某砂巖型鈾礦床孔隙介質(zhì)對(duì)示蹤劑吸附作用的試驗(yàn)研究

張錦堂，劉金輝，李 江，周義朋

（1.東華理工大學(xué)，南昌330013；2.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司，新疆伊寧835000）

某砂巖型鈾礦床孔隙介質(zhì)對(duì)示蹤劑吸附作用的試驗(yàn)研究

張錦堂1，劉金輝1，李 江2，周義朋1

（1.東華理工大學(xué)，南昌330013；2.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司，新疆伊寧835000）

為了研究某砂巖型鈾礦床地下水示蹤過(guò)程中砂巖介質(zhì)對(duì)示蹤劑熒光素鈉的吸附作用，在實(shí)驗(yàn)室模擬含礦含水層滲流，在砂管中進(jìn)行示蹤劑熒光素鈉的運(yùn)移和吸附試驗(yàn)。結(jié)果表明，在瞬時(shí)投源的條件下，熒光素鈉的運(yùn)移速度隨運(yùn)移距離增加而減慢，其濃度峰值也逐漸減??；砂巖介質(zhì)對(duì)熒光素鈉的吸附作用較強(qiáng)，吸附量達(dá)65%。采用熒光素鈉進(jìn)行野外地下水示蹤試驗(yàn)，吸附作用對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的影響必須加以考慮。

砂巖介質(zhì)；地下水示蹤；熒光素鈉；吸附作用

地下水示蹤試驗(yàn)是研究地下水系統(tǒng)的重要方法［1-4］，近些年來(lái)也常應(yīng)用于砂巖型鈾礦地浸開(kāi)采過(guò)程中的溶質(zhì)運(yùn)移研究［5-6］。低滲透砂巖型鈾資源開(kāi)發(fā)是我國(guó)地浸采鈾所面臨的難題之一［7-9］，新疆某砂巖型鈾礦即是其中的典型礦床之一，其滲透系數(shù)僅為0.1m/d左右。為了研究該礦床地浸采鈾過(guò)程中的溶浸液運(yùn)移過(guò)程，采用熒光素鈉作為示蹤劑開(kāi)展野外示蹤試驗(yàn)。鑒于所研究礦床含礦含水層滲透性差、水力梯度小、地下水滲流速度很慢［10］，礦層砂巖介質(zhì)對(duì)示蹤劑的吸附作用可能對(duì)試驗(yàn)造成不可忽略的影響。為了研究在這種水力條件下孔隙介質(zhì)對(duì)熒光素鈉的吸附程度，在開(kāi)展野外試驗(yàn)前，采用該礦床含礦含水層巖芯樣品，在實(shí)驗(yàn)室模擬含礦含水層滲流條件開(kāi)展熒光素鈉的吸附試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)裝置與材料

試驗(yàn)裝置如圖1。砂管直徑67mm，水平長(zhǎng)度1 680mm。砂管兩端各設(shè)一個(gè)溢流口，分別為砂管的進(jìn)水口和出水口。上游端口附近設(shè)一個(gè)投源孔，孔口朝正上方向，下游依次設(shè)1＃、2＃、3＃、4＃四個(gè)觀測(cè)孔，孔口側(cè)向，孔距30cm，取樣管管頭置于砂管中心部位，并用紗布封堵過(guò)濾。

將巖芯樣品按自然粒度破碎混勻，均勻填充于砂管中壓實(shí)，通過(guò)調(diào)整砂管兩端高差來(lái)控制水力梯度；通過(guò)水流測(cè)試，根據(jù)滲流時(shí)間及水量求取平均流速v＝0.299m/d；根據(jù)填砂空間及試水階段容水量來(lái)計(jì)算調(diào)整孔隙度，計(jì)算得出孔隙度為0.27。介質(zhì)填裝孔隙度及滲流條件與野外地浸條件相當(dāng)。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 The experiment device

從投源管投放濃度為5g/L的熒光黃鈉1 mL，投源后在圖1中的1＃、2＃、3＃、4＃斷面以及砂管出水口等五個(gè)位置采集水樣，每次取樣時(shí)需排除取樣管中上階段殘存水約3mL，然后再采集水樣約4mL。示蹤劑濃度峰值前后取樣密度1次/h，待所有監(jiān)測(cè)位置濃度峰值均過(guò)去后取樣密度改為2次/h，至濃度下降且變化較小時(shí)結(jié)束。熒光素鈉濃度采用960MC熒光分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熒光素鈉吸附量的計(jì)算方法

示蹤劑投入試驗(yàn)裝置后，示蹤劑的途徑除被介質(zhì)吸附外還包含監(jiān)測(cè)過(guò)程中取樣取出，裝置出水端流出，以及砂管中溶液中殘留示蹤劑。即介質(zhì)對(duì)示蹤劑吸附量計(jì)算方法為：

式中：A—砂巖介質(zhì)對(duì)熒光素鈉的吸附量，mg/L；T—熒光素鈉的總投源量，mg/L；S—監(jiān)測(cè)水樣所采集出的熒光素鈉量，mg/L；F—出水端流出溶液中的熒光素鈉量，mg/L；W—砂管溶液中熒光素鈉的殘留量，mg/L。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及計(jì)算

2.2.1 示蹤劑運(yùn)移監(jiān)測(cè)結(jié)果

各監(jiān)測(cè)斷面及出水端示蹤劑濃度如圖2所示。

1＃斷面在第10h示蹤劑濃度到達(dá)了峰值（10.722mg/L）并隨后開(kāi)始下降，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)趨于穩(wěn)定；2＃斷面在第22h示蹤劑濃度到達(dá)峰值（4.738mg/L）；3＃斷面在第43h示蹤劑濃度到達(dá)峰值（0.664mg/L）；4＃斷面以及出水端其示蹤劑濃度一直較低，最高時(shí)為0.14mg/L。1＃、2＃、3＃取樣孔與投源孔的距離分別為30、60和90cm，出現(xiàn)濃度峰值所需的時(shí)間分別為10、22和43h。若以取樣孔出現(xiàn)濃度峰值的時(shí)間以及相應(yīng)的距離來(lái)計(jì)算溶質(zhì)運(yùn)移速度，則1＃、2＃、3＃分別為0.72、0.65、0.50 m/d，示蹤劑運(yùn)移速度隨距離增加而減慢。

圖2 示蹤劑濃度—時(shí)間關(guān)系圖Fig.2 Relationship between tracer concentration and time

2.2.2 砂管溶液中示蹤劑殘留量的計(jì)算

分別對(duì)第16、22、43、74、106h各監(jiān)測(cè)點(diǎn)示蹤劑濃度進(jìn)行分析，各監(jiān)測(cè)孔示蹤劑濃度與距投源孔距離關(guān)系（t＝16h）如圖3所示，圖中散點(diǎn)為試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，曲線為統(tǒng)計(jì)函數(shù)曲線C～x。同樣對(duì)第22、43、74、106h濃度距離曲線進(jìn)行擬合獲得相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)砂管內(nèi)示蹤劑濃度統(tǒng)計(jì)函數(shù)，見(jiàn)表1。根據(jù)各時(shí)刻的示蹤劑C-x函數(shù)，對(duì)孔隙容積進(jìn)行積分，即可得到相應(yīng)時(shí)刻管內(nèi)溶液中的示蹤劑的質(zhì)量。積分函數(shù)和積分計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖3 第16h各監(jiān)測(cè)點(diǎn)示蹤劑濃度與距離關(guān)系圖Fig.3 Relationship between tracer concentration with distance of monitoring points at the 16h

2.2.3 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)過(guò)程中取出水樣中的示蹤劑量計(jì)算

對(duì)于試驗(yàn)過(guò)程中取出的示蹤劑量（S）可以根據(jù)相應(yīng)時(shí)間取樣次數(shù)以及取出的體積進(jìn)行累積計(jì)算得出。

2.2.4 出水端流出示蹤劑量計(jì)算

試驗(yàn)管末端流出的示蹤劑量（F）利用示蹤劑的濃度變化函數(shù)進(jìn)行流量積分求得，示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示，圖中散點(diǎn)為示蹤劑濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，曲線為擬合函數(shù)曲線。分別得出16、22、43、74和106h內(nèi)從管體末端流出示蹤劑量，計(jì)算結(jié)果列于表2。

表1 各時(shí)刻砂管內(nèi)溶液中示蹤劑濃度（C）統(tǒng)計(jì)函數(shù)及質(zhì)量（W）Table 1 The statistical functions of tracer concentration（C）and mass（W）in sand pipe

圖4 出水端示蹤劑濃度—時(shí)間曲線Fig.4 Relationship between tracer concentration and time at the exit

表2 各時(shí)間段內(nèi)取樣取出以及出水口流出示蹤劑量Table 2 The comparison of tracer amount by sampling and outflowing

2.2.5 熒光素鈉吸附量計(jì)算結(jié)果至此，據(jù)式（1），可求出各時(shí)間段內(nèi)砂管中對(duì)示蹤劑的吸附量。試驗(yàn)期間熒光素鈉吸附量變化曲線如圖5所示。

圖5 介質(zhì)對(duì)示蹤劑吸附量曲線Fig.5 The curves of the tracer’s adsorption capacity by the media

由圖5可見(jiàn)，試驗(yàn)期間的前40h，砂巖介質(zhì)對(duì)熒光素鈉的吸附量逐漸增加，隨后漸趨穩(wěn)定，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，吸附量為3.233mg，占總投源量的65%。可見(jiàn)，在滲流速度較慢的地下水系統(tǒng)中，礦床砂巖介質(zhì)對(duì)熒光素鈉的吸附作用比較顯著，這是現(xiàn)場(chǎng)示蹤試驗(yàn)過(guò)程中需要考慮的重要影響因素之一。

3 結(jié)論

1）示蹤劑隨著孔隙水滲流運(yùn)移，隨運(yùn)移孔距離的增加，其濃度逐漸衰減。試驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)為1＃、2＃、3＃斷面濃度峰值逐漸減小，至4＃斷面濃度峰值已不明顯。

2）熒光素鈉的運(yùn)移速度略慢于孔隙水的滲流速度，并表現(xiàn)出隨距離增加而減慢的變化規(guī)律。

3）試驗(yàn)結(jié)果表明，所研究礦床的砂巖介質(zhì)對(duì)熒光素鈉的吸附作用較強(qiáng)，在模擬礦層滲流條件下，累計(jì)吸附量可達(dá)到投源總量的65%。采用熒光素鈉開(kāi)展地浸采鈾的示蹤試驗(yàn)時(shí)，吸附作用所產(chǎn)生的影響必須加以考慮。

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Experimental study on the adsorptionof tracer by porous medium of a sandstone-type uranium deposit

ZHANG Jintang1，LIU Jinhui1，LI Jiang2，ZHOU Yipeng1
（1.East China Institute of Technology，Nanchang 330013，China；2.Xinjiang Tianshan Uranium Co.，Ltd.，CNNC，Yining Xinjiang 835000，China）

In order to study the adsorption of the tracer fluorescein sodium by sandstone media in groundwater tracing process of a sandstone-type uranium deposit，this paper simulates tubular tracer which contained mine to research the transportation and adsorption of fluorescein sodium in laboratory.The results show that：on the condition of transient investment tracer transiently，the farther of the transport distance，the slower of the tracer fluorescein sodium’s transport speed，and with the peak value of concentration is decreased gradually.The adsorption of fluorescein sodium by sandstone media is strong and the adsorption capacity totaled 65%.So，the author did groundwater tracer tests with fluorescein sodium，the effect of adsorption can not be ignored.

sandstone media；groundwater tracer；fluorescein sodium；adsorption

TD868

Α

1671-4172（2015）03-0062-03

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973 計(jì)劃）項(xiàng)目（2012CB723101）

張錦堂（1988-），男，碩士研究生，水文學(xué)與水資源專業(yè)。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.013