矿石形状对浸堆结构及渗流场影响机制

薛振林，张有志，刘志义，甘德清

(华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063210)

堆浸技术在金属铜与金的回收中具有投资少、基建时间短、操作简单、环境友好等优势，得到了较为广泛的重视和应用[1]。溶浸液在矿堆中的渗透性能是影响浸出效果的关键因素，通过改善渗透性提高浸出率已成为国内外相关研究的重点方向。筑堆的矿石大多来自爆破作用产生的矿石，其外形随机性大。筑堆过程中，不同形状的矿石颗粒随机堆积形成骨架结构，骨架间的孔隙是渗透作用的主要通道，细观尺度下孔隙结构影响着矿堆整体的宏观渗透性能。某些筑堆矿石本身存在遇水易泥化的特点，影响着宏观渗透性，降低了目标矿物的回收率。制粒浸出技术能够有效处理此类矿石，其通过黏结剂将矿石制成团粒，改变入堆矿石形态，以改善堆内渗透性[2-3]。但目前关于通过改变入堆颗粒形状改善渗透性的作用机制研究开展的还够深入，因此，探明入堆矿石形状与浸堆内部结构和渗流性能的关系，对堆浸渗流规律的研究和工程实践都具有重要意义。

一些学者开展了颗粒形状与渗透性的研究。张家发等[4]、邱珍锋等[5]通过室内试验，研究颗粒形状组成的岩石样本的渗透性，分析了渗透系数和颗粒球度的关系；ILANKOON等[6]通过柱浸实验，控制宏观的溶液输入输出，对比了不同颗粒形状组成下的浸出渗流规律。此类研究工作均未能深入矿堆的内部，直观揭示内部的孔隙结构与渗流场状态。

对于矿岩堆积内部的结构研究，基于CT技术的非接触式获取孔隙结构已成为主要的实验手段，并在此基础上发展了利用数值模拟方法来研究渗流规律[7]。LIN等[8]基于CT技术重构了柱浸三维结构，并利用Lattice-Boltz-Mann模型对饱和渗流进行了模拟分析；YANG等[9]重构了三维结构，分析了孔隙率、平均孔隙尺寸和有效孔隙尺寸的分布规律；YIN等[10]利用CT技术获取了二维的孔隙结构，利用COMSOL模拟分析了非饱和状态的渗流规律。然而，应用CT技术时，试验对象必须为疏干状态，与实际浸出相比，缺乏液相存在，其结果与实际浸出的内部状态还存在一定的差别。核磁共振成像(MRI)技术可区分液相与固相，用于开展饱和状态下浸出的研究更具优势[11];FAGAN等[12-13]优化了MRI编码序列，获取了更为良好的饱和柱浸细观饱和结构，分析了矿石散体的结构特征，将孔隙率等基本参数进行了量化表征并分析了溶液分布规律;SANKEY等[14]和SEDERMAN等[15]利用MRI开展了矿堆内两相流的相关研究;尹升华等[16]、吴爱祥等[17]也开展了一些成像序列的优化、饱和结构量化及渗流一般规律的基础研究[16- 17]，为本文的研究工作奠定了基础。

本文选取原矿石和球团制粒矿石两种典型的矿石形状作为实验对象，以相同的颗粒级配混合后进行酸浸实验，通过核磁共振成像技术非接触地获取内部饱和结构，分析不同形状矿石堆积成的孔隙结构特征，并利用Navier-Stokes方程模拟了相同压力和入渗速度下渗流场与优势流的分布，进而分析不同矿石形状对矿堆内结构和渗流的影响机制。

1 堆内结构探测实验

堆浸内部饱和的细观孔隙结构通过核磁共振成像技术(MRI)实验获取。核磁共振成像仪器为美国通用电气Discovery MR750.0T，见图1。成像参数：切片厚度4 mm，缺口0.4 mm，视野15 cm×15 cm，翻转角20°，重复时间(TR)40 ms，回波时间(TE)6.84 ms，片层厚度4 mm。

图1 MRI成像设备

实验材料为来自云南某氧化铜矿石，矿石形状分为两类典型形状，第一类为现场入堆的普通原矿石；第二类为由粉矿经过球团工艺制成的外形规则的制粒矿石。柱浸时选取相同的粒径级配的两类矿石，见图2。将两类矿石各自混合后置于自制有机玻璃柱内，玻璃柱高220 mm，内径60 mm，然后进行常规酸浸实验，待饱和稳定后置于核磁共振仪中进行成像实验，保存整理实验获得的图像数据。

图2 颗粒粒径分布

2 结果与讨论

2.1 结构分割处理

矿堆内的结构构成中，对渗透作用影响最大的是孔隙结构，它是溶液渗流的主要通道。所以，矿石形状对于堆内结构的研究对象为矿堆内部的孔隙分布情况。将内部饱和结构的图像二值化处理，经过图像反转得到孔隙分布情况。再以形态学为依据，利用图像腐蚀的方法对孔隙进行分割，得到分离孔隙，获得单孔隙分布情况，处理过程及结果如图3所示。

图3 MRI图像处理

2.2 不同形状对孔隙结构影响规律

由于图像腐蚀分割后，孔隙形状各异，且数量较大，为了分析孔隙分布规律，引入当量直径作为孔隙评判参数，借助统计学方法进行分析，首先利用图像处理软件计算分割后的单孔隙面积，并以孔隙等面积圆的当量直径为指标分析孔隙特征，其中当量直径计算公式见式(1)。

(1)

式中：R为等效当量直径；A为孔隙面积。

统计所得结果，将当量直径以0.5 mm为单位差值进行孔隙直径分布分析，见图4。

结果表明，不同形状的矿石在筑堆后，其内部孔隙的量化分布均以小孔径为主，孔隙分布的整体趋势具有部分一致性，但其差异性也十分显著。其中制粒矿石间的孔隙尺寸的分布具有连续性，呈现先增加后降低趋势，尺寸在1.50～2.50 mm的孔隙数量最多，大直径孔隙分布均衡，最大当量直径为6.40 mm。原矿石组成的结构，其孔隙分布无明显峰值，分布跨度大，大直径孔隙在8.00～11.00 mm中存在缺失，最大当量直径为11.39 mm。

对孔隙分布规律进行拟合，分别得到制粒矿石的孔隙分布(式(2))和原矿石的孔隙分布(式(3))。

(2)

y2=9.73106+31.19545x-74.68688x2+

65.44209x3-28.5092x4+6.96227x5-

1.00059x6+0.08412x7-

0.00383x8+0.0000729836x9

(3)

拟合结果表明，球团矿石间孔隙分布近似服从正态分布，中心μ=2.0 mm；而原矿石间的孔隙分布拟合结果为多元多次方程，该结果与YANG 等[9]采用CT技术获得的研究结果并不完全一致，并不都符合正太分布。说明不同的矿石形状对孔隙的形状和分布具有较大的影响，而且在浸出过程中大部分区域处于饱和状态，忽略溶液的存在得到的结果存在一定的偏差。

2.3 矿石形状对渗流速度场分布影响规律

采用COMSOL Multiphysics软件进行基于偏微分方程的建模和计算，选取地球科学模块，研究细观典型饱和孔隙结构对渗流的影响规律。采用不可压缩流体的Navier-Stokes方程组进行描述溶浸液在颗粒间的流动，见式(4)。

(4)

式中：η为动力学黏性系数,kg/(m·s)；u表示速度,m/s；ρ为液体密度,kg/m3；p为压强,Pa；T为温度,℃；I为单位矩阵。

基本假设：溶液是连续的不可压缩流体，密度和温度保持恒定，仅在重力作用下流动。流动只发生在颗粒间的孔隙，流动层流，并且对于左右边界是对称的，矿石颗粒位置不变。边界条件：顶端流入，初始平均速度为uav=0.02 m/s，入口端点速度约束为零；底端流出，压力黏滞应力为0；左右两边为对称边界，无流动。

将原始MRI图像利用数字处理技术转换为DXF格式，导入COMSOL创建有限元模型。定义模型参数，溶液密度为ρ=1 000 kg/m3，黏滞应力0.001 kg/(m·s)，入口初始压力p0=0.715 Pa，极端细化剖分网格，进行求解，最终可视化处理结果。通过模拟计算，得到了相同入渗条件下两类矿石形状所组成结构的渗流速度场分布，如图5所示。

分析矿石形状对渗流场分布影响，图5(a)与图5(b)间溶浸液渗流速度场分布差异明显，制粒矿石间速度场分布更为均衡，孔隙间无明显优势流，最大流速0.1863 m/s，渗透性良好；而原矿石间存在着很多浸出盲区，低流速区域分布较大，出现了明显的优势流，从入口处直接贯穿至出口，如图5(b)中椭圆区域所示，速度等值线图更好地反应了优势流的存在，高流速区集中分布在优势流线路中，其流速最大值0.2714 m/s。

图4 孔隙当量直径分布

图5 渗流速度场

矿石形状越规则，其对应的内部孔隙结构空间分布越均衡，整体渗流速度场分布更为均衡，不易出现大片浸出盲区和贯穿结构优势流。反之，随机破碎矿石形状不具备较强的均一性，其对应的内部孔隙结构空间分布随机性强，其内部浸出盲区较多，优势流明显。

2.4 矿石形状对出口边界速度场影响规律

出口边界流速是溶液穿过矿堆内部结构后的流出矿堆的最终表现形式，反映沟流出现的情况。分别选择出口边界作研究对象，其流速分布情况见图6。

分析出口流速分布可知，制粒矿石间孔隙流速表现为中心高边缘低的似抛物线状分布，流动区域与孔隙大小呈正相关，在距左边界20～40 mm处近似于两个抛物线流场的叠加耦合作用。矿石颗粒间出口边界速度分布没有呈现抛物线状，流速峰值在靠近左侧边壁处，位于贯穿结构的优势流末端。

2.5 矿石形状对结构和渗流分布的影响机制

为了有效评价不同矿石形状对内部结构的影响规律，提出了矿石形状均匀系数(K)的概念，其定义为矿石形状均匀系数等于最小外接圆直径与等面积圆当量直径的比值，公式表达见式(5)，图形示意见图7。

(5)

式中：R外为矿石最小外接圆的直径；R内为矿石等面积当量圆直径。

图6 出口边界速度分布

图7 矿石形状均匀系数示意

原矿石经爆破产生，其形状极不规整(图7(a))，通过球团制粒的矿石其外形近似于球体，二维结构面呈现椭球状，见图7(b)。图7(a)和图7(b)两矿石具有相同的当量直径，Ra内=Rb内=26 mm，不同的是由于形状的不同其外切圆直径变化较大，Ra外=37.9 mm,Rb外=30.6 mm，其均匀系数分别为Ka=1.45，Kb=1.17，Ka>Kb。分析可知，当量直径相同的矿石，外形越不规则其外接圆面积越大，对应的K值越大。对于本实验堆积的两种形状矿石而言，原矿石外形有凸出棱角状且表面粗糙，K值偏大，矿石颗粒在堆积时互相之间的接触点少，在堆积时密实性不够高，容易产生个别的大孔隙，这些大孔隙可以承载较多的溶液，但当大孔隙连通起来时就成为了优势流的通道。制粒矿石外形规整K值偏小，矿石间接触点多，堆积时密实性良好，孔隙分布均衡，不易产生大孔隙。综上，矿石形状对内部结构作用可以用矿石形状的K值表示，即K值越小，孔隙分布越均衡。

细观尺度下，孔隙的连通性是影响速度场分布的最重要因素。矿石形状均匀系数不同，堆积后结构内孔隙分布不同。原矿石K值大，孔隙分布不均衡，大孔隙内溶液难以流动，形成浸出盲区，然而大孔隙间一旦贯通就形成了溶液流动的优先通道，并在通道咽喉处出现速度最大点，形成内部优势流和底部沟流。制粒矿石K值小，孔隙分布均衡且互相之间的连通性良好，溶液的渗流通道分布均衡，速度场分布均匀，不易出现优势流。为了达到更为均衡的渗透效果，在现场筑堆时，可从控制入堆矿石形状入手，适当时选择制粒浸出，优化孔隙结构分布，以达到溶浸液渗流速度场均匀分布的目的。

3 结 论

1) 原矿石间孔隙不服从正太分布，在8.00～11.00 mm间缺失，存在直径为11.39 mm的特殊大孔隙。制粒矿石间孔隙分布更为均衡，服从正态分布，μ=2.0 mm，最大孔隙当量直径为6.40 mm。

2) 制粒矿石间速度场分布均匀，孔隙间无明显优势流；原矿石间存在贯穿结构上下的优势流，流速极值大，且存在较大浸出盲区，出口边界变现为流场叠加状态。

3) 矿石形状均匀系数K可以有效描述矿石形状对内部孔隙和渗流的影响机制。K值越小，孔隙分布越均衡，不易出现特殊大孔隙，孔隙连通性分布均衡，渗流场分布均衡，无明显优势流；K值越大，越容易产生大孔隙，出现浸出盲区，大孔隙连通成为优势流的通道，致使流场分布不均衡。