松散破碎射气介质中氡运移的气液两相耦合模型及其工程应用

摘要

原地爆破浸出采铀工艺是一种高效、经济的铀矿开采技术，它在低品位硬岩型铀矿资源的开发中具有广阔的应用前景。但其引起的井下氡污染已成为迫切需要解决的问题。原地爆破浸出采场铀矿堆中氡的运移规律研究是原地爆破浸出采铀矿山通风防氡、控氡的重要基础研究课题，对于促进铀矿安全生产、实现铀矿资源的绿色开采和铀矿冶工业的可持续发展有着重要的理论意义和工程实际意义。
　　 论文在国家自然科学基金项目《松散破碎射气介质中氡运移的多相多过程耦合作用模型及数值模拟研究》(No.10575048)的资助下，将原地爆破浸出采场铀矿堆抽象为松散破碎射气介质，通过理论分析、模型试验、数值模拟以及某原地爆破浸出采铀采场的工程应用，取得的创新性研究成果如下:
　　 (1)研制出了获得国家发明专利的松散破碎射气介质多功能渗流试验装置。根据原地爆破浸出采场铀矿堆的粒级分布特征，采用Rosin-Rammler分布公式，选配了七组不同级配的试样，采用所研制的试验装置，进行了气液（水）两相渗流试验研究，研究了特征粒径、粒径分布指数对其中气液（水）两相渗流的影响。
　　 (2)利用松散破碎射气介质气液（水）两相渗流试验结果，采用BP神经网络算法，建立了根据特征粒径、粒径分布指数、孔隙率、含水饱和度预测气液（水）两相有效渗透率的人工神经网络(ANN)模型;采用量纲分析方法，建立了根据松散破碎射气介质气液两相模型试验结果预测松散破碎射气介质原型气液两相有效渗透率的方法。
　　 (3)研制并建立了获得国家发明专利的松散破碎射气介质瞬态氡析出能力测量装置及计算方法。根据Rosin-Rammler分布，选配了七组不同级配的试样，采用所研制的试验装置，测量了七组试样的氡浓度随时间的变化，研究了特征粒径、粒径分布指数、矿石含水率、氡浓度对瞬态氡析出能力的影响。
　　 (4)利用瞬态氡析出能力试验结果，采用自适应神经模糊推理系统(ANFIS)，建立了根据氡浓度、特征粒径、粒径分布指数和矿石含水率预测瞬态氡析出能力的ANFIS模型;采用量纲分析方法，建立了根据松散破碎射气介质瞬态氡析出能力模型试验结果预测松散破碎射气介质原型瞬态氡析出能力的方法。
　　 (5)基于多孔介质中的气液两相渗流理论、氡运移的扩散-渗流理论、放射性衰变理论以及氡的溶解规律，建立了松散破碎射气介质中氡运移的气液两相耦合数学模型。
　　 (6)采用计算流体力学(CFD)方法进行了某原地爆破浸出采铀矿山的采场铀矿堆中氡运移的数值模拟，得到了铀矿堆中氡的浓度分布和氡的运移析出规律，为原地爆破浸出采铀矿山的控氡、降氡提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 氡的运移机制和析出规律研究现状

1．2．2 氡在多孔介质中的运移模型研究现状

1．2．3 松散破碎射气介质渗流研究现状

1．2．4 现有研究的不足和局限

1．3 本论文的研究目的和研究思路

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究思路及技术路线

1．4 本论文的研究内容与成果

第二章 松散破碎射气介质中氡运移的理论基础

2．1 松散破碎射气介质概念的提出

2．2 原地爆破浸出采场铀矿堆的形成

2．2．1 原地爆破浸出工艺的浸出过程

2．2．2 原地爆破浸出采场铀矿堆的构筑要求和方法

2．2．3 原地爆破浸出工艺的浸出要求和布液方式

2．3 松散破碎射气介质的特性

2．3．1 粒级特征

2．3．2 孔隙特征

2．3．3 渗流特征

2．4 松散破碎射气介质的射气作用

2．4．1 放射性衰变

2．4．2 氡的产生

2．4．3 氡的性质

2．4．4 松散破碎射气介质中氡的析出机理

2．4．5 松散破碎射气介质中氡的析出能力及其影响因素

2．5 松散破碎射气介质中氡的迁移

2．5．1 松散破碎射气介质中氡的迁移机制

2．5．2 氡的扩散迁移

2．5．3 氡的对流迁移

2．5．4 氡在射气介质中迁移的微分方程

2．6 小结

第三章 松散破碎射气介质气液两相渗流研究

3．1 引言

3．2 松散破碎射气介质气液两相渗流模拟相似分析

3．2．1 相似准则分析

3．2．2 模型试验结果应用到原型的推导

3．3 试验原理

3．4 相似条件的确定

3．5 试验材料和试验参数的选择

3．5．1 试样材料及其特征粒径选择

3．5．2 试样级配的选择

3．5．3 试样选择结果

3．5．4 两相流体的选择

3．5．5 流量的确定

3．6 试验装置

3．7 试验步骤

3．8 单相渗流试验结果及分析

3．8．1 单相气体渗流试验结果

3．8．2 液体饱和渗流试验结果

3．8．3 单相渗流试验结果分析

3．9 两相渗流结果及分析

3．9．1 试验数据处理方法

3．9．2 试样的孔隙率

3．9．3 气水两相渗流试验结果

3．9．4 气水两相渗流试验结果分析

3．10 气液两相有效渗透率的预测

3．10．1 BP网络拓扑结构

3．10．2 样本集

3．10．3 网络训练与测试

3．11 小结

第四章 松散破碎射气介质瞬态氡析出能力研究

4．1 引言

4．2 试验材料

4．3 松散破碎射气介质瞬态氡析出能力计算方法的建立

4．4 试验装置和仪器

4．5 试验步骤

4．6 试验结果及分析

4．6．1 矿样含水率

4．6．2 氡浓度随时间的变化

4．6．3 瞬态氡析出能力随氡浓度的变化

4．6．4 试验结果分析

4．7 瞬态氡析出能力的ANFIS模型

4．7．1 ANFIS模型结构

4．7．2 样本集

4．7．3 模型训练与测试

4．8 模型试验预测原型的方法

4．9 小结

第五章 松散破碎射气介质中氡运移的气液两相耦合数学模型

5．1 引言

5．2 松散破碎射气介质中氡的运移方程

5．3 松散破碎射气介质中气液两相渗流数学模型

5．4 松散破碎射气介质中氡运移的气液两相耦合数学模型

5．5 模型的特点

5．6 模型的验证

5．6．1 试验方法及过程

5．6．2 数学模型及计算参数

5．6．3 理论计算结果与试验结果的比较

5．7 小结

第六章 松散破碎射气介质中氡运移的数值模拟及工程应用

6．1 引言

6．2 CFD模拟及FLUNT软件简介

6．2．1 CFD模拟

6．2．2 FLUENT软件简介

6．3 原地爆破浸出采铀采场简介

6．4 铀矿堆气液两相渗流的有效渗透率和瞬态氡析出能力的预测

6．4．1 气液两相渗流的有效渗透率的预测

6．4．2 瞬态氡析出能力预测

6．5 采场铀矿堆三维建模及FLUENT中氡运移的气液两相模型的实现

6．5．1 采场铀矿堆三维建模及网格划分

6．5．2 FLUENT中氡运移的气液两相模型的实现

6．6 采场铀矿堆中氡浓度的模拟计算

6．6．1 模拟参数和边界条件

6．6．2 模拟计算结果

6．6．3 模拟计算结果分析

6．7 通风量对采场铀矿堆氡运移的影响

6．8 小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的主要科研成果