ.

Периодичность всех видов контроля (геологического, гидрогеологического, геофизического, технологического) изложена в соответствующих разделах инструкции.

6. Сорбционные процессы переработки продуктивных растворов ПСВ

Эффективность сорбционного извлечения компонента, в данном случае урана, определяется степенью его извлечения(%), очистки и концентрирования. Это главные задачи сорбции.

Основное требование к процессу: максимальная емкость смолы и селективность при хороших кинетических показателях сорбции и регенерации урана. Иногда увеличение селективности сопровождается ухудшением кинетических показателей процесса или уменьшением десорбируемости. С технологической точки зрения более выгодно использовать менее селективный ионит, но с лучшей кинетической характеристикой ионного обмена и десорбции.

Минимально необходимые параметры, которые должны интересовать технолога: сорбционная емкость Е; число ступеней сорбции; единовременная загрузка ионита; продолжительность контакта раствора или пульпы с ионитом; условия десорбции.

Все эти параметры прямо или косвенно связаны между собой и отражают основные физико-химические закономерности статики и кинетики сорбции, а также во многом зависят от аппаратурного оформления процесса.

При проектировании технологии сорбционного извлечения; урана из его растворов следует выделить следующие этапы; 1) выбор типа ионита, обусловленный физико-химическими: свойствами жидкой фазы и общими положениями теории статики и кинетики ионного обмена; 2) качественная, а затем и количественная оценка влияния различных физико-химических_ факторов на статику и кинетику сорбции и десорбции (температура, рН среды, концентрация примесей и др.); 3) определение оптимальных параметров процессов сорбции, десорбции и: предшествующих стадий гидрометаллургии, влияющих на эффективность сорбционного процесса.

Из всего сказанного видно значение регулирования состава и свойств жидкой фазы (исходного раствора) для сорбции и соответственно для десорбции.

Как правило, жидкая фаза содержит (помимо урана): макропримеси SO42-, HSO4-, CO32-, НСO3-, Са2+, Mg2+, Fe3+, Fe2+, NO3-. Al3+ и др.: микропримеси Мо6+, As, Cu, Ni, Co, P, F, Ti. Th, РЗЭ, естественные радиоактивные элементы и др. Отсюда вытекает еще одно важное требование к используемому иониту; минимальные константы обмена для микропримесей.

6.1 Основные закономерности сорбционного процесса

Особенностью сорбционного процесса являются простота аппаратуры и компактность, заключающаяся в проведении нескольких основных технологических операций - ионообменное извлечение ценного компонента на ионит, десорбция его подходящими элюентами, последующая переработка товарного регенерата с целью получения готовой продукции и дополнительных операций, связанных с подготовкой ионита к сорбции (отмывка, перезарядка) с использованием оборотных растворов и т.д.

Сорбционный процесс может осуществляться как в периодическом, так и в непрерывном противоточном режиме, достаточно легко автоматизируется, позволяет использовать высокопроизводительное эффективное сорбционное и десорбционное оборудование.

Эффективность сорбционного извлечения ценного компонента (или ценных компонентов при переработке комплексного сырья) определяется степенью его извлечения из технологических сред на ионит, степенью концентрирования и очистки от сопутствующих примесных элементов после элюирования в раствор.

Отсюда вытекает основное требование к процессу-подбор и использование ионита, имеющего максимальную емкость и селективность по извлекаемому компоненту из реальных технологических сред при хороших кинетических показателях сорбции и десорбции.

6.2 Типы ионитов, используемые в сорбционном методе

В технологии урана широко используют аниониты с четвертичными аммониевыми основаниями в качестве функциональных групп:

_

где R1, R2, R3 и R4 - органические, иногда сложные, радикалы. Почему для технологии урана имеют значение именно аниониты? Это становится понятным, если вспомнить наиболее характерные для урана комплексные анионы уранила в сернокислой среде и [UО2(СО3)3]4- в карбонатной.

С помощью анионитов оказывается возможным, например, селективно выделить уран из растворов, содержащих большое количество примесей железа, магния, кальция, марганца.

Сорбционные методы извлечения урана основаны на использовании процесса ионного обмена на ионообменных смолах - ионитах. Иониты - твердые, практически нерастворимые в воде, в кислых, щелочных, солевых, а также органических средах, природные или искусственные материалы, способные к ионному обмену, с помощью которых из растворов можно извлекать различные катионы и анионы.

По знаку заряда обменивающихся ионов различают катиониты и аниониты. Существует также амфотерные иониты, способные одновременно осуществлять и катионный, и анионный обмен.

Ионный обмен имеет некоторые сходство с адсорбцией. При ионном обмене, как и при адсорбции, твердое тело поглощает растворенное вещество. Характерное различие между этими явлениями состоит в следующем. Ионный обмен представляет собой стехиометрическое замещение: в обмен на один эквивалент иона ионит отдает в раствор один эквивалент другого иона с зарядом того же знака. При адсорбции адсорбент поглощает растворенное вещество, не отдавая в раствор никакого другого вещества.

Большое число различных природных и синтетических веществ обладает свойствами ионитов. Важнейшие из них - иониты на основе синтетических смол и углей, а также минеральные иониты.

Природные минеральные иониты представляют собой, как правило, кристаллические алюмо- или ферро-силикаты, жесткая решетка которых несет избыточный заряд.

Наиболее важными представителями этой группы является цеолиты, способные к обмену катионов.

Глаукониты (зеленые пески) представляют собой железоалюмосиликаты, содержащие калий. Глаукониты имеют жесткую решетку с довольно мелкими порами. Поэтому обмен катионов может происходить только на поверхности кристалла.

Синтетические неорганические иониты. Попытки синтезировать вещества, по составу и свойствам подобные природным цеолитам, привели к получению ионитов двух классов, так называемых плавленых пермутитов и гелеобразных пермутитов.

Плавленые пермутиты получают сплавлением смеси соды, поташа, полевого шпата, и каолина. Несмотря на то, что они имеют неправильную структуру, плавленые пермутиты очень сходны с цеолитами.

Плавленый пермутит был впоследствии вытеснен гелеобразным пермутитом. При изготовлении гелеобразного пермутита к сернокислому раствору сульфата алюминия и жидкого стекла добавляют едкий натр. Выпавший алюмосиликатный студень затем высушивают. По сравнению с правильно построенными кристаллическими цеолитами гелеобразные пермутиты при сходном химическом составе обладают неправильной структурой геля, подобной структуре ионообменных смол.

Плавленый и гелеобразный пермутиты представляют в настоящее время лишь исторический интерес.

Иониты на основе синтетических смол. Синтетические ионообменные смолы - это типичные гели. Их каркас, так называемая матрица, состоит из неправильной высокополимерной пространственной сетки углеводородных цепей. В матрице закреплены группы, несущие заряд - фиксированные ионы.

В качестве фиксированных ионов наиболее часто служат следующие: у катионитов - SO3-, - COO-, - РО32-, - AsO32-; у анионитов - NH3+, =NH2+, ?NH+, ?S+.

Матрица ионита гидрофобна. Например, важнейший из исходных веществ для изготовления ионитов - полистирол нерастворим в воде и не набухает в ней. Введение фиксированных ионов (например, в виде групп - SO3-H+ при сульфировании концентрированной серной кислотой или хлорсульфоновой кислотой) означает введение в гидрофобную матрицу гидрофильных групп. Такие линейные молекулы, как полистирол, в результате сульфирования превращаются в растворимые полиэлектролиты. Поскольку матрица ионита пространственно «сшита», поперечные связи между углеводородными цепями препятствуют их разъединению. Зерно ионита - это практически одна гигантская молекула. Чтобы ее растворить нужно, разорвать связи С - С. Поэтому иониты нерастворимы во многих растворителях, которые не разрушают самого ионита. Так как матрица обладает определенной эластичностью, иониты могут набухать. Таким образом, синтетические ионообменные смолы - это гели полиэлектролитов, способные к набуханию, но набухаемость их ограничена благодаря наличию в молекуле поперечных связей.

Свойства синтетических ионообменных смол в основном определяются числом и типом фиксированных ионов, а также строением матрицы и, в первую очередь, количеством поперечных связей, т.е. плотностью пространственной сетки матрицы, которая определяет наряду с другими факторами степень набухания, от которой зависит подвижность ионов, а затем, и скорость обмена, электропроводность и другие кинетические процессы, связанные с движением ионов.

Иониты на основе углей. Некоторые сорта каменных углей, мягкие и твердые бурые угли, обладают свойствами слабокислотных ионитов даже без предварительной обработки. В них в качестве фиксированных ионов в основном действует карбоксильные группы гуминовых составляющих. Эти угли сильно набухают, чрезвычайно чувствительны по отношению к щелочам и легко пептизируются. Они применяются, поэтому только после «стабилизации» солями меди, хрома и алюминия.

Большей прочностью обладают гелеобразные бурые жирные каменные угли и блестящие бурые угли, предварительно обработанные едким натром и соляной кислотой. Их обменная способность также определяется карбоксильными группами.

При разработке технологической и аппаратурной схем сорбционного извлечения конкретного ценного компонента из конкретной технологической среды необходимо проведение исследований по определению основных параметров сорбции и условий, влияющих на эффективность сорбционного процесса.

А именно:

* определение химического состава технологической среды, из которой должен извлекаться ценный компонент- концентрация извлекаемого ценного компонента, наличие и концентрация сопутствующих других ценных элементов, концентрация примесей катионного и анионного характера, могущих влиять на эффективность процесса;

* физико-химические параметры технологической среды - температура, кислотность, карбонатность, рН среды, наличие твёрдой фазы.

Подбор соответствующего ионита (анионит, катионит, амфолит) должен осуществляться с учётом:

* обеспечения наиболее эффективного извлечения ценного компонента из данной конкретной среды либо без корректировки её по величине рН, кислотности или карбонатности, либо с достаточной малой допустимой корректировкой;

· определения полной статической обменной ёмкости (ПСОЕ) и полной обменной динамической ёмкости (ПДОЕ) выбранного ионита по извлекаемому компоненту из реальной среды с учетом влияния на статику и кинетику сорбции ценного компонента различных физико-химических факторов (концентрация ценного компонента, температура, рН среды, состав и концентрация примесей и др.);

* определения времени контакта продуктивных растворов с ионитом;

* определения числа ступеней (стадий) сорбции для процесса «ионит в пульпе», или высоты запирающего слоя ионита при сорбции из растворов;

* определения количества единовременной загрузки ионита на стадиях сорбции и десорбции полезного компонента;

* других задач, могущих возникнуть в процессе разработки технологии.

6.3 Сорбционное извлечение урана из растворов ПСВ

Уран, как химический элемент, по своим свойствам является весьма «удобным» ценным элементом для широкого использования ионообменных процессов в технологии его извлечения, концентрирования и аффинажа. Это объясняется способностью урана образовывать в широком диапазоне кислотности и карбонатности достаточно легко диссоциирующие анионные и катионные комплексы.

В карбонатной среде преобладают уранилтрикарбонатные анионы

В сернокислых средах уран находится в виде:

* катионов UO2+2;

* анионов

и .

Причём, при очень низкой кислотности (рН ~ 2,5), вследствие гидролиза, образуются комплексные аниониты [U2O5(SO4)3]-4 и [U2O5(SO4)2]-2.

Кроме того, в пределах величины рН = 0-1,2 отмечается наличие катионов уранила с общей формулой UO2(OUO2)n+2.

Нахождение урана в различных технологических средах в виде анионов и катионов дает возможность в конкретных условиях использовать с большой эффективностью как аниониты, так и катиониты.

6.4 Сорбционное извлечение урана из сернокислых сред

В случае подземного скважинного выщелачивания урана получаются продуктивные растворы со слабой кислотностью (рН = 1,8-2,2), что позволяет эффективно извлекать из них уран различными анионитами с последующим использованием сорбционных маточников на стадии выщелачивания.

В процессе контакта свежих анионитов с продуктивными растворами происходит переход анионитов из хлоридной формы в сульфатно-бисульфатную или нитратную по уравнениям реакции:

2(R4N)+-CI- + SO4 -2 = (R4N)2 +-(SO4)-2 + Cl -

(R4N)2+-CI- + NO3- = (R4N)+-(NO3)- + Cl-

Сильноосновные аниониты селективно извлекают уранил-сульфатные ионы из сернокислых растворов по следующим уравнениям реакции:

Конкурирующее влияние в разной степени (в зависимости от их концентрации) оказывают анионы SO4 -2, HSO4 -, Fe(SO4)2-, Fe(SO4)3 -3, Cl -, NO3- некоторые анионные формы фосфора, мышьяка, ванадия, молибдена. Катионы железа, кальция, магния, меди, кобальта, натрия и др. металлов не сорбируются. Концентрация в исходном растворе фосфат-, нитрат- или фторид-ионов 0,6 моль/л снижает ёмкость сильноосновных анионитов на 40%; сульфат-ионов при той же концентрации - на 60%.

Сильное депрессирующее влияние некоторых анионов используется в процессе десорбции урана с ионита.

При длительной эксплуатации анионитов происходит снижение ёмкости насыщения по урану, и, следовательно, снижение эффективности сорбционного процесса за счет «отравления» анионитов некоторыми веществами. Наиболее характерным «ядом» является кремниевая кислота, которая постоянно присутствует в растворах в виде коллоидной формы или в виде силиката натрия и способна прочно удерживаться в порах анионита за счет сорбции силикатных ионов или коагуляции. Удаляют кремниевую кислоту путем периодической обработки анионита смесью щелочи с солями.

Возможно «отравление» и другими «ядами» в зависимости от состава отрабатываемых руд, например, хлор-ионом.

Экономичность и эффективность ионообменных процессов в технологии урана неразрывно связаны с аппаратурным оформлением процессов. На смену громоздким фильтрационным и декантационным способам получения растворов для последующей сорбционной переработки, колоннам-фильтрам периодического действия, колоннам с кипящим слоем сорбента, «контейнерному» способу перемещения сорбентов пришел бесфильтрационный способ сорбции урана из пульп с применением аппаратов с постоянным перемешиванием - пачуков.

Разработка и внедрение в промышленную практику различного рода аппаратов колонного типа (напорные колонны, пульсационные колонны, U-образные колонны сорбции-десорбции и др.) позволило поднять эффективность сорбционного извлечения урана из растворов (в особенности из продуктивных растворов ПСВ) и десорбции за счёт повышения удельной производительности оборудования, внедрения приборов контроля и управления технологическим процессом, повышения уровня автоматизации.

В настоящее время широкое распространение получили сорбционные напорные колонны (СНК), позволяющие осуществлять процесс сорбции в непрерывном противоточном режиме при зажатом слое ионита с высокой степенью автоматизации в регулировании и управлении процессом.

Степень извлечения урана из продуктивных растворов при сорбционном переделе зависит от их солевого состава, кислотности, содержаний урана, но в основном превышает 90%. Емкость анионитов колеблете в широких пределах (20-100 кг/т). Остаточные концентрации урана в маточниках сорбции составляют 1-3 мг/л.

Сорбционный метод извлечения урана в сочетании с современным оборудованием позволяет получать готовую продукцию с использованием относительно малого количества технологических операций.

7. Десорбция урана с насыщенного ионита

Эффективность сорбционного извлечения урана из растворов определяется степенью его извлечения на выбранный анионит, максимальным насыщением по урану из раствора данного химического состава, кинетикой процессов сорбции и десорбции, аппаратурным оформлением процесса, условиями десорбции урана и целым рядом других физико-химических параметров, которые неразрывно связаны между собой и оказывают соответствующее влияние на технологический процесс извлечения и концентрирования урана.

Особо важная роль принадлежит выбору способа десорбции урана с насыщенных анионитов. Способ десорбции определяет степень очистки урана от сопутствующих примесей, степень его концентрирования и технологию последующей переработки урановых регенератов с целью получения высокочистой готовой продукции - уранового концентрата или закись - окиси урана.

Сильное депрессирующее влияние некоторых анионов используется в процессе десорбции урана с ионита.

Исходя из этого, для десорбции урана применяют растворы серной, азотной, соляной кислот или их смеси с хлоридами, нитратами, сульфатами натрия или аммония.

Объём, получающихся при десорбции урана урановых десорбатов, на порядки меньше объёма исходных растворов и, соответственно, в такой же степени происходит концентрирование урана. Так, при переработке продуктивных растворов ПСВ концентрация урана (в зависимости от способа десорбции) в десорбатах в 500+700 раз превышает его концентрацию в исходных растворах. Концентрирование урана при десорбции позволяет при дальнейшей переработке до получения закись - окиси урана эффективно использовать экстракционные и осадительные операции.

Ниже приводится краткий сравнительный анализ некоторых способов десорбции урана с насыщенных анионитов, полученных в процессе переработки растворов при ПСВ урана. Рассматриваются способы, которые применяются в промышленной практике или могут быть применены при дальнейшем совершенствовании технологии (ЭД - процесс, ИД - процесс).

В сернокислых растворах, по мере снижения их кислотности, уран находится в виде сульфатных комплексов:

Последние два комплекса образуются вследствие гидролиза при рН-2,5.

С повышением величины рН ёмкость анионитов по урану растёт, но скорость сорбции заметно снижается вследствие затрудненной диффузии комплексных анионов.

Десорбция является процессом обратным процессу сорбции. Поэтому для эффективной десорбции урана используют реагенты, оказывающие наибольшее депрессирующее влияние при его сорбции.

При десорбции урана способом уранил - сульфатных ионов, поглошенных при переработке сернокислотных растворов, часто применяются сернокислотные элюенты. В этом случае после десорбции регенерированный сорбент остается в солевой форме используемой при сорбционной переработке раствора. Для десорбции используется растворы с концентрацией по нитрат - иону =90-100г/л. и РН=1,2- 1,8, которые являются - оборотными после доукрепления химреагент поступают в процесс десорбции тем самым, растворы закольцованы и исключают непроизводительные потери. Продолжительность процесса колеблется в пределах-10 часов, при температуре 20-60 градусов. Концентрация урана в товарном регенерате составляет 40-60 г/л.

Для десорбции урана способом вытеснения из анионитов уранил - сульфатных комплексных ионов применяются нитраты и хлориды. Отдесорбированный по урану анионит освобождается от нитрат - ионов раствором серной кислоты 2,5-3,5 %.

7.1 Возможные способы десорбции урана с насыщенных ионообменных смол

Жидкофазная десорбция урана карбонатно - сульфатными растворами

Сущность способа заключается в проведении десорбции урана смесью углекислых и сернокислых солей аммония и натрия в условиях, исключающих возможность выпадения кристаллов уранилтрикарбоната аммония в процессе десорбции. Эти условия заключаются в поддержании состава десорбирующего раствора: сумме карбонатов аммония и натрия - 50...80 г/л, сульфатов аммония и натрия -40...70 г/л и концентрация натрия 15...25 г/л.

...