本发明专利技术公开了一种砂岩型铀矿CO2+O2地浸采铀的反应运移数值模拟方法，能够突破传统只考虑对流和弥散作用的地浸采铀溶质运移数值模拟方法，尝试建立多场耦合的反应性溶质运移模型来模拟北方砂岩型沥青铀矿的动态溶浸过程。本发明专利技术所提供的方法包括：构建了适用于北方砂岩型铀矿CO2+O2溶浸过程的热力学数据库，同时考虑在氧气O2(aq)和重碳酸根HCO3‑
【技术实现步骤摘要】
一种砂岩型铀矿CO2+O2地浸采铀的反应运移数值模拟方法
[0001]本专利技术涉及一种砂岩型铀矿CO2+O2地浸采铀的反应运移数值模拟方法，属于水文学及水资源领域。
技术介绍
[0002]铀资源是核军工和核电的重要原料，被喻为核工业的“粮食”。地浸是开采、选矿、水冶集于一体的全球新型的铀矿开采方法，预计地浸产能将占到国内天然铀产能的90％以上。以CO2+O2原位浸出采铀工艺为代表的第三代铀矿采冶技术解决了低渗透、高碳酸盐、高矿化度砂岩型铀矿抽注液量低、浸出周期长和矿层易堵塞等一系列技术问题，实现了CO2+O2中性地浸采铀技术的大规模工业应用。
[0003]然而在实际生产过程中缺乏数值模拟技术对地浸井场溶浸动态过程预测和精准控制技术的系统研究。地浸采铀的关键科学问题是研究溶浸体系中的水动力特征和反应性溶质运移过程。由于地浸采铀过程是溶浸液与铀矿之间复杂的流体运移与化学反应耦合的过程，是一个极其复杂的非线性反应溶质运移体系，包括CO2+O2地浸采铀过程中岩石孔隙中的渗流动力场、溶质在低渗透非均质介质中弥散场、溶浸液与岩石矿物之间的水
‑
岩相互作用产生的反应性的化学动力场的多场耦合过程。
[0004]研究CO2+O2地浸采铀过程中复杂的流体运移与地球化学反应耦合过程，进而构建三维地下水流和反应性溶质运移正是精准刻画地浸采铀中动态溶浸过程的关键技术手段，同时也是实现地浸采铀数字化技术的基础。
技术实现思路
[0005]针对上述现有技术的缺乏，本专利技术的目的在于提供一种用于砂岩型铀矿CO2+O2地浸反应性溶质运移模拟方法，首先构建了适用于北方砂岩型铀矿CO2+O2溶浸过程的热力学数据库，同时考虑在氧气O2(aq)和重碳酸根HCO3‑
的共同作用下的铀溶解动力学反应过程，然后将其应用于模拟地浸采铀过程中复杂的渗流
‑
弥散
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化学反应多场耦合的非线性溶浸体系，该技术不仅需要考虑独立过程的复杂性，还要解决各过程之间的耦合关系，进而实现CO2+O2地浸采铀溶浸过程精准模拟与动态调控。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种砂岩型铀矿CO2+O2地浸采铀的反应运移数值模拟方法，包括以下步骤：
[0007](1)收集砂岩型铀矿采区的基础数据，包括采区抽注液孔间的平面相对位置、抽注液孔间的距离、抽注液量、地下水位监测数据、溶浸液和浸出液水化学分析数据；
[0008](2)根据步骤(1)收集的基础数据，结合采区的水文地质条件，包括含矿含水层类型、矿含水层岩性和矿含水层厚度、地下水位埋深、矿体埋深和矿体厚度、地下水的补给条件，并基于质量和能量守恒的基本原理、以及达西定律，建立CO2+O2地浸采铀的渗流模型；
[0009](3)确定渗流模型的初始条件、边界条件、水力参数、源汇项，进行空间网格剖分和时间离散；
[0010](4)求解渗流模型，得到模拟区内时间上和空间上流速矢量的分布及压力的分布；
[0011](5)在步骤(4)渗流模型结果的基础上，根据地浸采铀体系中的组分溶质运移和化学反应过程，建立CO2+O2地浸采铀的反应性溶质运移模型；
[0012](6)确定反应性溶质运移模型的化学反应网络以及平衡反应和动力学反应过程；
[0013](7)确定反应性溶质运移模型中的模拟组分的初始浓度、参与模拟矿物的组成、反应生成的矿物及其体积分数、参与模拟矿物的反应动力学速率计算参数；
[0014](8)求解反应性溶质运移模型，得到地浸采铀体系中溶解性铀U(VI)的浸出浓度、pH值、矿物含量三者的变化趋势，完成CO2+O2地浸采铀的反应运移数值模拟。
[0015]进一步地，步骤(4)中采用多组分多过程反应溶质运移模拟程序TOUGHREACT V3/EOS9模块进行求解渗流模型。
[0016]进一步地，步骤(5)中CO2+O2地浸采铀的反应性溶质运移模型，采用化学组分的质量守恒方程描述：
[0017][0018]其中，方程左边项表示反应体系中化学组分i的质量变化率，右边项代表该化学组分对流、扩散作用，源汇项以及矿物组分的溶解和沉淀对该组分质量变化的贡献，c
i
为反应性溶质运移模型中参与模拟化学组分i的浓度，D
e
为有效扩散系数，Q为反应体系中的源汇项，R为化学反应速率，φ为孔隙度，ρ为流体密度，v为渗流流速，为梯度算子。
[0019]进一步地，步骤(6)中的确定反应性溶质运移模型的化学反应网络以及平衡反应和动力学反应过程，包括：
[0020]①
确定CO2+O2地浸采铀过程中的化学反应：CO2+O2地浸采铀作用机理为利用CO2和O2配制的溶浸液注入含矿层，O2将矿层中的四价铀U(IV)氧化成六价铀U(VI)，并溶于溶浸液中，CO2气体溶于水形成碳酸并分解生成重碳酸根为铀的络合提供配位离子，并调节体系pH值，减少在浸出过程中的矿层孔隙化学堵塞，在中性条件(pH值为7
‑
8)，铀酰离子容易与重碳酸根络合形成碳酸铀酰，并以和形式存在，浸出铀的化学反应为：
[0021][0022]2UO2(s)+O2＝2UO3(s)
ꢀꢀ
(3)
[0023][0024][0025]②
建立平衡反应热力学数据库：添加CO2+O2地浸采铀体系中溶解性铀U(VI)和其它参与模拟组分的生成物种及相应的平衡常数数据，构建砂岩型铀矿CO2+O2地浸过程的热力学数据库，用于计算所需物种的组分形态和参与反应性溶质运移数值模拟；
[0026]③
建立动力学反应的速率方程：反应速率为定量描述矿物溶解和沉淀化学反应的参数，根据化学反应动力学过渡态理论(TST)来确定参与矿物溶解和沉淀的反应速率方程。
[0027]进一步地，在建立平衡反应热力学数据库
②
中，需首先定义地浸采铀体系中水溶液组分和生成的物种，如铀酰离子作为组分，生成的物种有UO2OH
+
、和
然后确定生成物种的生成反应过程和热力学平衡常数，并将组分和生成物种及热力学平衡常数组成一个特定格式的数据组合；最后将反应性溶质运移模型中多个组分的数据组合组成平衡反应热力学数据库。
[0028]进一步地，在建立动力学反应的速率方程
③
中，采用TOUGHREACT程序中反应速率表达式：
[0029][0030]其中，r为矿物溶解/沉淀反应速率(mol/m3·
s)；k为速率常数(mol/m2·
s)；A为每千克水的矿物比表面积(cm2/g)；K为化学平衡常数(无量纲)；Q为离子的活度积(无量纲)；θ和η为实验测定的常数，为正值。
[0031]对于砂岩型铀矿床中沥青铀矿的动力学反应过程而言，速率常数k受多种因素控制，如表面吸附、表面交换反应、溶液中氢离子的活度即pH值、化学组分等对反应速率起着催化或抑制作用。根据部分室内实验结果，考虑在氧气O2(aq本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种砂岩型铀矿CO2+O2地浸采铀的反应运移数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)收集砂岩型铀矿采区的基础数据，包括采区抽注液孔间的平面相对位置、抽注液孔间的距离、抽注液量、地下水位监测数据、溶浸液和浸出液水化学分析数据；(2)根据步骤(1)收集的基础数据，结合采区的水文地质条件，包括含矿含水层类型、岩性和厚度、地下水位埋深、矿体埋深和厚度、地下水的补给条件，并基于质量和能量守恒的基本原理、以及达西定律，建立CO2+O2地浸采铀的渗流模型；(3)确定渗流模型的初始条件、边界条件、水力参数、源汇项，进行空间网格剖分和时间离散；(4)求解渗流模型，得到模拟区内时间上和空间上流速矢量的分布及压力的分布；(5)在步骤(4)渗流模型结果的基础上，根据地浸采铀体系中的组分溶质运移和化学反应过程，建立CO2+O2地浸采铀的反应性溶质运移模型；(6)确定反应性溶质运移模型的化学反应网络以及平衡反应和动力学反应过程；(7)确定反应性溶质运移模型中的模拟组分的初始浓度、参与模拟矿物的组成、反应生成的矿物及其体积分数、参与模拟矿物的反应动力学速率计算参数；(8)求解反应性溶质运移模型，得到地浸采铀体系中溶解性铀U(VI)的浸出浓度、pH值、矿物含量三者的变化趋势，完成CO2+O2地浸采铀的反应运移数值模拟。2.根据权利要求1所述的砂岩型铀矿CO2+O2地浸采铀的反应运移数值模拟方法，其特征在于，步骤(4)中采用多组分多过程反应溶质运移模拟程序TOUGHREACTV3/EOS9模块进行求解渗流模型。3.根据权利要求1所述的砂岩型铀矿CO2+O2地浸采铀的反应运移数值模拟方法，其特征在于，步骤(5)中CO2+O2地浸采铀的反应性溶质运移模型，采用化学组分的质量守恒方程描述：其中，方程左边项表示反应体系中化学组分i的质量变化率，右边项代表该化学组分对流、扩散作用，源汇项以及矿物组分的溶解和沉淀对该组分质量变化的贡献，c
i
为反应性溶质运移模型中参与模拟化学组分i的浓度，D
e
为有效扩散系数，Q为反应体系中的源汇项，R为化学反应速率，φ为孔隙度，ρ为流体密度，v为渗流流速，为梯度算子。4.根据权利要求1所述的砂岩型铀矿CO2+O2地浸采铀的反应运移数值模拟方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴剑锋，刘正邦，邱文杰，杨蕴，翁海成，吴吉春，李宏星，刘双民，
申请(专利权)人：核工业北京化工冶金研究院河海大学，
类型：发明
国别省市：
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