堆浸体系中孔隙演化对渗流特性的影响机制

本项目主要研究堆浸过程中散体孔隙结构表征及孔隙演化对渗流特性的影响机制。研制一套适应X光CT扫描机的矿岩散体柱浸及渗流多功能试验装置，结合CT技术进行矿岩散体孔隙演化试验研究。利用图像处理技术和三维重构技术，建立散体孔隙网络空间模型，实现孔隙三维结构参数的定量分析。在此基础上分析不同浸出阶段散体孔隙率、孔隙尺寸、孔隙连通率以及渗透率等主要参数及其空间分布特征。从细观层次揭示孔隙演化机理，建立孔隙演化数值模型和渗透率演化数值模型，探明孔隙演化对浸出过程中溶浸液渗流特性的影响规律。基于构建的孔隙网络模型进行堆浸体系细观渗流的三维数值模拟，探明溶液流动速度、压力梯度及饱和度等参数的分布特征，并根据数值模拟结果对数值模型的有效性进行验证。本项目将为解决堆浸体系中遇到的渗透性差等技术难题提供理论指导，促进堆浸技术的新发展。

本项目以我国低品位金属矿堆浸开采技术为背景，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多学科理论，对堆浸过程中散体孔隙结构表征及孔隙演化对渗流特性的影响机制展开了基础理论研究工作，主要取得了以下研究进展：（1）实现了堆浸体系三维孔隙结构的量化表征。基于CT扫描技术、图像处理技术、三维重构技术以及三维图像分析方法，利用MATLAB开发了堆浸散体三维孔隙结构参数的计算程序，计算并分析了不同粒级矿样的体孔隙率、孔隙尺寸分布以及孔隙连通度；（2）探明了堆浸散体浸出过程中粒间孔隙结构演化规律。在微生物浸出作用下堆浸散体粒间孔隙演化试验的基础上，分析了堆浸散体孔隙率、孔隙尺寸、孔隙连通度的时间和空间变异性；（3）探明了堆浸体系中单颗粒矿石内部微孔隙结构演化规律。基于高精度显微CT试验系统，开展了酸浸作用下堆浸体系中单颗粒氧化铜矿石内部微观孔隙结构演化试验，计算并对比分析了浸出前后单颗粒矿石内部孔隙率、孔隙分维数以及孔隙尺寸分布特征；（4）进行了堆浸过程孔隙演化机理分析。在渗透性能演化试验的基础上，分析了物理运移、沉积以及化学沉淀对堆浸体系渗透性的影响机制，并建立了基于稳定流条件下的矿岩颗粒孔隙发育模型；（5）建立了不饱和渗流—传质—化学反应的柱浸模型。基于有限元计算方法求解，分析了不同渗透性系数下矿堆水压分布、速度场和铜离子浸出率，实现了堆浸渗流—传质—化学反应的耦合分析；（6）开展了堆浸体系细观渗流和传质的三维数值模拟。基于CT图像直接构建了三维孔隙有限元模型，并利用COMSOL Multiphysics率先开展了堆浸体系细观渗流和传质的三维计算机模拟，探明了溶浸液渗流速度、压力梯度等参数的空间分布特征以及渗流过程中溶浸液溶质浓度分布规律。