煤型铀矿床

**章 绪论 **节 铀的工业价值与储量 一、铀的工业价值 铀资源是核工业的基础，是关系到国家安全的战略资源。铀主要用于核武器、核电等，在现代国防、能源和科技等领域占有重要地位。 在军工领域，铀主要用于制造原子弹等核武器，是一种重要的战略资源。核电是一种清洁高效能源，是世界各个国家能源结构中不可缺少的组成部分。自从1954年世界上**座核电站在苏联建成，铀就被用作核发电的核燃料。铀资源除了用于核武器和核电之外，还广泛用于其他国民经济领域。例如，在地质领域，铀可以用来找矿以及预测地质灾害等；在医疗领域，铀被广泛用于临床诊断及治疗疑难杂症；在农业领域，铀可以用来对种子进行改良和防治病虫害等；在工业领域，铀可用于无损伤检查和改善物质的物理性能等。 二、铀的储量 据经济合作与发展组织核能机构和国际原子能机构在2018年12月联合发布的《2018年铀：资源、生产和需求》，截至2017年1月1日，全球开采成本低于260美元/kgU的已查明铀的资源总量为798.86万tU，开采成本低于130美元/kgU的已查明铀的资源总量为614.22万tU。 全球范围内铀资源分布极不均衡。例如，开采成本小于130美元/kgU的铀资源在澳大利亚、哈萨克斯坦、加拿大和俄罗斯四个国家的资源量分别为181.83万tU、84.22万tU、51.44万tU、48.56万tU，共占全球铀资源份额的60%左右。中国开采成本小于130美元/kgU的铀资源量为29.04万tU，占全球铀资源份额的5%。 据《2018年铀：资源、生产和需求》，截至2017年1月1日，我国已查明铀资源量为370900 tU，分布在13个省（自治区）的21个铀矿床。 我国铀资源分布广泛，现已探明的近350个铀矿床分布于全国23个省（自治区），中东部、南部地区的江西、广东、湖南、广西、浙江、福建、安徽、河北、河南、湖北、海南、江苏12个省（自治区）的铀资源占已查明铀资源储量的68%；西部地区及东北地区的新疆、内蒙古、陕西、辽宁、甘肃、云南、四川、贵州、青海、黑龙江、山西11个省（自治区）的铀资源占已查明铀资源储量的32%（张金带等，2008）。 另外，非传统铀资源将会成为铀的重要来源之一。非传统铀资源是指仅将铀作为次要副产品进行开发生产的资源（如磷酸盐、碳酸盐岩、黑色页岩和褐煤等）（张金带等，2008）。 第二节 铀的基本地球化学性质 铀是天然放射性元素，元素符号是U，原子序数是92，相对原子质量238.03，是自然界中能够找到的*重的金属元素。铀在自然界中存在三种同位素，分别为U-238、U-234和U-235，均具有放射性，拥有非常长的半衰期（数十万年至45亿年）。铀在常温下是银白色的致密金属，在高温下能对其进行锻造、拉伸和冷加工。铀的金属熔点为1132.5℃（铀与核能编写组，2012）。 铀的化学性质十分活泼，能够与多种非金属（包括氢、氧、碳、氮等）生成化合物，也能与铜、铍、铝等金属生成金属化合物（蔺心全，2014）。自然界中存在两种价态的铀，即四价和六价，两种价态的铀在一定条件下可以相互转化。当外部环境由还原环境变为氧化环境时，四价铀转化为六价铀，当外部环境由氧化环境变为还原环境时，六价铀转化为四价铀。当铀以六价形式存在时，可在水溶液中迁移，在还原环境下，铀以四价形式沉淀堆积（李巨初等，2011；蔺心全，2014）。 根据Ketris和Yudovich（2009）的报道，世界硬煤中铀的均值为1.90μg/g，中国煤中铀的均值为2.43μg/g。煤中的铀主要存在于有机质中（Dai et al.，2008a，2015a；Seredin and Finkelman，2008）或以铀石（van der Flier and Fyfe，1985；Seredin and Finkelman，2008）、沥青铀矿、铜铀云母、钙铀云母、β硅钙铀矿、砷钙铀矿、翠砷铜铀矿、黄磷铅铀矿（Stoikov，1976；Seredin and Finkelman，2008）和钛铀矿（Dai et al.，2015a）的方式存在。Finkelman （1981）发现煤中的铀可能存在于磷灰石、独居石、方铀矿、锆石、方解石、金红石和铅铋相及有机物中，他列举了在矿化煤中发现的其他14种铀矿物（许多氧化产物）。 第三节 煤中铀的研究现状 Berthoud（1875）在美国丹佛（Denver）煤中首次发现了铀的存在，此后煤中铀受到了国内外学者的广泛关注。从20世纪中叶在美国西部发现褐煤中共（伴）生铀矿床起，对煤中铀矿产的研究受到人们的重视。第二次世界大战以后数年内，煤中的铀资源成为美国与苏联工业和军事用铀的主要来源之一（任德贻等，2006；Seredin and Finkelman，2008；Seredin et al.，2013）。从20世纪下叶至今，在中亚哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦及中国新疆伊犁和吐哈等含煤盆地中，都发现了侏罗纪煤系中砂岩层及煤层中共（伴）生铀矿体（任德贻等，2006；Seredin and Finkelman，2008；Seredin et al.，2013）。当煤灰中的铀含量达到1000μg/g时，就可以考虑该煤中铀的提取和利用。 大量研究证实有机质在铀的富集中起到了很大的作用，在世界上很多泥炭田和煤盆地中也发现了铀富集的实例。中亚是世界上富铀煤*为集中的地区。世界上两个*大的煤型铀矿床分别为Koldzhatsk铀矿床（铀的资源量为37000t）和Nizhneillisk铀矿床（铀的资源量为60000t）（Seredin and Finkelman，2008）。中亚地区煤型铀矿床不仅规模大，而且铀的含量也较高，其中在新疆伊犁煤型铀矿床中检测到一个样品中铀的含量高达7200μg/g，为迄今检测到的煤中铀含量的*高值。其他一些中小型煤型铀矿床在俄罗斯远东地区、美国、法国、捷克和中国均有发现（Seredin and Finkelman，2008）。 对煤中铀的研究主要有以下几个方面：煤中铀的浓度、煤中铀的赋存状态和煤中铀的成因机制。 一、煤中铀的浓度 国外学者对煤中铀的研究起步较早，Eskenazy（2009）等发现保加利亚Dubrudza盆地煤中富集包括铀在内的多种微量元素。Querol等（1992）发现西班牙Terue矿区的高硫次烟煤中富集铀。Warwick等（1996）发现美国得克萨斯州褐煤中的铀含量高于美国煤中的铀含量均值。Ketris和Yudovich（2009）指出煤中微量元素的分布服从对数正态分布，并给出了世界无烟煤和褐煤中微量元素含量背景值。 国内在该领域也有许多代表性的研究。例如，Dai等（2008a）在研究内蒙古哈尔乌素露天煤矿时指出该煤矿富集REE、Th和U等伴生微量元素；云南砚山超高有机硫M9煤层中显著富集V、Cr、Ni、Mo和U。与世界硬煤均值相比，广西合山晚二叠世高硫煤中富集F、V、Se、Mo、U等微量元素（Dai et al.，2013a）。贵州贵定晚二叠世煤中U、Re、Mo异常富集（Dai et al.，2015a），它们的富集系数CC>100。Dai等（2012a）指出中国煤中铀的背景值为2.43μg/g。一般认为当煤灰中的铀含量达到1000μg/g时就可以考虑其工业价值（Dai et al.，2015a）。Yang（2006）通过对中国不同时代、不同地区煤中铀的研究，得出中国晚石炭—早二叠纪煤中铀的加权平均值为2.905μg/g，晚二叠纪煤中铀含量的加权平均值为5.43μg/g，晚三叠纪煤中铀含量的加权平均值为3.67μg/g，早—中侏罗纪煤中铀含量的加权平均值为1.18μg/g，晚侏罗—早白垩纪煤中铀含量的加权平均值为1.84μg/g，始新世和新近纪煤中铀含量的加权平均值为3.92μg/g，中国煤中铀含量的加权平均值为2.31μg/g。 二、煤中铀的赋存状态 煤中铀的赋存状态（特别是有机结合态）已经被各种方法证实，如密度分离、选择性浸出（Mohan et al.，1982；Palmer and Filby，1984；Liu et al.，2015；Finkelman et al.，2018）、原位直接分析[如电子探针显微分析（EPMA；Vassilev et al.，1995）；带能谱仪的扫描电子显微镜（SEM-EDS；Dai et al.，2015b，2015c）]以及统计分析（Davis，1987；Collins，1993；Spears and Tewalt，2009）。 通常，煤中大部分铀是有机结合态的（Finkelman，1981；Swaine，1990；Seredin and Finkelman，2008；Spears and Tewalt，2009；Dai et al.，2015b，2015c），其余很大一部分铀与副矿物有关，包括水硅铀矿、沥青铀矿、钛铀矿、深黄铀矿、翠砷铜铀矿、水砷钾铀矿、钒钾铀矿、硅钙铀矿、铜铀云母、钙铀云母、砷钙铀矿、黄磷铅铀矿、锆石、金红石、磷灰石、独居石和其他磷酸盐矿物（Mohan et al.，1982；Seredin and Finkelman，2008；Dai et al.，2015b）。煤中的铀不太可能与硫化物有关（Goldschmidt，1954）。 Dai等（2020）综合论述了铀在煤中的有机赋存模式，包括赋存证据、赋存机制以及有机结合态的铀含量与煤阶的关系。在煤中有机质中的吸附和络合是铀从富铀溶液中析出的两种沉积机制（Wang，1983；Meunier et al.，1989）。特别是泥炭和溶液中的铀与腐殖酸和富里酸的相互作用已经被大量化学实验证实（Moore，1954；Szalay，1954；Voskresenskaya，1960a，1960b；Swanson et al.，1966；Lopatkina，1967；Manskaya and Drozdova，1964；Borovec et al.，1979；Liu and Zhou，2010）。此外，镜煤（以镜质组为主）中高含量的铀进一步证实了煤中铀的有机赋存模式。 与烟煤和无烟煤相比，低阶煤具有更高的保留有机结合态铀的能力（Dai et al.，2020）。例如，许多研究表明褐煤中的铀含量明显高于高阶煤（Kisilstein et al.，1989；Manolopoulou and Papastefanou，1992；?ztürk and ?zdo?an，2000；Tsikritzis et al.，2008； Finkelman et al.，2018）。Finkelman等（2018）的淋滤数据显示，低阶煤和烟煤中与有机质相关的铀分别为55%左右和5%左右；与硅酸盐相关的铀均在35%～40%；与锆石等不溶相相关的铀分别为5%和30%左右。然而，有机结合态的铀在超高有机硫烟煤中含量较高（有机硫为4%～10%），从几十ppm到>200ppm①（Dai et al.，2008b，2013a，2013b，2015b，2017a；Liu et al.，2015）。通过逐级化学提取，Liu等（2015）发现，在超高有机硫烟煤中，总铀中（167～264ppm）有66.2%～78.2%的铀与有机质结合。中国南方石煤中的铀含量一般在100ppm以下，有些情况下会高于100ppm，甚至达到0.1%（Zhou，1981；Dai et al.，2018）。已经鉴定出含铀矿物（如磷钇矿和磷镧镨矿）（Dai et al.，2018），石煤中的铀主要以（UO2）2+的形式吸附在有机质中（GRI-CSA，1982；Wang et al.，2017）。 Finkelman（1994）提出了铀在煤中以有机结合态、锆