堆浸体系多尺度孔隙结构时空变异性及多级渗流模拟研究

Pore structure is essential to the solution flow and mineral extraction for heap leaching system. This project highlights the spacial and temporal variation of multi-scale pore structure in heap and its effect on solution flow. Combined with high-resolution x-ray miro computed tomography, column scale and particle scale leaching of oxide copper ore and sulfide copper ore will be carried out to collect the internal meso- and micro- pore structure images of column and particle respectively; with three dimensional (3D) reconstruction technology and 3D image analysis, programs will be developed to quantify meso- and micro- pore structure accurately; by ascertain proper representative element volume (REV), the spatial distribution properties of meso- and micro- pore structure will be investigated and related mathematical models will be established; based on these models, the temporal variation of meso- and micro- pore structure also will be analyzed; after directly building three dimensional finite element model with obtained sectional images, multi-scale fluid flow simulation will be conducted, based on which the influence of the multi-scale pore structure evolution on solution flow will be explored. This project provides theoretical guidance to optimize the meso- and micro- scale leaching conditions and improve the permeability, thus promoting the development of heap leaching.

堆浸体系中矿岩散体的孔隙结构对溶液流动特性及矿物浸出效果有决定性作用。本项目重点研究堆浸体系多尺度孔隙结构的时间和空间变异性及其对渗流性能的影响规律。结合高精度显微CT技术展开氧化铜矿和硫化铜矿的柱浸及单颗粒浸出试验，采集浸出不同阶段颗粒间细观孔隙结构及单颗粒内部微观孔裂隙结构图像；通过三维重构技术及三维图像分析原理，自编程序完成细观和微观孔裂隙结构的精确描述；确定合理的表征单元体，分析细观和微观孔裂隙结构特征参数的空间分布规律，并建立相应数学模型，在此基础上揭示细观和微观孔隙结构的时间变异性；利用所采集的图像直接构建不同尺度孔裂隙三维有限元模型，开展堆浸体系中多级渗流的计算机模拟，探明不同浸出条件下多尺度孔隙结构的演化对渗流特性的影响，为优化微细观浸出环境和改善渗流性能提供理论指导，促进堆浸技术的新发展。

本项目针对堆浸体系中存在的渗透性差等问题，综合运用散体动力学、渗流力学、传质学、计算机图形图像学等学科理论，以高精度X光CT技术为基础，数字图像处理方法为核心，对堆浸体系多尺度孔隙结构的三维精确表征、孔隙演化规律、多级渗流三维数值模拟等内容开展了系统研究，主要取得了以下研究进展和成果：（1）探明了单颗粒矿石内部微观孔隙结构演化规律。利用图像处理技术、三维重构技术以及三维图像分析方法，开发和优化了三维孔隙结构定量描述算法，对比分析了浸出前后单颗粒矿石内部孔隙率、孔隙分维数、孔隙尺寸分布以及孔隙连通度，探明了单颗粒矿石内部孔隙结构演化规律；（2）建立了酸腐蚀下颗粒内微孔隙演化数学模型。在已有原地浸出孔隙发育数学模型的基础上，考虑由于相变引起的机械变形，提出了一种基于稳定流条件下的矿岩颗粒孔隙发育模型，其控制方程能较好地反映堆浸体系中的渗流—反应—变形过程；（3）实现了单颗粒氧化铜矿石矿物分割及量化分析。基于高精度显微CT及三维图像分析方法实现了氧化铜矿物不同矿物相的准确分割及量化分析，确定了有效表征单元体的选择方法，促进了图像数据的准确分析；（4）实现了多尺度矿堆结构固有渗透率的预测。结合有限元网格划分和数值分析方法，基于CT图像分别构建了细观和微观三维孔隙体几何模型及有限元网格模型，并利用多场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics求解了细观和微观孔隙内的Navier－Stokes流场，通过耦合孔隙体的真实几何形态与流体真实流场，分别计算出了细观和微观孔隙的固有渗透率；（5）率先开展了堆浸体系两级渗流的三维数值模拟。通过特征化矿石颗粒孔隙结构，建立了双尺度孔隙结构矿堆，并提出了两级渗流控制方程，利用多场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics率先开展了堆浸体系两级渗流的三维计算机模拟，探明了溶液流场和孔隙压力分布，同时量化了优势流的定义，实现了优势流的可视化，揭示了孔隙结构与渗流性能的内在本质，促进了溶浸渗流理论的新发展。