應(yīng)用粒子示蹤模擬技術(shù)確定地浸采鈾溶浸范圍

周義朋，沈照理，孫占學(xué)，劉金輝,何江濤

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013)

應(yīng)用粒子示蹤模擬技術(shù)確定地浸采鈾溶浸范圍

周義朋1，2，沈照理1，孫占學(xué)2，劉金輝2,何江濤1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013)

溶浸范圍是鈾礦地浸開采經(jīng)濟技術(shù)評價的重要考量要素之一。由于溶浸過程發(fā)生在地下礦層，溶浸范圍的確定往往比較困難。本文以我國某砂巖鈾礦地浸單元為例，根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件和實際地浸抽注液流量數(shù)據(jù)，運用地下水模擬軟件Visual Modflow粒子示蹤技術(shù)對溶浸液滲流路徑和范圍進行了模擬，模擬結(jié)果的示蹤跡線指示出了溶浸液從注液孔進入礦層后的不同滲流方向、速度及運移路徑，沿該跡線的溶浸液流量有所不同，對抽液總流量的貢獻率也不同。按貢獻率大小從低到高剔除占總貢獻率5%的那些低效率的跡線，保留占總貢獻率95%的跡線，以此圈定了該地浸條件下的有效溶浸范圍，計算得出有效溶浸面積是鉆孔所圍幾何面積的1.51倍。

砂巖型鈾礦；地浸采鈾；溶浸范圍；數(shù)值模擬；粒子示蹤

砂巖鈾礦地浸是通過將溶浸液從注液孔注入礦層，溶解礦石中有用組分形成浸出液，從抽液孔提升至地表進行處理回收得到合格產(chǎn)品的采鈾工藝[1-2]。因開采成本相對較低、礦山環(huán)境破壞小等優(yōu)點，在美國、澳大利亞、哈薩克斯坦、巴基斯坦等許多國家以及我國的新疆、內(nèi)蒙等地鈾礦山采用[2-8]。溶浸液在開放的地下含礦含水層中運移并作用于礦石，溶浸液滲流范圍直接關(guān)系到浸采效率和資源回收率，所以溶浸范圍是地浸開采的重要經(jīng)濟技術(shù)評價要素[9-12]。由于溶浸過程發(fā)生在地下礦層，即便通過地表監(jiān)測也很難有效確定溶浸范圍，實踐中往往以經(jīng)驗系數(shù)進行估計，但并不準確，而且也沒有共識性標準。

計算機數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展為地下水問題的研究提供了經(jīng)濟有效的方法手段[13-15]。地浸溶浸范圍的確定實質(zhì)上是溶浸液在地下系統(tǒng)中滲流運移的問題，本文以我國新疆某砂巖型鈾礦地浸采鈾塊段為例，根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件及地浸抽注液水動力狀況，運用國際上先進的地下水模擬軟件Visual Modflow對溶浸液在含礦含水層的滲流運移過程進行模擬，采用Modpath模塊的粒子前向示蹤技術(shù)模擬溶浸液的滲流路徑，根據(jù)示蹤跡線的分布特征計算和確定溶浸范圍。

1 研究區(qū)概況

1.1 地浸鉆孔分布

如圖1所示，研究塊段地浸鉆孔呈五點式分布，SZK-1、SZK-2、SZK-3、SZK-4為4個注液孔，SCK-1為抽液孔位于中心，抽注孔間距9～12m，SG-1為觀測孔。

1.2 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

研究區(qū)含礦含水層具有連續(xù)穩(wěn)定的泥巖粉砂巖頂、底板，頂板平均厚度7m左右，底板較薄，平均厚度1m左右；含礦含水層平均厚度約18m。含礦含水層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層間發(fā)育有上、下兩個鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖和泥巖、粉砂巖等不連續(xù)的弱透水夾層。含水層滲透性較差，平均滲透系數(shù)0.12m/d。天然地下水流場方向自南向北，水力梯度0.02。

圖1 研究區(qū)地浸鉆孔分布圖

1.3 地浸抽注流量

地浸采鈾期間，各孔平均流量如下所述。SZK-1：19.27m3/d；SZK-2：13.08m3/d；SZK-3：18.77m3/d；SZK-4：27.00m3/d；SCK-1：71.83m3/d。

2 模型概述

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件建立地浸滲流模型。模型由連續(xù)性方程、初始條件和邊界條件組成，記為模型區(qū)域D，邊界為S，模型見式(1)。

(1)

式中：Kxx，Kyy和Kzz為滲透系數(shù)在x、y和z方向上的分量，LT-1；H為承壓水頭，L；W為單位體積流量，T-1，用以刻畫井抽、注液流量；Ss為貯水率，L-1；t為時間，T。含水層頂?shù)装宸€(wěn)定，無越流項。

初始條件H0(x,y,z)根據(jù)水文地質(zhì)試驗初始時刻的靜水位設(shè)定。

模型區(qū)域呈500m×500m方形，SCK-1孔位于模型區(qū)域中心位置，邊界條件根據(jù)對研究區(qū)及周邊區(qū)域水位長期觀測結(jié)果設(shè)定。

分別在模型各注液孔投放前向示蹤粒子40個，模擬初始時刻即隨溶浸液運移。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 粒子示蹤模擬結(jié)果

粒子示蹤模擬結(jié)果如圖2所示，各注液孔示蹤粒子在注液和抽液所形成的較強水力梯度作用下，以抽注孔連線為軸形成四個紡錘形滲流場。

圖2 地浸粒子示蹤跡線分布圖

3.2 示蹤跡線特征分析

根據(jù)圖2示蹤跡線特征將其分為兩大類，第一類是在研究期內(nèi)流進抽孔SCK-1的示蹤跡線，第二類是未能抵達抽液孔示蹤跡線。在計算溶浸范圍時，第二類跡線所覆蓋的范圍首先剔除；而第一類跡線中，越是在外圍，沿著跡線的溶浸液流速越緩慢，對抽液流量的貢獻也越小，因此，雖然第一類跡線的溶浸液都能抵達抽孔，但如果不加區(qū)分地將所有跡線都納入到溶浸范圍，也是不合理的，應(yīng)該綜合考慮沿著每條跡線的溶浸液流量對總流量的貢獻大小進行校正計算，剔除那些貢獻率很小以致可以忽略不計的跡線。

3.3 跡線流量貢獻率計算方法

顯然，沿著某跡線的平均流速越大，單位時間內(nèi)該跡線流入抽液孔的浸出液也就越多，并且由于速度較大，第一股浸出液抵達抽孔的時間也就越早，因而從開始抽注起抽孔接受來自該跡線的溶浸液的有效時間也越長，因而該跡線流量對總流量的貢獻也越大。

計算示蹤跡線的流速貢獻率需要考慮的計算因子有：①跡線長度l；②溶浸液沿跡線流經(jīng)的時間t；③研究期內(nèi)沿跡線的溶浸液流入抽孔的累積有效時長Δt，即自該跡線的第一股溶浸液到達抽孔開始至計算截止期的累計時間。對于第i條跡線而言，其流量貢獻率計算公式如式(2)～(4)所示。

(2)

(3)

(4)

上述三式中，Ri為第i條示蹤跡線的貢獻率；Qi為第i條示蹤跡單位截面累計有效流量，L3T-1；vi為第i條示蹤跡線的溶浸液平均流速，LT-1；Δti為第i條示蹤跡線的累計有效滲流時長，T；li為第i條示蹤跡線的長度，L；ti為沿第i條跡線溶浸液從注孔流到抽孔所需時間，T。

3.4 貢獻率計算結(jié)果與分析

根據(jù)式(2)、式(3)和式(4)，得出計算期內(nèi)抵達抽液孔的120條示蹤際線流量貢獻率分布在0.009%～1.727%之間，具體統(tǒng)計結(jié)果見圖3。

圖3 各跡線流量貢獻率統(tǒng)計圖

由圖3可見，具有有效流量的120條跡線對總流量的貢獻率差異顯著，據(jù)圖3累積貢獻率曲線分布，貢獻率最低的23條跡線累計貢獻率僅占總量的5%，但跡線數(shù)量卻占總數(shù)量的19%，這也是圖3中貢獻率累積頻率曲線一直處于累積貢獻率上方的原因，表明溶浸液沿這些跡線的浸礦效率是較低的，對總流量的貢獻率均低于0.389%。

3.5 有效溶浸范圍

在確定有效溶浸范圍時，可據(jù)貢獻率大小按一定標準剔除較低的示蹤跡線，從而界定溶浸范圍。從上述示蹤跡線貢獻率計算結(jié)果與分析可知，貢獻率較低的示蹤際線雖然數(shù)量不少，但累積貢獻率卻較低，可以考慮剔除。鑒于目前還沒有共識性的溶浸范圍界定標準，筆者認為，對示蹤跡線按累積貢獻率95%的標準從高到低保留，剔除累積貢獻率僅為5%的那些最低的示蹤跡線，從而確定有效溶浸范圍是相對合理的。據(jù)此，本文研究塊段的地浸有效溶浸范圍如圖4所示。

圖4 溶浸范圍圖

計算得出有效溶浸面積344 m2,而地浸鉆孔所圍幾何面積為227 m2，有效溶浸面積是鉆孔所圍面積的1.51倍。

4 結(jié)論

1)地下水?dāng)?shù)值模擬是研究確定地浸溶浸范圍的有效方法，根據(jù)粒子示蹤模擬結(jié)果計算各滲流跡線流量對總抽液流量的貢獻率，根據(jù)所確定的低貢獻率跡線剔除標準，即可以定量劃定溶浸范圍。

2)低貢獻率溶浸跡線剔除標準(剔除跡線的累積貢獻率)不同，對應(yīng)的溶浸范圍也不同。本文按5%的累積貢獻率從低到高剔除低效率的跡線，獲得對抽液流量累積貢獻為95%的跡線所對應(yīng)溶浸范圍，權(quán)且以這一標準拋磚引玉，至于取何種剔除標準比較合理，還有待于行業(yè)內(nèi)共同探討和形成共識。

3)本文所研究塊段為“五點型”的單個抽注單元，計算出的溶浸范圍為鉆孔所圍幾何面積的1.51倍，對于不同的井型、采區(qū)規(guī)模以及抽注水動力條件，流場特征也不盡相同，這一倍數(shù)值并不能簡單套用，應(yīng)該根據(jù)實際情況進行模擬計算來獲得溶浸范圍。

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Application study on particle tracer technique to calculate the in-situ leaching area of uranium mining

ZHOU Yi-peng1,2，SHEN Zhao-li1，SUN Zhan-xue2，LIU Jin-hui2,HE Jiang-tao1

(1.China University of Geoscience(Beijing)，Beijing 100083，China；2.East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China)

Leaching area is one of the important factors that must be considered in economic and technical evaluation of in-situ leaching of uranium.Because the leaching process is taken place in the ore bed underground，it is difficult to determine the leaching area.In this paper，based on study of the in-situ leaching process of a mining unit at a sandstone type uranium deposit in northwest China，a new method for leaching area calculation by using particle tracer technique which is employed in Modpath as a model integrated in Visual Modflow was explored.According to the hydrogeological conditions and leaching flux data，lixiviant flow was simulated by using Visual Modlfow and the flow distribution was showed by the tracer paths，which gave us information about the flow directions，velocities and paths of lixiviant.Different path had different contribution to the total extraction flux，so,the contribution of each path had been calculated and ordered from low to high，and the lowers of which cumulative contribution ratio achieved 5% were wiped off，thus，the leaching area was determined by the highers of 95%.According to this method，the calculated leaching area was 1.51 times to geometric area of enclosure of mining wells.

sandstone-type uranium deposit;in-situ leaching of uranium;leaching area;numerical simulation;solution transportation tracing by particles

2014-05-16

周義朋(1974-)，男，江西人，副教授，博士研究生，主要從事地下水?dāng)?shù)值模擬、水文地球化學(xué)及溶浸采礦方面的研究。E-mail：zyp721@163.com。

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1004-4051(2015)02-0117-04