曾 晟，杜雪明，孫 冰，譚凱旋（．南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南衡陽 4200；2．南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖南衡陽 4200）

低滲透含鈾砂巖壓力梯度－黏度－化學(xué)耦合
滲流規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

曾 晟1，杜雪明1，孫 冰2，＊，譚凱旋1
（1．南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南衡陽 421001；2．南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖南衡陽 421001）

摘要：研究低滲透性含鈾砂巖物理化學(xué)耦合作用下的滲流規(guī)律，可為地浸工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。本文選取我國新疆某鈾礦山砂巖樣品，用自制的滲透性測定實(shí)驗(yàn)裝置，開展了含鈾砂巖原樣的物理化學(xué)滲流規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：該低滲透性礦巖存在3個(gè)滲流階段，即啟動(dòng)壓力階段、非線性滲流階段和線性滲流階段；改變流體的黏度，可改變流體流通空隙所占的百分比，進(jìn)而整體上改變礦巖滲透性能；在物理化學(xué)滲流前期，礦巖介質(zhì)與溶浸劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，使某些較小半徑的孔隙變成可連通的，進(jìn)而使砂巖介質(zhì)的滲透系數(shù)整體變大；在物理化學(xué)滲流后期，由于壓力和化學(xué)耦合作用，孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步演變，當(dāng)壓力梯度敏感度大于化學(xué)反應(yīng)敏感度時(shí)，其滲透系數(shù)變大，反之變小。

關(guān)鍵詞：低滲透含鈾砂巖；物理化學(xué)滲流；壓力梯度－黏度－化學(xué)耦合；滲透系數(shù)

物理化學(xué)滲流是伴隨石油工業(yè)的需要發(fā)展起來的新的滲流力學(xué)研究領(lǐng)域，它研究的是物理化學(xué)流體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)規(guī)律、特征以及多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)演化對(duì)滲流的反饋?zhàn)饔玫?。近年來，國?nèi)外許多學(xué)者對(duì)此開展了一系列研究，獲得了顯著的研究成果，如Pascal等［1－2］對(duì)常規(guī)介質(zhì)物質(zhì)運(yùn)移的流體特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得到物質(zhì)運(yùn)移滲流可分毛管指進(jìn)和優(yōu)勢式運(yùn)移兩種模式。Merrikh等［3－4］提出了低滲透砂巖中物質(zhì)運(yùn)移具有非達(dá)西流特征，分析了在不同滲流流體作用下介質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的變化規(guī)律。陳四利等［5－8］定量研究了在化學(xué)溶液作用下砂巖孔隙結(jié)構(gòu)損傷的程度，并定性分析了水－巖化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程對(duì)砂巖介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)特征的演化機(jī)理，建立了砂巖孔隙率在物化因素影響下的微觀變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。

地浸采鈾是將溶浸劑直接注入地下含礦巖層中，利用礦物與溶浸劑的化學(xué)反應(yīng)來提取有用金屬和化合物的一種新的采礦方法，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)帶有物理作用的動(dòng)態(tài)化學(xué)反應(yīng)，故地浸采鈾是典型的多孔介質(zhì)物理化學(xué)滲流過程。物理化學(xué)反應(yīng)所處的反應(yīng)環(huán)境因素和介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征時(shí)刻發(fā)生變化，從而使反應(yīng)過程變得更復(fù)雜。吳愛祥等［9－11］在堆浸浸出礦巖孔隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及對(duì)滲流的影響和礦堆中非飽和滲流規(guī)律方面開展了一系列研究。文獻(xiàn)［12－15］通過對(duì)地浸采鈾過程中溶質(zhì)遷移的機(jī)理研究，建立了物質(zhì)反應(yīng)－運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)模型。目前，地浸采鈾過程中溶浸液滲流規(guī)律的研究多側(cè)重于單因素變化的影響。而地浸過程是一個(gè)復(fù)雜的反映流體－流體的物理化學(xué)作用以及流體－固體的物理化學(xué)作用對(duì)滲流影響的過程，將最終影響浸出效果。對(duì)地浸采鈾物理化學(xué)滲流過程的研究有助于掌握物理化學(xué)作用過程中含礦巖層孔隙結(jié)構(gòu)的演變和溶浸液流體的流變性對(duì)礦巖滲透的影響，實(shí)時(shí)選擇與礦巖滲流規(guī)律相適宜的浸出工藝參數(shù)，可大幅度提高浸出率，這對(duì)低滲透性鈾礦床地浸開采技術(shù)的改進(jìn)與研發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。為研究低滲透含鈾礦巖的物理化學(xué)多因素耦合滲流規(guī)律，本文通過含礦砂巖物理化學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)，探討壓力梯度、流體黏度和化學(xué)結(jié)構(gòu)演變這三個(gè)因素以及其間的耦合作用對(duì)砂巖介質(zhì)滲流的影響規(guī)律，為該類型礦床地浸開采的技術(shù)改進(jìn)與研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1　物理化學(xué)滲流特征

多孔介質(zhì)的滲透特性一般用滲透系數(shù)表示，其滲透系數(shù)的實(shí)質(zhì)是一個(gè)平均的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，這是因?yàn)榈V巖的孔隙結(jié)構(gòu)是由許多大小不等的孔道組成。從礦巖的結(jié)構(gòu)可知，礦巖滲透性的大小主要是由孔道的孔徑和流體流動(dòng)的橫截面積決定的。實(shí)際上，滲透系數(shù)的差異取決于氣－液兩相在介質(zhì)中的動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)介質(zhì)達(dá)到飽和時(shí)，介質(zhì)中的孔隙均充滿了流體，此時(shí)滲透系數(shù)達(dá)到最大值。而在非飽和狀態(tài)下，部分孔隙被氣體占據(jù)，滲透系數(shù)隨流體含量的變化而變化。地浸采鈾過程是一個(gè)典型的物理化學(xué)滲流過程，含礦巖層介質(zhì)中礦物化學(xué)組分在化學(xué)液的作用下溶解到溶浸液中，化合態(tài)鈾溶質(zhì)在壓力梯度的作用下隨溶浸液從礦巖孔隙的表面遷移出去，在溶解吸附－遷移作用下，礦巖的孔隙中會(huì)出現(xiàn)新的裂隙或原來的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生演化以及化學(xué)液表面張力發(fā)生變化，從而使礦巖的孔隙孔徑增大或減小，進(jìn)而使礦巖的滲流規(guī)律發(fā)生變化。物理化學(xué)滲流研究關(guān)心的不僅是本體溶液的性質(zhì)，更側(cè)重流體在滲透介質(zhì)中性質(zhì)的變化規(guī)律［16］，如壓力、流體黏度和化學(xué)反應(yīng)等耦合作用引起流體的性質(zhì)變化和砂巖介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的變化以及這些演變對(duì)滲流規(guī)律的影響，更接近化學(xué)溶液與礦體在真實(shí)環(huán)境下的滲流規(guī)律，克服了用水或空氣等單相流體研究多孔介質(zhì)的無化學(xué)反應(yīng)的常規(guī)滲流規(guī)律?？衫米儩B透系數(shù)的滲流方程表征礦巖的物理化學(xué)滲流規(guī)律：

式中：v為滲流速度；Jf為水力梯度；b為空隙的寬度；s為空隙的平均間距；Kf為衍生滲透系數(shù)；Km為砂巖介質(zhì)自身固有的滲透系數(shù)；K為砂巖當(dāng)前的滲透系數(shù)。

2　滲流實(shí)驗(yàn)

2．1 實(shí)驗(yàn)樣品

物理化學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)的礦樣來源于新疆伊犁盆地南緣西部中下侏羅統(tǒng)水西溝群層間氧化帶的砂巖型卷狀鈾礦床。礦巖樣位于氧化帶與還原帶過渡位置，鈾礦物主要為瀝青鈾礦，占鈾礦物總量的98%，另有少量的鈾石及鈦鈾礦物，它們以分散的浸染狀和小堆積體的形式存在于黏土－粉砂質(zhì)膠結(jié)物中。吸附態(tài)鈾主要被礦石膠結(jié)物中的有機(jī)質(zhì)及黏土礦物吸附。其他金屬礦物主要有黃鐵礦、赤鐵礦、針鐵礦、閃鋅礦等，非金屬礦物主要為石英、長石，次為高嶺土、伊利石、蒙脫石等。礦體的品位較低，滲透性較差。礦巖的化學(xué)組成列于表1。

表1　 含鈾砂巖樣品的化學(xué)組成Table 1 Chemical compositionof sandstone uranium ore rock samples

2．2 原理與方法

1）原理

實(shí)驗(yàn)裝置采用在普通介質(zhì)滲流實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上自制的簡易滲透率實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示。在實(shí)驗(yàn)裝置入口處注入實(shí)驗(yàn)流體來改變礦巖兩端的水頭壓差Δp（Pa），根據(jù)量筒中流體的流量與流出時(shí)間計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)通過巖樣的流量q。根據(jù)達(dá)西定律，礦巖樣介質(zhì)的滲透系數(shù)由式（3）計(jì)算：

式中：L為礦樣長度，cm；A為橫截面積，cm2。

圖1　 礦樣滲透性測試裝置示意圖Fig．1 Schematic diagramof permeability test device

2）溶浸液流體的配制

根據(jù)取樣礦山的原地浸出生產(chǎn)實(shí)際以及礦巖樣品的性質(zhì)和礦床條件等因素，采用酸法浸出。采用硫酸作溶浸劑，雙氧水作氧化劑，利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的濃硫酸和體積分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水按照一定的比例配制10g／L H2SO4＋0．4g／L H2O2的溶浸液。

3）實(shí)驗(yàn)方法

首先將礦巖切削并打磨成圓柱體狀，用石蠟將管一端的巖樣與濾網(wǎng)接觸外緣處進(jìn)行封閉處理，以防在注蠟過程中液態(tài)蠟在鐵絲網(wǎng)處流出造成巖樣下部截面密封，然后用注射器將石蠟從管的另一端均勻地注入，直至液態(tài)石蠟充滿整個(gè)巖樣與管壁之間的空間為止，靜置一定時(shí)間至石蠟完全凝固。實(shí)驗(yàn)初始階段，從裝置的進(jìn)水口處注入溶浸液，保持2m高的液柱，對(duì)巖樣進(jìn)行浸泡，直至可觀察到裝置的下接水口有液體滴出。在本實(shí)驗(yàn)中，約24h后巖樣底部有液珠滲出（偏離中心處約0．5cm處），繼續(xù)浸泡，直至可觀察到巖樣的下部截面完全浸透，這時(shí)開始做物理化學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)。通過調(diào)整高度改變水頭，每改變1次水頭需保持1h滲流過程，然后每隔15min測量滲流量，直至前后測得的滲流誤差在實(shí)驗(yàn)允許的范圍內(nèi)，記錄下此水頭下的滲流量。

3　結(jié)果與分析

研究巖樣的化學(xué)滲流規(guī)律，其實(shí)質(zhì)就是研究在物理化學(xué)作用下，液態(tài)流體進(jìn)入砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的滲流特征和規(guī)律、液態(tài)流體驅(qū)潛孔隙結(jié)構(gòu)中空氣的流動(dòng)特征、氣－液兩相在物化作用下的動(dòng)態(tài)變化特征。由于巖樣的低滲透性和液態(tài)流體－礦巖的物理化學(xué)作用，采用加壓的方法來加速氣－液兩相態(tài)的變化，同時(shí)在液態(tài)流體和高度差等物理化學(xué)作用下也會(huì)造成礦巖孔隙結(jié)構(gòu)的破壞，即砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的演化，因此該實(shí)驗(yàn)不僅需考慮水力梯度對(duì)滲流規(guī)律的影響，也要考慮溶浸劑的化學(xué)作用與水力梯度和流體黏度多重因素作用下砂巖的滲流規(guī)律。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，本文未考慮壓力梯度較小時(shí)的滲流變化，選取了2．2、4．0、5．5、7．5、9．5、10．0、11．5m7個(gè)水頭高度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過改變流體水頭壓力的方法直接測定特定時(shí)間內(nèi)通過礦巖原樣的流量，得到不同壓力梯度下礦巖的滲流速度，如表2所列，再由達(dá)西公式得到礦巖的滲透系數(shù)，如表3所列，其中，W1為溶浸劑與砂巖鈾礦互相作用前的普通滲流參數(shù)；W2為溶浸劑與砂巖鈾礦互相作用后的普通滲流參數(shù)；L1～L7為溶浸劑與砂巖鈾礦互相作用過程中的浸出液滲流參數(shù)1～7d的測試結(jié)果。

表2　 不同壓力梯度下含鈾砂巖的滲流速度Table 2 Seepage flow velocity of sandstone uranium ore rock under different pressure gradients

表3　 不同壓力梯度下含鈾砂巖的滲透系數(shù)Table 3 Permeability coefficient of sandstone uranium ore rock under different pressure gradients

3．1 壓力梯度與黏度對(duì)含鈾砂巖滲流規(guī)律的影響

多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)實(shí)質(zhì)上是由不同孔道的滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析得出的一個(gè)平均參數(shù)。初始水柱時(shí)，水頭壓力不足以使巖石的每個(gè)孔道充滿水，孔道間隙處于氣－液兩相態(tài)分布，隨著水力梯度的逐漸增大，氣－液兩相態(tài)處于動(dòng)態(tài)變化中，水會(huì)逐漸處于主導(dǎo)地位，滲透系數(shù)會(huì)隨之增大，這個(gè)階段是非線性滲流階段，當(dāng)介質(zhì)中的孔隙完全被水充滿時(shí)滲透系數(shù)達(dá)到最大值。但當(dāng)壓力梯度繼續(xù)增大時(shí)，孔隙的滲流變成了孔隙流，這時(shí)可以認(rèn)為是線性滲流階段［17］。

通過利用水和溶浸液兩種流體做滲流實(shí)驗(yàn)，得到兩種流體在不同壓力梯度下滲透系數(shù)的變化規(guī)律，如圖2所示。圖2結(jié)果表明該含鈾砂巖的滲透性差，由于礦巖中微小顆粒的流動(dòng)堵塞了礦巖的孔隙孔道以及礦巖的彈塑性特征，使得該礦巖存在著不為零的啟動(dòng)壓力梯度，其啟動(dòng)壓力梯度約為15。該礦巖滲流特征存在非線性滲流和近似線性滲流兩個(gè)階段，兩個(gè)階段的分界點(diǎn)壓力梯度在55左右。用水作滲流流體和用溶浸液作滲流流體對(duì)礦巖的滲透性能的影響是不同的，這是由于兩種滲流流體介質(zhì)的黏度系數(shù)不同，溶浸液的表面張力較水的表面張力大得多，溶液在礦巖介質(zhì)中流動(dòng)時(shí)，首先沿著孔隙結(jié)構(gòu)半徑大、連通性較好的孔隙以及較大的裂隙通道流動(dòng)，當(dāng)這些連通性好的大孔隙通道占滿后，才逐漸向孔徑較小的孔隙通道和較小裂隙中緩慢滲透，溶液的表面張力對(duì)大孔隙通道的影響不大，但對(duì)那些孔徑微小的孔隙和裂隙縫較小的通道，會(huì)由于表面張力的存在而產(chǎn)生較大的毛細(xì)管阻力，阻止溶液進(jìn)一步向孔徑小、裂隙小的通道中深入，從而影響溶液在礦巖介質(zhì)中的滲透性能。

圖2　 不同滲流流體的滲透系數(shù)隨水力梯度的變化Fig．2 Change of permeability coefficient with hydraulic gradient for different flow fluids

在地浸開采過程中，溶浸液的表面張力一般較大，這樣會(huì)在很大程度上阻止溶浸液更深入地浸透到砂巖介質(zhì)中小半徑的孔隙結(jié)構(gòu)中去，從而大幅降低滲流流體在礦巖介質(zhì)的滲透性能，造成某種特定的區(qū)域，即溶浸死區(qū)，這會(huì)嚴(yán)重影響鈾礦開采的浸出率，降低礦山企業(yè)的經(jīng)營效益。針對(duì)這種情況，可通過改變?nèi)芤旱牧黧w特性來使溶液的表面張力變小。目前，最經(jīng)濟(jì)有效的辦法是添加某種表面活性劑，此活性劑通過改善溶液的濕潤性能，大幅度降低溶液的表面張力，使溶液可在更小的孔隙和裂隙中流動(dòng)，增大單位時(shí)間內(nèi)通過低滲透性砂巖介質(zhì)截面中的滲流量，從而大幅提高礦巖的滲透性能。該方法可促進(jìn)溶液與礦巖的充分氧化還原反應(yīng)，減少地浸采鈾過程中出現(xiàn)的“溶浸死區(qū)”問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鈾礦開采的高浸出率和高效益。

3．2 化學(xué)反應(yīng)作用對(duì)含鈾砂巖滲流規(guī)律的影響

一般來說，水作滲流介質(zhì)時(shí)，會(huì)使砂巖中某些黏土物質(zhì)遇水膨脹，在一定程度上會(huì)影響砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征，但由于本實(shí)驗(yàn)中不考慮圍壓的作用，因此可忽略。而溶浸液會(huì)與砂巖礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其間的化學(xué)作用對(duì)砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)特征是有影響的，這種影響主要表現(xiàn)為流體流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)的耦合產(chǎn)生正的反饋?zhàn)饔煤拓?fù)的反饋?zhàn)饔?。圖3為含鈾砂巖多孔介質(zhì)物理化學(xué)作用前后水力梯度與滲透系數(shù)的關(guān)系。從圖3可看出，在水力梯度為50～60范圍內(nèi)的某一特定值之前，物理化學(xué)作用前的滲透系數(shù)整體上小于物理化學(xué)作用后的滲透系數(shù)，大于某一特定值之后，則反之。造成此現(xiàn)象的原因?yàn)椋?）含鈾砂巖介質(zhì)礦物質(zhì)與溶浸液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，會(huì)改變礦巖介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)特征，使某些半徑較小的孔隙變大，變成可連通的，從而使單位時(shí)間和單位面積通過的滲流量增大，進(jìn)而使砂巖介質(zhì)的滲透系數(shù)整體變大，隨著水力梯度的增大，溶浸液和礦巖介質(zhì)中其他顆粒在外界驅(qū)動(dòng)壓力的作用下會(huì)發(fā)生一定程度的運(yùn)移，半徑較大的顆粒在運(yùn)移過程中會(huì)堵塞中等或小半徑孔隙，從而使單位時(shí)間內(nèi)通過低滲透性砂巖介質(zhì)截面的滲流量變小，造成砂巖介質(zhì)的滲透系數(shù)整體下降。2）隨著壓力梯度的增大，在化學(xué)作用下，礦巖介質(zhì)結(jié)構(gòu)受到外界驅(qū)動(dòng)壓力的作用，會(huì)使其孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步演變，進(jìn)而改變砂巖介質(zhì)的整體滲透系數(shù)。可見，在原地浸出采鈾過程中，由于含礦巖、溶浸液和水動(dòng)力作用等多重因素的影響，不能盲目地靠增大水力梯度而增大礦巖介質(zhì)的滲透性能，經(jīng)過化學(xué)溶液浸泡反應(yīng)的礦巖介質(zhì)，在外界驅(qū)動(dòng)壓力破壞孔隙結(jié)構(gòu)和運(yùn)移顆粒堵塞孔隙等多重因素的影響下，并不能完全增加礦巖的滲透性能，而是一種此消彼長的關(guān)系，要綜合考慮多重因素確定合理的地浸工藝參數(shù)，才能達(dá)到事半功倍的效果，提高鈾礦山的開采效益。

圖3　 物理化學(xué)作用前后水力梯度與滲透系數(shù)的關(guān)系Fig．3 Relationship between hydraulic gradient and permeability coefficient before and after physical and chemical action

3．3 壓力梯度與化學(xué)演變耦合作用對(duì)砂巖滲流規(guī)律的影響

砂巖介質(zhì)與溶浸劑發(fā)生物理化學(xué)作用后，礦巖表面的可溶物質(zhì)會(huì)逐漸進(jìn)入溶浸液中，導(dǎo)致流體黏度以及砂巖孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這會(huì)造成砂巖介質(zhì)的滲透性能發(fā)生變化。同時(shí)在某種壓力梯度下，應(yīng)力作用也會(huì)使砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)變形從而造成介質(zhì)滲透性能發(fā)生變化。在不同階段，各因素對(duì)砂巖介質(zhì)滲透性能的影響是不同的，本文從壓力梯度與化學(xué)演變耦合作用方面對(duì)砂巖滲流規(guī)律的影響進(jìn)行初步探討，結(jié)果如圖4、5所示。

由圖4、5可看出，隨著溶浸劑與礦巖介質(zhì)物理化學(xué)作用時(shí)間的延長，溶浸液在砂巖介質(zhì)中的滲透系數(shù)整體呈增大趨勢，且在28．6～ 71．4壓力梯度段內(nèi)，相同的作用時(shí)間下，砂巖介質(zhì)的滲透系數(shù)在各梯度段下變化幅度不大；28．6～80．7壓力梯度段內(nèi)，滲透系數(shù)在第1～3d時(shí)間段內(nèi)基本上較壓力梯度為15．7的滲透系數(shù)大；在第3～4d時(shí)間段內(nèi)，28．6～71．4壓力梯度段內(nèi)礦巖的滲透系數(shù)小于壓力梯度為15．7的滲透系數(shù)，而在壓力梯度為80．7時(shí)，砂巖的滲透系數(shù)在第4d之后整體上較其他壓力梯度下的都要高。造成此種現(xiàn)象的原因可能是：在物理化學(xué)作用初期，隨著溶浸液與砂巖礦樣的不斷作用，礦巖介質(zhì)的某些礦物組分不斷溶入溶浸液中，使礦樣的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生演變，滲透系數(shù)整體上會(huì)增大。在物理化學(xué)作用后期，壓力梯度和化學(xué)反應(yīng)演變這兩種對(duì)礦巖滲透性能有影響的因素中，壓力梯度的影響敏感度高于化學(xué)反應(yīng)演變的，壓力梯度越大，礦巖的整體滲透性能越好，隨著化學(xué)反應(yīng)的不斷進(jìn)行，礦巖介質(zhì)中某些大顆粒不斷溶入溶浸液中以及礦巖圍壓的影響，會(huì)在外界驅(qū)動(dòng)壓力的作用下發(fā)生運(yùn)移堵塞砂巖介質(zhì)的部分孔隙，從而使礦巖滲透系數(shù)整體上減小，此時(shí)化學(xué)反應(yīng)演變的影響敏感度優(yōu)于壓力梯度的，因此，在特定的時(shí)間段內(nèi)，壓力梯度高的階段，礦巖的滲透系數(shù)整體上小于壓力梯度較低階段的，若是壓力梯度達(dá)到足夠使礦巖產(chǎn)生新的裂隙，也會(huì)使礦巖的滲透系數(shù)變大。

圖4　 不同水力梯度下滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化Fig．4 Change of permeability coefficient with time under different hydraulic gradients

圖5　 不同作用時(shí)間下礦巖的滲透系數(shù)隨水力梯度的變化Fig．5 Change of permeability coefficient with pressure gradient under different time

4　結(jié)論

1）該低滲透性含鈾砂巖介質(zhì)滲流特征存在3個(gè)階段，即啟動(dòng)壓力階段、非線性滲流階段和線性滲流階段。針對(duì)該低滲透性砂巖介質(zhì)，壓力梯度小于15時(shí)，砂巖介質(zhì)內(nèi)不發(fā)生液體流動(dòng)；壓力梯度在15～55之間時(shí)，滲透系數(shù)與壓力梯度存在非線性關(guān)系；當(dāng)壓力梯度大于55時(shí)，滲透系數(shù)與壓力梯度存在線性關(guān)系。

2）流體的表面張力是影響流體流經(jīng)較小孔徑的關(guān)鍵因素，通過減小流體的表面張力，可整體上增大礦巖滲透系數(shù)。最經(jīng)濟(jì)有效的辦法是利用某種表面活性劑來改善溶液的濕潤性能，使溶液的表面張力大幅降低，從而使溶液在更小的孔隙和裂隙中流動(dòng)，大幅度提高礦巖的滲透性能，促進(jìn)溶液與礦巖發(fā)生充分的氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地浸采鈾的高浸出率和高效益。

3）在滲流前期，礦巖介質(zhì)與溶浸液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，使某些較小半徑的孔隙變成可連通的，進(jìn)而使砂巖介質(zhì)的滲透系數(shù)整體變大。在滲流后期，由于壓力和化學(xué)耦合作用，孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步演變，當(dāng)壓力梯度敏感度大于化學(xué)反應(yīng)敏感度時(shí)，其滲透系數(shù)變大，反之變小。

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Experimental Study on Pressure Gradient－Viscosity－Chemical Coupling Seepage Law of Low－permeability Sandstone Uranium Ore Rock

ZENG Sheng1，DU Xue－ming1，SUN Bing2，＊，TAN Kai－xuan1
（1．School of Nuclear Resources Engineering，University of South China，Hengyang421001，China，2．School of Urban Construction，University of South China，Hengyang421001，China）

Abstract：To study the seepage law of low－permeability sandstone uranium ore rock under the physical and chemical coupling action，and provide a reliable basis for the design of parameters for in－situ leaching，some samples of sandstone from a uranium mine in Xinjiang were used to carry out experimental research by a homemade permeability test device．The results indicate that there are three seepage stages in the lowpermeability rock，namely，the stage of starting pressure，the stage of nonlinear seepage and the stage of linear seepage．With the change of fluid viscosity，the percentage that fluid flow voids occupied in the whole rock voids and the rock permeability on the wholebook=1522,ebook=184can be changed．In the early stage of physical and chemical coupling seepage，after the media of ore and leaching agent reacting chemically，the pore structure of medium ore is altered，and some of the smaller radius of pore is larger and connected，which makes the seepage of fluid larger in the unit area and per unit time，thereby enabling the overall permeability of sandstone medium becomes larger．In the latter stage of physical and chemical coupling seepage，due to the pressure and chemical coupling，the pore structure further evolves．When the pressure gradient is more sensitive than chemical sensitivity of reaction，the permeability coefficient increases，whereas decreases．

Key words：low－permeability sandstone uranium ore rock；physico－chemical percolation；pressure gradient－viscosity－chemical coupling；permeability coefficient

通信作者：＊孫 冰，E－mail：sunbingzs＠126．com

作者簡介：曾 晟（1977—），男，湖南常德人，副教授，博士，采礦工程專業(yè)

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重大科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（91026015）；湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目資助（12B111）；南華大學(xué)"十二五"科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助；南華大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目資助（2013XCX08）

收稿日期：2014－10－16；修回日期：2014－12－10

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1521

文章編號(hào)：1000－6931（2015）08－1521－08

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：O357．3；TF111．31