某铀矿床铀超标水治理工程

2021-08-13冯张生刘小兵张航飞杨永兴

铀矿冶 2021年3期

冯张生，刘小兵，张航飞，杨永兴，张莹

(中陕核工业集团二一八大队有限公司，陕西西安 710100)

铀超标水的治理一直是辐射环境治理的难题。对于硬岩铀矿山铀超标水，除德国等经济发达国家采用工程治理外[1]，国内主要采用吸附、沉淀等水处理工艺进行治理[2-7]；而地浸砂岩型铀矿山铀超标水工程治理目前还处在探索阶段[8]。在铀矿山生产阶段，采用水处理装置治理铀超标水，经济上是可行的；但对于闭坑铀矿山和铀矿勘查项目，采用水处理装置治理铀超标水极不经济。

某铀矿床在1972—2014年完成了预查、普查、详查工作，期间除施工槽探、坑探、钻探等地质工程外，还完成了2次铀矿石地表堆浸试验。2014年详查工作结束，钻孔未封堵，坑道等地质工程和废物未治理，坑口水和钻孔水铀浓度超标。根据国家“绿色勘查”要求，为有效改善治理区辐射环境，对该铀矿床实施退役治理工程(以下简称退役治理工程)。

1 矿床铀超标水特征

1.1 治理区地表水中铀浓度背景值

治理区未开展过关于水中铀浓度背景值监测工作。依据《x铀矿床普查评价报告》[9]，治理区因位于矿床铀矿体的主要分布区，在坑钻探等地质工程施工前天然泉水的铀质量浓度为几十至500 μg/L[10]。退役治理工程实施期间放射性水文地质补充调查表明，矿床矿体分布区天然泉水的铀质量浓度为290～370 μg/L，矿床外围不含矿的片麻岩风化裂隙带天然泉水中的铀质量浓度为21 μg/L。以上结果充分说明治理区为水中铀浓度高本底地区。

1.2 治理区铀超标水的主要来源和治理源项

退役治理工程源项，主要是坑口和钻孔铀超标水、废石、废渣、坑口、构建筑物和设备设施(图1)。铀超标水主要来源为坑道涌水和钻孔水补给的泉水[11]。坑道涌水主要从1坑口和2坑口流出，坑口水中铀质量浓度为1 417～4 642 μg/L、流量为3～45 m3/d(表1)；坑道围岩涌水点和被坑道揭穿的钻孔涌水点是坑口水的补源。钻孔周边泉水的铀质量浓度为12～4 675 μg/L。项目废水排放口位于治理区的沟谷最下游，水中铀质量浓度为704～740 μg/L。坑道涌水点和治理区钻孔为铀超标水治理源项，治理目标是把废水排放口水中的放射性核素浓度降至《铀矿冶辐射防护和辐射环境保护规定》(GB 23727—2020)限值(铀质量浓度低于300 μg/L)以下。

图1 治理工程坑口和钻孔等源项、废水排放口分布示意图

表1 坑口水流量和铀质量浓度监测结果

1.3 治理区铀超标水特征

治理前，排放口水中最大铀质量浓度为740 μg/L，最大226Ra活度浓度为260 mBq/L，最大Th质量浓度为0.293 μg/L，水中除铀浓度超出《铀矿冶辐射防护和环境保护规定》(GB 23727—2020)的限值外，其他核素浓度指标均符合要求。

1.4 治理区铀超标水成因

在钻孔及坑道等地质工程施工后，相比于施工前的自然状态，治理区增大了地表水渗入岩石转化为地下水的能力，改变了地下水的径流排泄途径，工程影响范围内的大气降水渗入岩石形成地下水后主要沿钻孔和坑口排泄。同时，由于地下水地球化学环境由还原环境转变为氧化-半氧化环境，地下水中溶解氧浓度提高，地下水径流途中对地质体(矿体)中铀矿物的溶解能力大大提高，致使坑口涌水和钻孔水中的铀质量浓度最高达4 675 μg/L、排放口水中的铀质量浓度最高达740 μg/L[11]。

2 铀超标水治理工程

在治理期间，已采用树脂吸附工艺处理了超标水，以下主要阐述铀超标水工程治理，旨在减少铀超标水的产生。

2.1 坑道铀超标水治理工程

2.1.1 坑道涌水点分布特征及治理思路

以治理区所处的水文地质单元为调查范围，进行了放射性水文地质补充调查。结果显示，因坑道揭穿了含水层和部分钻孔，沿坑道围岩出露众多涌水点。据2018年1—12月涌水点的动态观测结果显示，各涌水点的流量、铀浓度差异较大。以2坑道为例，不论旱季还是雨季，25处涌水点中的cm20-1穿脉15-20m围岩、cm20-1穿脉10-12m围岩、cm16-2穿脉掌子面、cm14-2穿脉10-12m围岩、ZK004孔、ZK801孔等6个点对坑口水铀总量的贡献率是90%～95%，本工程重点对坑口水铀总量贡献率大的涌水点进行了治理[12]。

2.1.2 坑道铀超标水治理方案

坑道围岩涌水点的治理方案是涌水裂隙打孔注浆→涌水围岩挂网喷护→坑内黏土填充、坑口封闭。

2.1.2.1 打孔注浆工艺

在坑道围岩涌水点治理时，钻孔注浆的裂隙优选地质体最近一期构造运动形成的张裂隙[13]。注浆孔完孔后如果不涌水或压水时周边裂隙不涌水，说明该孔揭穿的裂隙是闭合裂隙，属于无效注浆孔，应重新选择打孔位置和钻孔方向。注浆时应先注最大涌水钻孔的周边钻孔，然后再注最大涌水钻孔；否则，会将与涌水小的钻孔有水力联系的小裂隙局部堵塞，导致涌水小的钻孔注浆效果不佳，注浆后仍然渗水。

先在涌水裂隙一侧距涌水裂隙1 m处用φ50的钻头施工注浆孔，注浆孔与岩石裂隙走向夹角45°，注浆孔数量由涌水裂隙的数量和长度确定，深度应穿过涌水裂隙0.3 m。打孔结束后用高压风和高压水将钻孔吹洗干净，安装φ75注浆管，采用锚固剂固定注浆管口(图2)。

图2 打孔注浆工艺示意图

锚固剂凝固后，先压入清水清洗裂隙充填物，压力为2 MPa；当周边裂隙流出水干净且流量稳定后结束注水；最后注入水灰比为1∶1的水泥浆，当浆液从裂隙中流出时结束注浆[14]。

2.1.2.2 挂网喷护工艺

孔内注浆水泥凝固后，按照涌水面积大小在外扩1 m的范围内，施工间距1 m×1 m、深0.6 m的φ20钻孔；插入长度0.6 m膨胀锚杆，锚杆露出钻孔孔口5 cm，安装50×50的6号铁丝网(图3)；再喷射0.1 m厚的C30细粒混凝土，分3次喷射、每次厚度不超过0.05 m，等上一次喷射的混凝土凝固后再喷射下一次。

图3 挂网喷护工艺示意图

2.1.2.3 坑内充填封闭

在各涌水点穿脉内铺设腐殖质土+硫化钠+氯化钡，穿脉口建设四周嵌入围岩的混凝土墙，混凝土墙与围岩之间的空隙采用注浆方式封堵(图4)。硫化钠可加速穿脉封闭后还原环境的形成[15]，硫化钠添加量应综合考虑治理区水系统对硫酸盐的消纳能力，应侧重考虑穿脉口封闭后对外界空气中氧的封闭隔离作用。

图4 坑内充填封闭工艺示意图

2.2 钻孔铀超标水治理工程

2.2.1 钻孔封堵原则

钻孔涌水会补给坑道或补给毛沟水系治理区段，对排放口以上的水中的铀元素有补给作用。对涌水补给坑道的钻孔，若未被坑道揭穿，则注浆封堵至坑道底板以下10 m位置；若被坑道揭穿，则封堵至揭穿位置。对涌水补给毛沟水系的钻孔，注浆封堵至矿床主要矿化脉岩②脉岩底板以下10 m位置。

2.2.2 钻孔封堵施工方案

钻孔封堵采用带压注浆和常压注浆工艺，施工时，先对原钻孔进行扫孔，到达封堵部位后，将缠绕海带的止浆塞连接在钻杆上并下放至封堵部位，待海带膨胀后顺时针转动钻杆，使钻杆与钢筋松脱。通过泥浆泵从钻杆内往钻孔中高压输送水泥浆液，水泥浆的水灰比为1∶1。常压注浆至水泥浆液从孔口返出5 min后，停止常压注浆；然后在孔口安装保压装置进行带压注浆，至注浆压力达到2 MPa结束。

3 铀超标水治理效果

铀超标水治理工程共治理坑道涌水2 100 m2，常压注浆封堵12个钻孔、进尺1 228 m；带压注浆封堵14个钻孔、进尺1 800 m。

在坑道围岩涌水点治理工程实施中，设计的涌水点施工完成后，发现施工前不涌水但与设计涌水点存在水力联系的部位出现了涌水现象，因此实际施工完成的坑道涌水治理面积大于设计面积。工程表明，坑道涌水点治理工程应以涌水点处的含水层为设计范围。

钻孔封堵带压注浆与不带压注浆相比，在裂隙较发育部位吃浆量增加20%～60%，在破碎带、裂隙带、第四系等裂隙和空隙发育部位吃浆量增加50%～100%，封堵效果更好。

3.1 坑口涌水量和水中铀浓度

经过约1个水文地质周期年的动态观测，发现被坑道揭穿的钻孔致密围岩经注浆封堵后未见渗水，破碎围岩经注浆封堵后见少量渗水。钻孔封堵后由其补给到坑口涌水的铀浓度普遍降低(表1、表2)。

表2 治理后1坑口和2坑口涌水量和水中铀浓度

从表1和表2可看出，1坑口涌水最高铀质量浓度由治理前的4 642 μg/L降至治理后的993 μg/L，降幅79%；2坑口涌水最高铀质量浓度由治理前的4 642 μg/L降至治理后的667 μg/L，降幅86%，治理效果较好。

由于将联通1坑口、2坑口的钻孔封堵，1坑口最大流量由6.0 m3/d增大至28.0 m3/d，最小流量由1.2m3/d增大至4.1 m3/d；2坑口最大流量由45 m3/d减小至16 m3/d，最小流量由15.0 m3/d增大至4.5 m3/d。

坑道涌水点治理后，坑口水中铀浓度逐步增大并至基本稳定(表2)，这可能与坑道影响范围的地下水径流系统重新形成过程有关，持续时间大致与矿床中浅层地下水交替周期一致。

3.2 排放口水中放射性核素指标

治理后排放口水中的铀质量浓度由740 μg/L降至203 μg/L以下，降幅73%；226Ra活度浓度由260 mBq/L降至33 mBq/L，降幅87%；Th质量浓度由0.29 μg/L降至0.07 μg/L，降幅78%。治理后排放口水中的相关放射性核素指标均低于《铀矿冶辐射防护和辐射环境保护规定》(GB 23727—2020)的排放限值。