伊犁洪海沟矿区富铀煤的元素地球化学以及铀的价态特征

铀是重要能源矿产和国家战略资源,煤岩型铀矿对我国核能产业可持续发展和“双碳”目标实现具有重要意义。本文采用X射线荧光光谱(XRF)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和X射线光电子能谱(XPS)等手段,研究了伊犁盆地洪海沟矿区煤的元素地球化学、富铀因素以及铀活化迁移过程的价态变化特征。结果表明:①洪海沟煤中U超常富集,平均含量为258.91μg/g。石炭纪—二叠纪中—酸性火成岩和海西期花岗岩是煤中铀的物质来源,稳定的单斜构造,头屯河组砂砾岩和粗砂岩的岩性组合,晚侏罗世以来干旱气候及后生富铀溶液的入渗共同控制煤层中U、Re、Se、Mo等元素共同富集。②煤岩型铀矿的形成与氧化环境中U6+以络合物或酸根形式迁移,氧化—还原过渡环境中富铀含氧流体中U6+被还原成U4+沉淀富集有关。洪海沟矿区弱氧化—还原过渡环境高价态的变价元素被还原,以Se-U-Re-Mo模式共同富集于煤层顶部。③洪海沟矿区“上铀下煤”矿产资源分布和铀矿下部多煤层的发育,需要合理划分煤-铀矿产资源之间保护区距离,上部砂岩型铀矿优先进行地浸开采,下部煤岩型铀矿采用井工开拓方式进行“煤炭地下气化+煤灰原位地浸开采”,将煤灰中铀提取至地表利用,实现煤-铀资源协调开采利用。

煤中铀的赋存分布及其在利用过程中的迁移特征

煤炭与铀两种资源在空间配置和成矿上有关联性,其合理开发利用及污染控制是我国国民经济和社会持续发展的重大需求。基于大量文献调研及前期研究成果,探讨了铀在煤中赋存分布及其在洗选、燃烧、淋滤过程中的迁移特征,取得一些认识:①煤中铀的富集成矿与成煤大地构造演化相关联,西南富铀煤主要与峨眉山玄武岩及断裂构造有关;西北富铀煤一般分布在拗陷和断拗陷盆地开阔地带一侧并与上覆砂岩型铀矿有关。②煤中铀主要与煤中有机质(主要是腐殖酸)结合,富铀煤中铀可以微细粒含铀矿物形式存在,并与有机硫、硫化物紧密共生,故在选煤过程中,无论重选还是浮选,其洗选脱除率均不高(最高为68.3%),部分煤浮选时铀甚至富集到精煤中;在煤燃烧过程中,铀或多或少都会以气相形式挥发到大气中。③富铀煤一般也同时富集V、Mo、Se、Re、Cr等高价态变价元素,这与有机体深埋分解造成的强还原环境有关,对于那些不变价元素如Sc、Y、La等的沉淀富集主要与腐殖酸形成的酸化条件有关;这些共生组合元素,在富铀煤的分选及煤矸石的淋滤过程中表现出一致的迁移行为。④电厂燃煤过程中铀主要富集(呈数量级的增加)到飞灰和底灰中,粉煤灰中铀淋出浓度一般随淋滤液pH的增加呈降低趋势,其萃取率随灰化温度的升高呈现降低趋势。研究结果为铀资源利用和环境污染控制提供参考和依据。