地浸采鈾水巖作用數(shù)值模擬研究進展

1、地浸采鈾水巖作用數(shù)值模擬研究進展地浸采鈾水巖作用數(shù)值模擬研究進展袁新，周義朋(東華理工大學核資源與環(huán)境省部共建國家重點實驗室，南昌330013)摘要摘要：砂巖型鈾礦原地浸出已成為國內外鈾資源開發(fā)的主要方式之一，在對地浸復雜水巖作用過程的研究中，數(shù)值模擬作為重要方法，被越來越廣泛應用。詳細介紹了數(shù)值模擬技術在地浸采鈾的應用、成果及進展，并對存在的主要問題和地浸數(shù)值模擬研究的發(fā)展方向進行了分析。關鍵詞關鍵詞：砂巖型鈾礦；原地浸出；水巖作用；

2、數(shù)值模擬中圖分類號：中圖分類號：TL212.12文獻標志碼：文獻標志碼：A文章編號：文章編號：10077545（2019）01000000ProgressofNumericalSimulationfWaterRockInteractionofInsituUraniumLeachingYUANXinZHOUYipeng(StateKeyLabatyofNuclearResourcesEnvironmentEastChinaUniversi

3、tyofTechnologyNanchang330031China)Abstract：Insituleaching(ISL)technologyisoneofthemainmethodsfuraniumexploitationinthewld.Asaneffectiveeconomictoolnumericalsimulationiswidelyusedasanimptantmethodinstudyofcomplexwaterrock

4、reactionprocessesininsituleachingsystem.ApplicationachievementsprogressofnumericalsimulationtechnologyinuraniumISLaresummarized.MainproblemsdevelopmentdirectionofnumericalsimulationofuraniumISLareanalyzed.Keywds：sstonety

5、peuraniuminsituleachingwaterrockinteractionnumericalsimulation地浸采鈾工藝是指在天然埋藏之下，通過向礦層注入溶浸液與礦石發(fā)生化學反應，將含鈾溶液提升至地表進行水冶回收[1]，是當前國內外鈾資源開采的重要方法，以51%（2015年）的份額占據(jù)主要生產方式[2]。鈾礦原地浸出是人工強化條件下的水巖作用過程，地浸水巖體系涉及到水動力滲流、化學反應以及多場耦合的溶質運移等復雜過程。近

6、幾十年來，作為研究水巖相互作用和溶質運移問題的重要手段，數(shù)值模擬技術被日益廣泛地應用到地浸采鈾的水巖作用研究中。1模擬軟件介紹模擬軟件介紹目前國內外飽水帶地下水數(shù)值模擬軟件較多，其中應用較為廣泛的有VisualMODFLOW，F(xiàn)EFLOW和GMS等。VisualMODFLOW是在MODFLOW基礎上實現(xiàn)的可視化界面軟件，用于孔隙介質中地下水流動三維有限差分數(shù)值模擬，可以模擬水井、地表水河流、蒸散發(fā)作用等多種復雜因素影響的地下水水流[3]

7、，其中也整合了能夠模擬溶質運移的MT3DMS[4]和水巖作用的PHT3D等模塊，是目前最普及的地下水運動數(shù)值模擬軟件[5]，具有簡潔的界面和流程化的操作過程。FEFLOW是一款以有限元開發(fā)的數(shù)值模擬軟件，由德國WASY公司于1979年用FTRAN語言開發(fā)[6]，相較于使用有限差分法的MODFLOW，F(xiàn)EFLOW允許設置更加精確的邊界條件，計算更為快速。GMS由美國BrighamYoungUniversity的環(huán)境模型研究實驗室和美國軍隊

8、排水工程試驗工作站開發(fā)，幾乎包含所有模型，能夠解決包括變密度流和熱運移等所有問題，還能夠分別用有限差分法和有限元法解決問題。中國地浸采鈾數(shù)值模擬起步較晚，經過幾十年的探索，逐漸從簡單求解程序、引進國外成熟軟件發(fā)展為自主研發(fā)軟件。由中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所開發(fā)的GWMS囊括了地下水流動態(tài)預測、溶質遷移、污染檢測等國際地下水模擬中所有的模型[7]，可以滿足研究和生產需要。在地浸采鈾工作中，技術人員和研究人員多使用VisualMO

9、DFLOW和GMS進行模擬工作。模擬鈾礦浸出的水巖作用一般會用到PHT3D這一重要模塊，它是MT3D和PHREEQCI兩者的結合，能夠模擬鈾礦溶解、鈾運移、圍巖吸附鈾等過程。收稿日期收稿日期：20180925基金項目基金項目：國家自然科學基金資助項目（41572231）；國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目(2015CB453002)；江西省科技計劃項目（20142BFB29004，20151BBB60093）作者簡介作者簡介：袁新(

10、1993)，男，河南南陽人，碩士研究生；通信作者通信作者：周義朋(1974)，男，博士，副教授.doi：10.3969j.issn.10077545.2019.01.012[49]建立了鈾礦中溫生物浸出的數(shù)學模型，鈾、鐵和亞鐵濃度計算值與實驗測量值擬合較好，可用于相同條件下的生物浸出。曾晟[50]等編寫了多場耦合的三維模型，模擬的新疆某鈾礦床實際浸出效果與實際基本吻合，該模型和程序可用于實際地浸采鈾數(shù)值模擬。2.4地浸地下水環(huán)境保護地浸

11、地下水環(huán)境保護地浸采鈾期間和之后的環(huán)境問題包括溶浸液可能從下注區(qū)遷移到下游，下伏或上覆含水層。鈾及其衰變產物和許多對環(huán)境有關的氧化還原敏感的痕量金屬如鐵、錳等，類金屬砷和陰離子硫酸鹽可能在地下水中遷移[51]。數(shù)值模擬方法也是研究地浸開采及結束后酸性物質和重金屬離子等在含水層中的分布及其對地下水環(huán)境影響的重要方法[5256]，一般需要模擬軟件的溶質遷移反應模塊如MT3DMS等。BAIN等[57]證明了溶質運移反應模型對礦山退役和恢復的作

12、用，對含水層中微量礦物的溶質運移反應模擬結果表明，水巖作用中礦物成分和分布的變化影響潛在地下水污染的可預測性。ROSHAL等[58]未考慮溶液與介質的反應，模擬了采礦結束后400年溶質遷移過程，結果顯示，酸的中和十分漫長，但是沒有影響到供水水源地。GOMEZ等[59]的模擬證實了遠離礦井的地下水中鈾的濃度由固相UO2Fe(OH)3控制，鈾與氫氧化鐵的共沉淀解釋了地下水中低鈾濃度的原因。WEN等[60]模擬磷酸鹽原地固化游離鈾的過程，結果

13、表明，根據(jù)礦層中鈣濃度和總無機碳調節(jié)磷酸鹽濃度能夠大大減小鈾的擴散范圍和地下水中鈾濃度。JOHNSON等[61]用PHREEQC一維反應運移模型評估氫氧化鐵對鈾吸附的不確定性以幫助了解現(xiàn)在以及將來的地下水環(huán)境問題。HESHMATI等[62]應用人工神經網絡模型預測了一種新型吸附劑對鈾的吸附比和pH，與實驗數(shù)據(jù)具有良好的一致性，表明這種吸附劑具有去除鈾的巨大潛力。針對地浸采區(qū)退役后有害物質在含水層中的擴散，周義朋等[63]對低滲透條件下的

14、退役地浸單元在未來30年間的溶質運移速度及影響范圍進行了模擬計算。李夢姣等[64]模擬了在地浸過程中使用非均一抽注方法以減小溶浸液對地下水環(huán)境的影響，結果表明，減小流場外圍注液量比增大外圍抽液量更有利于減小地浸溶液影響范圍。胡凱光等[65]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，鈾運移主要受到地下水動力和彌散作用以及介質對金屬的吸附作用，焦友軍等[66]分別通過MT3DMS的分配系數(shù)等溫吸附模型（Kd）和PHT3D的表面絡合模型（SCM）對鈾的吸附模擬顯

15、示，對鈾的吸附來說，SCM較傳統(tǒng)的Kd吸附可以更加真實地反應地下水中六價鈾吸附情況。鈾濃度在自然條件下的降低很漫長，實際治理污染需要結合其他方法加速污染物濃度衰減[67]，目前效果比較好的污染處理方法有地下水抽出處理，譚凱旋等[68]分別采用不同抽出速率模擬地浸采鈾礦區(qū)地下水中UO22和SO42的遷移部分模擬結果顯示，抽出量越大處理地下水污染的效果越好，可以根據(jù)經濟條件選擇抽出處理速率。3存在的問題及研究展望存在的問題及研究展望對于砂巖

16、鈾礦地浸水巖體系而言，由于礦床深埋地下，研究人員獲取采區(qū)信息一般來自野外地質資料、鉆孔測井數(shù)據(jù)、巖芯編錄及檢測和地下水樣檢測。有限的資料會導致模型結構的偏差，影響模擬結果精度，因此需要進行地下水數(shù)值模擬的不確定性分析，定量刻畫不確定性的大小及來源，從而控制和降低模擬及預測結果的不確定[6970]。在模擬溶質運移中考慮數(shù)值模型的不確定性并進行相應的風險評估，可以為創(chuàng)建模型、提高模擬計算精度提供幫助[71]。近年來一些先進的物探技術可以幫助

17、地下信息的獲得，還可以用先進的3S技術輔助建立模型[72]。地浸是一個包含滲流、彌散、化學反應等的多場耦合的綜合作用過程[29]，但是大部分的模擬研究往往只考慮水動力條件和對流彌散，而忽略了介質吸附—解吸、生化反應等過程，這必然導致模型結果與實際觀測的誤差。復雜過程、復雜反應的數(shù)值模擬將會是其中一個發(fā)展方向[72]。地浸體系是一個包括滲流、物理化學反應、溶質對流彌散遷移等復雜作用的水巖相互作用體系，巖石介質在化學溶液的作用下其孔隙結構并

18、不穩(wěn)定，而是受礦物溶解—沉淀作用持續(xù)發(fā)生變化，并影響溶液的滲流，進一步改變水巖作用強度的空間分布，以往的地浸數(shù)值模擬研究并未考慮這一因素。將巖石孔隙結構變化作為模型的要素，使賦存介質、流體和水文地球化學反應統(tǒng)一于同一個系統(tǒng)內，是改進地浸數(shù)值模擬的重要方向之一。參考文獻參考文獻[1]張飛鳳，蘇學斌，邢擁國，等.地浸采鈾新工藝綜述[C]全國采礦學術會議暨礦山技術設備展示會.昆明，2012：912.[2]OECDNEAIAEA.Uranium

19、2016：Resources，ProductionDem[M].Vienna：IAEA，2017.[3]MCDONALDMG，HARBAUGHAW.Amodularthreedimensionalfinitedifferencegroundwaterflowmodel[M]TechniquesofWaterResourcesInvestigationsoftheUnitedStatesGeologicalSurvey.1988：3873