地浸采鈾水巖作用數(shù)值模擬研究進(jìn)展

1、地浸采鈾水巖作用數(shù)值模擬研究進(jìn)展地浸采鈾水巖作用數(shù)值模擬研究進(jìn)展袁新，周義朋(東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330013)摘要摘要：砂巖型鈾礦原地浸出已成為國內(nèi)外鈾資源開發(fā)的主要方式之一，在對(duì)地浸復(fù)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(yīng)用。詳細(xì)介紹了數(shù)值模擬技術(shù)在地浸采鈾的應(yīng)用、成果及進(jìn)展，并對(duì)存在的主要問題和地浸數(shù)值模擬研究的發(fā)展方向進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞關(guān)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(hào)：中圖分類號(hào)：TL212.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：文章編號(hào)：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(xué)反應(yīng)，將含鈾溶液提升至地表進(jìn)行水冶回收[1]，是當(dāng)前國內(nèi)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(chǎn)方式[2]。鈾礦原地浸出是人工強(qiáng)化條件下的水巖作用過程，地浸水巖體系涉及到水動(dòng)力滲流、化學(xué)反應(yīng)以及多場耦合的溶質(zhì)運(yùn)移等復(fù)雜過程。近

6、幾十年來，作為研究水巖相互作用和溶質(zhì)運(yùn)移問題的重要手段，數(shù)值模擬技術(shù)被日益廣泛地應(yīng)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(nèi)外飽水帶地下水?dāng)?shù)值模擬軟件較多，其中應(yīng)用較為廣泛的有VisualMODFLOW，F(xiàn)EFLOW和GMS等。VisualMODFLOW是在MODFLOW基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的可視化界面軟件，用于孔隙介質(zhì)中地下水流動(dòng)三維有限差分?jǐn)?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(fù)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(zhì)運(yùn)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(yùn)動(dòng)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(shè)置更加精確的邊界條件，計(jì)算更為快速。GMS由美國BrighamYoungUniversity的環(huán)境模型研究實(shí)驗(yàn)室和美國軍隊(duì)

8、排水工程試驗(yàn)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(yùn)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(jīng)過幾十年的探索，逐漸從簡單求解程序、引進(jìn)國外成熟軟件發(fā)展為自主研發(fā)軟件。由中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所開發(fā)的GWMS囊括了地下水流動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、溶質(zhì)遷移、污染檢測(cè)等國際地下水模擬中所有的模型[7]，可以滿足研究和生產(chǎn)需要。在地浸采鈾工作中，技術(shù)人員和研究人員多使用VisualMO

9、DFLOW和GMS進(jìn)行模擬工作。模擬鈾礦浸出的水巖作用一般會(huì)用到PHT3D這一重要模塊，它是MT3D和PHREEQCI兩者的結(jié)合，能夠模擬鈾礦溶解、鈾運(yùn)移、圍巖吸附鈾等過程。收稿日期收稿日期：20180925基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41572231）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2015CB453002)；江西省科技計(jì)劃項(xiàng)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(xué)模型，鈾、鐵和亞鐵濃度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)際浸出效果與實(shí)際基本吻合，該模型和程序可用于實(shí)際地浸采鈾數(shù)值模擬。2.4地浸地下水環(huán)境保護(hù)地浸

11、地下水環(huán)境保護(hù)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(chǎn)物和許多對(duì)環(huán)境有關(guān)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(jié)束后酸性物質(zhì)和重金屬離子等在含水層中的分布及其對(duì)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(zhì)遷移反應(yīng)模塊如MT3DMS等。BAIN等[57]證明了溶質(zhì)運(yùn)移反應(yīng)模型對(duì)礦山退役和恢復(fù)的作

12、用，對(duì)含水層中微量礦物的溶質(zhì)運(yùn)移反應(yīng)模擬結(jié)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(yù)測(cè)性。ROSHAL等[58]未考慮溶液與介質(zhì)的反應(yīng)，模擬了采礦結(jié)束后400年溶質(zhì)遷移過程，結(jié)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(shí)了遠(yuǎn)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(jié)果

13、表明，根據(jù)礦層中鈣濃度和總無機(jī)碳調(diào)節(jié)磷酸鹽濃度能夠大大減小鈾的擴(kuò)散范圍和地下水中鈾濃度。JOHNSON等[61]用PHREEQC一維反應(yīng)運(yùn)移模型評(píng)估氫氧化鐵對(duì)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(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)了一種新型吸附劑對(duì)鈾的吸附比和pH，與實(shí)驗(yàn)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(duì)地浸采區(qū)退役后有害物質(zhì)在含水層中的擴(kuò)散，周義朋等[63]對(duì)低滲透條件下的

14、退役地浸單元在未來30年間的溶質(zhì)運(yùn)移速度及影響范圍進(jìn)行了模擬計(jì)算。李夢(mèng)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(duì)地下水環(huán)境的影響，結(jié)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(yùn)移主要受到地下水動(dòng)力和彌散作用以及介質(zhì)對(duì)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(luò)合模型（SCM）對(duì)鈾的吸附模擬顯

15、示，對(duì)鈾的吸附來說，SCM較傳統(tǒng)的Kd吸附可以更加真實(shí)地反應(yīng)地下水中六價(jià)鈾吸附情況。鈾濃度在自然條件下的降低很漫長，實(shí)際治理污染需要結(jié)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(jié)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(jīng)濟(jì)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(duì)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(zhì)資料、鉆孔測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)、巖芯編錄及檢測(cè)和地下水樣檢測(cè)。有限的資料會(huì)導(dǎo)致模型結(jié)構(gòu)的偏差，影響模擬結(jié)果精度，因此需要進(jìn)行地下水?dāng)?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(yù)測(cè)結(jié)果的不確定[6970]。在模擬溶質(zhì)運(yùn)移中考慮數(shù)值模型的不確定性并進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可以為創(chuàng)建模型、提高模擬計(jì)算精度提供幫助[71]。近年來一些先進(jìn)的物探技術(shù)可以幫助

17、地下信息的獲得，還可以用先進(jìn)的3S技術(shù)輔助建立模型[72]。地浸是一個(gè)包含滲流、彌散、化學(xué)反應(yīng)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(dòng)力條件和對(duì)流彌散，而忽略了介質(zhì)吸附—解吸、生化反應(yīng)等過程，這必然導(dǎo)致模型結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)的誤差。復(fù)雜過程、復(fù)雜反應(yīng)的數(shù)值模擬將會(huì)是其中一個(gè)發(fā)展方向[72]。地浸體系是一個(gè)包括滲流、物理化學(xué)反應(yīng)、溶質(zhì)對(duì)流彌散遷移等復(fù)雜作用的水巖相互作用體系，巖石介質(zhì)在化學(xué)溶液的作用下其孔隙結(jié)構(gòu)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(jìn)一步改變水巖作用強(qiáng)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(jié)構(gòu)變化作為模型的要素，使賦存介質(zhì)、流體和水文地球化學(xué)反應(yīng)統(tǒng)一于同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，是改進(jìn)地浸數(shù)值模擬的重要方向之一。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]張飛鳳，蘇學(xué)斌，邢擁國，等.地浸采鈾新工藝綜述[C]全國采礦學(xué)術(shù)會(huì)議暨礦山技術(shù)設(shè)備展示會(huì).昆明，2012：912.[2]OECDNEAIAEA.Uranium

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