王雷鸣教授：深地砂岩铀矿溶浸开采体系孔裂–渗流透明表征与定向干预研究进展

创新点

（1）全面总结了物理表征方法和三维重建技术在深地砂岩铀矿孔裂结构表征中的应用，探讨了各方法的优势与局限性，并提出了多种表征技术相结合的策略，为全面、准确地表征砂岩铀矿孔裂结构提供了新的思路与方法。

（2）系统整理了渗流可视化技术的研究进展，比较了天然裂隙砂岩铀矿渗流行为研究、透明岩石的制备及渗流测试方法和数值模拟技术在渗流可视化中的应用。

（3）深入探讨了深地铀矿地浸体系定向干预与调控机制，包括物理调控、生物化学调控和砂岩铀矿储层改造策略，分析了这些策略在提高铀矿浸出效率、降低环境影响和减少生产成本方面的特点。

（4）充分结合了物联网、人工智能和大数据等前沿信息技术，提出了智能化深地砂岩铀矿溶浸开采的研究方向，为实现绿色可持续的铀资源开发提供了新的技术支撑。

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深地砂岩铀矿溶浸开采体系孔裂–渗流透明表征与定向干预研究进展

作者：王雷鸣^1,2, 李硕^1,2, 尹升华^1,2, 成亮^1,2, 张超^1,2, 陈威^1,2, 薛森淼^1,2

单位：1. 北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室；2. 北京科技大学 土木与资源工程学院

引用格式：

王雷鸣，李硕，尹升华，等. 深地砂岩铀矿溶浸开采体系孔裂−渗流透明表征与定向干预研究进展[J]. 绿色矿山，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

天然铀作为关键的战略资源，在国防和能源领域具有重要意义。随着浅层资源的枯竭，深地战略成为保障资源安全的关键。砂岩铀矿溶浸开采是一种在天然条件下，通过注入溶浸液与矿石发生化学反应，将铀元素由固相转化为液相的采矿方法。地浸采铀具有低成本、短周期、管道化、无人化等优势，已在全球范围内得到应用。然而，深地砂岩溶浸开采面临着高井深、高地温、高地应力、强扰动的“三高一扰动”复杂环境，矿层孔裂结构的多尺度特性致使溶液渗流多级化，渗流路径复杂且均匀渗透困难。为了解决相关问题，研究人员在深地砂岩铀矿溶浸开采体系孔裂结构表征、渗流行为可视化及定向干预与宏观调控等方面开展了大量的研究工作。阐述了深地铀矿地浸体系孔裂–渗流透明表征与定向干预研究进展，其中孔裂结构透明表征主要分为物理表征方法与三维重建技术；渗流可视化技术包括渗流试验行为研究与透明岩石的制备，并介绍了数值模拟技术在渗流可视化中的应用；随后进一步探讨了深地铀矿地浸体系定向干预与调控机制，包括物理调控、生物化学调控和砂岩铀矿储层改造等策略。此类研究提高了铀矿的浸出效率，降低了开采对环境影响，推动了绿色可持续铀资源开发。最后提出深地砂岩铀矿溶浸开采体系孔裂–渗流透明表征与定向干预研究瓶颈难题，并展望未来研究需要进一步深化对深地砂岩铀矿溶浸开采机理的认识，优化和完善孔裂结构透明表征与渗流行为可视化技术，创新出更为高效与环境友好的定向干预与调控策略。

引言

天然铀，作为一种重要的战略资源和能源矿产，关乎国家能源安全、经济发展、科技进步等方面，被广泛应用于国防建设、核能发电、放射化疗及环境保护等核心领域。在“两山”理念的指引下，核能作为一种高效的清洁能源，在优化能源结构、改善气候变化、实现“双碳”目标等方面扮演着愈发重要的角色。当前，浅表砂岩铀矿品位逐渐贫化、资源量日渐枯竭，因此，“向深部要资源”是切实保障国家矿产资源安全、积极争夺国际竞争优势的迫切需求与战略选择。

深地砂岩铀矿溶浸开采，是将溶浸液经注液钻孔注入深地裂隙矿层，选择性溶蚀有价金属矿物，将铀元素由“固相”转化为“流相”的特殊采矿方法，具有无人化、管道化、成本低、基建周期短等突出优势。国际原子能机构数据显示，该法实现了全球约56%砂岩铀矿的低碳绿色开采，是满足国家重大战略需求，更是生产“核工业粮食”的核心技术。然而，深地砂岩铀矿溶浸开采面临高地压、高地温、高渗透压、强扰动的“三高一扰动”复杂环境，含铀砂岩矿层孔裂结构的多尺特性导致溶浸液渗流呈现多级化，溶质传递渗流路径复杂且均匀渗透困难，宏观表现为地浸体系内溶液渗流速度慢、溶质扩散传递效果差、浸矿盲区遍布、铀矿浸出效率低等问题。对此，笔者聚焦深地铀矿原位浸出过程，重点围绕孔裂结构多尺度性及渗流行为多极化的“黑箱难题”，系统梳理了铀矿原位浸出体系的孔裂结构透明表征、渗流可视化和定向干预与调控机制领域取得了的研究成果。

部分图片

图 1 砂岩铀矿孔裂特征测试方法适用范围对比

图 2 深地砂岩铀矿地浸孔裂结构物理表征方法研究

图 3 孔隙率与立方体边长的关系

图 4 深地砂岩铀矿地浸孔裂结构三维重建技术应用

图 5 天然裂隙含铀砂岩渗流行为研究

图 6 含孔裂结构透明岩石的制备领域研究

图 7 溶浸液在透明岩石中的渗流行为可视化研究

图 8 AVIZO和COMSOL在三维重建和渗流模拟中的导入过程

图 9 数值模拟技术在渗流可视化的应用

图 10 铀矿地浸数值建模研究

图 11 深地砂岩铀矿地浸物理调控强化浸出研究

图 12 深地砂岩铀矿地浸体系储层改造研究

第一作者

王雷鸣（1991—），男，山东潍坊人，教授。入选国家博士后创新人才支持计划、北京市科协青年人才托举工程、全国矿业石油与安全工程领域优秀青年科技人才等计划。主持国家自然科学基金项目（面上、青年）、北京市自然科学基金面上项目等10余项；以第一或通讯作者发表SCI/EI论文30余篇，授权国内外发明专利25项；出版中英文论著/教材3部；荣获教育部自然科学二等奖、稀土科学技术二等奖、绿色矿山科技（基础研究）一等奖等奖励10余项；兼任中国岩石力学与工程学会矿山掘进与支护专委会副秘书长、《绿色矿山》编委、《工程科学学报》青年编委7项等职务。

通讯作者

尹升华（1981—），男，江西吉安人，教授，入选国家级重大人才项目。现任北京科技大学人事处处长，兼任科技部重点领域创新团队负责人、高等学校学科创新引智基地负责人、北京市国际科技合作基地主任。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划课题等科研项目10余项，以第一或通讯作者身份发表SCI/EI论文100余篇，授权国内外发明专利40余项，荣获国家科技进步二等奖2项，中国青年科技奖、北京市科学技术一等奖、教育部自然科学二等奖等科研教学奖励20余项；受聘中国安全生产专家、中国金属学会采矿分会副秘书长、Green and Smart Mining Engineering执行主编等学术职务。

煤科总院出版传媒集团成立于2015年，拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录7种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。

策划丨郭晓炜

责编丨黄小雨

编辑丨李莎

审核丨常明然

期刊简介

为深入贯彻习近平生态文明思想，践行“绿水青山就是金山银山”理念，搭建绿色矿山建设领域高端学术交流平台，2023年5月，经国家新闻出版署批准，由中国煤炭科工集团主管、煤炭科学研究总院有限公司主办的中文科技期刊——《绿色矿山》（Journal of Green Mine）应运而生。《绿色矿山》为季刊，国内统一连续出版物号为：CN10-1912/TD，ISSN号：2097-3357，由《煤炭学报》编辑部负责策划、出版、发行。

刊登范围

绿色勘查、绿色开采、矿山地下空间利用、绿色选冶、矿山环境保护、低碳技术及节能减排、数字矿业、绿色低碳经济政策与评价等。

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