硫化铜矿粒孔隙模型重构与溶液渗流模拟

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 硫化铜矿粒孔隙模型重构与溶液渗流棋拟 尹升华宋庆陈威陈勋 Pore model reconstruction of copper sulfide ore agglomerate and simulation of solution seepage YIN Sheng-hua.SONG Qing.CHEN Wei.CHEN Xun 引用本文： 尹升华，宋庆，陈威，陈勋.硫化铜矿粒孔隙模型重构与溶液渗流模拟[J.工程科学学报，2021,43(4：495-502.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.02.27.002 YIN Sheng-hua,SONG Qing.CHEN Wei,CHEN Xun.Pore model reconstruction of copper sulfide ore agglomerate and simulation of solution seepage[J.Chinese Journal of Engineering,2021,43(4):495-502.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.27.002 在线阅读View online::htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.02.27.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 次生硫化铜矿制粒试验 Agglomeration experiment of secondary copper sulfide ore 工程科学学报.2019,41(9：1127 https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2019.09.003 次生硫化铜矿微生物浸出实验 Secondary copper sulfide bioleaching experiments 工程科学学报.2017,3910)：1498 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.10.006 我国铜矿微生物浸出技术的研究进展 Progress of research in copper bioleaching technology in China 工程科学学报.2019,41(2：143htps:/1doi.og/10.13374j.issn2095-9389.2019.02.001 低品位氧硫混合铜矿的酸性制粒及机理 Acid agglomeration and mechanism analysis of a low-grade oxide-sulfide mixed copper ore 工程科学学报.2017,399%：1321 https:1oi.org10.13374.issn2095-9389.2017.09.004 电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展 Research and development of a heat-source model in numerical simulations for the arc welding process 工程科学学报.2018.40(4：389 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.04.001 连铸坯脱氢退火数值模拟 Numerical simulation of dehydrogenation annealing in bloom 工程科学学报.2020.42(7)：862htps/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2020.03.16.003

硫化铜矿粒孔隙模型重构与溶液渗流模拟 尹升华 宋庆 陈威 陈勋 Pore model reconstruction of copper sulfide ore agglomerate and simulation of solution seepage YIN Sheng-hua, SONG Qing, CHEN Wei, CHEN Xun 引用本文: 尹升华, 宋庆, 陈威, 陈勋. 硫化铜矿粒孔隙模型重构与溶液渗流模拟[J]. 工程科学学报, 2021, 43(4): 495-502. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.27.002 YIN Sheng-hua, SONG Qing, CHEN Wei, CHEN Xun. Pore model reconstruction of copper sulfide ore agglomerate and simulation of solution seepage[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(4): 495-502. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.27.002 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.27.002 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 次生硫化铜矿制粒试验 Agglomeration experiment of secondary copper sulfide ore 工程科学学报. 2019, 41(9): 1127 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.003 次生硫化铜矿微生物浸出实验 Secondary copper sulfide bioleaching experiments 工程科学学报. 2017, 39(10): 1498 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.10.006 我国铜矿微生物浸出技术的研究进展 Progress of research in copper bioleaching technology in China 工程科学学报. 2019, 41(2): 143 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.001 低品位氧硫混合铜矿的酸性制粒及机理 Acid agglomeration and mechanism analysis of a low-grade oxide-sulfide mixed copper ore 工程科学学报. 2017, 39(9): 1321 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.004 电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展 Research and development of a heat-source model in numerical simulations for the arc welding process 工程科学学报. 2018, 40(4): 389 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.04.001 连铸坯脱氢退火数值模拟 Numerical simulation of dehydrogenation annealing in bloom 工程科学学报. 2020, 42(7): 862 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.16.003

工程科学学报.第43卷，第4期：495-502.2021年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.4:495-502,April 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.27.002;http://cje.ustb.edu.cn 硫化铜矿粒孔隙模型重构与溶液渗流模拟 尹升华2)，宋庆2)四，陈威2，陈勋2 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000832)北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:SQ1213ueen@163.com 摘要以次生硫化铜矿粉为原料，添加黏结剂、氯化钠制备矿粒，并借助CT扫描技术、图像处理及三维重构方法，开展了 单个矿粒浸出试验，探究了溶浸前后矿粒内部的孔隙变化；运用COMSOL Multiphysics模拟仿真软件，构建了溶液在孔隙通 道中流动的仿真模型.结果表明：经过一周时间的溶浸，矿粒内部孔隙的数目、平均体积、平均表面积及孔隙平均等效直径分 别增长了99%、151%、223%和90%.孔隙率增长了4倍，孔隙连通度增长了近2倍.在孔隙通道较狭窄的区域和底部区域， 溶液的流速、压力急剧增加，对矿粒结构的稳定性产生较大影响. 关键词硫化铜矿旷：制粒技术；CT扫描技术；孔隙演变；数值模拟 分类号TD862 Pore model reconstruction of copper sulfide ore agglomerate and simulation of solution seepage YIN Sheng-hua2),SONG Qing2,CHEN Wei2),CHEN Xun2) 1)Key Laboratory of Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:SQ1213ueen@163.com ABSTRACT Bioleaching technology,a method used in mining,utilizes organisms or microorganisms to dissolve and leach useful components from ore.This technology is applied widely in many countries in mining and production of various metals.Although considerable economic benefits have been obtained with the help of bioleaching technology,this technology faces many challenges.For example,as the leaching process progresses,the permeability of the ore heap is worsened from the presence of fine particles and muddy ore.As such,improving heap permeability is a key focus in the field of leaching mining technology.Agglomeration technology,an effective method for improving the permeability of ore heaps,involves crushing the ore and agglomerating it with binders before leaching,which alters the structure of the ore,especially ore powder.The resulting granular structure provides space for the flow of the solution and greatly improves the permeability of the leaching system.The pore structure is constantly changing as the leaching process progresses,which affects the seepage of the solution and even the effect of leaching the ore.In this study,leaching tests were conducted using single-ore granulation of secondary copper sulfide ore powder,binders,and NaCl.Changes in the pore structure during leaching were investigated using X-ray computerized tomography,digital image processing,and three-dimensional reconstruction methods.In addition,COMSOL Multiphysics simulation software was used to construct a simulation model of the flow of the solution in the pore channels.The results reveal that the number,average volume,average surface area,and average equivalent diameter of pores inside the 收稿日期：2020-02-27 基金项目：国家优秀青年科学基金资助项目(51722401)：国家自然科学基金重点资助项目(51734001)：中央高校基本科研业务费专项资金 资助项目(FRF-TP.18-003C1)

硫化铜矿粒孔隙模型重构与溶液渗流模拟 尹升华1,2)，宋    庆1,2) 苣，陈    威1,2)，陈    勋1,2) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083    2) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail：SQ1213ueen@163.com 摘    要    以次生硫化铜矿粉为原料，添加黏结剂、氯化钠制备矿粒，并借助 CT 扫描技术、图像处理及三维重构方法，开展了 单个矿粒浸出试验，探究了溶浸前后矿粒内部的孔隙变化；运用 COMSOL Multiphysics 模拟仿真软件，构建了溶液在孔隙通 道中流动的仿真模型. 结果表明：经过一周时间的溶浸，矿粒内部孔隙的数目、平均体积、平均表面积及孔隙平均等效直径分 别增长了 99%、151%、223% 和 90%，孔隙率增长了 4 倍，孔隙连通度增长了近 2 倍. 在孔隙通道较狭窄的区域和底部区域， 溶液的流速、压力急剧增加，对矿粒结构的稳定性产生较大影响. 关键词    硫化铜矿；制粒技术；CT 扫描技术；孔隙演变；数值模拟 分类号    TD862 Pore model reconstruction of copper sulfide ore agglomerate and simulation of solution seepage YIN Sheng-hua1,2) ，SONG Qing1,2) 苣 ，CHEN Wei1,2) ，CHEN Xun1,2) 1) Key Laboratory of Ministry of Education for High-Efficient Mining and Safety of Metal, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: SQ1213ueen@163.com ABSTRACT    Bioleaching  technology,  a  method  used  in  mining,  utilizes  organisms  or  microorganisms  to  dissolve  and  leach  useful components  from  ore.  This  technology  is  applied  widely  in  many  countries  in  mining  and  production  of  various  metals.  Although considerable economic benefits have been obtained with the help of bioleaching technology, this technology faces many challenges. For example, as the leaching process progresses, the permeability of the ore heap is worsened from the presence of fine particles and muddy ore.  As  such,  improving  heap  permeability  is  a  key  focus  in  the  field  of  leaching  mining  technology.  Agglomeration  technology,  an effective  method  for  improving  the  permeability  of  ore  heaps,  involves  crushing  the  ore  and  agglomerating  it  with  binders  before leaching, which alters the structure of the ore, especially ore powder. The resulting granular structure provides space for the flow of the solution and greatly improves the permeability of the leaching system. The pore structure is constantly changing as the leaching process progresses, which affects the seepage of the solution and even the effect of leaching the ore. In this study, leaching tests were conducted using single-ore granulation of secondary copper sulfide ore powder, binders, and NaCl. Changes in the pore structure during leaching were  investigated  using  X-ray  computerized  tomography,  digital  image  processing,  and  three-dimensional  reconstruction  methods.  In addition, COMSOL Multiphysics simulation software was used to construct a simulation model of the flow of the solution in the pore channels. The results reveal that the number, average volume, average surface area, and average equivalent diameter of pores inside the 收稿日期: 2020−02−27 基金项目: 国家优秀青年科学基金资助项目（51722401）；国家自然科学基金重点资助项目（51734001）；中央高校基本科研业务费专项资金 资助项目（FRF-TP-18-003C1） 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期：495−502，2021 年 4 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 4: 495−502, April 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.27.002; http://cje.ustb.edu.cn

496 工程科学学报，第43卷，第4期 granulated ore increase respectively by 99%,151%,223%,and 90%.In addition,the porosity increases fourfold and the pore connectivity nearly triples.The flow velocity and pressure of the solution was found to increase sharply as the solution flows through the narrow and bottom areas of the pore channels,which has a great impact on the stability of the ore granulation structure. KEY WORDS copper sulfide ore;agglomeration technology;CT technology;pore evolution;numerical simulation 生物浸矿系统是一个固、液、气三相共存的体 的三维数值模型，探究渗流特性的变化，为进一步 系，溶液与矿石接触并发生化学反应，金属铜从固 了解制粒后的孔隙演变、探索矿粒内部溶液的渗 态矿石转移至液态溶液中，浸出液经收集、萃取等 流规律等提供参考 工序达到“采铜”的目的-)生物浸矿技术因其高 1试验概述 效率、低成本、绿色等优点，被广泛应用于多个国 家的金属矿开采-然而，在创造了可观的经济 1.1试验材料 效益的同时，生物浸铜技术面临着重大挑战，如浸 本试验所用矿样取自福建省某铜矿，其主要 出过程中无法保证堆浸系统的渗透性、浸矿菌种 成分以及铜物相分析结果如表1、表2所示.铜的 活性随浸出过程逐渐变差和浸矿体系基础理论不 品位为0.70%，铜的主要存在形态是次生硫化铜， 完善等问题？).浸矿系统中的孔隙为溶液流动提 其质量分数为0.60%，其次为原生硫化铜和自由氧 供了空间与路径，随着反应的发生，孔隙结构也不 化铜，结合铜的含量最少.预先将矿样破碎以方便 断发生变化，影响溶液的渗流特性，并最终影响浸 制粒工序，破碎后矿样粒径均小于5mm,90%以 矿效果0四制粒预处理技术的出现，较好地解决 上矿样粒径小于0.8mm,矿样粒径分布图如图1 了浸矿系统渗透性差的问题，改善了矿堆的渗透 所示 性：此外，开采及破碎过程中产生的粉矿也得到 表1矿样主要元素质量分数 了回收利用，减少了资源的流失与浪费4 Table 1 Mass fractions of major elements in mineral samples % 浸矿过程中，孔隙演变与溶液渗流相互作用， Elements Cu Fe S CaO Mgo AlO SiO, 相互影响.近年来，国内外专家开展了大量有关于 Mass fraction 0.701.671.100.300.045.1991.00 溶液渗流特性的研究，随着CT技术的广泛应用， 浸矿系统中的孔隙演变及溶液渗流规律的研究已 表2铜物相分析结果（质量分数） 取得了较好的成果-刘超研究了酸浸氧化铜 Table 2 Cu phase analysis results of mineral samples 矿石颗粒内部裂隙结构的演化规律，结果表明酸 Phase Mass fraction/% 浸作用下，矿粒孔隙率、裂隙尺寸和数量分别增加 Copper oxide 0.04 了约40%、3.5%和25%；氧化铜矿岩散体线孔隙率 Primary copper sulfide 0.05 也随时间呈现出一定的演化规律P.吴爱祥等以 Secondary copper sulfide 0.60 高泥氧化铜矿为试验材料，开展矿岩散体的柱浸 Combined copper 0.01 试验，结果表明松散颗粒在浸出过程中发生迁移， Total 0.70 浸出后平均孔隙率降低了2.63%，浸出5h后渗透 100 系数降低了37.5%2.L0等利用XMT技术，开展 -The line of mineral powder 了腐泥土(SAP)和针铁矿(G)两种镍矿石制粒后 80 柱浸试验，结果表明两组矿柱的孔隙度变化与质 量损失和坍落度变化一致，但前者有更好的孔隙 率与浸出稳定性四).尽管基于CT扫描技术的运 40 用，浸矿系统内部孔隙演变规律的研究已取得了 较好的成绩，但矿石制粒后矿粒内部孔隙演变的 研究仍较为空白 0.074 0.0980.125020.450.81.2525 本文利用CT扫描技术和数字图像处理技术， Ore particle size/mm 分析溶浸后矿粒内部的孔隙演变，利用COMSOL 图1矿样粒径分布图 Multiphysics模拟仿真软件构建矿粒内部溶液渗流 Fig.I Particle size distribution of ore samples

granulated  ore  increase  respectively  by  99%,  151%,  223%,  and  90%.  In  addition,  the  porosity  increases  fourfold  and  the  pore connectivity nearly triples. The flow velocity and pressure of the solution was found to increase sharply as the solution flows through the narrow and bottom areas of the pore channels, which has a great impact on the stability of the ore granulation structure. KEY WORDS    copper sulfide ore；agglomeration technology；CT technology；pore evolution；numerical simulation 生物浸矿系统是一个固、液、气三相共存的体 系，溶液与矿石接触并发生化学反应，金属铜从固 态矿石转移至液态溶液中，浸出液经收集、萃取等 工序达到“采铜”的目的[1−3] . 生物浸矿技术因其高 效率、低成本、绿色等优点，被广泛应用于多个国 家的金属矿开采[4−6] . 然而，在创造了可观的经济 效益的同时，生物浸铜技术面临着重大挑战，如浸 出过程中无法保证堆浸系统的渗透性、浸矿菌种 活性随浸出过程逐渐变差和浸矿体系基础理论不 完善等问题[7−9] . 浸矿系统中的孔隙为溶液流动提 供了空间与路径，随着反应的发生，孔隙结构也不 断发生变化，影响溶液的渗流特性，并最终影响浸 矿效果[10−12] . 制粒预处理技术的出现，较好地解决 了浸矿系统渗透性差的问题，改善了矿堆的渗透 性[13] ；此外，开采及破碎过程中产生的粉矿也得到 了回收利用，减少了资源的流失与浪费[14−16] . 浸矿过程中，孔隙演变与溶液渗流相互作用， 相互影响. 近年来，国内外专家开展了大量有关于 溶液渗流特性的研究，随着 CT 技术的广泛应用， 浸矿系统中的孔隙演变及溶液渗流规律的研究已 取得了较好的成果[17−19] . 刘超研究了酸浸氧化铜 矿石颗粒内部裂隙结构的演化规律，结果表明酸 浸作用下，矿粒孔隙率、裂隙尺寸和数量分别增加 了约 40%、3.5% 和 25%；氧化铜矿岩散体线孔隙率 也随时间呈现出一定的演化规律[20] . 吴爱祥等以 高泥氧化铜矿为试验材料，开展矿岩散体的柱浸 试验，结果表明松散颗粒在浸出过程中发生迁移， 浸出后平均孔隙率降低了 2.63%，浸出 5 h 后渗透 系数降低了 37.5% [21] . Lo 等利用 XMT 技术，开展 了腐泥土（SAP）和针铁矿（G）两种镍矿石制粒后 柱浸试验，结果表明两组矿柱的孔隙度变化与质 量损失和坍落度变化一致，但前者有更好的孔隙 率与浸出稳定性[22] . 尽管基于 CT 扫描技术的运 用，浸矿系统内部孔隙演变规律的研究已取得了 较好的成绩，但矿石制粒后矿粒内部孔隙演变的 研究仍较为空白. 本文利用 CT 扫描技术和数字图像处理技术， 分析溶浸后矿粒内部的孔隙演变，利用 COMSOL Multiphysics 模拟仿真软件构建矿粒内部溶液渗流 的三维数值模型，探究渗流特性的变化，为进一步 了解制粒后的孔隙演变、探索矿粒内部溶液的渗 流规律等提供参考. 1    试验概述 1.1    试验材料 本试验所用矿样取自福建省某铜矿，其主要 成分以及铜物相分析结果如表 1、表 2 所示. 铜的 品位为 0.70%，铜的主要存在形态是次生硫化铜， 其质量分数为 0.60%，其次为原生硫化铜和自由氧 化铜，结合铜的含量最少. 预先将矿样破碎以方便 制粒工序，破碎后矿样粒径均小于 5 mm，90% 以 上矿样粒径小于 0.8 mm，矿样粒径分布图如图 1 所示. 表 1    矿样主要元素质量分数 Table 1    Mass fractions of major elements in mineral samples % Elements Cu Fe S CaO MgO Al2O3 SiO2 Mass fraction 0.70 1.67 1.10 0.30 0.04 5.19 91.00 表 2    铜物相分析结果（质量分数） Table 2    Cu phase analysis results of mineral samples Phase Mass fraction/% Copper oxide 0.04 Primary copper sulfide 0.05 Secondary copper sulfide 0.60 Combined copper 0.01 Total 0.70 0.074 0.098 0.125 0.2 0.45 0.8 1.25 2 5 0 20 40 60 80 100 Cumulative mass fractions of ore particles vsmaller than certain sizes/ % Ore particle size/mm The line of mineral powder 图 1    矿样粒径分布图 Fig.1    Particle size distribution of ore samples · 496 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期

尹升华等：硫化铜矿粒孔隙模型重构与溶液渗流模拟 497. 1.2试验原理 本次试验预先在制粒材料中添加适量的 NaCL,拟用NaCI溶解于水的过程模拟浸矿过程， 即金属铜从固态矿粒转移至液态溶液中.在实际 的硫化铜矿石溶浸过程中，往往使用酸性溶剂进 行溶浸，硫化铜溶解在酸性溶液中，而矿石其他成 分无法溶解，经固液分离即可达到提取铜的目的： 在本试验中，将制备好的矿粒溶浸在水中时， 图2试验矿粒.(a)溶浸时：(b)晾干后 NaCI极易溶解在水中，而矿粉等材料是不溶于水 Fig.2 Photographs of mineral agglomerate used in the test:(a)during 的.以上两个“溶解”过程就矿粒结构变化而言是 leaching;(b)after drying 相同的 三维扫描成像系统(nano Voxel3502E)获取矿粒各 基于NaCI的溶解作用，矿粒内部会产生新的 切面扫描图像，试验保证溶浸前后两次CT扫描各 孔隙并发生一系列变化.一方面，附着在NaCl上 参数完全相同.扫描原图如图3所示，其中，黑色 的矿石颗粒随NaCI溶解离开矿粒，掉落下来；另 部分代表矿粒内部的孔隙，白色部分表示矿粒中 一方面，矿粒表面及孔隙周围的矿石颗粒受溶液 的金属成分，灰色部分表示矿粒中的矿石 渗流流动压力的作用发生掉落.在试验溶浸过程 中，由于固态NaCl溶解和矿石颗粒的掉落，矿粒 (a) (b) 内部结构及孔隙结构发生变化，溶液渗流受路径 及场所变化的影响发生变化，用以模拟硫化铜矿 石溶浸过程中发生的变化. 1.3试验方案 选择合适的制粒黏结剂与试验矿粉混合均 匀，并添加质量分数为30%的NaCL,在100g的制 粒材料中加入30g水进行制粒，后经干燥熟化等 图3扫描原图.(a)浸出前：(b)浸出后 工序制好矿粒.选择一个形态较好的矿粒进行第 Fig.3 Original CT scan images of mineral agglomerate:(a)before 一次CT扫描.将试验矿粒放置在塑料圆桶中，添 leaching.(b)after leaching 加去离子水直至没过矿粒，浸泡矿粒，7d后取出 由CT扫描原图对比可得，经过7d时间的溶 矿粒并晾干，将矿粒进行第二次CT扫描.基于此， 浸，矿粒的整体形态发生了变化，溶浸前矿粒呈较 得到矿粒两次CT扫描的图像 为规整的椭圆形，内部孔隙（黑色部分）较少，且分 布较为分散：溶浸后矿粒整体形态极其不规则，孔 2分析与讨论 隙数目增多，且面积增大.这说明经过溶浸，矿粒 2.1矿粒的制备 内部的孔隙明显增多.基于CT扫描得到的数据， 以硫化铜矿石为试验原料，开展制粒试验，探 可得溶浸前后矿粒3个方向上的尺寸，浸矿前为 究最佳黏结剂及最佳制粒条件.通过比较相同试 23.08mm×24.73mm×26.38mm.浸矿后为24.76mm× 验条件下矿粒平均粒径以及酸浸下发生破裂的时 24.76mm×27.41mm,矿粒的三维尺寸均增大了，即 间，综合考虑制粒黏结效果、黏结剂的易得性及成 矿粒发生了膨胀.矿粒发生膨胀是由以下3个方 本等因素，选择SFS-2作为本次试验的制粒黏结 面的变化引起的：(1)矿粒中的固态NaCI溶解在 剂，SFS-2黏结剂中包括：硅酸钠、生石灰、粉煤 水中，矿粒内孔隙增大、增多，导致矿粒体积增大； 灰及水泥：通过比较矿粒湿强度、矿粒抗压强度和 (2)由于NaCI的溶解，紧紧附着其上的矿粉颗粒 酸浸时间，确定制粒最佳条件为：黏结剂添加量为 掉落至水中，矿粒内部结构发生了较大变化，矿石 16g,熟化加酸量为25kgt,制粒喷水量占矿粉质 颗粒之间的排列分布发生了变化，导致整体矿粒 量的30%.基于以上制粒试验结果，制备浸出试验 膨胀：(3)黏结剂中的生石灰与水发生反应，生成 所用矿粒，如图2所示 了Ca(OH)2沉淀附着在矿粒上，导致矿粒体积增 2.2孔隙模型重构 大，整体效果表现为膨胀 本次试验，采用北京科技大学高分辨X射线 首先对CT扫描原图像进行图像预处理，以消

1.2    试验原理 本次试验预先在制粒材料中添加适量 的 NaCl，拟用 NaCl 溶解于水的过程模拟浸矿过程， 即金属铜从固态矿粒转移至液态溶液中. 在实际 的硫化铜矿石溶浸过程中，往往使用酸性溶剂进 行溶浸，硫化铜溶解在酸性溶液中，而矿石其他成 分无法溶解，经固液分离即可达到提取铜的目的； 在本试验中 ，将制备好的矿粒溶浸在水中时 ， NaCl 极易溶解在水中，而矿粉等材料是不溶于水 的. 以上两个“溶解”过程就矿粒结构变化而言是 相同的. 基于 NaCl 的溶解作用，矿粒内部会产生新的 孔隙并发生一系列变化. 一方面，附着在 NaCl 上 的矿石颗粒随 NaCl 溶解离开矿粒，掉落下来；另 一方面，矿粒表面及孔隙周围的矿石颗粒受溶液 渗流流动压力的作用发生掉落. 在试验溶浸过程 中，由于固态 NaCl 溶解和矿石颗粒的掉落，矿粒 内部结构及孔隙结构发生变化，溶液渗流受路径 及场所变化的影响发生变化，用以模拟硫化铜矿 石溶浸过程中发生的变化. 1.3    试验方案 选择合适的制粒黏结剂与试验矿粉混合均 匀，并添加质量分数为 30% 的 NaCl，在 100 g 的制 粒材料中加入 30 g 水进行制粒，后经干燥熟化等 工序制好矿粒. 选择一个形态较好的矿粒进行第 一次 CT 扫描. 将试验矿粒放置在塑料圆桶中，添 加去离子水直至没过矿粒，浸泡矿粒，7 d 后取出 矿粒并晾干，将矿粒进行第二次 CT 扫描. 基于此， 得到矿粒两次 CT 扫描的图像. 2    分析与讨论 2.1    矿粒的制备 以硫化铜矿石为试验原料，开展制粒试验，探 究最佳黏结剂及最佳制粒条件. 通过比较相同试 验条件下矿粒平均粒径以及酸浸下发生破裂的时 间，综合考虑制粒黏结效果、黏结剂的易得性及成 本等因素，选择 SFS–2 作为本次试验的制粒黏结 剂，SFS–2 黏结剂中包括：硅酸钠、生石灰、粉煤 灰及水泥；通过比较矿粒湿强度、矿粒抗压强度和 酸浸时间，确定制粒最佳条件为：黏结剂添加量为 16 g，熟化加酸量为 25 kg·t−1，制粒喷水量占矿粉质 量的 30%. 基于以上制粒试验结果，制备浸出试验 所用矿粒，如图 2 所示. 2.2    孔隙模型重构 本次试验，采用北京科技大学高分辨 X 射线 三维扫描成像系统（nano Voxel 3502E）获取矿粒各 切面扫描图像，试验保证溶浸前后两次 CT 扫描各 参数完全相同. 扫描原图如图 3 所示，其中，黑色 部分代表矿粒内部的孔隙，白色部分表示矿粒中 的金属成分，灰色部分表示矿粒中的矿石. 由 CT 扫描原图对比可得，经过 7 d 时间的溶 浸，矿粒的整体形态发生了变化，溶浸前矿粒呈较 为规整的椭圆形，内部孔隙（黑色部分）较少，且分 布较为分散；溶浸后矿粒整体形态极其不规则，孔 隙数目增多，且面积增大. 这说明经过溶浸，矿粒 内部的孔隙明显增多. 基于 CT 扫描得到的数据， 可得溶浸前后矿粒 3 个方向上的尺寸，浸矿前为 23.08 mm×24.73 mm×26.38 mm，浸矿后为 24.76 mm× 24.76 mm×27.41 mm，矿粒的三维尺寸均增大了，即 矿粒发生了膨胀. 矿粒发生膨胀是由以下 3 个方 面的变化引起的：（1）矿粒中的固态 NaCl 溶解在 水中，矿粒内孔隙增大、增多，导致矿粒体积增大； （2）由于 NaCl 的溶解，紧紧附着其上的矿粉颗粒 掉落至水中，矿粒内部结构发生了较大变化，矿石 颗粒之间的排列分布发生了变化，导致整体矿粒 膨胀；（3）黏结剂中的生石灰与水发生反应，生成 了 Ca(OH)2 沉淀附着在矿粒上，导致矿粒体积增 大，整体效果表现为膨胀. 首先对 CT 扫描原图像进行图像预处理，以消 (a) (b) 图 2    试验矿粒. （a）溶浸时；（b）晾干后 Fig.2    Photographs of mineral agglomerate used in the test: (a) during leaching; (b) after drying (a) (b) 图 3    扫描原图. （a）浸出前；（b）浸出后 Fig.3     Original  CT  scan  images  of  mineral  agglomerate:  (a)  before leaching; (b) after leaching 尹升华等： 硫化铜矿粒孔隙模型重构与溶液渗流模拟 · 497 ·

498 工程科学学报，第43卷，第4期 除因噪点、模糊等对后续实验分析造成的干扰 连通度为贯穿上界面和下界面的孔隙通道的体积 对CT扫描图像进行预处理包括降噪滤波、阈值调 占孔隙总体积的比值).在生物浸矿过程中，孔隙 整、孔隙分割及矿粒切割等，CT图像预处理流程 连通度越大，溶液越容易进入矿粒内部流动，即生 如图4所示，得到便于试验分析的700像素×700 物与矿石的接触越充分.基于矿粒的三维重构结 像素×700像素的立方体矿块图像数据，实际尺寸 构，溶浸前矿块在X、Y、Z三个方向上均没有连通 为1.2cm×1.2cm×1.2cm. 上界面和下界面的孔隙通道，无法直接进行孔隙 连通度的计算.假设矿粒内部最大的孔隙是小孔 隙相互连通贯穿的结果.基于此，通过矿粒中最大 孔隙的体积可确定矿粒的孔隙连通度，如公式(2) 所示.孔隙率及孔隙连通度计算结果如表4所示. Filter and Adjust Cut 3D de-nosing thresholds Segment pores structure 9=7×100% (1) 0=x100% (2) V 其中，为孔隙率；θ为孔隙连通度；'1为矿粒内部 图4图像预处理流程 孔隙总体积，m3;V为矿粒总体积，um3;Vo为矿粒 Fig.4 Workflow of CTscan image preprocessing 中最大的孔隙的体积，um3. 浸前矿粒的孔隙率为3.2%，浸后矿粒的孔隙 由于孔隙形态不规则，无法从数据的角度定 率达到16%，说明溶浸过程中，矿粒内部孔隙增 量对比分析，将孔隙近似等效为球体，基于三维重 多，矿粒内部的结构也发生了明显改变.矿粒内部 构的矿粒结构，得到矿粒内部孔隙参数数据，并计 孔隙增多的原因有：(1)矿粒内部的固态NaCI溶 算其增长率，结果如表3所示.对比浸前与浸后矿 解在水中，导致矿粒结构改变、孔隙增多；(2)随 粒的特征参数，矿粒内部孔隙数目增长了99%，孔 着NaCI的溶解，附着在NaCI上的矿石颗粒随之 隙平均体积增长了151%，平均表面积增长了 掉落至溶液中，亦造成了矿粒结构改变，孔隙增 223%,平均等效直径增长了90%.溶浸过程后矿粒 多，如图5所示. 的孔隙数目、孔隙平均体积、孔隙平均面积以及 溶浸前矿粒的孔隙连通度为29.96%，而溶浸 孔隙等效直径均明显增加 后孔隙连通度达到了88.26%，连通度增加了195%， 孔隙率是指多孔物质中孔隙体积占物质总体 说明在模拟溶浸过程中，矿粒内部的部分孔隙相 积的百分数，是表征矿粒结构及孔隙特征的一个 互连通，形成了孔隙通道.孔隙通道的形成为溶液 重要物理量.浸矿系统的孔隙率与系统渗透性联 在矿粒内部流动提供了空间和通路，基于此，矿粒 系密切：孔隙率越大，系统的渗透性越好.基于以 与溶液接触更加充分，反应也更加充分，从而促进 上数据，根据公式(1)计算矿粒内部孔隙率.孔隙 了新孔隙的生成与连通 表3矿粒孔隙参数变化 Table 3 Variation of pore parameters Parameter Pore number Mean pore volume/(10%um') Average pore surface area/I0°μm) Average equivalent pore diameter/um Before leaching 288 1.71 1.16 304 After leaching 575 4.29 3.75 579 Growth rate/% 99 151 223 90 表4矿粒孔隙率及孔隙连通度变化 Table 4 Evolution of porosity and pore connectivity Parameter Porosity/% Growth rate/% Porosity connectivity/% Growth rate/% Before leaching 3.20 29.96 400 195 After leaching 16.00 88.26

除因噪点、模糊等对后续实验分析造成的干扰. 对 CT 扫描图像进行预处理包括降噪滤波、阈值调 整、孔隙分割及矿粒切割等，CT 图像预处理流程 如图 4 所示，得到便于试验分析的 700 像素×700 像素×700 像素的立方体矿块图像数据,实际尺寸 为 1.2 cm×1.2 cm×1.2 cm. 由于孔隙形态不规则，无法从数据的角度定 量对比分析，将孔隙近似等效为球体，基于三维重 构的矿粒结构，得到矿粒内部孔隙参数数据，并计 算其增长率，结果如表 3 所示. 对比浸前与浸后矿 粒的特征参数，矿粒内部孔隙数目增长了 99%，孔 隙平均体积增长 了 151%，平均表面积增长 了 223%，平均等效直径增长了 90%. 溶浸过程后矿粒 的孔隙数目、孔隙平均体积、孔隙平均面积以及 孔隙等效直径均明显增加. 孔隙率是指多孔物质中孔隙体积占物质总体 积的百分数，是表征矿粒结构及孔隙特征的一个 重要物理量. 浸矿系统的孔隙率与系统渗透性联 系密切；孔隙率越大，系统的渗透性越好. 基于以 上数据，根据公式（1）计算矿粒内部孔隙率. 孔隙 连通度为贯穿上界面和下界面的孔隙通道的体积 占孔隙总体积的比值[23] . 在生物浸矿过程中，孔隙 连通度越大，溶液越容易进入矿粒内部流动，即生 物与矿石的接触越充分. 基于矿粒的三维重构结 构，溶浸前矿块在 X、Y、Z 三个方向上均没有连通 上界面和下界面的孔隙通道，无法直接进行孔隙 连通度的计算. 假设矿粒内部最大的孔隙是小孔 隙相互连通贯穿的结果. 基于此，通过矿粒中最大 孔隙的体积可确定矿粒的孔隙连通度，如公式（2） 所示. 孔隙率及孔隙连通度计算结果如表 4 所示. φ = V1 V ×100% （1） θ = V0 V1 ×100% （2） 其中， φ 为孔隙率；θ 为孔隙连通度；V1 为矿粒内部 孔隙总体积，μm3 ；V 为矿粒总体积，μm3 ；V0 为矿粒 中最大的孔隙的体积，μm3 . 浸前矿粒的孔隙率为 3.2%，浸后矿粒的孔隙 率达到 16%，说明溶浸过程中，矿粒内部孔隙增 多，矿粒内部的结构也发生了明显改变. 矿粒内部 孔隙增多的原因有：（1）矿粒内部的固态 NaCl 溶 解在水中，导致矿粒结构改变、孔隙增多；（2）随 着 NaCl 的溶解，附着在 NaCl 上的矿石颗粒随之 掉落至溶液中，亦造成了矿粒结构改变，孔隙增 多，如图 5 所示. 溶浸前矿粒的孔隙连通度为 29.96%，而溶浸 后孔隙连通度达到了 88.26%，连通度增加了 195%， 说明在模拟溶浸过程中，矿粒内部的部分孔隙相 互连通，形成了孔隙通道. 孔隙通道的形成为溶液 在矿粒内部流动提供了空间和通路，基于此，矿粒 与溶液接触更加充分，反应也更加充分，从而促进 了新孔隙的生成与连通. 表 3 矿粒孔隙参数变化 Table 3 Variation of pore parameters Parameter Pore number Mean pore volume/(108 μm3 ) Average pore surface area/(106 μm2 ) Average equivalent pore diameter/μm Before leaching 288 1.71 1.16 304 After leaching 575 4.29 3.75 579 Growth rate/% 99 151 223 90 表 4 矿粒孔隙率及孔隙连通度变化 Table 4 Evolution of porosity and pore connectivity Parameter Porosity/% Growth rate/% Porosity connectivity/% Growth rate/% Before leaching 3.20 400 29.96 195 After leaching 16.00 88.26 Filter and de-nosing Adjust thresholds Segment pores Cut 3D structure 图 4    图像预处理流程 Fig.4    Workflow of CT scan image preprocessing · 498 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期