一种能参量监控的砂岩型铀矿流态化浸出实验系统及方法

本发明涉及金属矿溶浸开采，特别涉及一种能参量监控的砂岩型铀矿流态化浸出实验系统及方法。

背景技术：

1、铀矿，被广泛应用于核能电力、智能制造等诸多关键领域，砂岩型铀矿流态化浸出经历了酸性浸出、碱性浸出，已形成了以co2+o2中性浸出为代表的第三代浸出技术。然而，在砂岩型铀矿流态化浸出体系中气、固、液多相介质关联复杂，温度场、渗流场、应力场、化学场、生物场多场耦合不清，存在反应传热、溶液渗流、受压致裂、浸矿反应、细菌增殖多过程。综合现有研究，可将流态化浸出实验系统利用五个层面或角度进行定量评价，即：热、水、力、化、生；其中，热(环境温度，一般用溶浸液温度等参数进行表征)、水(矿层渗流，一般用水饱和率、持液率或含水率等参数进行表征)、力(浸出体系所处应力环境，一般用围压等参数进行表征)、化(浸矿化学反应效率，一般用目标金属离子浓度参数进行表征)、生(浸矿细菌，一般用浸矿菌浓度参数进行表征)多参量存且相互影响。

2、目前针对铀矿地浸实验研究主要存在以下几点瓶颈：1)缺乏相关多相多场多因素浸出实验系统，现有研究多采用小型实验夹持器，只能开展一定限度的温度-压力-渗流控制条件下浸出实验；2)研究对象多为圆柱形砂岩岩芯，缺乏对地层条件的流态化浸出实验，难以开展包括含水层、隔水层、破裂砂岩矿层等多地层堆叠条件下的地浸实验；3)流态化实验过程中难以同时实现热、水、力、化、生多参量实时检测与协同调控；4)缺乏可同时实现加压致裂、控制抽注、多相监测控制的实验室尺度地浸实验方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种能参量监控的砂岩型铀矿流态化浸出实验系统及方法实现砂岩型铀矿流态化浸出实验过程中温度、含水率、围压、金属离子浓度、浸矿细菌浓度参量的定量监测与调控，最终显著改善铀矿矿物流态化浸出效率。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种能参量监控的砂岩型铀矿流态化浸出实验系统，

4、包括夹持实验腔，所述夹持实验腔内模拟矿层环境，以及，分别连通所述夹持实验腔的抽液管路、注液管路、注氧气管路和注二氧化碳管路；以及，设置在所述夹持实验腔上的感应组件；

5、所述注液管路用于向所述夹持实验腔注入溶浸液；

6、所述抽液管路用于从所述夹持实验腔抽取溶浸液；

7、所述注氧气管路用于向所述夹持实验腔中注入氧气；

8、所述注二氧化碳管路用于向所述夹持实验腔中注入二氧化碳；

9、当所述夹持实验腔的侧壁受到推力时，所述感应组件用于监测所述夹持实验腔侧壁所受应力和围压；

10、所述系统还包括：上位机，所述上位机分别电性连接所述抽液管路上的控制组件、所述注液管路上的控制组件、所述注氧气管路上的控制组件、所述注二氧化碳管路上的控制组件和感应组件。

11、优选地，所述抽液管路与所述注液管路结构相同，所述注液管路上的控制组件包括泵液阀、液体流量计、液体泵；所述注液管路上依次连通有注液系统、所述泵液阀、所述液体流量计、所述液体泵和第一储液池。

12、优选地，所述抽液管路上的控制组件包括所述泵液阀、所述液体流量计、所述液体泵；所述抽液管路上依次连通有抽液系统、所述泵液阀、所述液体流量计、所述液体泵和第二储液池；所述抽液系统和所述注液系统至少各一组且均设置在所述夹持实验腔表面上，所述上位机电性连接所述抽液系统和注液系统并支持控制所述抽液系统和注液系统进行抽液或注液，所述抽液系统或注液系统进行抽液时，管路为抽液管路，所述抽液系统或注液系统进行注液时，管路为注液管路。

13、优选地，所述第一储液池还连通有浸矿菌培养罐，所述第一储液池和所述浸矿菌培养罐之间还依次连通有所述泵液阀、所述液体流量计和所述液体泵，所述液体泵设在靠近所述浸矿菌培养罐一侧；

14、所述第一储液池内设有离子浓度传感器和细菌浓度传感器，所述第二储液池内设有所述离子浓度传感器和所述细菌浓度传感器，所述浸矿菌培养罐内设有所述细菌浓度传感器，所述细菌浓度传感器和所述离子浓度传感器与所述上位机信号连接。

15、优选地，所述注氧气管路上的控制组件包括第一气体流量计、第一气泵和第一输气阀；所述注氧气管路包括第一总管路、第一管路和第二管路，所述第一总管路上依次连通有所述氧气储罐、所述第一输气阀、所述第一气泵和所述第一气体流量计，所述第一总管路靠近所述第一气体流量计的端部分别与第一管路和第二管路相连通，所述第一管路和所述第二管路分别连通有所述抽液系统和所述注液系统；

16、所述注二氧化碳管路上的控制组件包括第二气体流量计、第二气泵和第二输气阀；所述注二氧化碳管路也包括第一管路和第二管路以及第二总管路，所述第二总管路上依次连通有所述二氧化碳储罐、所述第二输气阀、所述第二气泵和所述第二气体流量计，所述第二总管路靠近所述第二气体流量计的端部分别与第一管路和第二管路相连通。

17、优选地，所述夹持实验腔表面上设有气密阀，所述气密阀连通有空压机，所述空压机与所述气密阀之间连通有第三气泵，所述第三气泵和所述气密阀与所述上位机信号连接。

18、优选地，所述夹持实验腔表面上设有至少一个液体扩散监测钻孔，所述夹持实验腔表面上设有至少一个温度分布监测钻孔；所述液体扩散监测钻孔连通有水饱和度传感器，所述温度分布监测钻孔连通有温度传感器；所述水饱和度传感器电性连接所述上位机，所述温度传感器电性连接所述上位机；

19、所述夹持实验腔中，由所述夹持实验腔表面至所述夹持实验腔底部依次设有表土基岩层、含水砾石层、上部隔水层、破碎砂岩矿层和底部隔水层；所述水饱和度传感器和所述温度传感器设在所述破碎砂岩矿层中；所述注液管路和所述抽液管路均连通所述底部隔水层。

20、优选地，所述感应组件包括伺服油缸、伺服泵、位移传感器和应力传感器，所述伺服油缸的输出轴上依次安装有所述伺服泵、所述位移传感器和所述应力传感器，所述伺服油缸输出轴的端部上设有施压盘，所述夹持实验腔的侧壁上设有承压板，所述应力传感器设置于靠近所述承压板一侧，所述感应组件通过所述施压盘与所述承压板连接，所述伺服油缸提供推力推动所述夹持实验腔侧壁上的所述承压板。

21、一种能参量监控的砂岩型铀矿流态化浸出实验方法，利用所述的能参量监控的砂岩型铀矿流态化浸出实验系统，所述方法包括以下步骤：

22、s1、在所述夹持实验腔内布设模拟矿层环境，并在所述夹持实验腔表面上开设抽液系统和注液系统至少各一组、至少一组所述液体扩散监测钻孔和至少一组所述温度分布监测钻孔；布设连接注液管路、抽液管路、注氧气管路、注二氧化碳管路和信号传输线路；

23、s2、通过所述上位机对所述能参量监控的砂岩型铀矿流态化浸出实验系统进行试车检漏；

24、s3、控制所述伺服油缸对所述夹持实验腔侧壁上的所述承压板施加推力，直至所述破碎砂岩矿层达到预期致裂效果或目标围压；

25、s4、所述第一储液池内浸矿菌浓度达到目标时将溶浸液注入所述夹持实验腔，并控制砂岩型铀矿流态化浸出过程中溶浸液抽注与气体泵送；

26、s5、持续开展破碎砂岩型铀矿流态化浸出实验，对实验中溶浸液温度、细菌浓度、离子浓度、破碎砂岩矿层围压应力、破碎砂岩矿层的含水率进行监测；

27、s6、所述第二储液池内离子浓度及离子浸出率达到峰值后，将所述第二储液池内的有价金属元素离子提取出来，监测出所述第二储液池内离子浓度低至目标浓度后，结束浸出实验。

28、优选地，所述s1包括：

29、s101、在所述夹持实验腔内由底部至表面依次铺设有所述底部隔水层、所述破碎砂岩矿层、所述上部隔水层、所述含水砾石层和所述表土基岩层；

30、s102、在所述夹持实验腔上表面上，以一组所述抽液系统为中心并围绕这组所述抽液系统布设注液系统；

31、s103、在所述夹持实验腔上表面外周上交错布置所述液体扩散监测钻孔和所述温度分布监测钻孔，所述液体扩散监测钻孔数量与所述温度分布监测钻孔数量相等；

32、s104、将所述能参量监控的砂岩型铀矿流态化浸出实验系统中所需的所述注液管路、所述抽液管路、所述注氧气管路、所述注二氧化碳管路和所述信号传输线路对应布设并连通；

33、所述s2包括：

34、s201、通过上位机开启所述第一气体流量计、第二气体流量计、所述第一气泵、所述第二气泵、所述第一输气阀和所述第二输气阀，将氧气储罐中的氧气和二氧化碳储罐中的二氧化碳注入所述夹持实验腔内；

35、s202、通过上位机打开所述气密阀、所述第三气泵和所述空压机，将空气压入所述夹持实验腔中，并将所述夹持实验腔内之前注入的氧气和二氧化碳排空，通过所述上位机调节空气注入量使所述夹持实验腔内的气压值达到实验目标气压值，从而对所有气体管道进行检漏；

36、在第一储液池中注入去离子水，通过上位机启动所述液体泵和所述泵液阀，从而对所述注液系统和所述注液管路进行检漏；

37、通过上位机启动所述离子浓度传感器和所述细菌浓度传感器进行试车；

38、通过上位机启动所述感应组件，对所述位移传感器和所述应力传感器进行试车；

39、通过上位机启动控制第二储液池的所述液体泵和所述泵液阀抽取之前注入的去离子水从而对所述抽液系统、所述温度传感器、所述水饱和度传感器和所述抽液管路进行检漏；

40、s203、通过上位机能够完成s201-s202的全部工作，则信号传输线路的检漏试车完成；

41、所述s3包括：

42、s301、通过所述上位机控制所述感应组件，启动所述伺服油缸，通过所述伺服油缸和所述伺服泵驱动所述施压盘；

43、s302、受力的所述施压盘推动所述承压板发生位移，实现对所述夹持实验腔内的所述破碎砂岩矿层加压致裂；

44、s303、所述夹持实验腔四个方向上的侧壁均连接有所述感应组件，从而监测所述夹持实验腔所受围压，实时观测所述位移传感器和所述应力传感器，从而观测应力围压值变化，直至所述破碎砂岩矿层达到预期致裂效果或所述应力围压值达到目标围压，关闭所述伺服油缸；

45、所述s4包括：

46、s401、在所述浸矿菌培养罐内培育浸矿菌，利用所述细菌浓度传感器对所述浸矿菌培养罐内的浸矿菌浓度进行监测当达到目标值时所述上位机控制打开所述第一储液池与所述浸矿菌培养罐之间的所述液体泵和所述泵压阀，使所述浸矿菌培养罐向所述第一储液池输送带有浸矿菌的溶浸液；

47、s402、通过所述细菌浓度传感器对所述第一储液池内的浸矿菌浓度进行监测，直至所述第一储液池内的浸矿菌浓度达到目标浸矿菌浓度；

48、s403、通过上位机启动控制所述第一储液池的所述液体泵和所述泵液阀并通过与所述第一储液池连通的所述注液系统将第一储液池内带有浸矿菌的溶浸液注入所述夹持实验腔内，同时通过所述液体流量计对流经所述注液系统的所述溶浸液进行定量控制；

49、s404、所述溶浸液进入所述夹持实验腔，所述上位机控制所述第一气泵、所述第二气泵、所述第一输气阀和所述第二输气阀开启，使所述氧气储罐和所述二氧化碳储罐分别向所述夹持实验腔内输送氧气和二氧化碳，所述上位机控制打开所述气密阀、所述空压机和所述第三气泵使所述空压机向所述夹持实验腔内输送空气，使砂岩型铀矿流态化浸出开始；

50、s405、通过上位机启动控制所述第二储液池的所述液体泵和所述泵液阀，所述第二储液池通过所述抽液系统从所述夹持实验腔内抽取溶浸液，所述抽取的溶浸液带有离子和浸矿菌，同时通过所述液体流量计对流经所述抽液系统的所述溶浸液进行定量控制；

51、所述s5包括：

52、通过所述离子浓度传感器对所述第二储液池和所述第一储液池内的离子浓度进行定量监测，获取目标矿物浸出率；

53、通过所述细菌浓度传感器对所述第二储液池、所述第一储液池和所述浸矿菌培养罐内的细菌浓度进行定量监测；

54、通过所述位移传感器对所述承压板的位移进行监测，通过所述应力传感器对所述夹持实验腔内的破碎砂岩矿层所受围压进行监测；

55、通过所述温度传感器对所述破碎砂岩矿层内的溶浸液温度进行监测；

56、通过所述水饱和度传感器对所述破碎砂岩矿层的含水率进行监测；

57、所述s6包括：

58、s601、当所述第二储液池内的所述离子浓度传感器监测到的离子浓度和离子浓度浸出率达到峰值后，提取所述第二储液池中的有价金属元素离子，将所述第一储液池内的溶浸液替换为去离子水并通过上位机控制将去离子水通过所述注液系统注入所述夹持实验腔，将所述破碎砂岩矿层内的有价金属元素驱送出浸矿体系；

59、s602、利用所述离子浓度传感器监测所述第二储液池内的离子浓度，直至所述第二储液池内的离子浓度低至目标离子浓度后，所述上位机将与所述第二储液池连通的所述抽液系统切换为注液，所述第二储液池将剩余的不带有离子的溶浸液注入所述夹持实验腔中；

60、s603、所述上位机控制依次关闭全部输气阀、全部气泵、所述空压机、所述伺服油缸、所述伺服泵、所述抽液系统和注液系统，结束浸出实验。

61、优选地，通过向所述夹持实验腔内注入氧气、二氧化碳和空气支持调节所述夹持实验腔中的气压、控制砂岩型铀矿流态化浸出速度以及砂岩型铀矿流态化浸出过程中浸出环境的ph值。

62、本发明与现有技术相比，至少具有如下有益效果：

63、上述方案中，提出了一种实现热-水-力-化-生参量监控的砂岩型铀矿流态化浸出实验系统与方法，搭建了多类传感器(如：离子浓度传感器、细菌浓度传感器、温度传感器等)与控制泵阀(如：液体流量计、泵液阀、输气阀、气密阀等)，可实现热(温度)、水(水饱和率)、力(围压)、化(关键离子浓度)、生(浸矿菌浓度)的关键参量实时表征与控制，依托液体传输管线、气体传输管线和信号传输管线，可实现对不同信号捕获传输；砂岩型铀矿流态化浸出实验方法主要包括六个阶段，即：矿层与钻孔铺设阶段、设备管路试车阶段、加压致裂阶段、初始抽注阶段、浸出实验阶段和结束浸出阶段。该系统结构简易、方法实用简便、可行性高，为实现砂岩型铀矿资源的流态化浸出过程调控与强化，提供了重要基础实验系统与方法支撑。