稀土元素在国防技术与高新科技中被大量使用,全球稀土元素需求剧增;然而常规可开采稀土资源数量有限,亟需开发利用伴生稀土资源。以新疆伊犁盆地某砂岩型铀矿为研究对象,采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测试稀土元素的含量,进而分析稀土元素的赋存状态,系统研究了铀矿物颗粒粒径对稀土元素赋存的影响。结果显示:该砂岩型铀矿含矿层中伴生稀土元素的质量分数为85.48×10^-6~221.17×10^-6,澳大利亚页岩标准化稀土配分曲线整体呈向右上倾斜趋势,铀成矿过程中轻重稀土间产生了分馏作用。砂岩铀矿中REE更倾向于赋存在粒径<40目(0.425 mm)的颗粒中,稀有元素Mo、Sc等与稀土元素的相关性显著,两者有相似的成矿环境。原地浸铀现场生产液中的稀土元素质量浓度为23.92~26.03 mg/L,达到了可以回收使用的标准,生产液中的稀土元素含量由高到低分别为中稀土元素、轻稀土元素、重稀土元素。应用酸法地浸采铀工艺,同步回收砂岩铀矿中的稀土元素具有一定的可行性。

地浸采铀作为铀矿的绿色开采技术,在生产运行中产生海量数据,利用这些海量数据进行大数据分析和趋势预测,能够提升技术人员制定生产计划的可靠性。目前采用的基于编码器-解码器结构的时序预测模型,由于存在注意力机制,导致计算复杂、内存消耗大。本研究提出深度可分离卷积混合模型,通过动态序列分割模块降低固定分割带来的语义破坏,通过深度可分离卷积混合模块降低模型运行时间并捕获局部和全局特征。结果表明,深度可分离卷积混合网络模型的均方误差(Mean Square Error,MSE)与平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)相较于时间序列分块自注意力模型(Patch Time Series Transformer,PatchTST)分别降低了1.04%和4.13%,提出的动态序列分割模块的MSE与MAE相较于原有模型分别降低了7.32%和5.03%;在性能对比分析上,深度可分离卷积混合模型的训练速度相较于趋势季节分解线性模型(Decomposition Linear,DLinear)提高了59.91%。建立的模型能够准确预测采区生产运行中硫酸注液量的变化趋势,改善了现有预测模型针对地浸铀矿数据集存在的运行时间长、运行内存大、数据拟合差的问题,可为地浸铀矿生产决策提供理论和实践参考。

为研究非均质地层对爆破的影响,通过考虑地层、耦合方式等因素,在不同岩层厚度、密度、倾角、耦合方式等条件下进行数值模拟研究。结果表明:中层砂岩厚度的增加、上下层岩层密度的提升均会抑制裂缝扩展;倾斜砂岩岩层会产生水平方向和斜向交错的裂纹;水耦合装药爆破可保护炮孔并增加爆炸应力波的有效应力,适宜的不耦合系数可提升爆破应力波传递的能量;致裂器爆破对岩层冲击力更大,添加弹头可形成初始裂缝,引导裂纹进一步扩展。根据地层状况设计合理方案,可提升爆破增渗效率。

抽注液量的设计既关乎浸出剂的有效溶浸范围又与井场运行成本有关。为了进行地浸采铀“水平井-直井”抽注系统的经济高效抽注液量决策,提出一种基于多目标优化算法的“水平井-直井”系统抽注液量模拟优化决策方法。研究表明:与均匀布置抽注液量的初始方案相比,决策方案R2的运行成本降低了51.14%,其溶浸范围增加了8.84%。该决策方法筛选出了LK矿区的4口“重点井”,在方案决策及调整时,应重点关注该类井的流量;根据多目标优化的Pareto解集,选取了6组不同有效溶浸范围和成本权重比例的抽注运行方案组合,用以指导决策者进行方案选择。

地浸采铀受矿床条件、溶浸环境等因素的影响,部分资源的利用率较低。为实现对这部分资源的合理开发,设计了浸出剂配制装置,在局部难浸出区域内,通过提高浸出剂(硫酸)浓度以强化浸出。试验结果表明,采用该装置进行浸出剂配制,浓度相对偏差在1.5%以内,可实现按区域或单孔精确稳定配酸;采用15~20 g/L硫酸做浸出剂,通过有针对性地局部加酸对难浸出铀资源进行强化浸出,可将单元铀浸采率由24.8%提高到53.7%。局部强化浸出方法的硫酸用量、余酸增量仅为整个采区强化浸出时的11.1%,能以较低的硫酸消耗实现对难浸出铀资源的浸出,且对后续水冶工艺的影响较小。

针对内蒙古某多层砂岩型铀矿体,设计了分层注-分层抽开采、分层注-混合抽开采、混合注-分层抽开采和混合注-混合抽开采4种试验方案,对各组试验的抽注液量、浸出情况及优缺点等进行了分析,探究了单井分层注液的可行性,突破了单井分层抽注液的关键技术。结果表明,分层注-分层抽开采方案的浸出液铀质量浓度上升速度最快,浸出效果最好,施工成本较低,具有较好的推广应用前景。

为了提高移动床吸附塔提取铀的效率,运用Fluent、Edem软件对移动床吸附塔提取铀的过程进行了仿真模拟。通过调整入口流量,观察移动床吸附塔内树脂颗粒的运动情况、分布状态及饱和树脂的沉降情况,分析得到最佳入口流量。通过搭建实验平台,验证仿真结果的准确性;将实验数据与数值模拟结果进行对比分析,证实了两者结论的一致性,从而验证了仿真模型的准确性和适用性。结果表明,当入口流量为4 m³/h时,铀酰离子的提取效率最大。研究结果可为移动床吸附塔的设计提供重要参数。

铀转化生产过程主要包括氟化、氢氟化、电解制氟工序,其中电解制氟工序和氟化工序是影响产能和连续稳定运行的主要因素。通过对电解制氟的原理和现状分析,针对性研究了氟化氢加料、碳板运行维护、电解质运行参数等对电解制氟工艺运行的影响,分析得到少量连续加料、炭板电流稳定控制的关键点,通过优化氟化氢补加方式、去极化处理工艺、炭板电流监测、定期更换电解质等措施,使电解制氟工艺运行更加稳定高效。

为了消除高铁、高硝酸根对5-Br-PADAP比色法测定低含量铀的影响,研究了高铁、高硝酸根、低铀含量溶液的预处理方式。结果表明:以4% TOPO-环己烷溶液为萃取剂,在有机相与水相体积比1∶6、萃取时间2 min、萃取温度25℃、以混合配合剂为反萃取剂的预处理条件下,萃取率达99.0%,反萃取率为99.0%。对高铁、高硝酸根、低铀含量溶液进行萃取—反萃取后,采用5-Br-PADAP比色法能够准确测定预处理后溶液中铀的含量。该方法的相对标准偏差小于8.11%,加标回收率为96.0%~99.5%,方法检出限为0.013 mg/L。

传统天然铀贮存采用人工叉车或吊车卸货入库,存在劳动强度大、工作效率低、人员受照剂量大、危险系数高、库房利用率低、盘存效率低、准确性无法保证等缺点。为此,设计采用智能化立体库,以实现立体高效仓储、自动存取、实时查询、快速盘存等目的。与堆垛机+穿梭车方案相比,双伸位堆垛机方案在盘存效率、网络传输、设备可靠性、检修方式和货架结构要求等方面均更优。在对天然铀智能化贮存工艺分析和相关设备优选的基础上,研究并设计了用于天然铀贮存的智能化立体库方案。

矿山资源储量数据冗杂、变动大,传统的资源储量管理系统数据类型单一,使得操作人员协作效率低,且存在数据流失的风险。在国家提出矿产资源储量三维动态管理大背景下,为及时掌握矿山生产矿量的准确信息,解决信息化装备及基础设施建设比较薄弱带来的资源储量数据管控难题,在新疆哈密三塘湖矿区石头梅一号露天煤矿推进智能化建设,采用B/S、C/S端结合的技术架构,设计矿产资源储量三维动态管理系统,基于数字化三维模型计算,对生产过程中各类动态变化的数据进行展示与实时更新。资源储量动态管理系统基于数据存储、平台服务和应用服务的逻辑架构,实现了从开采台账、数据管理与报表到矿业权、勘察工作以及煤质的精细化管理。自系统上线以来运行情况良好,采煤量设计偏差率降低了16%,数据集中管控率达100%;该系统对资源储量数据的评估更加精确,提高了资源储量管理工作的效率,促进了公司露天煤矿储量管理的信息化发展。

地浸铀矿山终采区地下水环境修复问题是社会各界关注的焦点,当前对地浸终采区地下水U浓度的长期变化情况尚不清楚。综合利用野外调查及数值模拟方法,以中国北方某“CO₂+O₂”地浸铀矿山典型终采区为研究对象,在识别终采区地下水U分布特征的基础上,定量预测了不同时间地下水中U的自然衰减趋势,量化了U浓度在较长时间尺度上的变化情况。结果表明,终采区地下水中ρ(U)为0.273~5.24 mg/L,ρ(U)低于2.5 mg/L的取样点占比为64%;在地浸铀矿山终采后,地下水流向趋向于区域地下水的流向;当不考虑U自然衰减作用时,地下水中U在终采100年时可迁移至下游167 m处,预测迁移距离较保守;当考虑U的自然衰减作用时,终采100年时U的迁移距离仅为42 m,采区内地下水中的ρ(U)由模拟初始条件设置的2.5 mg/L降至1.0 mg/L。自然衰减作用可降低地浸终采区地下水中U的迁移距离和浓度水平,监控自然衰减技术(Monitored Natural Attenuation, MNA)可作为未来地浸铀矿山地下水修复的备选方案。

受露天矿特殊开采工艺的影响,铲装设备极易在作业过程中发生安全事故。针对露天矿企业对铲装设备管理存在的巡检盲区大、响应不及时等问题,基于高精准定位技术提出了铲装设备高边坡、交叉作业管控方案。铲装设备高边坡作业管控方案结合地形数据,利用定位技术,通过现场测量与作业调度、实时监控与报警、现场处理与记录核查,实时监测铲装设备作业高度并判断是否超出安全范围。铲装设备交叉作业管控方案则通过作业前的作业间距确认、调度计划审核、作业间距巡查等实时监测作业间距。提出的管控方案实现了铲装设备作业间距和挖掘高度的安全精细化管理,有效降低了露天矿开采事故的发生风险,保障了作业正常进行,提升了作业效率。

为探究坝坡的坡比、降雨强度和防护形式等因素对坝坡侵蚀特征的影响,搭建足尺寸人工降雨模拟试验平台,模拟了不同坡比、降雨强度和防护形式下坡面产流、产沙过程,分析了不同工况下坡面径流和产沙的差异性。结果表明:产流起始时间随坡比、降雨强度的增大而减小,且受降雨强度的影响较大。沟槽排水防护由于形成了坡面径流通道,使产流时间提前;坡面植草和碎石护坡均不同程度降低了坡面对降雨的响应,使得产流起始时间大幅延后。降雨强度对产流量的影响最为显著,降雨强度由小雨增大为暴雨,产流量增加了7.6倍,产沙量增加了18.5倍,产沙量达到峰值的时间缩短了约75%。沟槽排水护坡由于形成了径流通道,导致坡面产流量最大。植草护坡和碎石护坡可明显降低坡面产沙量,植草护坡一定程度上改善了土体理化性质,增大了土体孔隙率,使坡面入渗率增大,产流过程更为平缓,抗侵蚀效果更好。

根据某还原钛铁矿(伴生放射性矿)项目运营时污染物的排放情况,预测周围公众不同受照途径的个人有效剂量,分析不同受照途径的贡献份额,为估算该项目对公众产生的辐射剂量提供参考。研究表明,项目运行所致公众最大个人有效剂量为0.09 mSv/a,关键照射途径为氡吸入内照射(贡献份额达80.6%),食入内照射贡献份额为17.8%,吸入放射性核素所致内照射贡献份额为1.6%。项目对周围公众人员的辐射影响满足相关标准要求,相对氡吸入内照射的贡献份额,食入、吸入内照射的贡献份额较少,但不可忽略。

铀纯化转化生产线会产生重铀酸钠沉淀和杂质渣。为回收其中的金属铀及减少废物量,用硝酸直接浸出法、煅烧预处理—硝酸浸出法进行了从含铀沉淀物中回收金属铀的研究,分析了浸出液中杂质离子的含量,确定了影响铀浸出率的主要因素。在最佳工艺条件下,煅烧预处理—硝酸浸出法、硝酸直接浸出法的铀浸出率分别为98.14%和96.11%,含铀沉淀物的质量可减少约85%~90%。

铀矿冶地浸废水水量大,呈酸性,具有低放射性;部分铀矿冶企业的蒸发池满足不了扩大生产的需求。对比分析了减压蒸发、三效蒸发、MVR(Mechanical Vapor Recompression)蒸发等强制蒸发技术处理地浸废水的优缺点,发现在长期使用前提下,MVR技术效能更高、废气排放量少、能量消耗少,相对更适用于地浸废水。基于MVR技术设计并搭建了可以集成控制的强制蒸发系统,依据废液组分确定了设备各阶段的加热温度和相应设备材质。搭建的现场试验装置实现了系统的温度、压力、液位自动控制及连续循环蒸发,实际测试表明装置的蒸发量和效能系数与蒸发温度正相关。

为解决电极镀铀工艺废水的处理问题,开发了适合该工艺特殊要求的蒸发浓缩装置。该装置通过微负压蒸馏原理将废水中的水分汽化,冷凝水经检测合格后外排;蒸发器产生的残渣和固体作为放射性固体废物处理。在装置间设置了防渗基坑,用来处理设备失效或应急淋浴问题;蒸发浓缩装置采用中和罐调节废水酸碱性,并加装检测口,确保冷凝水符合标准后排放。

针对铀转化含铀废液处理中存在的纳滤膜堵塞和离子交换树脂中毒问题,提出了含铀废液预处理工艺路线。实验室确定工艺路线中化学沉淀和有机物分解的最佳工艺参数,在此基础上进行了工程设计与验证。结果表明:预处理后废液浊度可降低至16.25 NTU(去除率达98.74%),COD可降低至110.25 mg/L(去除率达87.13%),预处理后的废液满足纳滤与离子交换树脂的水质要求,预处理工艺有效解决了铀转化含铀废液处理中存在的问题。