岩石流体反应-流动耦合试验装置的开发

原地溶浸采矿过程是一个典型受化学反应、流体流动以及物质迁移等多种因素非线性耦合作用的复杂过程.原地溶浸采矿过程中,伴随溶浸过程,矿层的渗透性分布会发生非常大的变化,这可能加剧矿层的非均匀性,使得溶浸剂和溶浸液在矿层中会发生非均匀流动现象,降低溶浸的范围和矿层的采收率.国内外现有的溶浸试验装置侧重于化学分析,不能很好地反映地浸现场条件下的高应力、高流体压力条件和流体流动的特点,同时在测量范围、精度上也不能满足科学研究的要求.为此研制岩石流体反应-流动耦合试验装置,该装置可以严格控制岩体应力和流体温度,实时在线监测系统内的流体压力、流量以及温度,实时分析流体的化学成分和岩芯的渗透性,通过分析手段可获得溶浸过程中的反应动力学参数和岩体成分等性质,实现对岩石流体反应流动耦合过程的全面分析.结合新型天然成因试剂地浸采铀法,在该试验装置上进行原状砂岩地浸试验,分析地浸过程中砂岩的渗透性、溶浸流体化学成分及铀矿采收率的变化情况.其中,当液固比为4时,铀的采收率接近60%,地浸过程中岩芯的渗透系数变化跨越3个数量级.这些试验数据显示,该装置的试验效果良好,加氧条件下矿层原地液地浸采铀是可行的,但渗透性的高度变异会影响到现场地浸的采收速率和采收率.     

煤岩剪切–渗流耦合试验装置研制

详细介绍自主研发的煤岩剪切–渗流耦合试验装置的结构和功能。该装置系统包括伺服控制加载系统,流体源加载系统,剪切盒及其密封系统,控制与数据采集系统,煤岩断面三维扫描系统5个部分。其中,剪切密封系统可实现高性能综合试验条件下密封效果良好;伺服控制加载系统可提供常法向(剪切)荷载、常法向(剪切)位移加载方式以及不同荷载加载速率与不同位移加载速率的加载方式,并可通过控制与数据采集系统对试验全过程进行实时操控;流体源加载系统可提供高至5 MPa水头压力或气压,并保持稳定;试件剪切变形、法向变形采用位移传感器与变形传感器双重监测手段,可保证高精度条件下完成剪切–渗流耦合试验;煤岩断面三维扫描系统可采集煤岩断面三维信息,便于进一步研究断面特征与裂隙渗流耦合机制。利用该装置对完整砂岩进行试验,结果表明:该煤岩剪切–渗流耦合试验装置满足预期试验功能要求,试验过程稳定,操作简便,试验数据精度高。既可应用于研究裂隙岩体的水力学特性及岩质边坡滑坡机制,也可应用于开展原岩地应力状态及采动影响条件下煤层内部煤岩剪切破断过程及其与煤层瓦斯渗透性耦合机制的试验研究。     

基于层状岩体宏细观结构的水力耦合数值模型研究

基于层状岩体宏细观结构,在热力学框架下推导水力耦合荷载作用下饱水层状岩体的各向异性多尺度损伤模型和渗透性演化方程,进而结合流体流动模拟开源程序TOUGHREACT建立层状岩体水力耦合数值模型。该模型可较好地考虑任意微裂纹损伤扩展、滑移剪胀和法向压缩闭合以及层面剪切滑移等力学行为,反映岩体内部微裂纹、层面等不同尺度结构变化对层状岩体水力耦合过程的影响。采用岩石注水试验成果对数值模型的可靠性进行验证,进而开展现场尺度层状岩体注水响应的应用模拟研究。模拟结果表明,注水引起的岩体损伤、水压力增高、层面张开、渗透性演化等水力耦合响应同时受微裂纹和层面结构变化以及层面空间发育特征的影响。层状岩体水力耦合响应的模拟有赖于内部宏细观结构的准确表征。研究成果对水力耦合条件下深部层状围岩工程扰动效应评价具有一定应用价值。     

溶浸-应力条件下钙芒硝孔隙率变化规律研究

采用原位溶浸法开采钙芒硝矿,会使钙芒硝内部物理结构改变,随之会引起其力学性能及渗透性的改变,从而影响原位溶浸开釆效率。利用μCT225kVFC型显微CT试验系统,得到不同溶浸温度、单轴压缩条件下钙芒硝内部结构CT图像,通过孔隙率值的变化归纳出钙芒硝变形和溶蚀规律。研究表明:钙芒硝在35 ℃水中溶浸10 h后发生膨胀,在1 MPa轴向载荷下,处于孔裂隙压密向弹性变形过渡阶段;钙芒硝在浸泡后孔裂隙增长明显,施加1 MPa轴向载荷后,孔裂隙增长不明显;溶浸温度为65 ℃时,钙芒硝孔隙率增长值最大;95 ℃时,孔隙率增长率最大,孔隙变化最明显。研究结果对钙芒硝矿床开采利用具有重要参考价值。     

黑龙江建兴盆地砂岩型铀矿床地质特征及可地浸地质工艺条件分析

建兴沉积盆地位于伊春—延寿地槽褶皱系与松嫩坳陷的耦合部位,是一小型断陷盆地.盆地的基底(蚀源区)由新元古代一面坡群和加里东中期正长花岗岩组成,构成该区砂岩型铀矿床的主要成矿物质来源.盖层主要由下白垩统建兴组组成,系一套河—湖相陆源碎屑赋铀含煤沉积建造,该组内沿构造斜坡带发育有十几层砂体,含矿砂体及其顶底板在垂向上具“泥—砂—泥”结构,本矿床共圈定12层铀矿体,通过地质工艺条件实验研究,初步获得了矿石的可地浸地质工艺参数,确定了溶浸剂的种类、浓度,为现场试验提供了依据.     

考虑基质渗透性的岩体单裂隙渗流及影响因素的室内和数值试验研究

为客观评价基质渗透性，并探明其在裂隙岩体渗流中的作用和比重，采用自主研制的应力–渗流耦合试验装置，开展水力耦合条件下完整岩芯和含贯穿单裂隙岩芯(泥岩、砂岩、石灰岩)的渗透试验研究，探究变围压(10～18 MPa)和变裂隙粗糙度系数(1.64～15.52)条件下裂隙、基质的渗流过程及规律。试验结果表明：基质和裂隙的渗透率均随围压的增加而降低，且裂隙渗透率的下降速率快于基质的下降速率，造成裂隙与基质的渗透率比值(Kf/Km)也逐渐下降；当围压增加至18 MPa时，泥岩的Kf/Km已介于7～8(与裂隙粗糙度有关)，小于一个数量级，基质渗透率已不容忽视。为进一步探索不可忽略基质渗透率的围压阈值，采用COMSOL构建含贯穿单裂隙岩芯的数值模型，模型中假定基质和裂隙内的渗流分别服从Darcy定律和Forchheimer定律，进而开展更大围压(3～53MPa)范围和粗糙度系数(2.58～17.4)下的渗流数值模拟。数值模拟结果与试验结果较为一致，精准复现了裂隙及基质渗透率随围压和粗糙度系数的演化规律。若以Kf/Km=10作为界定不可忽略基质渗透性的界限值，对应泥岩、砂岩、石灰岩的围压阈值分别为18,...     

松辽盆地钱家店铀矿床钱Ⅳ块地浸开采工艺铀矿物特征研究

钱家店铀矿床位于松辽盆地南部,是我国为数不多正在地浸开采的大型砂岩型铀矿床,包括钱Ⅰ至钱Ⅵ共计6个矿块。经过十多年对钱Ⅱ块的开采,即将转向钱Ⅳ块的开采。对于砂岩型铀矿地浸开采而言,查明其铀矿物的工艺特征至关重要。由于矿床各块段矿石存在一定差异性,对钱Ⅳ块矿石开展岩矿测试、放射性照相、电子探针分析和室内浸出方法,以查明矿石矿物成分、结构构造、化学成分、铀存在形式和浸出率非常必要。结果表明矿石粒级以细粒为主,岩屑含量较少,基质为黏土矿物。化学成分中主量元素SiO₂含量平均为69.40%,Al₂O₃含量平均11.07%;微量元素Re、Tl、Pb、Ba相对较为富集。铀以独立铀矿物和吸附态铀形式存在,铀以U⁶⁺为主,矿石中碳酸盐含量为2.3%,铀浸出率达80%以上。这些符合地浸评价指标要求,适宜地浸开采,为钱Ⅳ块铀矿开采提供科学依据。     

低渗储层砂岩渗流–应力–损伤渐裂过程的渗透特性演化研究

低渗储层采收率的准确评价是制定合理开发方案的重要理论基础,有效揭示开采过程诱发岩体渐裂的渗透性演化机理至关重要。以低渗储层砂岩为研究对象,分析不同荷载组合下岩体裂纹的发展规律,研究渗流–应力–损伤破裂过程中渗透率与裂纹状态的关联特性。试验结果表明:加载初期由于岩石内部孔隙及微裂隙的压密,渗透率减小;随着环向裂纹应变增大,岩石内部裂纹开始稳定扩展,渗透率缓慢增大,随着荷载的增大,裂纹加速扩展导致渗透率快速增大;最后断裂面发生相对滑移,岩石碎屑堵塞原有的渗流通道,渗透率下降。基于试验结果,运用理论方法研究不同荷载下的岩体损伤特征,建立损伤变量与裂纹环向变形的关联性,推导岩体渗透率与损伤变量的关系式,描述岩体渗流–应力–损伤渐裂中的渗透特性,揭示低渗储层砂岩的渗透率演化机理。其研究成果可为低渗砂岩储层开发过程的优化及产能预测提供新的研究思路和技术手段,对确保石油工业的可持续发展具有重要的实践价值。     

基于矿物结构与钻探的花岗岩地质强度指标研究及应用

 受Hoek对泥砂岩地质强度指标(GSI)图研究的启发,在野外工作和室内试验的基础上,尝试建立一个基于矿物结构与钻探的花岗岩GSI量化取值图：(1) 该图引进岩石矿物结构、完整岩芯长度、节理条件等参数来对GSI取值进行量化;(2) 用典型完整岩芯照片代替GSI取值图里岩体结构的素描图,并结合野外岩芯RQD、采芯率、岩体结构等特征对该照片进行描述。根据Hoek-Brown准则,利用该GSI图计算出花岗岩的弹性模量E,其与勘察单位给出的E值最小误差为0.11 GPa,说明该图具有一定的科学性,可用于钻探的场地花岗岩体力学参数估算。     

四川盆地可地浸砂岩型铀矿区域成矿条件探讨

从四川盆地的大地构造、古气候与古地理、构造、水文地质、地球化学、岩性、放射性地化等方面探讨四川盆地是否具备可地浸砂岩型铀矿成矿条件。作者认为,四川盆地中部及南部的侏罗系砂岩具备可地浸砂岩型铀矿良好成矿和地浸条件,是一片寻找可地浸砂岩型铀矿的有利地区。     

堆浸铀矿堆水力学特征参数的试验与反演研究

为了掌握堆浸铀矿堆非抱和区的水力学特性,根据多孔介质的液体流动控制方程和描述水力学性质的van Genuchten模型,阐述了堆浸铀矿堆水力学特征参数的数值反演模型。接着,选用来自某铀矿山新堆浸场分形维数D=1.8的铀矿石样,利用自制的一维液体非饱和渗流试验装置,测定了不同喷淋强度下试验柱底部的累计排水量和5个不同高度矿样内的含水率。最后,利用HYDRUS-1D软件获得了试验样本在注水期间和排水期间的水力学特征参数。结果表明：①数值反演方法确定的水力学特征参数能很好地与实际情况相匹配,参数估算结果可用于工程实际;②注水期间和排水期间需要分别确定对应的水力学特征参数;③注水期间反演估算获得的堆浸铀矿堆饱和渗透系数比排水期间的更接近饱和渗流试验获得的结果。     

Improved uranium leaching efficiency from low-permeability sandstone using low-frequency vibration in the CO2+O2 leaching process

Extraction of uranium from low-permeability sandstone is a long-standing challenge in mining. The improvement of sandstone permeability has therefore become a key research focus to improve the uranium leaching effect. To address the low-permeability problem and corresponding leaching limits, leaching experiments are performed using newly developed equipment that could apply low-frequency vibration to the sandstone samples. The test results indicate that low-frequency vibration significantly improves the uranium leaching performance and permeability of the sandstone samples. The leaching effect of low-frequency vibration treatment is approximately nine times more effective than ultrasonic vibration treatment, whereas the concentration of uranium ions generated without vibration treatment is not detectable. Mathematical model that considers the combined action of physico-mechanical vibration and chemical erosion is established to describe the effect of low-frequency vibration on the permeability. The calculated results are in good agreement with the tested permeability values. This study thus offers a new method to effectively leach more uranium from low-permeability sandstone using CO₂+O₂ and provides an insight into the impact of low-frequency vibration on the uranium leaching process.     

数值模拟技术在地浸采铀矿山中的应用

在我国某地浸矿山采区弥散试验的基础上,通过建立三维数学模型,应用Visual MODFLOW软件重点对采区的水动力场与溶质运移过程进行模拟计算与输出,从水位和水质两个方面进行了模型识别与校正,提高了模型的仿真性,反演得出了场区多项水文地质参数,为地浸工艺设评与生产提供了技术支撑。     

地下水地源热泵回灌分析

推导了地下水地源热泵地下水渗流理论降深解,分析了无堵塞和考虑堵塞时地下水地源热泵异井回灌和同井回灌状况。无堵塞各向异性均质含水层中地下水地源热泵的灌压随着水平渗透系数的减小而急剧增加,渗透系数大小是回灌难易程度的决定因素。抽灌同井抗堵塞能力优于完整井和非完整井。水井堵塞显著增加地下水地源热泵的灌压,回扬对于减小系统灌压大有益处,尤其是对于回灌困难的系统。无论有无堵塞,对于同一含水层如果采用传统的异井回灌地下水地源热泵,从回灌效果来说均应优先考虑采用完整井的地下水地源热泵。     

Isotopenphysikalische Beiträge zur Beurteilung des Grundwasserschutzes im Buntsandstein

The complex application of isotope physical measuring methods together with model calculations for groundwater flow and hydrochemistry is helpful to estimate groundwater vulnerability. Thereby Tritium is used as a natural tracer of local groundwater input indicating a possible groundwater vulnerability, and the far-reaching, long-term groundwater migration is derived from Carbon-14 ages of dissolved inorganic carbon. For the case “double-porosity aquifer (Finne Bunter Sandstone, Saxonia-Anhalt)” the derivation of hydrogeological parameters as groundwater recharge, groundwater flow and the water exchange rate of an aquifer is demonstrated. Especially information on the groundwater vulnerability can be obtained without any real groundwater contamination.     

Measuring low permeabilities of gas-sands and shales using a pressure transmission technique

Liquid and gas permeability measurements for tight gas-sand and shales were done using a pressure transmission technique in specially designed apparatus in which confining pressure, pore pressure, and temperature are independently controlled. Downstream pressure changes were measured after increasing and maintaining upstream pressure constant. The initial pressure difference changes only after the pressure pulse propagates across the sample. For low permeability samples, the downstream pressure increase is delayed but the measurement senses a greater sample volume. On the other hand, conventional pulse decay techniques provide a more rapid response but are sensitive to local sample permeability heterogeneity. Permeability measured for the rocks studied varies from 1.18×10⁻¹⁵ to 3.95×10⁻²¹ m². The measured permeability anisotropy ratio in gas shale varies from 20% to 31%. The magnitudes of permeability anisotropy remain almost constant, but the absolute permeability values decrease by a factor of 10 with a 29.79 MPa effective pressure. All samples showed a nonlinear reduction in permeability with increasing effective pressure. The rate of reduction is markedly different from sample to sample and with flow direction. This reduction can be described by a cubic k–σ law and explained by preferential flow through microcracks.     

Groundwater Nitrate Concentrations from the Old Chalford Nitrate-Sensitive Area, West Oxfordshire

This paper, describes nitrate concentrations in a groundwater catchment currently designated as a nitrate-sensitive area. Although the scheme has been operational for two years, groundwater nitrate concentrations have regularly exceeded the EC maximum admissible concentration of 11.3 mg/1 NO₃-N (50 mg/1 NO₃) from sources draining both arable and grassland management regimes. Nitrate levels from arable areas tend to produce a seasonal pattern of winter leaching and summer uptake, whilst no such pattern or fluctuation is observed from grassland areas. Four processes are defined which regulate nitrate inputs to the saturated zone of the Great Oolite aquifer: (i) availability of 'free'nitrogen, (ii) variations in nitrogen uptake, (iii) leaching of nitrates from the soil environment, and (iv) limited atttenuation within the unsaturated zone.     

A reactor model for pulsed pumping groundwater remediation

A hybrid in situ bioremediation/pulsed pumping strategy has been developed to cost effectively remediate a carbon tetrachloride plume in Schoolcraft, Michigan. The pulsed pumping system uses a line of alternating injection and extraction wells perpendicular to the direction of natural groundwater flow. The wells pump periodically to clean the recirculation zone between adjacent wells. During the pump-off phase, natural groundwater flow brings new contaminant into the recirculation zone. The wells are pumped again prior to breakthrough of contaminant from the recirculation zone. A computationally efficient reactor model has been developed, which conceptually divides the aquifer into injection, extraction, and recirculation zones, which are represented by a network of chemical reactors. Solute concentration histories from three-dimensional finite difference simulations and from field data confirm the reactor model predictions. The reactor model is used to investigate the optimal well configuration, pumping rate, and pumping schedule for achieving maximum pollutant degradation.     

低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗模型试验及增渗机制研究

 为满足我国核电快速发展对铀资源的大量需求,解决制约低渗透砂岩型铀矿床原地浸出顺利实施的瓶颈,基于笔者提出的低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗方法,开展低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗初步模型试验和优化模型试验及模型渗透性试验,试验结果表明：爆破后模型渗透率提高2～3个数量级;增渗范围大约为70倍的药包半径;合理的不耦合系数范围为1.5～3.0。此外,根据试验结果,从岩石动态破裂、微差爆破、不耦合装药爆破以及空间补偿和爆生气体驱动作用等方面探讨低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗机制,分析爆破增渗的关键影响因素,为完善低渗透砂岩型铀矿床爆破增渗理论、技术方案以及现场中试试验和规模应用打下基础。     

基于层次分析法的沈阳市地下水地源热泵适宜性研究

为了使沈阳市地下水地源热泵系统能健康有序地发展,利用层次分析（AHP）法,以MapGIS为平台,综合考虑工作区地质水文地质条件、地下水动力场、地下水化学特征等因素,建立了地下水富水性、地下水回灌能力、地下水水位埋深、地下水径流条件、含水层渗透系数、地下水Fe含量、地下水总硬度等7项评价指标,对沈阳市辖9区范围内地下水地源热泵适宜性进行了评价。结合沈阳市已建地下水地源热泵工程调查情况表明,沈阳市已建地下水地源热泵工程大多集中在所规划的适宜区内,建立的评价指标体系合理,评价结果可以作为沈阳市浅层地温能开发利用规划的依据。