尹升華，王雷鳴，潘晨陽(yáng)，陳 勛, 謝芳芳

?

細(xì)粒層存在條件下礦巖散體內(nèi)的溶液流動(dòng)特性

尹升華1, 2，王雷鳴1, 2，潘晨陽(yáng)1，陳 勛1, 2, 謝芳芳1

(1. 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2. 北京金誠(chéng)信礦山技術(shù)研究院有限公司，北京101500)

柱浸過(guò)程中礦巖散體的不均勻分布影響著溶液的滲流規(guī)律。為考察細(xì)粒層的存在下溶液流動(dòng)特性，利用CT技術(shù)與COMSOL Multiphysics多相耦合模擬軟件，開(kāi)展礦巖散體內(nèi)溶液滲流模擬研究，獲得細(xì)粒層存在條件下的流體流動(dòng)軌跡、滲流速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)分布規(guī)律。結(jié)果表明：細(xì)粒層影響著溶液的流動(dòng)軌跡和優(yōu)先流的形成，具體表現(xiàn)為大部分溶液繞過(guò)細(xì)粒層形成優(yōu)先流，細(xì)小支流橫穿細(xì)粒層，在細(xì)粒層內(nèi)部溶液難以到達(dá)的位置，溶液流速較低，形成溶液流動(dòng)的停滯區(qū)。細(xì)粒層內(nèi)溶液速度降與壓力降較小，在相鄰細(xì)粒層的孔喉位置處，溶液流速及該處壓力明顯增高。

滲流；偏析；優(yōu)先流；數(shù)值模擬；流動(dòng)行為；CT技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，礦產(chǎn)資源的需求日益枯竭，對(duì)低品位、難處理的銅等貴重金屬的開(kāi)采成為采礦未來(lái)發(fā)展的重要方向[1]。溶浸采礦能夠有效地回收復(fù)雜難處理的低品位礦石，并具有經(jīng)濟(jì)性、高效性與環(huán)境友好性等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于提取難采選礦石及廢石中的有用元素[2?6]。

近年來(lái)，核磁共振技術(shù)(MRI)、計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)以及粒子圖像測(cè)速法(PIV)等技術(shù)，因其具有無(wú)損地內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、溶液分布及演化規(guī)律等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用礦巖散體內(nèi)溶液滲流規(guī)律研究。比如：FAGAN等[7]基于MRI與重力研究滴灌堆體內(nèi)部水體及微生物運(yùn)移繁殖規(guī)律，吳愛(ài)祥等[8?9]利用MRI技術(shù)和CT技術(shù)，對(duì)柱浸系統(tǒng)中礦巖散體結(jié)構(gòu)及溶液分布情況開(kāi)展研究。DHAWAN等[10]對(duì)CT技術(shù)在堆浸系統(tǒng)分析及應(yīng)用的最新進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。尹升華等[11]利用PIV技術(shù)對(duì)礦堆溶液滲流場(chǎng)進(jìn)行了無(wú)損探測(cè)，并考察了噴淋強(qiáng)度等對(duì)滲流規(guī)律的影響。堆浸堆體內(nèi)部礦石與孔隙分布分布具有不均勻性和隨機(jī)性，MILLER 等[12]和LIN等[13?14]基于CT技術(shù)與結(jié)合Lattice Boltzmann(LB)，對(duì)柱浸體系內(nèi)流體滲濾過(guò)程中的孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)的流體進(jìn)行了模擬，并分析獲得了孔隙結(jié)構(gòu)與柱內(nèi)有效流之間的關(guān)系。王貽明等[15]利用超聲波技術(shù)，探究了其強(qiáng)化浸出低品位硫化銅礦的可行性和影響機(jī)理。利用COMSOL Multiphysics等多相多場(chǎng)耦合模擬軟件分析浸礦孔隙內(nèi)部流體流動(dòng)特征[16]。此外，DHAWAN等[17]研究也證實(shí)了不同尺寸礦石顆粒的不均勻分布對(duì)堆體內(nèi)溶液的擴(kuò)散和有用元素的浸出具有明顯作用。葉勇軍等[18]開(kāi)展柱浸試驗(yàn)，考察了不同粒徑分布分維數(shù)條件下的鈾礦石浸出規(guī)律。吳愛(ài)祥等[19]基于顆粒群組構(gòu)特性，對(duì)氧化銅礦柱浸滲流行為進(jìn)行分析。但是，對(duì)于細(xì)粒區(qū)域存在條件下柱浸體系內(nèi)溶液流動(dòng)軌跡、滲流速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)特性的細(xì)觀研究仍較為匱乏。

本文作者針對(duì)堆浸筑堆過(guò)程中常見(jiàn)的礦石不均勻分布(顆粒偏析)這一現(xiàn)象，將CT技術(shù)與COMSOL Multiphysics耦合模擬軟件結(jié)合，對(duì)礦巖散體內(nèi)的溶液流動(dòng)軌跡、滲流速度場(chǎng)及出口邊界速度分布、滲流壓力場(chǎng)分布特性等進(jìn)行研究，研究結(jié)果對(duì)于改善堆浸筑堆方式、提高浸出效果等具有很好的借鑒 意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 CT圖像獲取及二值化處理

本實(shí)驗(yàn)采用福建某次生硫化銅礦，采用德國(guó) Siemens AG X型線(xiàn)電子計(jì)算機(jī)斷層掃描儀，獲取若干柱浸系統(tǒng)的橫縱截面的CT圖像。利用Adore Illustrator圖像處理軟件對(duì)二維灰度圖像進(jìn)行二值化處理，如圖1所示。其中，黑色部分表示礦石間孔隙，白色部分表示礦石顆粒。此外，材料的密度是通過(guò)材料的衰減系數(shù)[20]，以X射線(xiàn)表示。當(dāng)X射線(xiàn)穿過(guò)被檢物，透過(guò)光線(xiàn)的明亮程度依據(jù)式(1)所示：

式中：0是X射線(xiàn)穿透物體前的強(qiáng)度；是X射線(xiàn)穿透物體后的強(qiáng)度；m是每檢測(cè)到的對(duì)象的單位質(zhì)量吸收系數(shù)。由圖1可見(jiàn)，在礦巖散體內(nèi)存在3個(gè)以細(xì)粒層為主導(dǎo)的細(xì)粒區(qū)域，將其分別命名為細(xì)粒區(qū)域、和。可以看到細(xì)顆粒主要位于柱體的核部，而粗顆粒主要位于柱體的周邊位置，由此導(dǎo)致礦石筑堆過(guò)程中不同粒徑礦石顆粒的分布不均勻，即偏析現(xiàn)象。

圖1 柱體縱截面CT圖像獲取及圖像的二值化處理

Fig. 1 CT images and its binarized images of column longitudinal sections: (a) CT scanning apparatus; (b) Pretreatment of processing Binarized

1.2 模型構(gòu)建及邊界條件設(shè)定

利用COMSOL Multiphysics耦合模擬軟件，構(gòu)建二維滲流模型并設(shè)定邊界條件。將二值化圖像導(dǎo)入Adobe Illustrator進(jìn)行圖像矢量化處理，獲取DXF文件，再導(dǎo)入COMSOL Multiphysics耦合軟件，在二維多孔介質(zhì)模型環(huán)境下，通過(guò)常微分方程和邊界條件等控制模擬過(guò)程，研究細(xì)粒區(qū)域存在條件下，礦石孔隙之間流體的流動(dòng)軌跡、滲流速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)分布特性。

其中，多孔介質(zhì)中的慢速流動(dòng)由Brinkman方程控制，如式(2)及(3)所示；礦石間孔隙中的飽和流由Navier-Stokes方程控制，如式(4)所示。

(3)

(4)

基于Darcy定律及水流連續(xù)性方程的一般滲流偏微分方程，如式(5)所示：

式中：是壓力；是達(dá)西速度場(chǎng)；是溶液的動(dòng)態(tài)黏度；P是孔隙度；為介質(zhì)的磁導(dǎo)率；為溶液密度；為位置水頭；m為源匯項(xiàng)；為孔隙率。

入口邊界的約束條件如式(6)所示：

出口邊界的約束條件如式(7)所示：

(7)

式中：0為0.715 Pa。此外，具體的滲流參數(shù)如表1所列。

此外，建設(shè)模型前，需要作出以下假設(shè)：

1) 溶液流動(dòng)僅發(fā)生在孔隙中，未滲透到礦石顆粒內(nèi)部，忽略毛細(xì)作用；

2) 礦石顆粒的粒度是不變化的；

3) 孔隙中的溶液是不可壓縮、連續(xù)的。

最終，通過(guò)設(shè)定的邊界條件與初始值等，導(dǎo)入COMSOL Mutliphysics多場(chǎng)多相耦合模擬軟件，獲得滲流物理模型、網(wǎng)格模型以及計(jì)算網(wǎng)格的局部放大情況，如圖2所示。

表1 滲流模擬的關(guān)鍵參數(shù)

圖2 滲流物理模型及網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果與討論

2.1 基于流線(xiàn)的溶液流動(dòng)軌跡模擬

滲流速度場(chǎng)內(nèi)流體流線(xiàn)模擬結(jié)果如圖3所示。設(shè)置流線(xiàn)模擬的起點(diǎn)為柱體上表面，藍(lán)色曲線(xiàn)即為流線(xiàn)，用于表征礦巖散體內(nèi)的溶液流動(dòng)軌跡及優(yōu)先流通道等滲流特性。其中，流線(xiàn)為粗細(xì)均一的曲線(xiàn)，流線(xiàn)的數(shù)量與流體的流量呈正比，流線(xiàn)間距與該處流體流量呈正比，其積分容差為0.001，穩(wěn)態(tài)點(diǎn)停止容差與循環(huán)容差均為0.01，流線(xiàn)數(shù)量為20。

由圖3(a)可見(jiàn)，在礦體顆粒非均勻分布的作用下，柱體上部的流線(xiàn)分布較分散，間距較大；下部流線(xiàn)分布較為集中，并形成了以?xún)晒蓛?yōu)先流為主導(dǎo)的流動(dòng)軌跡。將流線(xiàn)模擬結(jié)果圖進(jìn)行局部放大，得到圖3(b)。由圖3(b)可見(jiàn)，在流線(xiàn)不斷向下延伸傳遞的過(guò)程中，位于柱體核部的細(xì)粒區(qū)域?qū)α骶€(xiàn)分布具有明顯的分流作用。依據(jù)細(xì)粒區(qū)域內(nèi)顆粒的尺寸與外形的差異，礦體顆粒對(duì)流線(xiàn)分布的影響程度略有差別，流線(xiàn)間不斷的匯聚與分開(kāi)表征著溶液的不斷匯合與分流。此外，在毛細(xì)吸力的作用下，尺寸較細(xì)的顆粒傾向于被粘結(jié)在一起。在這種橋接效應(yīng)下，顆粒處于擺動(dòng)狀態(tài)，該現(xiàn)象也在前人的研究中得以驗(yàn)證[21]。

在柱浸體系下部區(qū)域，礦巖粒徑加大且分布隨機(jī)，相比細(xì)粒區(qū)域，下部的優(yōu)先流更加明顯。由此表明，由于細(xì)粒區(qū)域內(nèi)若干微細(xì)裂隙的存在，在大部分溶液繞過(guò)細(xì)粒區(qū)域的同時(shí)，部分溶液被分流形成若干局部?jī)?yōu)先流，以不斷繞過(guò)細(xì)顆粒的方式向下滲流，縱穿細(xì)粒區(qū)域，并在溶液難以到達(dá)的部位形成了數(shù)量較多的停滯區(qū)。這一現(xiàn)象也通過(guò)后續(xù)滲流速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的研究得以驗(yàn)證。

2.2 礦巖孔隙內(nèi)部及出口邊界的速度場(chǎng)分布

滲流速度場(chǎng)及壓力場(chǎng)分布情況的模擬結(jié)果如圖4和5所示。其中，亮藍(lán)色表示流體的流速較高，暗藍(lán)色表示速度較低。如圖4(a)所示，在礦石孔隙中的不同位置有若干矢量箭頭，其方向標(biāo)明了溶液流動(dòng)方向，矢量箭頭的長(zhǎng)度與該處流體流速成正比。

由圖4(a)可知，溶液集中分布于柱體中間部位，在柱體近邊壁位置的溶液量較小，流速較低，形成明顯的浸出盲區(qū)。礦巖散體孔隙內(nèi)的流體逐步形成優(yōu)先流，將圖4(a)局部放大后獲得圖4(b)，可見(jiàn)在細(xì)粒區(qū)域內(nèi)，溶液矢量箭頭較短、分布均勻且為暗藍(lán)色，表明該處溶液流速較小，溶液流動(dòng)緩慢，即細(xì)粒區(qū)域?qū)е铝巳芤毫鲃?dòng)停滯區(qū)的生成，如圖4(b)紅色虛線(xiàn)圈出部分所示。在礦巖散體的狹小通道區(qū)域內(nèi)，流速矢量箭頭較長(zhǎng)且呈亮藍(lán)色，在礦石顆粒的分流作用下，箭頭方向不同，連通的狹小管狀通道內(nèi)溶液增速明顯，隨滲流孔道的直徑減小，滲流速度明顯增大。因此，細(xì)粒區(qū)域?qū)е氯芤毫鲃?dòng)停滯區(qū)的形成，并以此間接地控制著溶液流動(dòng)軌跡及滲流場(chǎng)特性。

圖3 滲流場(chǎng)內(nèi)溶液流動(dòng)軌跡模擬

圖4 細(xì)粒區(qū)域存在條件下礦巖散體內(nèi)滲流速度場(chǎng)分布

流體流速分布的高度表達(dá)式是以流速值為因變量，凸起的高度為因變量的關(guān)系曲面，如圖5所示。其中，流體流速與凸起的高度成正比。研究表明：在柱體的核部形成了優(yōu)勢(shì)凸起，這表明在浸礦過(guò)程中，礦巖散體中的優(yōu)先流逐漸形成并主要集中于柱體核部區(qū)域，并且該優(yōu)先流在柱體下部得到了明顯體現(xiàn)。優(yōu)先流繞過(guò)大塊礦巖顆粒向下流動(dòng)，在柱體左上部一狹小通道內(nèi)達(dá)局部流體速度的最高值，為1.98×10?5 m/s。由圖5(b)可知，柱體前段凸起較少，而末端出口位置凸起較多，表明流體進(jìn)入柱體后，在細(xì)粒區(qū)域的作用下流體流速較為穩(wěn)定且流速值較低；在流體通過(guò)細(xì)粒區(qū)域后，流速呈現(xiàn)普遍增加的趨勢(shì)且變化程度增加。這表明細(xì)粒層的存在是導(dǎo)致形成溶液流動(dòng)停滯區(qū)的重要因素。在停滯區(qū)內(nèi)，溶液量稀少且溶液流動(dòng)緩慢，處于相對(duì)停滯的狀態(tài)，流體交換主要依靠液體的橫向毛細(xì)作用和滲透壓作用[22]。因此，停滯區(qū)中的浸出作用緩慢且效果較差，有用元素回收率較低。

圖5 基于高度表達(dá)式的滲流速度場(chǎng)分布

圖6 出口邊界速度場(chǎng)分布

圖6所示為模型下部出口邊界的速度分布情況，出口邊界的位置已于圖4中標(biāo)明。其中，橫坐標(biāo)表示與出口邊界左端的距離，藍(lán)線(xiàn)表示流體流速的分布規(guī)律，紅線(xiàn)表示礦石顆粒，該處流體流速為0 m/s。

由圖6可知，在溶液的出口邊界處，速度分布曲線(xiàn)呈現(xiàn)若干不同程度的拋物線(xiàn)狀凸起的形態(tài)，曲線(xiàn)凸起的高度與該處溶液的流速成正比，凸起曲線(xiàn)斜率與孔道直徑減小的幅度成正比。對(duì)于由多尺寸礦石構(gòu)成的滲流通道，在黏滯力的作用下，礦石表面溶液流速較低；隨取值點(diǎn)與孔道中心的距離減小，溶液流速逐漸增加。即在孔喉的中心處流速最大，為1.882×10?6 m/s。隨著流體與礦石顆粒邊界之間距離的縮短，流體流速逐漸減小，并于固體?水界面處降至0 m/s?？缀碇行某隽魉倏?、邊壁處流速慢的流速分布規(guī)律，證實(shí)了礦石表面不動(dòng)水層的存在及流動(dòng)孔道邊壁的黏滯作用[23]。此外，孔隙的有效連通率與筑堆礦石的尺寸成正比[24]，該現(xiàn)象也被本次模擬所證實(shí)。

2.3 滲流壓力場(chǎng)的分布特性

滲流壓力場(chǎng)分布情況如圖7所示。圖7存在以紅、橙、黃及藍(lán)4色區(qū)分的4個(gè)壓力分布區(qū)，壓力值呈現(xiàn)非均勻遞減的規(guī)律。依據(jù)柱體內(nèi)壓力降變化規(guī)律，可將柱體內(nèi)的壓力分布自上而下分為4個(gè)區(qū)域，分別命名為1、2、3與4，其中，1~3中均存在細(xì)粒區(qū)域。

由圖7(a)可知，柱體上部的3個(gè)壓力分布區(qū)1~3內(nèi)的等壓線(xiàn)間距較大，分布較為稀疏；最底部的壓力分布區(qū)4內(nèi)的等壓線(xiàn)間距較小，分布較為稠密。這表明1~3區(qū)域內(nèi)壓力值較為均一，壓力降較小，而下部區(qū)域壓力降較大。這表明細(xì)粒區(qū)域的存在對(duì)階梯狀的壓力降區(qū)域的形成起到了決定性作用。具體而言，在細(xì)粒區(qū)域內(nèi)，壓力分布較為均勻且壓力降較小，細(xì)粒層內(nèi)的溶液擴(kuò)散主要依靠毛細(xì)作用，處于非飽和狀態(tài)。由圖7可見(jiàn)，狹小孔道集中于相鄰細(xì)粒區(qū)域結(jié)合部，當(dāng)粗顆粒礦石所占比例增加時(shí)，該區(qū)域的孔隙率增加，導(dǎo)致壓力下降的速率增大。由圖7(b)可見(jiàn)，1、2及3三者的壓力降均較小，4壓力降較大，1~3壓力降總和基本等同于4壓力降。這表明細(xì)粒區(qū)域內(nèi)的流體壓力下降緩慢，即細(xì)粒區(qū)域?qū)α黧w壓力的下降具有延遲作用。當(dāng)流體遇到礦石顆粒時(shí)會(huì)形成一個(gè)局部的壓力升高區(qū)，等壓線(xiàn)繞過(guò)礦石繼續(xù)向下傳遞。流體通過(guò)最下部的細(xì)粒區(qū)域后，出現(xiàn)一個(gè)壓力降紊亂區(qū)，該區(qū)域壓力降不再受細(xì)粒區(qū)域干擾，主要是相鄰礦巖顆粒耦合作用的結(jié)果，進(jìn)一步證明了柱體內(nèi)部礦石顆粒分布的不均勻性與隨機(jī)性對(duì)壓力降起到的重要作用。細(xì)粒區(qū)域的存在控制壓力降，進(jìn)而控制孔隙內(nèi)溶液的流速。

圖7 細(xì)粒區(qū)域存在條件下礦巖散體內(nèi)滲流壓力場(chǎng)分布

3 結(jié)論

1) 細(xì)粒層對(duì)溶液的流動(dòng)軌跡和優(yōu)先流的形成具有明顯影響。由于細(xì)粒層內(nèi)有效連通的孔道數(shù)量較少，大部分溶液繞過(guò)細(xì)粒層，在細(xì)粒層外表面形成優(yōu)先流，極少量溶液流經(jīng)細(xì)粒層內(nèi)的微細(xì)孔隙，自上而下緩慢地穿過(guò)細(xì)粒層，該部分溶液流過(guò)細(xì)粒層后再次匯聚形成優(yōu)先流。

2) 細(xì)粒層內(nèi)的流速及壓力降均明顯小于粗顆粒礦石區(qū)域，單位時(shí)間內(nèi)流速及壓力下降速率穩(wěn)定且較小。細(xì)粒層內(nèi)溶液難以到達(dá)的區(qū)域形成了溶液流動(dòng)的停滯區(qū)，該區(qū)域內(nèi)溶液擴(kuò)散主要依靠毛細(xì)作用，溶液流速較低且溶液的壓力降幾乎為0，處于非飽和狀態(tài)。

3) 溶液滲流場(chǎng)分布整體上具有明顯的非均勻性，在細(xì)粒層內(nèi)溶液流動(dòng)緩慢且局部流向相對(duì)均一，細(xì)粒層的存在延緩了溶液滲流速率及壓力下降速率。在黏滯力作用下，礦石顆粒表面的流體流速近似為0；隨著孔喉中心與礦石表面的距離增大，孔道內(nèi)流體流速壓力逐漸增大并于孔喉中心處取最大值。

[1] WATLING H R. The bioleaching of sulphide minerals with emphasis on copper sulphides—A review[J]. Hydrometallurgy, 2006, 84(1): 81?108.

[2] PANDA S, BISWAL A, MISHRA S, PANDA P K, PRADHAN N, MOHAPATRA U, SUKLA L B, B K MISHRA, A AKCIL. Reductive dissolution by waste newspaper for enhanced meso-acidophilic bioleaching of copper from low grade chalcopyrite: A new concept of biohydrometallurgy[J]. Hydrometallurgy, 2015, 153(3): 98?105.

[3] 賴(lài)紹師, 覃文慶, 楊聰仁, 王 軍, 張雁生, 張 博, 常自勇, 匡浩華. 低品位硫化銅礦的細(xì)菌浸出[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2011, 21(6): 1473?1479. LAI Shao-shi, QIN Wen-qing, YANG Cong-ren, WANG Jun, ZHANG Yan-sheng, ZHANG Bo, CHANG Zi-yong, KUANG Hao-hua. Bioleaching of low grade copper sulfide ore[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2011, 21(6): 1473?1479.

[4] MISHRA S, PANDA P P, PRADHAN N, SATAPATHY D, SUBUDHI U, BISWAI S K, MISHRA B K. Effect of native bacteria Sinomonas flava 1C and Acidithiobacillus ferrooxidans on desulphurization of Meghalaya coal and its combustion properties[J]. Fuel, 2014, 117(1): 415?421.

[5] WU A X, YIN S H, WANG H J, QIN W Q, QIU G Z. Technological assessment of a mining-waste dump at the Dexing copper mine, China, for possible conversion to an in situ bioleaching operation[J]. Bioresource Technology, 2009, 100(6): 1931?1936.

[6] 王少勇, 吳愛(ài)祥, 王洪江, 尹升華, 顧曉春. 高含泥氧化銅礦水洗?分級(jí)堆浸工藝[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2013, 23(1): 229?237. WANG Shao-yong, WU Ai-xiang, WANG Hong-jiang, YIN Sheng-hua, GU Xiao-chun. Craft of wash-classification of heap leaching used in high-clay copper oxide ore[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2013, 23(1): 229?237.

[7] FAGAN M A, NGOMA I E, CHIUME R A, MINNAAR S, SEDERMAN A J, JOHNS M L, HARRION S T L. MRI and gravimetric studies of hydrology in drip irrigated heaps and its effect on the propagation of bioleaching micro-organisms[J]. Hydrometallurgy, 2014, 150(12): 210?221.

[8] 吳愛(ài)祥, 薛振林, 尹升華, 王 恒. 基于核磁共振技術(shù)的礦巖散體結(jié)構(gòu)及溶液分布研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 43(4): 582?587. WU Ai-xiang, XUE Zhen-lin, YIN Sheng-hua, WANG Heng. Study of the granular medium structure of mine rock and solution distribution based on MRI technology[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2014, 43(4): 582?587.

[9] 薛振林, 吳愛(ài)祥, 尹升華, 劉 超. 氧化銅礦堆浸雙重介質(zhì)分形滲流演化規(guī)律[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2014, 24(9): 2373?2379. XUE Zhen-lin, WU Ai-xiang, YIN Sheng-hua, LIU Chao. Evolution rules of dual medium fractal seepage in copper oxide ore heap leaching[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2014, 24(9): 2373?2379.

[10] DHAWAN N, SAFARZADEH M S, MILLER J D, MOATS M S, RAJAMANI R K, LIN C L. Recent advances in the application of X-ray computed tomography in the analysis of heap leaching systems[J]. Minerals Engineering, 2012, 35(6): 75?86.

[11] 尹升華, 陳 勛, 吳愛(ài)祥, 王雷鳴, 劉 超. 基于PIV技術(shù)的細(xì)觀礦堆溶液滲流場(chǎng)無(wú)擾動(dòng)測(cè)試[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 46(7): 2597?2604. YIN Sheng-hua, CHEN Xun, WU Ai-xiang, WANG Lei-ming, LIU Chao. Undisturbed test on mesoscopic solution seepage field in ore heap based on PIV[J].Journal of Central South University (Science and Technology), 2015, 46(7): 2597?2604.

[12] MILLER J D, LIN C L, GARCIA C, ARIAS H. Ultimate recovery in heap leaching operations as established from mineral exposure analysis by X-ray microtomography[J]. International Journal of Mineral Processing, 2003, 72(3): 331?340.

[13] LIN C L, MILLER J D, GARCIA C. Saturated flow characteristics in column leaching as described by LB simulation[J]. Minerals Engineering, 2005, 18(10): 1045?1051.

[14] LIN C L, MILLER J D. Pore structure analysis of particle beds for fluid transport simulation during filtration[J]. International Journal of Mineral Processing, 2004, 73(2): 281?294.

[15] 王貽明, 吳愛(ài)祥, 艾純明. 低品位硫化銅礦超聲強(qiáng)化浸出實(shí)驗(yàn)與機(jī)理分析[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2013, 23(7): 2019?2025. WANG Yi-ming, WU Ai-xiang, AI Chun-ming. Experiment and mechanism analysis on leaching process of low grade copper sulfide intensified by ultrasonic wave[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2013, 23(7): 2019?2025.

[16] FOURIE W, SAID R, YOUNG P, BARNES D L. The simulation of pore scale fluid flow with real world geometries obtained from X-ray computed tomography[C]//Proceedings of the COMSOL Conference. Boston: COMSOL, 2007.

[17] DHAWAN N, SAFARZADEH M S, MILLER J D, MOATS M S, RAJAMANI R K. Crushed ore agglomeration and its control for heap leach operations[J]. Minerals Engineering, 2013, 41(2): 53?70.

[18] 葉勇軍, 丁德馨, 李廣悅, 扶海鷹, 宋鍵斌, 胡 南. 不同粒徑分布分維數(shù)鈾礦石的浸出規(guī)律[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2013, 23(10): 2921?2927. YE Yong-jun, DING De-xin, LI Guang-yue, FU Hai-ying, SONG Jian-bin, HU Nan. Leaching behavior of uranium ore with different fractal dimensions of particle size distribution[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2013, 23(10): 2921?2927.

[19] 吳愛(ài)祥, 姚高輝, 薛振林, 王貽明, 胡凱建. 基于顆粒群組構(gòu)特性的氧化銅礦柱浸滲流行為分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 45(5): 1605?1611. WU Ai-xiang, YAO Gao-hui, XUE Zhen-lin, WANG Yi-ming, HU Kai-jian. Seepage behavior of column leaching of copper oxide ore based on particles fabric characteristics[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2014, 45(5): 1605?1611.

[20] YANG B H, WU A X, MIAO X X, LIU J Z. 3D characterization and analysis of pore structure of packed ore particle beds based on computed tomography images[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(3): 833?838.

[21] KRISTENSEN H G, SCHAEFER T. Granulation: A review on pharmaceutical wet-granulation[J]. Drug Development and Industrial Pharmacy, 1987, 13(4/5): 803?872.

[22] WU A X, YIN S H, QIN W Q, LIU J Z, QIU G Z. The effect of preferential flow on extraction and surface morphology of copper sulphides during heap leaching[J]. Hydrometallurgy, 2009, 95(1/2): 76?81.

[23] WU A X, YANG B H, ZHOU X. Fractal analysis of granular ore media based on computed tomography image processing[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008, 18(6): 1523?1528.

[24] YIN S H, WU A, HU K J, WANG Y M, XUE Z L. Visualization of flow behavior during bioleaching of waste rock dumps under saturated and unsaturated conditions[J]. Hydrometallurgy, 2013, 133(2): 1?6.

(編輯 王 超)

Fluid flowing characteristics in ore granular with fine interlayers existed

YIN Sheng-hua1, 2, WANG Lei-ming1, 2, PAN Chen-yang1, CHEN Xun1, 2, XIE Fang-fang1

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal,School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Beijing JCHX Mine Technology Research Institute Co., LTD, Beijing 101500, China)

The uneven distribution of ore granular media affects the solution seepage law in heap dumping process. To investigate the solution seepage law with fine interlayers existed, the seepage simulation of column with fines interlayers existed was carried out by using the computed tomography (CT) technology and COMSOL Multiphysics modeling software. The fluid flow trajectory, distribution law of seepage velocity and pressure field with fine interlayers existed were ascertained. The results show that fine interlayers influence flow trajectory and formation of preferential flow. In detail, the preferential flow is emerged after the most solution bypassed the fine interlayers, and the plenty of small tributaries flow across fine interlayers. Stagnant regions of fluid flow are emerged where the solution is hard to reach in the internal of fine interlayers. The drops of speed and pressure are small in the fine interlayers, and the speed and pressure increase significantly when the fluid passes through the pore throats connecting the adjacent fine interlayers.

seepage; segregation; preferential flow; numerical simulation; flow behavior; computed tomography technology

Project (51374035) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (NCET-13-0669) supported by the Program for New Century Excellent Talents in University, China; Project (201351) supported by the Foundation for the Author of National Excellent Doctoral Dissertation of China

2015-10-20; Accepted date:2016-09-23

YIN Sheng-hua; Tel: +86-10-62332750; E-mail: csuysh@126.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2017.03.016

1004-0609(2017)-03-0574-08

TD862

A

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374035)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助(NCET-13-0669)；全國(guó)優(yōu)秀博士學(xué)位論文作者專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201351)

2015-10-20；

2016-09-23

尹升華，教授，博士；電話(huà)：010-62332750；E-mail：csuysh@126.com