基于TOUGHREACT模拟分析黄铁矿对酸法地浸采铀的影响

1、基金项目：国家自然科学基金资助项目（酸法地浸采铀过程中铀反应性迁移机制与模拟42062017；优先流作用下非饱和多孔介质中可移动胶体与放射性核素复合共迁移研究41761090，大亚湾海域表层沉积物中放射性核素60Co、137Cs、90Sr的赋存形态及其富集机制研究11465002，考虑弥散尺度效应的裂隙介质中溶质运移模型及模拟研究41201500）；江西省教育厅基金项目（非饱和多孔介质中可移动胶体特征及对放射性核素迁移活化的影响研究2017ACB20021）；江西省自然科学基金（考虑弥散尺度效应的裂隙介质中溶质运移问题研究2012BAB206001）；江西省教育厅科技项目(酸法地浸采铀过程中孔

2、隙度时空演化GJJ180380) ；核资源与环境重点实验室（东华理工大学）开放基金项目(生物堆浸采铀数值模拟及关键参数识别研究NRE1612)；国家自然科学基金核技术创新联合基金（酸法地浸采铀中铀矿储层孔隙与渗透性时空演化规律U1967209）；江西省自然科学基金项目（青年基金）（裂隙内重非水相液体的迁移机制及曝气修复研究20181BAB213018）Fund:Supported by the National Natural Science Fundation of China（42062017，41761090，11465002，41201500）；Jiangxi Provincial D

3、epartment of Education Foundation Project（2017ACB20021）； National Natural Science Fundation of Jiangxi Province（2012BAB206001）；Science and Technology Project of Education Department of Jiangxi Province（GJJ180380）；Open Foundation Project of Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment (East Ch

4、ina Institute of Technology)（NRE1612）；Nuclear Technology Innovation Joint Fund of National Natural Science Foundation of China（U1967209）；Natural Science Foundation of Jiangxi Province (Youth Fund)（20181BAB213018）；作者简介：汪润超（1995-），男，江西景德镇人，硕士研究生，研究方向：地浸采铀数值模拟。通信作者：李寻（1974-），女，博士，教授，从事地下水数值模拟研究。基于TOUGH

5、REACT模拟分析黄铁矿对酸法地浸采铀的影响汪润超1,李 寻1,罗 跃1,2,王 兵1,2,刘小俊1(1.东华理工大学 水资源与环境工程学院，南昌 330013；2.东华理工大学 核资源与环境重点实验室，南昌330013）摘 要:酸法地浸采铀过程中，铀矿的伴生矿黄铁矿作为非目标矿物会消耗氧化剂和酸。为探明酸法浸铀过程中因黄铁矿溶解产生的变化规律，以巴彦乌拉铀矿采铀过程为例，采用六注二抽的“网格式”井型构建二维酸法地浸采铀模型进行模拟研究，在抽注平衡的条件下，模型中只考虑黄铁矿（FeS2），沥青铀矿（UO2），与石英（SiO2）。结果表明：1）1 000天后模拟结束，在抽注单元控制的地下水流场作

6、用下，边界处注液井的黄铁矿溶解范围呈两极分化，最远处抵达抽液孔，为30 m，最近仅距注液井8.4 m，而中间处注液井的黄铁矿溶解范围最远达27.8 m，最近达8 m；2）地浸采铀中的关键因素Fe3+在氧化还原次序中排名靠后，黄铁矿未完全溶解之时，在缺少Fe3+的情况下，铀矿的溶解速率极低，直至黄铁矿完全溶解时，铀矿溶解速率才迅速增加，模拟结束后，边界处注液井铀矿完全溶解范围为距注液井7.2 12.8 m，中间处注液井铀矿完全溶解范围为距注液井7 11 m，此时溶浸液中的六价铀（UO22+）迁移前端距离抽液孔仅8.4 m；3）铀矿的浸出经过溶解（液相）-沉淀（固相）-再溶解（液相）的多次旋回，根

7、据铀矿的溶解-沉淀量将其划分为完全溶解区，有效溶解区和沉淀区，模拟结束后，注液孔1完全溶解区范围为7.212.8 m，此时沉淀区已形成一个锥形区域，范围为18.6 21.6 m，同样在抽注作用的影响下，在靠近抽液孔方向上，锥形沉淀区的尖端铀矿沉淀量最多；4）在抽注单元控制的地下水流场作用下，黄铁矿与铀矿的溶解区域，均出现靠近抽液孔方向的溶解范围大于远离抽液孔方向的溶解范围。关键词：酸法地浸采铀；黄铁矿；氧化还原；TOUGHREACT；数值模拟TOUGHREACT simulation was used to analyze the effect of pyrite on uranium ext

8、raction by acid leachingWANG Runchao1, LI Xun1, LUO Yue1,2，LING Huilan1, WANG Bing1,2，LIU Xiaojun1(1. School of Water Resource and Environmental Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China; 2. Key Laboratory of Nuclear Resource and Environment, East China Institute of Te

9、chnology, Nanchang 330013, China)Abstract: In the in-situ leaching of uranium, pyrite, the associated ore of uranium ore, as a non-target mineral, will consume oxidants and acids. Therefore, in order to explore the change rule of the dissolution of pyrite in the process of acid leaching of uranium,

10、this paper takes the uranium mining process of Bayanwu la uranium mine as an example, and uses the grid pattern well type of six injection and two pumping to construct the two-dimensional in-situ leaching of uranium for simulation study. Under the condition of pumping equilibrium, only pyrite (FeS2)

11、, pitchblende (UO2) and quartz (SiO2) are considered in the model. Results show that: 1) The simulation ended after 1 000 days, in the pumping unit control injection under the action of groundwater flow field, the border range of pyrite dissolution are polarized liquid injection Wells, the farthest

12、reached draining hole, to 30 m, recently from the liquid injection Wells, only 8.4 m, and dissolution of pyrite fluid injection wells at the centre of the range of 27.8 m, as far as recent up to 8 m;2) the key factors in uranium Fe3 + in REDOX order low-ranking, pyrite is not completely dissolved, i

13、n the case of lack of Fe3+, uranium dissolution rate is extremely low, until completely dissolved pyrite, uranium dissolution rate was increased rapidly, after the simulation, border completely dissolved uranium range for liquid injection Wells, from 7.2 m to 12.8 m, liquid injection Wells, fluid in

14、jection Wells at the centre of the scope of completely dissolved uranium from 7 m to 11 m, liquid injection wells, the leaching liquid of hexavalent uranium (UO22+) pump fluid migration front distance hole is only 8.4 m; 3)Uranium leaching after dissolving precipitation (liquid) - (solid) - to disso

15、lve (liquid) cycle for many times, according to the dissolved uranium - precipitation amount will be divided into completely dissolved, effectively dissolve and precipitation area, after the simulation, liquid injection hole 1 completely dissolved the range of 7.2 m to 12.8 m, the precipitation area

16、 has formed a conical area, range of 18.6 m to 21.6 m, under the influence of smoke injection effect, also near the infusion hole direction, to precipitate the tip of the tapered area biggest uranium deposit ;4) Under the action of the underground water flow field controlled by the pumping unit, the

17、 dissolution range of pyrite and uranium ore close to the direction of the pumping hole is greater than that far away from the direction of the pumping hole.Key words: Leaching uranium by acid method；Pyrite；REDOX；TOUGHREACT;The numerical simulation酸法地浸采铀作为目前比较成熟的铀开采工艺之一，在地浸过程中，随着溶浸液的注入，会与矿层中各组分发生反应，

18、而其中非目标矿物会消耗溶浸液的酸与氧化剂，导致溶浸液的pH与Eh达不到预期目标，极大的影响了铀矿的浸出率与浸出速率1，甚至会产生含铀废水2，造成环境污染。在铀矿的成矿之初，伴生矿主要包含方解石，黄铁矿和赤铁矿等，而这些非目标矿物也是消耗酸和氧化剂的主要因素之一，如方解石会消耗大量氢离子3，黄铁矿会消耗大量氧化剂4。而在实际生产中，为了达到最佳经济的投入比，往往会对矿物进行回收5，消耗的酸与氧化剂也会控制在一定的范围。因此，对于矿层中非目标矿物的消耗还需要更精确的计算。室内实验的结论虽然揭示了地浸采铀中，非目标矿物的变化及其对铀浸出的影响，但是受限于实验条件，对铀浸出的大范围内的时空演化结果还未

19、知，无法定量的对非目标矿物的消耗进行计算，只能通过增加耗酸和氧化剂，或者延长工期达到预期的浸出效果。在地浸采铀中，地球化学过程通常是大范围的时空演化，但由于受限于监测技术，非常缺乏那些无法观察记录到的水文地球化学过程的信息，这些信息对于认识和理解地浸采铀是至关重要的，而通过数值模拟技术便可以详细的监测记录到水文地球化学过程的演化，对于认知地浸采铀有着极大的帮助。随着数值模拟技术的发展，通过构建地浸采铀模型6，还原实际生产过程，探明矿层中发生的变化，预测矿物溶解-沉淀反应发生的具体时间与空间，或者调整矿层自然因素（如孔隙度、渗透率、矿石平米铀含量、含矿岩石密度及其胶结程度、铀元素在含矿层中的存在

20、形式等）与生产工艺因素（钻孔的井距与井型、氧化剂的类型与浓度、液固比、钻孔的抽注流量等），找到最适合该矿区的生产方式，达到最佳的投入产出比，并将其运用到实际生产中，提高矿层中铀元素的浸出率与浸出速率，在目前已成为一种成熟的评估方法。陈经明7等运用数值模拟软件，探究地浸采铀中化学沉淀出现的具体时间与空间；何智8等基于GMS软件，预测某地浸铀矿地下水中铀的迁移状况；利广杰9等通过Visual MODFLOW软件，建立铀矿山水文地质模型，对研究区地下水进行数值模拟计算和预测,调整了钻孔的抽注液量,优化了井场设计,提高了采铀效率。而黄铁矿作为铀矿的常见伴生矿，目前在地浸采铀中对铀浸出的影响数值模拟研究

21、较少，本文基于前人的研究，构建酸法地浸采铀二维模型，采用“网格式”井型（六注二抽），探究伴生矿物黄铁矿在地浸采铀中的时空演化，探明伴生矿黄铁矿对铀浸出的影响。1研究方法1.1 反应溶质运移模拟1.1.1 控制方程承压含水层的水流方程：基于达西定律，在包含源汇项的情况下，二维模型中的地下水渗流方程为10： （1）式中，T为渗透系数；S为单位体积的储水系数；w为单位体积的源汇项，kg/s；H为水头，m；t为时间，d。多孔饱和介质内的地下水渗流连续性方程：二维模型中溶质运移控制方程10: （2）式中，为液体密度；为渗流速度分别在x，y，z三个方向上的分量；为孔隙度；为单元体的边长。1.1.2模型概化

22、根据郑和秋野11对于巴彦乌拉铀矿现场地浸条件试验与地浸场水动力模拟以及陈万利12对巴彦乌拉铀矿地浸过程中含矿层化学堵塞机理的研究可知，含矿含水层顶底板分布连续、稳定、隔水性良好，不计地面渗水和降雨以及地下水对含矿含水层的补给，酸法地浸采铀中，随着溶浸液的浸入，矿层中的各组分与之反应，从固相转入液相，在人工抽注与天然流场的共同作用下，运移至抽液孔，通过吸附，萃取，浓缩，干燥等工艺，完成地浸过程。本文通过将实际生产过程概化成二维抽注模型，研究在抽注平衡的条件下，模型中黄铁矿与铀矿的时空演化，探明黄铁矿在地浸采铀中对铀浸出的影响。1.1.3 模型条件本模型根据巴彦乌拉实地生产资料构建，模型数据来源于

23、郑和秋野11等对于巴彦乌拉铀矿现场地浸条件试验与地浸场水动力模拟以及陈万利12等对巴彦乌拉铀矿地浸过程中含矿层化学堵塞机理的研究。模型只考虑黄铁矿（FeS2），沥青铀矿（UO2），与石英（SiO2）考虑其在含矿含水层中为均质分布，含量取平均值，分别为1%，0.1%与58%。其中模型的抽注液孔间距为30 m，含矿含水层厚度为58.3 m，采用“网格式”井型（六注二抽）（图1），确定模型大小为200 m200 m58.3 m。模型按网格等间距剖分（2 m2 m58.3 m），设置注液孔流量为0.5 kg/s，抽液孔流量为1.5 kg/s。整个模拟过程中，流量均匀恒定，温度恒定25 ，模拟总时长10

24、00 d，矿层孔隙度为0.2，渗透率为8.09*10-12 m2，初始条件为含矿含水层内部的矿层水，边界条件为注入含矿含水层中的溶浸液，其中各离子成分及浓度见表1。图1模型概念图Fig.1 Model concept diagram表1 模型中各离子成分及浓度Table 1 The composition and concentration of each ion in the modelIonInitial condition/(molL-1)Boundary condition/(molL-1)Fe2+0.001 777 420SO42-0.003 43 490.102O2(aq)00.0

25、1UO22+00H+1x10-70.2041.1.4 化学反应根据模型内矿石成分及注入液的条件，列出化学方程式及其对应的平衡常数如表2。表2 化学方程式及其平衡常数Table 2 Chemical equations and their equilibrium constantsCategoryChemical equationEquilibrium constant lgKSolidphase compositionUO2+4H+=U4+2H2O-4.669FeS2+H2O+3.5O2=Fe2+2H+2SO42-217.4UO2+2H+0.5O2=UO22+H2O32.534Liquidph

26、ase compositionU4+2H2O=UO22+2e-+4H+-9.216Fe2+0.25O2+H+= Fe3+0.5H2O8.489注：数据取自ToughReact_ThermoddemV1.10_06Jun2017。1.2 TOUGHREACT简介TOUGH（Transport of Unsaturated Groundwater and Heat）在二十世纪80年代早期由美国劳伦斯伯克利国家实验室开发，最初主要用于地热开发模拟。如今，该系列软件在核废料处置、环境污染修复、地热能源开发、油气开发和天然气水合物开发、二氧化碳地质储存、包气带水文学以及其他包括热-水动力-地球化学过程等

27、方面均有十分广泛的应用。本文所用的TOUGHREACT是由许天福等基于TOUGH系列软件基础上开发的可应用于裂隙或孔隙介质中一维到三维的多组分、多相流及非等温的水流和热反应运移的数值模拟程序。本研究所使用的模块功能包含地球化学场与水动力场的耦合作用，可用来构建地浸采铀模型。2结果与讨论2.1 黄铁矿的时空演化模型中六个注液孔模型条件均相同，且呈对称分布，因此两个相邻注液孔的水力影响范围未发生交集时，六个注液孔结果均相同，在此以注液孔1为例进行讨论,在图像中以Z表示注液孔，以C表示抽液孔。1）t=1 d时，注液孔1处黄铁矿溶解量为7.35%，以其为圆心，半径约2 m的范围内，黄铁矿均发生不同程度

28、的溶解，但溶解幅度极低。在抽注作用下，溶浸液由注液孔运移至抽液孔，因此靠近抽液孔方向的黄铁矿溶解量大于远离抽液孔方向的黄铁矿溶解量；t=5 d时，注液孔1处黄铁矿溶解量为31.06%，随着溶浸液的运移，溶解范围继续扩大，距离注液孔约6 m处也发生溶解现象；t=10 d时，注液孔1处黄铁矿溶解量为48.44%，伴随着黄铁矿不断溶解，Fe2+离子浓度不断增加，化学平衡反应向左移动，抑制了黄铁矿的溶解，黄铁矿溶解的速率逐渐下降；t=20 d时，注液孔1处黄铁矿溶解量为71.71%；t=32 d时，注液孔1处黄铁矿溶解完毕（图2），溶解范围以注液孔为圆心，形成一个不规则的圆形。而在抽注作用形成的水力场

29、下，靠近抽液孔方向溶解范围最大可达约11.2 m，而远离注液孔方向的范围只有约4.2 m。图2 32 d内黄铁矿溶解量体积分数与Fe2+浓度关系图Fig.2 The relation diagram of pyrite dissolution volume fraction and Fe2+ concentration within 32 days2）t=100 d时，以注液孔1为中心，半径约4 m范围内黄铁矿溶解完，溶解范围扩大至14 m，在抽注作用的影响下，溶浸液前锋（SO42-离子）已运移至抽液孔，随着溶浸范围的逐渐增大，与溶浸液接触的矿石也随之增加，因此黄铁矿溶解范围的增加速率逐渐减慢

30、（图3a）；t=300 d时，黄铁矿完全溶解范围扩大至5 m，呈现同最初矿物溶解相同的变化，即靠近抽液孔方向的溶解范围大于远离抽液孔的溶解范围，其中靠近注液孔方向溶解范围约为9.4 m，远离抽液孔的溶解范围约为3.8 m（图3b）；t=500 d时，注液孔1溶解范围形成类椭圆形，而与之相邻的注液孔2的溶解区域并未形成相同的形状，由此可见两个注液孔之间的水力作用范围形成交叉区域（图3c）。注液孔1处黄铁矿溶解范围在100 d-500 d内变化较大，溶解范围的形状也由最开始近似于圆形演化至近似于椭圆形（图3d）。图3 500d内黄铁矿溶解量示意图Fig.3 Schematic diagram of

31、 pyrite dissolution within 500 days3）t=600 d时,注液孔1与注液孔2形状差异进一步扩大，注液孔1所在区域溶解范围区间为11.3 m-20.0 m，其中黄铁矿完全溶解的区域区间为8.4 m-12.5 m，注液孔2所在区域溶解范围区间为8 m -18 m，其中黄铁矿完全溶解的区域区间为6 m-14 m，溶浸液中Fe2+离子浓度已达到饱和并运移至抽液孔（图4a）；t=800 d时,注液孔1溶解范围已接近抽液孔，达到24 m，注液孔2溶解范围达到20 m（图4b）；t=1000 d时，注液孔1溶解范围已抵达抽液孔，达到30 m，注液孔2溶解范围达到27.8 m

32、。不同注液孔间存在水力作用的相互影响，溶解区域在模拟区域内呈对称结构。即黄铁矿的溶解是由几个抽注液孔共同作用结果，与之前仅有单个抽注液孔作用结果形成明显差异。同时，注液孔1,3与注液孔4,6的溶解区域关于注液孔2,5的连线呈对称结构，注液孔2,5的溶解区域关于Y=100 m所在直线对称，因此反应结果无异常现象（图4c）。注液孔1处黄铁矿溶解范围在600 d-1000 d内变化较小，溶解范围的形状变化也较小，只在溶解范围前端形成了一个更加明显的锥形区域（图4d）。图4 1000 d内黄铁矿溶解量示意图Fig.4 Schematic diagram of pyrite dissolution at

33、 1000 days2.2铀矿的时空演化2.2.1铀矿溶解与沉淀的时空演化在实际地浸采铀中，Pecinat 13等认为在硫酸溶液中溶解UO2的主要反应是三价铁离子(Fe3+)将四价铀（UO2）氧化为六价铀（UO22+），随后六价铀（UO22+）与硫酸的后续反应形成硫酸盐络合物。周义朋14等研究铀在酸性含三价铁离子（Fe3+）溶液作用下的溶解动力学特征及其与三价铁离子（Fe3+）浓度的关系，发现在三价铁离子（Fe3+）的氧化作用下，铀从矿石向溶液的迁移于10小时内快速达到平衡，溶解速度衰减迅速，铀的溶解速度与三价铁离子（Fe3+）向二价铁离子（Fe2+）转化速度呈正相关，当三价铁离子（Fe3+）

34、向二价铁离子（Fe2+）转化速度变为0时，铀矿的溶解也基本停止。以上研究全都指向一点，三价铁离子（Fe3+）在地浸采铀中至关重要，氧化剂通常很难去直接作用在铀矿上将其氧化，而是通过氧化二价铁离子（Fe2+）将其转换成三价铁离子（Fe3+），然后三价铁离子（Fe3+）氧化铀矿后被还原成二价铁离子（Fe2+），如此往复循环。因此，真正被消耗的是溶浸液中的氧化剂，而伴生矿黄铁矿中的负一价硫离子（S-）往往会大量消耗氧化剂， 负一价硫离子（S-）在氧化还原次序中仅次于负二价硫离子（S2-），远高于二价铁离子（Fe2+），按照优先规律，同一种氧化剂遇到多种还原剂时，还原剂是按照还原性先强后弱的顺序参与反

35、应的，即说明氧化剂往往不会优先与二价铁离子（Fe2+）反应，而是与还原性更高的负一价硫离子（S-）反应，因此，当溶浸液中的负一价硫离子（S-）尚未反应完毕时，只有极少量的氧化剂与二价铁离子（Fe2+）反应生成三价铁离子（Fe3+）。这也是在地浸反应中，氧化剂被消耗的主要原因之一，也是铀矿浸出速率减缓的主要原因之一。现在以注液孔1为例进行讨论，探究伴生矿黄铁矿对沥青铀矿溶解浸出的影响；以及沥青铀矿在溶解迁移中的时空演化。1）t=1 d时，此时有极少量的三价铁离子（Fe3+）与铀矿进行反应，注液孔1处铀矿溶解量为0.03%，紧靠其周围范围约1 m处的铀矿未发生溶解现象； t=5 d时，注液孔1处铀

36、矿溶解量为0.38%，而其周围约1 m范围内的铀矿却出现与之前黄铁矿溶解相反的情况，即并未出现溶解现象，反而铀矿出现了矿石浸出过程中溶解-沉淀-再溶解中的沉淀现象，说明六价铀（UO22+）随着溶浸液运移至注液孔1周围区域时，在该区域发生沉淀现象，使得该区域铀矿的含量不降反升，大于初始值； t=10 d时，注液孔1处铀矿溶解量为0.70%，紧靠其周围范围约1 m处的铀矿也开始溶解，低于初始值。而在注液孔周围约2 m处的区域内，铀矿依然发生沉淀现象，通过该现象可以知道溶浸液中六价铀（UO22+）运移的具体时间与空间；t=20 d时，注液孔1处铀矿溶解量为1.13%（图5），注液孔1周围的溶解区域开

37、始呈现与之前黄铁矿类似的现象，即近抽液孔方向的铀矿溶解量大于远离抽液孔方向的铀矿溶解量。2）t=32 d时，注液孔1处铀矿溶解量为1.16%，由于注液孔1所在区域内黄铁矿溶解完毕，此时氧化剂开始氧化溶浸液中的二价铁离子（Fe2+）成三价铁离子（Fe3+），铀矿溶解速率开始大幅提升；t=35 d时，注液孔1处铀矿溶解量为6.57%；t=50 d时, 注液孔1处铀矿溶解量为32.35%，将32d-50d内铀矿的溶解速率与模型运行前期的铀矿溶解速率比较，可以验证得出铀矿的溶解速率与氧化剂浓度呈正相关；t=70 d时，注液孔1处铀矿溶解量为66.75%，其周围约1m处的铀矿沉淀量继续增大，t=90 d

38、时，注液孔1处铀矿溶解完毕，其周围铀矿沉淀量也相应达到峰值。图5 100 d内黄铁矿溶解量与铀矿溶解量关系图Fig.5 Relation diagram of dissolution of pyrite and uranium ore within 100 days3）t=100 d时，注液孔1周围出现了极为明显的分层现象，最里层的注液孔内铀矿溶解完毕，紧贴着注液孔约2 m的区域内铀矿开始溶解，而最外层的区域铀矿则发生沉淀现象，伴随着注液孔距离的增加，沉淀量开始减少（图6a）；t=300 d时，注液孔1周围范围最远处约3.8 m处铀矿完全溶解，而分层现象依然明显，即完全溶解区域在最内层，中间层

39、正在溶解，最外层发生沉淀现象（图6b）；t=500 d时,铀矿完全溶解的区域最远扩大至5.4 m，在抽注作用的影响下，靠近抽液孔的方向溶解范围更大（图6c）。图6 500 d内铀矿溶解量示意图Fig.6 Schematic diagram of uranium ore dissolution within 500 days4）t=600 d时，注液孔1处铀矿完全溶解的区间为4.8 m-8.4 m，溶浸液中的六价铀（UO22+）已运移14.1 m；注液孔2处铀矿完全溶解的区间为3.0 m-7 .0m，溶浸液中的六价铀（UO22+）已运移13.0 m，在抽注作用的影响下，溶浸液中的六价铀（UO22

40、+）从注液孔运移至抽液孔的过程中，在铀矿完全溶解的区域前端形成了一个锥形沉淀区，其中在锥形区域的尖端铀矿沉淀现象最为明显（图7a）；t=800 d时，注液孔1处铀矿完全溶解的区间为5.6 m-11.2 m，溶浸液中的六价铀（UO22+）已运移了19.8 m，注液孔2处铀矿完全溶解的区间为5 m-9 m，溶浸液中的六价铀（UO22+）已运移了15.0 m（图7b）；t=1000 d时，注液孔1处铀矿完全溶解的区间为7.2m-12.8 m，注液孔2处铀矿完全溶解的区间为7 m-11 m，此时溶浸液中的六价铀（UO22+）前端距离抽液孔仅8.4 m（图7c）。图7 1000 d内铀矿溶解量示意图Fi

41、g.7 Schematic diagram of uranium ore dissolution within 1000 days2.2.2铀矿溶解区与沉淀区的演化在采铀过程中，高柏15等通过室内柱浸实验，指出铀矿从固相转移至液相往往并不是单纯的的溶解至溶浸液中，而是随着水文地球化学条件的变化，经历了溶解迁移，水解沉淀，再溶解迁移的多次旋回。并且根据溶液中的铀浓度、pH、Eh等，将铀地浸路径划分为充分浸出带，有效浸出带，铀沉降带和未浸出带，并且不同特征的浸出带随着时间的变化而发生相互转化的现象。陈茜茜16等通过运用数值模拟软件PHT3D, 建立酸法地浸采铀一维模型，探究强酸低含氧条件下地浸采铀

42、过程中铀溶解与迁移的时空演化规律，模拟结果表明铀矿不仅会出现溶解现象，也会出现铀矿微量生成的现象，且溶解沉淀的量与位置有关，在靠近注液孔的位置出现铀矿溶解的现象，紧邻注液孔还未发生溶解现象的位置则生成铀矿，且生成量相对最多，随着向抽液孔的方向推移，铀矿生成量逐渐减少，且在靠近抽液孔位置的铀矿含量依旧高于铀矿的初始含量。综上所述，不论是室内实验还是数值模拟，均出现了铀矿在溶解迁移过程中发生了重新沉淀生成的现象，即说明在地浸采铀中，铀矿的浸出并不是从固相转移到液相的单向变化，而是经过溶解（液相）-沉淀（固相）-再溶解（液相）的多次旋回，这也是前文指出随着溶浸液的运移，在铀矿尚未溶解的区域出现沉淀现

43、象的原因，现在以注液孔1为例进行讨论，探究铀矿溶解-沉淀过程中，铀矿浸出带与沉淀带的时空演化。1）t=1 d时，只有注液孔1处铀矿发生极为轻微的溶解现象，溶解量为0.03%，而其余区域未发生溶解或沉淀现象； t=5 d时，注液孔1处铀矿溶解量继续上升，为0.38%，其周围约1 m范围内的铀矿出现沉淀现象。沉淀量最高为初始浓度的0.024%，此时模型内可根据铀矿的含量分为溶解区与沉淀区，低于铀矿初始含量的为溶解区，高于铀矿初始含量的为沉淀区。 t=10 d时，注液孔1处铀矿溶解量为0.70%，紧靠其周围范围约1 m处的铀矿也开始溶解，溶解量为0.0014%。沉淀现象开始出现在注液孔周围约2 m处

44、的区域内；即说明当含有六价铀（UO22+）的溶浸液运移至铀矿尚未溶解的区域时，则会在该区域内发生沉淀现象。t=20 d时，紧邻注液孔1约2 m范围内的铀矿沉淀量为0.0012%，溶解区范围则保持不变，依旧只发生在注液孔处。2）t=32 d时，由于注液孔1处的黄铁矿溶解完毕，此时铀矿的溶解速率大幅提升，因此含有大量六价铀（UO22+）的溶浸液运移至注液孔1周围的区域时，使得刚刚发生溶解现象的该区域反而发生沉淀现象，这是由于注液孔1所在位置的铀矿在短时间内的大量溶解，溶浸液中六价铀（UO22+）浓度大幅提升，而氧化剂只消耗在注液孔所在位置，并未运移至别处，因此缺少氧化剂的溶浸液Eh较低，使得其运移

45、至注液孔周围时，导致该区域内铀矿再次出现沉淀现象，这一现象与高柏等研究结论一致，并且该时刻的沉淀量大于铀矿溶解初期的沉淀量，可以得出铀矿的沉淀量与该区域中液相内的六价铀（UO22+）浓度呈正相关； t=50 d时, 注液孔1处铀矿溶解量为32.35%，溶解区范围依旧是注液孔处，而沉淀区范围扩大至注液孔周围约6 m处；t=90 d时，注液孔1处铀矿溶解完毕，其周围1 m处铀矿沉淀量也相应达到峰值（图8）。此时根据铀矿的含量可分为完全溶解区（铀矿含量为0），沉淀区（铀矿含量高于初始值），并且沉淀区中的铀矿含量随着离注液孔1距离的增加而下降，紧邻注液孔1处的铀矿沉淀量为14.12%，而沉淀区最末端的

46、沉淀量只有0.3%，这也与陈茜茜等研究现象相互印证。图8 100 d内注液孔1铀矿溶解量与其周围1 m处区域铀矿溶解-沉淀量关系图Fig.8 Diagram of the uranium dissolution rate of injection hole 1 within 100 days and the uranium dissolution - precipitation rate of the area around 1 m3）t=100 d时，前文中提到注液孔1周围出现了极为明显的分层现象，此时可以根据铀矿在模型中的含量将其模型划分为三个区域：完全溶解区（铀矿含量为0）、有效溶解区（

47、铀矿含量低于初始值）和沉淀区（铀矿含量高于初始值），其中完全溶解区位于注液孔1所在位置，有效溶解区为环绕在注液孔1周围2 m处位置的圆环，而沉淀区在最外层，在抽注作用的影响下，形成一个内径2 m外径6 m的不规则圆环（图9A）。t=300 d时，存在三个分层的趋势保持不变，完全溶解区最远扩大至注液孔1周围约3.8 m的范围，有效溶解区虽然在总体上有所扩大，但其形状依然是环绕在完全溶解区外的一个圆环，且内外径之差与100 d时相比，差别不大，沉淀区的范围扩大幅度较高，其扩大至内径5 m外径10 m的不规则圆环。这是由于铀矿的大幅度溶解使得富含六价铀（UO22+）的溶浸液运移至外围区域（图9B）；

48、t=500 d时, 完全溶解区最远扩大至5.4 m，在抽注作用的影响下，靠近抽液孔的方向溶解范围更大，同时也影响到了沉淀区的分布，在靠近抽液孔方向的沉淀量更大（图9C）。图9 500d内注液孔1处溶解区与沉淀区演化示意图Fig.9 Schematic diagram of evolution of dissolution area and precipitation area in liquid injection hole 1 within 500 days4）t=600 d时，此时抽注单元控制的地下水流场作用已大幅影响了铀矿溶解区的演化，100-500 d内，完全溶解区近似于圆形向外扩散,

49、而从600 d开始，完全溶解区开始呈两极分化的趋势，靠近抽液孔方向的完全溶解区最远可达8.4 m，而远离抽液孔方向的完全溶解区则只有4.8 m，有效溶解区依然保持着紧紧环绕在完全溶解区四周的趋势，沉淀区的范围则扩大至8.4 m-14.1m（图10A）；t=800 d时，完全溶解区的差距进一步扩大，最近处为5.6 m，最远处为11.2 m，有效溶解区范围为7 m-12.6m，沉淀区范围为14.1m-19.8 m（图10B）；t=1000 d时，完全溶解区范围为7.2m-12.8 m，此时沉淀区已形成一个锥形区域，范围为18.6 m同样在抽注作用的影响下，在靠近抽液孔方向上，沉淀锥形区域的尖端铀矿

50、沉淀量最多（图10C）。图10 1000d内注液孔1处溶解区与沉淀区演化示意图Fig.10 Schematic diagram of evolution of dissolution area and precipitation area in liquid injection hole 1 within 1000 days3 结论与展望3.1结论（1）黄铁矿在模型中最先出现溶解现象，其溶解速率随着溶浸液中Fe2+离子浓度的增加而下降，在抽注作用的影响下，黄铁矿溶解区域出现两极分化的现象，即靠近抽液孔方向的溶解范围大于远离抽液孔的溶解范围。模拟结束时（1 000 d），边界处注液井溶解范围最远

51、处已抵达抽液孔，达到30 m，中间处注液井溶解范围最远达到27.8 m。（2）铀矿的溶解主要依靠三价铁离子(Fe3+)将四价铀（UO2）氧化为六价铀（UO22+），而在氧化还原反应中，黄铁矿中的负一价硫离子（S-）优先与氧化剂反应，因此在黄铁矿未完全溶解的区域内，铀矿的溶解速率非常低。模拟结束时（1 000 d），边界处注液井铀矿完全溶解的区间为7.212.8 m，中间处注液井铀矿完全溶解的区间为711 m，此时溶浸液中的六价铀（UO22+）前端距离抽液孔仅8.4 m。（3）铀矿浸出的过程中往往并不是从固相转移到液相的单向变化，而是经过溶解（液相）-沉淀（固相）-再溶解（液相）的多次旋回，当含

52、有六价铀（UO22+）的溶浸液运移至铀矿尚未溶解的区域时，会发生沉淀现象，导致铀矿在沉淀区的含量高于初始值，可根据铀矿在该区域内的含量将其分为完全溶解区，有效溶解区和沉淀区。模拟结束时（1 000 d），注液孔1完全溶解区范围为7.212.8 m，此时沉淀区已形成一个锥形区域，范围为18.6 21.6 m。同样在抽注作用的影响下，在靠近抽液孔方向上，沉淀锥形区域的尖端铀矿沉淀量最多。（4）抽注作用形成的地下水流场对于整个溶浸液的运移至关重要，不论是黄铁矿还是沥青铀矿，在溶解的过程中，均出现靠近抽液孔方向的溶解范围大于远离抽液孔方向的溶解范围，并且随着时间的推移，两者差距会越来越大。3.2展望（

53、1）在模型构建中只考虑了黄铁矿（FeS2）沥青铀矿（UO2）与石英（SiO2）这三种矿物，并未考虑到实际情况中其他伴生矿物与黄铁矿共同作用下对铀浸出的影响，同时模型概化过于简单，并未考虑到地质构造，温度，压力及矿石的非均质分布等条件，在后续研究中应尽量完善建模，使之与实际情况贴近。（2）伴生矿中的还原性物质与溶浸液中的氧化剂更容易发生反应，延缓了铀浸出的过程，消耗了大量的氧化剂。可以研究开发与铀矿更加亲和的氧化剂，既提高了铀矿的浸出速率，也使得开采的经济效益更高。（3）抽注作用形成的水动力场对于溶浸液的运移方向与范围有着巨大的影响，而溶浸液的运移又直接关系到整个矿区的开采率，应当科学的选用井型

54、，合理的布置井距，使得溶浸液可以运移覆盖至整个矿区，提高开采率。参考文献1刘江.某铀矿床酸法地浸采铀工艺中几个不利因素的分析J.南华大学学报(自然科学版),2006(1):77-80.LIU Jiang. Unfavourable factors affecting acidic in-Situ leaching of uranium in some uranium deposit, Journal of The University of South China (Natural Science) ,2006(1):77-80.2赵春,王彬,汪时沛,等.离子交换树脂吸附法去除某铀矿山废水中的

55、铀J.矿冶,2020,29(06):83-86.ZHAO Chun,WANG Bin,WANG Shipei,et al.Removal of uranium from a uranium mine wastewater by ion-exchange resin adsorptionJ. Mining and Metallurgy,2020,29(06):83-86.3胥国龙,姚益轩,闻振乾,等. 碳酸盐矿物在酸法地浸采铀过程中的行为研究A. 中国核学会.中国核科学技术进展报告（第五卷）中国核学会2017年学术年会论文集第2册（铀矿地质分卷（下）、铀矿冶分卷）C.中国核学会:中国核学会,20

56、17:7.XU Guolong，YAO Yixuan，WEN zhenqian，et al.HE K.Study on the behavior of carbonate minerals in the process of in-situ leaching uranium by acid method A. Chinese Nuclear Society.Progress report on nuclear science and technology in china (Vol. 5) - Proceedings of the 2017 annual conference of the C

57、hinese Nuclear Society (Vol. 2 of uranium geology (Vol. 2 of uranium mining and metallurgy) C.Chinese Nuclear Society: Chinese Nuclear Society,2017:7.4黄武扬.酸法地浸中沥青铀矿的溶解动力学试验研究D.衡阳：南华大学,2020.HUANG Wuyang.A experimental study of dissolution kinetics of uranium in acid leachingD. Hengyang:University of

58、South China,2020.5李松清,朱阳戈,崔拴芳,等.从某低品位铀矿石中正浮选回收铌钛铀矿J.矿冶,2020,29(01):22-26.LI Songqing，ZHU Yangge，CUI Shuanfang，et al,Enrichment of mendeleevite from a low grade hard rock uranium mine by positive flotationJ. Mining and Metallurgy,2020,29(01):22-26.6 屈慧琼,曾晟,刘华良.原地浸出采铀数值模拟研究现状与发展J.科技情报开发与经济,2011,21(9):

59、177-180.QU Huiqiong, ZENG Shen, LIU Hualiang.Research status and development of numerical simulation of in-situ leaching of uraniumJ. Sci-Tech Information Development & Economy,2011,21(9):177-180.7陈经明,李寻,罗跃,等.基于数值模拟研究酸法地浸采铀过程中孔隙度时空演化J.有色金属(冶炼部分),2019(4):29-33+38.CHENG Jingming,LI Xun LUO Yue,et al. Spatial-temporal evolution of porosity during In-situ acid leaching of uranium based