渗流作用下风化壳淋积型稀土矿细观孔隙结构演化特征

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 渗流作用下风化壳淋积型稀土矿细观孔隙结构演化特征 陈勋尹升华严荣富王雷鸣 Evolution characteristics of mesoscopic pore structure of weathered crust elution-deposited rare earth ore under solution seepage CHEN Xun,YIN Sheng-hua,YAN Rong-fu.WANG Lei-ming 引用本文： 陈勋，尹升华，严荣富，王雷鸣.渗流作用下风化壳淋积型稀土矿细观孔隙结构演化特征).工程科学学报，2021,43(10)： 1283-1294.doi:10.13374issn2095-9389.2021.02.24.003 CHEN Xun,YIN Sheng-hua,YAN Rong-fu,WANG Lei-ming.Evolution characteristics of mesoscopic pore structure of weathered crust elution-deposited rare earth ore under solution seepage[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(10):1283-1294.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2021.02.24.003 在线阅读View online::htps/loi.org/10.13374j.issn2095-9389.2021.02.24.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 不同孔隙比下风化壳淋积型稀土矿强度特性 Strength characteristics of weathered crust elution-deposited rare earthores with different porosity ratios 工程科学学报.2018.40(2：159 https:doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.02.005 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:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.02.001 矿石颗粒级配对堆浸体系三维孔隙结构的影响 Effects of ore size distribution on the pore structure characteristics of packed ore beds 工程科学学报.2020,42(8：972 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.01.17.002 硫化铜矿粒孔隙模型重构与溶液渗流模拟 Pore model reconstruction of copper sulfide ore agglomerate and simulation of solution seepage 工程科学学报.2021,43(4：495 https:1doi.org10.13374j.issn2095-9389.2020.02.27.002 不同应力状态下孔隙结构特征对土一水特征曲线的影响 Influence of pore structure characteristics on soil-water characteristic curves under different stress states 工程科学学报.2017,391)：147 https::/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.01.019 纳米隔热材料的孔隙结构特征与气体热传输特性 Pore structure of nano-porous thermal insulating materials and thermal transport via gas phase in their pores 工程科学学报.2019,41(6)：788htps:ldoi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.06.011

渗流作用下风化壳淋积型稀土矿细观孔隙结构演化特征 陈勋 尹升华 严荣富 王雷鸣 Evolution characteristics of mesoscopic pore structure of weathered crust elution-deposited rare earth ore under solution seepage CHEN Xun, YIN Sheng-hua, YAN Rong-fu, WANG Lei-ming 引用本文: 陈勋, 尹升华, 严荣富, 王雷鸣. 渗流作用下风化壳淋积型稀土矿细观孔隙结构演化特征[J]. 工程科学学报, 2021, 43(10): 1283-1294. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.24.003 CHEN Xun, YIN Sheng-hua, YAN Rong-fu, WANG Lei-ming. Evolution characteristics of mesoscopic pore structure of weathered crust elution-deposited rare earth ore under solution seepage[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(10): 1283-1294. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.24.003 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.24.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 不同孔隙比下风化壳淋积型稀土矿强度特性 Strength characteristics of weathered crust elution-deposited rare earthores with different porosity ratios 工程科学学报. 2018, 40(2): 159 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.02.005 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 矿石颗粒级配对堆浸体系三维孔隙结构的影响 Effects of ore size distribution on the pore structure characteristics of packed ore beds 工程科学学报. 2020, 42(8): 972 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.17.002 硫化铜矿粒孔隙模型重构与溶液渗流模拟 Pore model reconstruction of copper sulfide ore agglomerate and simulation of solution seepage 工程科学学报. 2021, 43(4): 495 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.27.002 不同应力状态下孔隙结构特征对土-水特征曲线的影响 Influence of pore structure characteristics on soil-water characteristic curves under different stress states 工程科学学报. 2017, 39(1): 147 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.01.019 纳米隔热材料的孔隙结构特征与气体热传输特性 Pore structure of nano-porous thermal insulating materials and thermal transport via gas phase in their pores 工程科学学报. 2019, 41(6): 788 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.011

工程科学学报.第43卷，第10期：1283-1294.2021年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.10:1283-1294,October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.24.003;http://cje.ustb.edu.cn 渗流作用下风化壳淋积型稀土矿细观孔隙结构演化特征 陈勋2，尹升华12四，严荣富2)，王雷鸣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:357664177@qq.com 摘要为研究风化壳淋积型稀土矿浸出过程中溶液渗流作用对孔隙结构的影响，以去离子水为溶浸液开展浸矿实验.对浸 出前后矿样进行显微CT扫描，获取了试样内部结构图像，利用阈值分割算法得到了浸出前后稀土矿样的孔隙结构图像.进 而，研究了溶液渗流作用下试样孔隙结构的变化特征，分析了渗流作用对试样孔隙率、孔隙体积、孔隙长度、孔隙宽度和孔隙 方位角等参数的影响.结果表明：稀土矿孔隙形状和尺寸在渗流作用下发生显著变化，且在粗细颗粒接触区最为明显：溶液 渗流作用使得稀土矿孔隙率增大，孔隙总数量减少，孔隙总体积增大.渗流作用下矿样中小孔隙数量减少，大孔隙数量增多， 各尺寸区间的孔隙数量变化率随孔隙尺寸的增大呈现先增大后减小的趋势.溶液渗流作用下孔隙长宽比分布更加集中，孔 隙方位角在各角度区间的分布更加均匀，孔隙各向异性增强 关键词风化壳淋积型稀土矿：浸出体系：显微CT扫描：溶液渗流：孔隙结构演化 分类号TD865 Evolution characteristics of mesoscopic pore structure of weathered crust elution- deposited rare earth ore under solution seepage CHEN Xu2),YIN Sheng-hua2,YAN Rong-fu2),WANG Lei-ming2) 1)Key Laboratory of Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mines,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:357664177@qq.com ABSTRACT In-situ leaching is extensively used in the mining industry to recover rare earths from weathered crust elution-deposited rare earth ore.In the leaching system,the pore structure of rare earth ore is one of the most important factors that influence the leaching performance.A small column leaching experiment was performed with deionized water as a leaching solution to study the effect of solution seepage on pore structure evolution characteristics in the leaching process of weathering crust eluviation rare earth ore.Micro- computed tomography (micro-CT)was performed on the ore sample before and after leaching,and internal structure images of the sample were obtained.The pore structures of the rare earth ore sample were obtained using the threshold segmentation algorithm.The variation characteristics of pore structure of a rare earth ore sample under the action of solution seepage were then studied,and the effects of solution seepage on sample porosity,pore volume,length,width,azimuthal angle,and other parameters were analyzed.The results show that the pore shape and size of rare earth ore change significantly due to solution seepage,most notably in the contact area of the coarse and fine particles.The solution seepage increases the porosity of rare earth ore,decreases the total number of pores,and increases the total volume of pores.Besides,the number of small and medium-sized pores decreases,while the number of large pores 收稿日期：2021-02-24 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(51734001.52034001)：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-TP.18-003C1):国家 科技部重点领域创新团队资助项目(2018RA4003)

渗流作用下风化壳淋积型稀土矿细观孔隙结构演化特征 陈    勋1,2)，尹升华1,2) 苣，严荣富1,2)，王雷鸣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: 357664177@qq.com 摘    要    为研究风化壳淋积型稀土矿浸出过程中溶液渗流作用对孔隙结构的影响，以去离子水为溶浸液开展浸矿实验. 对浸 出前后矿样进行显微 CT 扫描，获取了试样内部结构图像，利用阈值分割算法得到了浸出前后稀土矿样的孔隙结构图像. 进 而，研究了溶液渗流作用下试样孔隙结构的变化特征，分析了渗流作用对试样孔隙率、孔隙体积、孔隙长度、孔隙宽度和孔隙 方位角等参数的影响. 结果表明：稀土矿孔隙形状和尺寸在渗流作用下发生显著变化，且在粗细颗粒接触区最为明显；溶液 渗流作用使得稀土矿孔隙率增大，孔隙总数量减少，孔隙总体积增大. 渗流作用下矿样中小孔隙数量减少，大孔隙数量增多， 各尺寸区间的孔隙数量变化率随孔隙尺寸的增大呈现先增大后减小的趋势. 溶液渗流作用下孔隙长宽比分布更加集中，孔 隙方位角在各角度区间的分布更加均匀，孔隙各向异性增强. 关键词    风化壳淋积型稀土矿；浸出体系；显微 CT 扫描；溶液渗流；孔隙结构演化 分类号    TD865 Evolution  characteristics  of  mesoscopic  pore  structure  of  weathered  crust  elution￾deposited rare earth ore under solution seepage CHEN Xun1,2) ，YIN Sheng-hua1,2) 苣 ，YAN Rong-fu1,2) ，WANG Lei-ming1,2) 1) Key Laboratory of Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mines, 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: 357664177@qq.com ABSTRACT    In-situ leaching is extensively used in the mining industry to recover rare earths from weathered crust elution-deposited rare earth ore. In the leaching system, the pore structure of rare earth ore is one of the most important factors that influence the leaching performance.  A  small  column  leaching  experiment  was  performed  with  deionized  water  as  a  leaching  solution  to  study  the  effect  of solution seepage on pore structure evolution characteristics in the leaching process of weathering crust eluviation rare earth ore. Micro￾computed  tomography  (micro-CT)  was  performed  on  the  ore  sample  before  and  after  leaching,  and  internal  structure  images  of  the sample were obtained. The pore structures of the rare earth ore sample were obtained using the threshold segmentation algorithm. The variation  characteristics  of  pore  structure  of  a  rare  earth  ore  sample  under  the  action  of  solution  seepage  were  then  studied,  and  the effects of solution seepage on sample porosity, pore volume, length, width, azimuthal angle, and other parameters were analyzed. The results show that the pore shape and size of rare earth ore change significantly due to solution seepage, most notably in the contact area of the coarse and fine particles. The solution seepage increases the porosity of rare earth ore, decreases the total number of pores, and increases the total volume of pores. Besides, the number of small and medium-sized pores decreases, while the number of large pores 收稿日期: 2021−02−24 基金项目: 国家自然科学基金重点资助项目（51734001，52034001）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（FRF-TP-18-003C1）；国家 科技部重点领域创新团队资助项目（2018RA4003） 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期：1283−1294，2021 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 10: 1283−1294, October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.02.24.003; http://cje.ustb.edu.cn

·1284 工程科学学报，第43卷，第10期 increases due to seepage.The change rate of the number of pores in each size interval increases and then decreases as pore size increases. Compared with the initial state,the distribution of pore aspect ratio is more concentrated after the solution seepage.Moreover,the distribution of pore azimuthal angle is more uniform,and the anisotropy of pore structure is enhanced by solution seepage. KEY WORDS weathered crust elution-deposited rare earth ore;leaching system;micro-CT scanning;solution seepage;pore structure evolution 稀土元素由于独特的物理和化学性质而广泛 过程中孔隙结构的演化特征2o,.Hoummady等通 应用于现代工业体系中的诸多领域，是国家的重 过Micro-CT扫描技术，研究了铀矿浸出过程中孔 要战略资源，尤其是与高新技术产业密切相关的 隙结构的变化特征，建立了孔隙结构三维动态模 中重稀土-)风化壳淋积型（离子吸附型）稀土矿 型，得到了孔隙半径、孔隙率等参数随时间的变化 是中重稀土的主要来源，其中的稀土元素主要以 特征].总体而言，已有研究虽然对离子型稀土矿 水合或羟基水合离子形式吸附于黏土矿物表面， 孔隙结构进行了探索，但相关结果大多反映二维 传统选冶工艺无法有效回收，而离子交换法是从 孔隙结构特征，并未对三维孔隙结构特征进行直 风化壳淋积型稀土矿中提取稀土元素的有效手 观表征，也缺乏对渗流作用下离子型稀土矿三维 段6经过多年的发展，原地浸出工艺逐渐成为 孔隙结构演化特征的深入分析 风化壳淋积型稀土矿开采的主要技术，对于稀土 本文聚焦于风化壳淋积型稀土矿孔隙结构， 原地浸出体系而言，溶液渗透性能是控制稀土元 以去离子水为溶浸液开展稀土矿浸出实验，利用 素浸出效率的重要因素-]而矿体中的孔隙空间 Micro-CT扫描技术获取渗流前后稀土矿样的内部 是溶液渗流的主要通道，其形态结构特征对溶液 结构图像，基于图像处理及分析得到孔隙结构三 渗流效果具有重要影响，并且孔隙结构在渗流作 维图像，分析溶液渗流作用下稀土矿细观孔隙结 用下会不断发生演化，因此，研究渗流作用下浸出 构变化特征，探讨渗流作用对孔隙率、孔隙体积、 体系孔隙结构特征对优化离子型稀土矿浸出效果 孔隙长宽比、孔隙方向等参数的影响 具有重要意义910 1实验 近年来，相关学者针对风化壳淋积型稀土矿 孔隙结构特征开展了一些研究工作-，王晓军 1.1稀土矿样 等利用显微镜对浸矿过程中离子型稀土矿的二维 本实验中所用稀土矿样取自江西省赣州龙南 孔隙结构演化特征进行了研究，结果表明：孔隙率 某稀土矿山，矿样中主要矿物为石英，其次为高岭 和孔隙半径均随着浸矿时间的增加而增大)刘 石、斜闪石和伊利石等黏土物质.将所取矿样混 德峰等基于扫描电镜测试，分析了浸矿后矿样孔 合均匀，然后取样测试得到的矿样粒级组成如图1 隙率随深度的变化规律，研究了不同深度位置稀 所示.可以发现，稀土矿样级配良好，级配曲线中 土矿样微观孔隙结构的差异特征，并探讨了宏 细颗粒段相对较为平缓而粗颗粒段相对较陡，矿 观渗透系数与有效孔隙率的关系].谢芳芳等利 样中细颗粒易被侵蚀2！ 用医学CT得到了浸出前后的稀土孔隙结构图像， 100 分析了浸出前后不同高度稀土矿样的二维孔隙 率变化特征，并对孔隙演化机理进行了探讨] Zhou等基于核磁共振技术对浸出过程中孔隙结构 的演化规律进行了分析，结果显示：随着离子交换 五60 反应的进行，矿样孔隙率保持不变，孔隙结构呈现 出先减小后增大的趋势（同时，随着Micro- CT技术的快速发展，国内外学者将其应用于铜、 20 金、铀、镍等浸出体系孔隙结构研究方面，并取得 了创新性进展-1杨保华等利用工业CT得到了 0.0050.01 01 10 Particle size/mm 铜矿石颗粒浸出前后内部微观孔隙结构特征 图1稀土矿样粒级组成 Yang等基于同步辐射CT技术分析了黄铜矿浸出 Fig.I Particle size distribution of the rare earth ore sample

increases due to seepage. The change rate of the number of pores in each size interval increases and then decreases as pore size increases. Compared  with  the  initial  state,  the  distribution  of  pore  aspect  ratio  is  more  concentrated  after  the  solution  seepage.  Moreover,  the distribution of pore azimuthal angle is more uniform, and the anisotropy of pore structure is enhanced by solution seepage. KEY WORDS    weathered crust elution-deposited rare earth ore；leaching system；micro-CT scanning；solution seepage；pore structure evolution 稀土元素由于独特的物理和化学性质而广泛 应用于现代工业体系中的诸多领域，是国家的重 要战略资源，尤其是与高新技术产业密切相关的 中重稀土[1−3] . 风化壳淋积型（离子吸附型）稀土矿 是中重稀土的主要来源，其中的稀土元素主要以 水合或羟基水合离子形式吸附于黏土矿物表面， 传统选冶工艺无法有效回收，而离子交换法是从 风化壳淋积型稀土矿中提取稀土元素的有效手 段[4−6] . 经过多年的发展，原地浸出工艺逐渐成为 风化壳淋积型稀土矿开采的主要技术，对于稀土 原地浸出体系而言，溶液渗透性能是控制稀土元 素浸出效率的重要因素[7−8] . 而矿体中的孔隙空间 是溶液渗流的主要通道，其形态结构特征对溶液 渗流效果具有重要影响，并且孔隙结构在渗流作 用下会不断发生演化，因此，研究渗流作用下浸出 体系孔隙结构特征对优化离子型稀土矿浸出效果 具有重要意义[9−10] . 近年来，相关学者针对风化壳淋积型稀土矿 孔隙结构特征开展了一些研究工作[11−12] . 王晓军 等利用显微镜对浸矿过程中离子型稀土矿的二维 孔隙结构演化特征进行了研究，结果表明：孔隙率 和孔隙半径均随着浸矿时间的增加而增大[13] . 刘 德峰等基于扫描电镜测试，分析了浸矿后矿样孔 隙率随深度的变化规律，研究了不同深度位置稀 土矿样微观孔隙结构的差异特征，并探讨了宏 观渗透系数与有效孔隙率的关系[14] . 谢芳芳等利 用医学 CT 得到了浸出前后的稀土孔隙结构图像， 分析了浸出前后不同高度稀土矿样的二维孔隙 率变化特征，并对孔隙演化机理进行了探讨[15] . Zhou 等基于核磁共振技术对浸出过程中孔隙结构 的演化规律进行了分析，结果显示：随着离子交换 反应的进行，矿样孔隙率保持不变，孔隙结构呈现 出先减小后增大的趋势 [16] . 同时 ，随 着 Micro￾CT 技术的快速发展，国内外学者将其应用于铜、 金、铀、镍等浸出体系孔隙结构研究方面，并取得 了创新性进展[17−18] . 杨保华等利用工业 CT 得到了 铜矿石颗粒浸出前后内部微观孔隙结构特征[19] . Yang 等基于同步辐射 CT 技术分析了黄铜矿浸出 过程中孔隙结构的演化特征[20] . Hoummady 等通 过 Micro-CT 扫描技术，研究了铀矿浸出过程中孔 隙结构的变化特征，建立了孔隙结构三维动态模 型，得到了孔隙半径、孔隙率等参数随时间的变化 特征[21] . 总体而言，已有研究虽然对离子型稀土矿 孔隙结构进行了探索，但相关结果大多反映二维 孔隙结构特征，并未对三维孔隙结构特征进行直 观表征，也缺乏对渗流作用下离子型稀土矿三维 孔隙结构演化特征的深入分析. 本文聚焦于风化壳淋积型稀土矿孔隙结构， 以去离子水为溶浸液开展稀土矿浸出实验，利用 Micro-CT 扫描技术获取渗流前后稀土矿样的内部 结构图像，基于图像处理及分析得到孔隙结构三 维图像，分析溶液渗流作用下稀土矿细观孔隙结 构变化特征，探讨渗流作用对孔隙率、孔隙体积、 孔隙长宽比、孔隙方向等参数的影响. 1    实验 1.1    稀土矿样 本实验中所用稀土矿样取自江西省赣州龙南 某稀土矿山，矿样中主要矿物为石英，其次为高岭 石、斜闪石和伊利石等黏土物质. 将所取矿样混 合均匀，然后取样测试得到的矿样粒级组成如图 1 所示. 可以发现，稀土矿样级配良好，级配曲线中 细颗粒段相对较为平缓而粗颗粒段相对较陡，矿 样中细颗粒易被侵蚀[22] . 100 80 60 Percentage passing by weight/ % 40 20 0 Particle size/mm 0.005 0.01 0.1 1 10 图 1    稀土矿样粒级组成 Fig.1    Particle size distribution of the rare earth ore sample · 1284 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期

陈勋等：渗流作用下风化壳淋积型稀土矿细观孔隙结构演化特征 1285· 1.2浸出实验 Deionized water 本实验中以聚丙烯塑料管为装矿容器，内径 Flow control valve 为26mm,装矿高度为100mm.采用全粒级稀土 矿样进行实验，试样制备时取混合均匀的矿样逐 PVC pipe 步装入容器中，并对矿样进行压实处理，矿样装满 容器后铺设纱布并进行封口.浸出实验时，对试样 Rare earth ore 两端开口以用于注液和出液，并以纱布端为底部 采用去离子水为溶浸液开展浸出实验，实验装置 Holder 如图2所示.实验过程中，注液管位于试样中心位 置，溶液以中心点注的形式进入矿样中.实验过程 中注液强度控制在3 mLmin,注液时间持续2h. Leachate 注液结束后，试样在支架上进行静置排水，直至无 水流出时实验结束 图2浸出实验装置示意图 1.3CT扫描测试 Fig.2 Schematic diagram of the leaching experimental device 针对浸出前和浸出后的试样，分别开展CT扫 描测试，两次扫描为同一位置，位于试样的中上 转360°共获得1440幅样品投影图.扫描结束后， 部.所采用的CT扫描设备为Nano Voxel--4000型 利用VoxelStudiorecon软件采用FDK(Feldkamp- X射线三维扫描系统，两次扫描工作参数相同.经 Davis-Kress)算法对原始数据进行重建，得到试样 调试，确定扫描电压为180kV,电流为145A,曝 的三维灰度图像.三维图像共包含1400个二维截 光时间为0.5s,扫描空间分辨率为15.26um.扫描 面，每个截面尺寸为1900×1900像素，去离子水浸 过程中样品台不断旋转，每次旋转角度为0.25°，旋 出前后试样的二维截面如图3所示. (b) 5mm 5mm 图3试样内部结构图像.(a)浸出前：(b)浸出后 Fig.3 Internal structure image of the sample:(a)before leaching;(b)after leaching 2图像处理及数据提取 噪，以降低噪声或伪影对图像的干扰，增强样品结 构特征.最后，为消除边壁效应的影响对试样图像 2.1图像预处理 进行裁剪，得到直径为1600像素、高度为1300像 在对孔隙结构进行提取之前，先对图像进行 素的圆柱形试样三维灰度图像.预处理之后的试 预处理，主要包括方位校正、滤波降噪和图像裁剪 样二维截面图像如图4所示 等.由图3可以发现，两次扫描得到的CT图像中 2.2孔隙结构提取 颗粒方位存在差异，这是由于扫描时试样摆放角 本研究利用阈值分割算法对孔隙结构进行 度误差所导致的，因此首先对图像进行方位校正 提取，将图像分割成孔隙和矿岩两相介质.阈值 以保证浸出前后的试样CT图像具有一致性.然 分割得到的孔隙结构如图5所示.由图5可以直 后，采用非线性三维中值滤波算法对图像进行降 观地看出相比浸出前，在去离子水渗流作用下

1.2    浸出实验 本实验中以聚丙烯塑料管为装矿容器，内径 为 26 mm，装矿高度为 100 mm. 采用全粒级稀土 矿样进行实验，试样制备时取混合均匀的矿样逐 步装入容器中，并对矿样进行压实处理，矿样装满 容器后铺设纱布并进行封口. 浸出实验时，对试样 两端开口以用于注液和出液，并以纱布端为底部. 采用去离子水为溶浸液开展浸出实验，实验装置 如图 2 所示. 实验过程中，注液管位于试样中心位 置，溶液以中心点注的形式进入矿样中. 实验过程 中注液强度控制在 3 mL·min−1，注液时间持续 2 h. 注液结束后，试样在支架上进行静置排水，直至无 水流出时实验结束. 1.3    CT 扫描测试 针对浸出前和浸出后的试样，分别开展 CT 扫 描测试，两次扫描为同一位置，位于试样的中上 部. 所采用的 CT 扫描设备为 Nano Voxel−4000 型 X 射线三维扫描系统，两次扫描工作参数相同. 经 调试，确定扫描电压为 180 kV，电流为 145 μA，曝 光时间为 0.5 s，扫描空间分辨率为 15.26 μm. 扫描 过程中样品台不断旋转，每次旋转角度为 0.25°，旋 转 360°共获得 1440 幅样品投影图. 扫描结束后， 利 用 VoxelStudiorecon 软件采 用 FDK（ Feldkamp− Davis−Kress）算法对原始数据进行重建，得到试样 的三维灰度图像. 三维图像共包含 1400 个二维截 面，每个截面尺寸为 1900×1900 像素，去离子水浸 出前后试样的二维截面如图 3 所示. (a) 5 mm 5 mm (b) 图 3    试样内部结构图像. （a）浸出前；（b）浸出后 Fig.3    Internal structure image of the sample: (a) before leaching; (b) after leaching 2    图像处理及数据提取 2.1    图像预处理 在对孔隙结构进行提取之前，先对图像进行 预处理，主要包括方位校正、滤波降噪和图像裁剪 等. 由图 3 可以发现，两次扫描得到的 CT 图像中 颗粒方位存在差异，这是由于扫描时试样摆放角 度误差所导致的，因此首先对图像进行方位校正 以保证浸出前后的试样 CT 图像具有一致性. 然 后，采用非线性三维中值滤波算法对图像进行降 噪，以降低噪声或伪影对图像的干扰，增强样品结 构特征. 最后，为消除边壁效应的影响对试样图像 进行裁剪，得到直径为 1600 像素、高度为 1300 像 素的圆柱形试样三维灰度图像. 预处理之后的试 样二维截面图像如图 4 所示. 2.2    孔隙结构提取 本研究利用阈值分割算法对孔隙结构进行 提取，将图像分割成孔隙和矿岩两相介质. 阈值 分割得到的孔隙结构如图 5 所示. 由图 5 可以直 观地看出相比浸出前，在去离子水渗流作用下， Deionized water Flow control valve PVC pipe Rare earth ore Holder Leachate 图 2    浸出实验装置示意图 Fig.2    Schematic diagram of the leaching experimental device 陈    勋等： 渗流作用下风化壳淋积型稀土矿细观孔隙结构演化特征 · 1285 ·

·1286 工程科学学报，第43卷，第10期 (a) 5 mm 图4预处理后试样内部结构图像.(a)浸出前：(b)浸出后 Fig.4 Interal structure image of the sample after preprocessing:(a)before leaching,(b)after leaching 浸出后孔隙体积明显增大.本研究中CT空间分 积进行计算.并且对孔隙空间中的独立孔隙进 辨率为15.26um,所以可被识别的最小孔隙尺寸 行标记，以使得各个独立孔隙之间可以相互区 为15.26um:为量化分析试样孔隙结构参数，利 分，同时得到各个孔隙的体积、长度和宽度等 用Aviz0软件对孔隙三维体积、二维截面孔隙面 参数 (a (b) 图5浸出前后孔隙三维图像(a)浸出前：(b)浸出后 Fig.5 3D images of the pore structure before and after leaching:(a)before leaching:(b)after leaching 3结果与讨论 原有孔隙逐渐扩张，最终造成粗细颗粒接触区的 3.1溶液渗流前后孔隙结构变化特征 孔隙增加最为明显23-2 图6所示为浸出前后试样的第200、400、 对孔隙中的三维孔隙连通性和二维横截面上 600、800和1000层横截面图像，从图中可知，在稀 的孔隙连通性进行识别，浸出前后的三维孔隙分 土矿中细颗粒填充于粗颗粒之间，溶液渗流作用 布特征如图7所示，图8则为浸出前后第200、 后粗颗粒并未发生明显位移.相比浸出前，经去离 400、600、800和1000层横截面上的二维孔隙分布 子水浸出后的试样中孔隙结构具有显著变化，孔 特征.可以发现，相比浸出前，浸出后孔隙之间的 隙更加明显，并且在粗颗粒与细颗粒接触区域孔 连通性得到明显提升.对比发现，渗流作用下孔隙 隙增大幅度最为突出.主要原因在于：渗流作用下 演化特征较为复杂，主要表现为孔隙生成、孔隙贯 稀土矿含水率增大导致颗粒间内聚力降低；并且 通、孔隙扩张和孔隙消亡4个方面.对于孔隙的生 随着溶液渗流的进行，大颗粒表面自由水增多形 成、贯通和扩张，主要原因可分为两个方面：一是 成润滑层，降低了摩擦阻力：再者由于稀土矿散体 渗流作用下发生的颗粒迁移和压溶作用，生成了 颗粒间内聚力随粒径的增大而减小，所以粗颗粒 新孔隙，同时也造成了孔隙之间连通：二是溶液渗 与相邻细颗粒之间的内聚力较小，故而在渗流力 流过程中，矿石颗粒表面生成结合水膜使得表面 作用下粗颗粒周围的细颗粒容易发生迁移，使得 张力增大而导致微小颗粒相互聚集，进而使得微

浸出后孔隙体积明显增大. 本研究中 CT 空间分 辨率为 15.26 μm，所以可被识别的最小孔隙尺寸 为 15.26 μm；为量化分析试样孔隙结构参数，利 用 Avizo 软件对孔隙三维体积、二维截面孔隙面 积进行计算. 并且对孔隙空间中的独立孔隙进 行标记，以使得各个独立孔隙之间可以相互区 分，同时得到各个孔隙的体积、长度和宽度等 参数. (a) (b) 图 5    浸出前后孔隙三维图像. （a）浸出前；（b）浸出后 Fig.5    3D images of the pore structure before and after leaching: (a) before leaching; (b) after leaching 3    结果与讨论 3.1    溶液渗流前后孔隙结构变化特征 图 6 所 示 为 浸 出 前 后 试 样 的 第 200、 400、 600、800 和 1000 层横截面图像，从图中可知，在稀 土矿中细颗粒填充于粗颗粒之间，溶液渗流作用 后粗颗粒并未发生明显位移. 相比浸出前，经去离 子水浸出后的试样中孔隙结构具有显著变化，孔 隙更加明显，并且在粗颗粒与细颗粒接触区域孔 隙增大幅度最为突出. 主要原因在于：渗流作用下 稀土矿含水率增大导致颗粒间内聚力降低；并且 随着溶液渗流的进行，大颗粒表面自由水增多形 成润滑层，降低了摩擦阻力；再者由于稀土矿散体 颗粒间内聚力随粒径的增大而减小，所以粗颗粒 与相邻细颗粒之间的内聚力较小，故而在渗流力 作用下粗颗粒周围的细颗粒容易发生迁移，使得 原有孔隙逐渐扩张，最终造成粗细颗粒接触区的 孔隙增加最为明显[23−26] . 对孔隙中的三维孔隙连通性和二维横截面上 的孔隙连通性进行识别，浸出前后的三维孔隙分 布特征如 图 7 所示 ， 图 8 则为浸出前后 第 200、 400、600、800 和 1000 层横截面上的二维孔隙分布 特征. 可以发现，相比浸出前，浸出后孔隙之间的 连通性得到明显提升. 对比发现，渗流作用下孔隙 演化特征较为复杂，主要表现为孔隙生成、孔隙贯 通、孔隙扩张和孔隙消亡 4 个方面. 对于孔隙的生 成、贯通和扩张，主要原因可分为两个方面：一是 渗流作用下发生的颗粒迁移和压溶作用，生成了 新孔隙，同时也造成了孔隙之间连通；二是溶液渗 流过程中，矿石颗粒表面生成结合水膜使得表面 张力增大而导致微小颗粒相互聚集，进而使得微 (a) 5 mm 5 mm (b) 图 4    预处理后试样内部结构图像. （a）浸出前；（b）浸出后 Fig.4    Internal structure image of the sample after preprocessing: (a) before leaching; (b) after leaching · 1286 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期