王雷鳴教授：深地砂巖鈾礦溶浸開采體系孔裂–滲流透明表征與定向干預(yù)研究進(jìn)展

創(chuàng)新點(diǎn)

（1）全面總結(jié)了物理表征方法和三維重建技術(shù)在深地砂巖鈾礦孔裂結(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用，探討了各方法的優(yōu)勢與局限性，并提出了多種表征技術(shù)相結(jié)合的策略，為全面、準(zhǔn)確地表征砂巖鈾礦孔裂結(jié)構(gòu)提供了新的思路與方法。

（2）系統(tǒng)整理了滲流可視化技術(shù)的研究進(jìn)展，比較了天然裂隙砂巖鈾礦滲流行為研究、透明巖石的制備及滲流測試方法和數(shù)值模擬技術(shù)在滲流可視化中的應(yīng)用。

（3）深入探討了深地鈾礦地浸體系定向干預(yù)與調(diào)控機(jī)制，包括物理調(diào)控、生物化學(xué)調(diào)控和砂巖鈾礦儲(chǔ)層改造策略，分析了這些策略在提高鈾礦浸出效率、降低環(huán)境影響和減少生產(chǎn)成本方面的特點(diǎn)。

（4）充分結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等前沿信息技術(shù)，提出了智能化深地砂巖鈾礦溶浸開采的研究方向，為實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)的鈾資源開發(fā)提供了新的技術(shù)支撐。

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深地砂巖鈾礦溶浸開采體系孔裂–滲流透明表征與定向干預(yù)研究進(jìn)展

作者：王雷鳴^1,2, 李碩^1,2, 尹升華^1,2, 成亮^1,2, 張超^1,2, 陳威^1,2, 薛森淼^1,2

單位：1. 北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院

引用格式：

王雷鳴，李碩，尹升華，等. 深地砂巖鈾礦溶浸開采體系孔裂?滲流透明表征與定向干預(yù)研究進(jìn)展[J]. 綠色礦山，2024，2(4)：381?396. WANG Leiming，LI Shuo，YIN Shenghua，et al. Advances in transparent characterization and targeted intervention for fracture-seepage in deep sandstone uranium leaching systems[J]. Journal of Green Mine，2024，2(4)：381?396.

摘要

天然鈾作為關(guān)鍵的戰(zhàn)略資源，在國防和能源領(lǐng)域具有重要意義。隨著淺層資源的枯竭，深地戰(zhàn)略成為保障資源安全的關(guān)鍵。砂巖鈾礦溶浸開采是一種在天然條件下，通過注入溶浸液與礦石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將鈾元素由固相轉(zhuǎn)化為液相的采礦方法。地浸采鈾具有低成本、短周期、管道化、無人化等優(yōu)勢，已在全球范圍內(nèi)得到應(yīng)用。然而，深地砂巖溶浸開采面臨著高井深、高地溫、高地應(yīng)力、強(qiáng)擾動(dòng)的“三高一擾動(dòng)”復(fù)雜環(huán)境，礦層孔裂結(jié)構(gòu)的多尺度特性致使溶液滲流多級化，滲流路徑復(fù)雜且均勻滲透困難。為了解決相關(guān)問題，研究人員在深地砂巖鈾礦溶浸開采體系孔裂結(jié)構(gòu)表征、滲流行為可視化及定向干預(yù)與宏觀調(diào)控等方面開展了大量的研究工作。闡述了深地鈾礦地浸體系孔裂–滲流透明表征與定向干預(yù)研究進(jìn)展，其中孔裂結(jié)構(gòu)透明表征主要分為物理表征方法與三維重建技術(shù)；滲流可視化技術(shù)包括滲流試驗(yàn)行為研究與透明巖石的制備，并介紹了數(shù)值模擬技術(shù)在滲流可視化中的應(yīng)用；隨后進(jìn)一步探討了深地鈾礦地浸體系定向干預(yù)與調(diào)控機(jī)制，包括物理調(diào)控、生物化學(xué)調(diào)控和砂巖鈾礦儲(chǔ)層改造等策略。此類研究提高了鈾礦的浸出效率，降低了開采對環(huán)境影響，推動(dòng)了綠色可持續(xù)鈾資源開發(fā)。最后提出深地砂巖鈾礦溶浸開采體系孔裂–滲流透明表征與定向干預(yù)研究瓶頸難題，并展望未來研究需要進(jìn)一步深化對深地砂巖鈾礦溶浸開采機(jī)理的認(rèn)識(shí)，優(yōu)化和完善孔裂結(jié)構(gòu)透明表征與滲流行為可視化技術(shù)，創(chuàng)新出更為高效與環(huán)境友好的定向干預(yù)與調(diào)控策略。

引言

天然鈾，作為一種重要的戰(zhàn)略資源和能源礦產(chǎn)，關(guān)乎國家能源安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步等方面，被廣泛應(yīng)用于國防建設(shè)、核能發(fā)電、放射化療及環(huán)境保護(hù)等核心領(lǐng)域。在“兩山”理念的指引下，核能作為一種高效的清潔能源，在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善氣候變化、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)等方面扮演著愈發(fā)重要的角色。當(dāng)前，淺表砂巖鈾礦品位逐漸貧化、資源量日漸枯竭，因此，“向深部要資源”是切實(shí)保障國家礦產(chǎn)資源安全、積極爭奪國際競爭優(yōu)勢的迫切需求與戰(zhàn)略選擇。

深地砂巖鈾礦溶浸開采，是將溶浸液經(jīng)注液鉆孔注入深地裂隙礦層，選擇性溶蝕有價(jià)金屬礦物，將鈾元素由“固相”轉(zhuǎn)化為“流相”的特殊采礦方法，具有無人化、管道化、成本低、基建周期短等突出優(yōu)勢。國際原子能機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，該法實(shí)現(xiàn)了全球約56%砂巖鈾礦的低碳綠色開采，是滿足國家重大戰(zhàn)略需求，更是生產(chǎn)“核工業(yè)糧食”的核心技術(shù)。然而，深地砂巖鈾礦溶浸開采面臨高地壓、高地溫、高滲透壓、強(qiáng)擾動(dòng)的“三高一擾動(dòng)”復(fù)雜環(huán)境，含鈾砂巖礦層孔裂結(jié)構(gòu)的多尺特性導(dǎo)致溶浸液滲流呈現(xiàn)多級化，溶質(zhì)傳遞滲流路徑復(fù)雜且均勻滲透困難，宏觀表現(xiàn)為地浸體系內(nèi)溶液滲流速度慢、溶質(zhì)擴(kuò)散傳遞效果差、浸礦盲區(qū)遍布、鈾礦浸出效率低等問題。對此，筆者聚焦深地鈾礦原位浸出過程，重點(diǎn)圍繞孔裂結(jié)構(gòu)多尺度性及滲流行為多極化的“黑箱難題”，系統(tǒng)梳理了鈾礦原位浸出體系的孔裂結(jié)構(gòu)透明表征、滲流可視化和定向干預(yù)與調(diào)控機(jī)制領(lǐng)域取得了的研究成果。

部分圖片

圖 1 砂巖鈾礦孔裂特征測試方法適用范圍對比

圖 2 深地砂巖鈾礦地浸孔裂結(jié)構(gòu)物理表征方法研究

圖 3 孔隙率與立方體邊長的關(guān)系

圖 4 深地砂巖鈾礦地浸孔裂結(jié)構(gòu)三維重建技術(shù)應(yīng)用

圖 5 天然裂隙含鈾砂巖滲流行為研究

圖 6 含孔裂結(jié)構(gòu)透明巖石的制備領(lǐng)域研究

圖 7 溶浸液在透明巖石中的滲流行為可視化研究

圖 8 AVIZO和COMSOL在三維重建和滲流模擬中的導(dǎo)入過程

圖 9 數(shù)值模擬技術(shù)在滲流可視化的應(yīng)用

圖 10 鈾礦地浸數(shù)值建模研究

圖 11 深地砂巖鈾礦地浸物理調(diào)控強(qiáng)化浸出研究

圖 12 深地砂巖鈾礦地浸體系儲(chǔ)層改造研究

第一作者

王雷鳴（1991—），男，山東濰坊人，教授。入選國家博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、北京市科協(xié)青年人才托舉工程、全國礦業(yè)石油與安全工程領(lǐng)域優(yōu)秀青年科技人才等計(jì)劃。主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（面上、青年）、北京市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等10余項(xiàng)；以第一或通訊作者發(fā)表SCI/EI論文30余篇，授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利25項(xiàng)；出版中英文論著/教材3部；榮獲教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、稀土科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)、綠色礦山科技（基礎(chǔ)研究）一等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)勵(lì)10余項(xiàng)；兼任中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)礦山掘進(jìn)與支護(hù)專委會(huì)副秘書長、《綠色礦山》編委、《工程科學(xué)學(xué)報(bào)》青年編委7項(xiàng)等職務(wù)。

通訊作者

尹升華（1981—），男，江西吉安人，教授，入選國家級重大人才項(xiàng)目?，F(xiàn)任北京科技大學(xué)人事處處長，兼任科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智基地負(fù)責(zé)人、北京市國際科技合作基地主任。主持國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題等科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，以第一或通訊作者身份發(fā)表SCI/EI論文100余篇，授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利40余項(xiàng)，榮獲國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，中國青年科技獎(jiǎng)、北京市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)等科研教學(xué)獎(jiǎng)勵(lì)20余項(xiàng)；受聘中國安全生產(chǎn)專家、中國金屬學(xué)會(huì)采礦分會(huì)副秘書長、Green and Smart Mining Engineering執(zhí)行主編等學(xué)術(shù)職務(wù)。

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

策劃丨郭曉煒

責(zé)編丨黃小雨

編輯丨李莎

審核丨常明然

期刊簡介

為深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設(shè)領(lǐng)域高端學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，2023年5月，經(jīng)國家新聞出版署批準(zhǔn)，由中國煤炭科工集團(tuán)主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應(yīng)運(yùn)而生?！毒G色礦山》為季刊，國內(nèi)統(tǒng)一連續(xù)出版物號為：CN10-1912/TD，ISSN號：2097-3357，由《煤炭學(xué)報(bào)》編輯部負(fù)責(zé)策劃、出版、發(fā)行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環(huán)境保護(hù)、低碳技術(shù)及節(jié)能減排、數(shù)字礦業(yè)、綠色低碳經(jīng)濟(jì)政策與評價(jià)等。

聯(lián)系：常明然

電話： 010-87986451

郵箱：changmingran@chinacs.org.cn

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