CN114152731B - 铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置 - Google Patents
铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置，包括试样密封单元、爆破单元、溶浸单元、注液单元、液压调控单元、气压调控单元和检测单元，试样密封单元用于容置并密封砂岩铀矿的试样；爆破单元与试样密封单元内的试样连通；溶浸单元与试样密封单元连通；注液单元与试样密封单元连通；液压调控单元与试样密封单元连通；气压调控单元与试样密封单元连通；检测单元与试样密封单元连通。本发明提供的铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置，旨在实现真实模拟砂岩铀矿的爆破和地浸开采过程，深入研究砂岩铀矿爆破裂隙的起裂扩展规律、爆破矿层的渗透率演化规律，以及裂隙岩体溶浸液反应流动规律。
Description
技术领域
本发明属于地质开采技术领域，更具体地说，是涉及一种铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置。
背景技术
铀是重要的天然放射性元素，也是最重要的核燃料，铀矿作为重要的国家战略资源和能源矿产，在国防建设和经济发展中发挥重要的作用。随着铀矿资源开采难道和深度的增加，砂岩铀矿层的渗透率逐步降低，低渗透性成为制约铀矿开采的关键因素。
通过爆破可以使铀矿层内部形成三维裂隙网络，显著提高铀矿层的整体渗透性。CO2+O2中性地浸对地下水环境的影响小，对于碳酸盐含量高、地下水矿化度高的铀矿有很强的适应性。目前，将爆破和CO2+O2中性地浸技术结合应用有望成为破解我国深层低渗透砂岩铀矿难以高效开采的关键。通过实验模拟有助于研究砂岩铀矿爆破裂隙的起裂扩展规律、爆破矿层的渗透率演化规律，以及裂隙岩体溶浸液反应流动规律，但目前缺乏针对该技术的试验装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置，旨在实现真实模拟砂岩铀矿的爆破和地浸开采过程，深入研究砂岩铀矿爆破裂隙的起裂扩展规律、爆破矿层的渗透率演化规律，以及裂隙岩体溶浸液反应流动规律。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置，包括：
试样密封单元，用于容置并密封砂岩铀矿的试样；
爆破单元，与所述试样密封单元内的试样连通，用于对试样进行爆破；
溶浸单元，与所述试样密封单元连通，所述溶浸单元用于向所述试样密封单元内通入中性溶浸剂；
注液单元，与所述试样密封单元连通，用于向所述试样密封单元内通入矿层水；
液压调控单元，与所述试样密封单元连通，用于调控所述试样密封单元对试样施加的压力；
气压调控单元，与所述试样密封单元连通，用于向所述试样密封单元内通入气体并能够检测通入气体的压力；以及
检测单元，与所述试样密封单元连通，所述检测单元用于对试样的浸出液和浸出气体进行检测。
在一种可能的实现方式中，所述溶浸单元包括混合罐和并联于所述混合罐输入端的CO2储罐和O2储罐，所述混合罐的输出端与所述试样密封单元连通。
在一种可能的实现方式中，所述混合罐内设有搅拌器。
在一种可能的实现方式中，所述爆破单元包括CO2爆破管，所述CO2爆破管的输出端与试样连通，用于使试样爆破产生裂隙。
在一种可能的实现方式中，所述爆破单元还包括第一调压罐，所述第一调压罐的输出端与所述CO2爆破管的输入端连通，所述第一调压罐的输入端与气源连通，所述第一调压罐用于调节通入所述CO2爆破管内的气体压力。
在一种可能的实现方式中，所述注液单元包括储液罐和与所述储液罐连通的第一输送泵，所述第一输送泵的输出端与所述试样密封单元连通，所述第一输送泵用于将所述储液罐内的液体通入所述试样密封单元内。
在一种可能的实现方式中，所述液压调控单元包括液压驱动器和并联于所述液压驱动器输出端的X轴加载器、Y轴加载器和Z轴加载器，所述X轴加载器的输出端、Y轴加载器的输出端和Z轴加载器的输出端分别与试样上相对应的面连接。
在一种可能的实现方式中，所述检测单元包括与所述试样密封单元连通气液分离组件，以及分别与所述气液分离组件连通的浸出液检测器和气体检测器。
在一种可能的实现方式中，所述检测单元还包括声发射监测装置，所述声发射监测装置包括控制组件和与所述控制组件电连接的探头，所述探头设于试样上，用于记录试样爆破过程中的裂隙扩展数据。
在一种可能的实现方式中，所述气压调控单元包括储气罐和与所述储气罐连通的第二调压罐，所述第二调压罐的输出端与所述试样密封单元连通，所述第二调压罐与所述试样密封单元之间设有压力检测器，所述气压调控单元还包括设于所述储气罐和所述第二调压罐之间的增压泵和真空泵。
本发明提供的铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置在试样上开设爆破孔，并将试样密封安装于试样密封单元内。通过液压调控单元对试样密封单元施加一定的压力，真实模拟铀矿层的应力场，然后通过注液单元向试样密封单元内通入矿层水，模拟铀矿层的水动力环境。将爆破单元与爆破孔连通进行爆破，使试样上产生裂隙。气压调控单元向试样密封单元内通入气体，观测气压检测器的变化，通过瞬态压力脉冲法测试爆破后试样的渗透率，与试样的初始渗透率对比可以研究爆破增渗效果。然后通过溶浸单元向试样密封单元内通入中性溶浸剂，中性溶浸剂与试样反应使试样内流出浸出液，反应产生气体，检测单元对反应后产生的浸出液的压力、pH值和离子浓度，以及对气体的组分进行检测，有利于对砂岩铀矿的开采进行深入研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置的结构示意图。
图中：
1、爆破单元；101、管体；102、储气腔；103、气爆腔；104、调压阀；105、定压剪切片；106、活化器；107、第一调压罐；
2、溶浸单元；201、混合罐；202、搅拌器；203、第三输送泵；204、O2储罐；205、CO2储罐；
3、气压调控单元；301、第二调压罐；302、储气罐；303、增压泵；304、真空泵；
4、注液单元；401、储液罐；402、第一输送泵；
5、试样密封单元；
6、液压调控单元；601、液压驱动器；602、Z轴加载器；603、Y轴加载器；604、X轴加载器；
7、检测单元；701、浸出液检测器；702、气体检测器；703、气液分离器；704、控制组件；705、探头；706、中央处理器。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，现对本发明提供的铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置进行说明。铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置，包括试样密封单元5、爆破单元1、溶浸单元2、注液单元4、液压调控单元6、气压调控单元3和检测单元7，试样密封单元5用于容置并密封砂岩铀矿的试样；爆破单元1与试样密封单元5内的试样连通，用于对试样进行爆破；溶浸单元2与试样密封单元5连通，溶浸单元2用于向试样密封单元5内通入中性溶浸剂；注液单元4与试样密封单元5连通，用于向试样密封单元5内通入矿层水；液压调控单元6与试样密封单元5连通，用于调控试样密封单元5对试样施加的压力；气压调控单元3与试样密封单元5连通，用于向试样密封单元5内通入气体并能够检测通入气体的压力；检测单元7与试样密封单元5连通，检测单元7用于对试样的浸出液和浸出气体进行检测。
本发明提供的铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置，与现有技术相比，本发明铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置在试样上开设爆破孔，并将试样密封安装于试样密封单元5内。通过液压调控单元6对试样密封单元5施加一定的压力，真实模拟铀矿层的应力场，然后通过注液单元4向试样密封单元5内通入矿层水，模拟铀矿层的水动力环境。将爆破单元1与爆破孔连通进行爆破，使试样上产生裂隙。气压调控单元3向试样密封单元5内通入气体，观测通入气压的变化，通过瞬态压力脉冲法测试爆破后试样的渗透率，与试样的初始渗透率对比可以研究爆破增渗效果。然后通过溶浸单元2向试样密封单元5内通入中性溶浸剂，中性溶浸剂与试样反应使试样内流出浸出液，反应产生气体，检测单元7对反应后产生的浸出液的压力、pH值和离子浓度，以及对气体的组分进行检测，有利于对砂岩铀矿的开采进行深入研究。
在一些实施例中，请参阅图1，溶浸单元2包括混合罐201和并联于混合罐201输入端的CO2储罐205和O2储罐204，混合罐201的输出端与试样密封单元5连通。
本实施例中将CO2储罐205和O2储罐204内的CO2和O2分别通入混合罐201内，CO2和O2在混合罐201内充分混合后，再通入试样密封单元5内与试样反应，从而将试样内的铀浸出。本实施例中的混合罐201可以控制CO2和O2的通入量并将CO2和O2混合均匀。
可选的，混合罐201内设有有压力传感器和温度传感器。
具体地，混合气体的配置采用道尔顿分压法，按照溶浸剂最佳配比计算所需CO2和O2的压力。
需要说明的是，注液单元4向试样内通入矿层水，因此混合罐201内不需要再注入水与CO2和O2混合，直接将混合后的CO2和O2气体通入试样密封单元5内与矿层水融合即可形成中性溶浸剂。
在一些实施例中，请参阅图1，混合罐201内设有搅拌器202。
搅拌器202可以对CO2和O2进行搅拌，使CO2和O2充分混合，提高CO2和O2的混合效率，方便将试样内的铀浸出。
可选的，搅拌器202为磁力搅拌器202。
可选的，混合罐201与试样密封单元5之间设有第三输送泵203。
在一些实施例中，请参阅图1，爆破单元1包括CO2爆破管，CO2爆破管的输出端与试样连通，用于使试样爆破产生裂隙。
CO2爆破管产生的瞬间高压气体使试样爆破产生裂隙，采用此种方式进行爆破可以避免因炸药爆破产生火焰容易造成爆炸事故，提高了试验的安全性。
可选的，CO2爆破管内的CO2在爆破完成后若有残余的CO2气体，可以将其通入CO2储罐内，避免CO2浪费。
作为CO2爆破管的一种具体实施方式，CO2爆破管包括管体101和设于管体101内的调压阀104，调压阀104将管体101沿轴向分为储气腔102和气爆腔103，储气腔102具有进气端，气爆腔103具有出气端，出气端设有定压剪切片105，气爆腔103内设有活化器106。
储气腔102内储存有CO2气体或液体，开启调压阀104可以将储气腔102内的CO2气体或液体通入气爆腔103内，活化器106可以在瞬间提高气曝腔内的温度，使CO2的压力迅速扩大，直至突破定压剪切片105向试样内流动，从而使试样爆破。
可选的，储气腔102和气爆腔103内分别设有压力传感器，气爆腔103内还设有温度传感器。
在一些实施例中，请参阅图1，爆破单元1还包括第一调压罐107，第一调压罐107的输出端与CO2爆破管的输入端连通，第一调压罐107的输入端与气源连通，第一调压罐107用于调节通入CO2爆破管内的气体压力。
CO2先通入第一调压罐107内进行调压，当第一调压罐107内的压力达到预设值时再通入CO2爆破管内，方便控制通入CO2爆破管的气体压力，提高试验的安全性。
可选的，第一调压罐107内可以通入气体CO2或液体CO2。
可选的，第一调压罐107的输入端可以与溶浸单元2中的CO2储罐205连通，简化了装置的结构。
可选的，第一调压罐107内设有压力传感器和温度传感器。
在一些实施例中，请参阅图1，注液单元4包括储液罐401和与储液罐401连通的第一输送泵402，第一输送泵402的输出端与试样密封单元5连通，第一输送泵402用于将储液罐401内的液体通入试样密封单元5内。
储液罐401内存储有深层砂岩铀矿的矿层水，第一输送泵402将矿层水输送至试样密封单元5内，直至水压达到预设值。本实施例中将矿层水通入试样密封单元5内有利用模拟铀矿层的水动力环境，提高试验的准确性。
在一些实施例中，请参阅图1，液压调控单元6包括液压驱动器601和并联于液压驱动器601输出端的X轴加载器604、Y轴加载器603和Z轴加载器602，X轴加载器604的输出端、Y轴加载器603的输出端和Z轴加载器602的输出端分别与试样密封单元5上相对应的面连接。
液压驱动器601分别通过X轴加载器604、Y轴加载器603和Z轴加载器602对试样密封单元5上相对应的面连接，从而使试样处于相应的压力环境。X轴加载器604、Y轴加载器603和Z轴加载器602可以确保试样受力均匀，真实模拟砂岩铀矿所处的压力环境。
具体地，X轴加载器604、Y轴加载器603和Z轴加载器602的加载方向相互垂直。
在一些实施例中，请参阅图1，检测单元7包括与试样密封单元5连通气液分离组件，以及分别与气液分离组件连通的浸出液检测器701和气体检测器702。
气液分离组件可以将试样密封单元5内产生的浸出液和反应产生的气体进行分离，然后通过浸出液检测器701对浸出液内的pH值、压力、离子浓度等进行检测，气体检测器702对产生气体的气体组分进行检测。
可选的，浸出液检测器701为电感耦合等离子体质谱仪。
可选的，气体检测器702为气相色谱仪。
作为气液分离组件的一种具体实施方式，液分离组件包括多个气液分离器703，多个气液分离器703分别与试样密封单元5连通，多个气液分离器703与试样密封单元5的连接点沿试样的液体流动方向依次分布。
多个气液分离器703沿试样的液体流动方向依次分布，从而可以对不同区域内的浸出液和气体进行检测，方便对试样进行全面的检测，提高测试结果的精度。
可选的，气液分离器703内设有压力传感器和pH传感器。
在一些实施例中，请参阅图1，检测单元7还包括声发射监测装置，声发射监测装置包括控制组件704和与控制组件704电连接的探头705，探头705设于试样上，用于记录试样爆破过程中的裂隙扩展数据。
探头705安装于试样的外表面，可以检测爆破过程中试样损伤及裂隙扩展的数据，并将该数据传输给控制组件704，控制组件704通过对数据的分析可以将其传递给外部接收装置，以对试样爆破过程中的各项数据进行收集和分析，有利于深入研究砂岩铀矿爆破裂隙的起裂扩展规律。
可选的，探头705可以设置一个，也可以设置多个方便对试样的不同部分进行检测，提高检测精度。
可选的，声发射监测装置、浸出液检测器701和气体检测器702分别与中央处理器706通讯连接。
在一些实施例中，请参阅图1，气压调控单元3包括储气罐302和与储气罐302连通的第二调压罐301，第二调压罐301的输出端与试样密封单元5连通，第二调压罐301与试样密封单元5之间设有压力检测器。
储气罐302向第二调压罐301内通入气体，通过第二调压罐301将气压调节至预设值，然后将气体通入试样密封单元5内，观测并记录压力检测器的数值变化，通过瞬态压力脉冲法测试爆破后试样的渗透率，对比试样的渗透率初始值，研究试样爆破的增渗效果。
可选的，第二调压罐301与试样密封单元5之间设有第二输送泵。
可选的，储气罐302内的气体可以为氦气等稀有气体，也可以为氮气，储气罐302内的气体具有稳定性高的特点。
可选的，第二调压罐301内设有温度传感器和压力传感器。
作为气压调控单元3的一种具体实施方式，气压调控单元3还包括设于储气罐302和第二调压罐301之间的增压泵303和真空泵304，真空泵304和增压泵303的输入端并联于储气罐302和第二调压罐301之间，且真空泵304的输出端与排气管连通。
在进行测试之前，可以通过储气罐302向第二调压罐301输入气体，然后将第二调压罐301内的气体经过增压泵303输送至试样密封单元5内，以本装置的气密性进行检测。若气密性检测合格，通过真空泵304将装置内的气体排空，便于进行模拟试验。
在一些实施例中，请参阅图1，试样密封单元5包括框架和与框架连接的多个挡板，多个挡板与框架连接后形成封闭的容纳腔，容纳腔用于容置试样。
采用上述结构可以方便的将试样放入容纳腔内，同时拆卸方便，提高了试验效率。
可选的，挡板与框架的连接处设有密封条，以提高密封效率。
需要说明的是，本发明中采用的试样自上而下依次为顶板岩层、赋矿层和赋矿层底板岩层，将上述材料依次放入试样密封单元5内，能够真实有效的模拟砂岩铀矿的成分。在试样的中间部分开设测试孔，将检测单元7与测试孔连接，方便对浸出液和产生的气体进行检测。
可选的，爆破孔与测试孔垂直。
可选的，测试孔设有多个，多个测试孔之间相互平行。
作为本发明的一种具体实施方式，可以采用钻孔组件对试样进行钻孔，钻孔组件包括支座和设于支座上的钻机，支座上设有滑轨，钻机滑动连接于滑轨上。滑轨上还设有扶正器，钻机的驱动端穿设于扶正器上，扶正器对钻机的驱动端提供支撑，使其保持平衡。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置，其特征在于，包括：
试样密封单元，用于容置并密封砂岩铀矿的试样；
爆破单元，与所述试样密封单元内的试样连通，用于对试样进行爆破，所述爆破单元包括CO2爆破管，所述CO2爆破管的输出端与试样连通，用于使试样爆破产生裂隙，所述爆破单元还包括第一调压罐，所述第一调压罐的输出端与所述CO2爆破管的输入端连通，所述第一调压罐的输入端与气源连通，所述第一调压罐用于调节通入所述CO2爆破管内的气体压力；CO2爆破管包括管体和设于管体内的调压阀，所述调压阀将所述管体沿轴向分为储气腔和气爆腔，所述储气腔具有进气端，所述气爆腔具有出气端，所述出气端设有定压剪切片，所述气爆腔内设有活化器；
溶浸单元，与所述试样密封单元连通，所述溶浸单元用于向所述试样密封单元内通入中性溶浸剂；
注液单元，与所述试样密封单元连通，用于向所述试样密封单元内通入矿层水；
液压调控单元，与所述试样密封单元连通，用于调控所述试样密封单元对试样施加的压力；
所述液压调控单元包括液压驱动器和并联于所述液压驱动器输出端的X轴加载器、Y轴加载器和Z轴加载器，所述X轴加载器的输出端、Y轴加载器的输出端和Z轴加载器的输出端分别与试样上相对应的面连接，X轴加载器、Y轴加载器和Z轴加载器用于确保试样受力均匀，真实模拟砂岩铀矿所处的压力环境；
气压调控单元，与所述试样密封单元连通，用于向所述试样密封单元内通入气体并能够检测通入气体的压力，所述气压调控单元包括储气罐和与所述储气罐连通的第二调压罐，所述第二调压罐的输出端与所述试样密封单元连通，所述第二调压罐与所述试样密封单元之间设有压力检测器，所述气压调控单元还包括设于所述储气罐和所述第二调压罐之间的增压泵和真空泵；以及
检测单元，与所述试样密封单元连通，所述检测单元用于对试样的浸出液和浸出气体进行检测。
2.如权利要求1所述的铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置，其特征在于，所述溶浸单元包括混合罐和并联于所述混合罐输入端的CO2储罐和O2储罐，所述混合罐的输出端与所述试样密封单元连通。
3.如权利要求2所述的铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置，其特征在于，所述混合罐内设有搅拌器。
4.如权利要求1所述的铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置，其特征在于，所述注液单元包括储液罐和与所述储液罐连通的第一输送泵，所述第一输送泵的输出端与所述试样密封单元连通，所述第一输送泵用于将所述储液罐内的液体通入所述试样密封单元内。
5.如权利要求1所述的铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置，其特征在于，所述检测单元包括与所述试样密封单元连通的气液分离组件，以及分别与所述气液分离组件连通的浸出液检测器和气体检测器。
6.如权利要求5所述的铀矿二氧化碳爆破和二氧化碳、氧气地浸开采试验装置，其特征在于，所述检测单元还包括声发射监测装置，所述声发射监测装置包括控制组件和与所述控制组件电连接的探头，所述探头设于试样上，用于记录试样爆破过程中的裂隙扩展数据。
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