基于颗粒群组构特性的氧化铜矿柱浸渗流行为分析

吴爱祥¹，姚高辉²，薛振林¹，王贻明¹，胡凯建¹

(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. 中色卢安夏铜业有限公司，卢安夏 90456, 赞比亚)

摘要：以高含泥氧化铜矿为研究对象，针对3种不同组构的颗粒群开展柱浸试验研究，揭示顺、逆流渗流条件下不同粒群结构对矿样渗透性及浸出率的影响规律，提出氧化铜石堆浸的最优颗粒群结构。实验结果表明：颗粒群组构特性的差异主要表现在孔隙率和孔隙分布特征的不同。粒间孔隙的分形特性说明，孔隙分布分维数越小，表明孔隙率越小，颗粒聚集体之间也越紧密，颗粒群的渗透率也越小。在相同酸液环境下，顺流浸矿时矿样的渗透性及铜浸出率均比逆流浸矿时的差。3组矿样的渗透性由大到小依次为B，C和A，而铜浸出率由大到小依次为C，B和A。工程应用表明，C型粒群结构的氧化铜矿石在堆浸生产中具有良好的渗透性和铜浸出率。

关键词：酸浸；颗粒群组构；分形结构；细颗粒迁移；渗流特性

中图分类号：TF803.21           文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)05-1605-07

Seepage behavior of column leaching of copper oxide ore based on particles fabric characteristics

WU Aixiang¹, YAO Gaohui², XUE Zhenlin¹, WANG Yiming¹, HU Kaijian¹

(1. Key Laboratory of Educational Ministry for High Efficient Mining and Safety in Metal Mine,

University of Science & Technology Beijing, Beijing 100083, China;

2. CNMC Luanshya Copper Mines Public Limited Company, Luanshya 90456, Zambia)

Abstract: Using the highly-mudded oxidized copper ore as the object of the research, column leaching experimental research can be carried out in view of three different fabric particles, so as to reveal the influence law of different aggregate structures on the permeability and the leaching rate of ore samples during downstream leaching and countercurrent leaching. On this basis, the best particle group structure of copper oxide ore was put forward. The results show that the difference of particles fabric characteristic mainly displays in the difference between porosity and pore distribution characteristics. The fractal property of interparticle pore shows that the smaller the pore distribution fractal dimension and the porosity, the more closely the particle aggregation, and the smaller the permeability of particle group. In the same acid environment, the permeability and copper leaching rate in the downstream leaching are lower than that in the countercurrent leaching. The permeability of the three ore samples from big to small is B＞C＞A, and the copper leaching rate from big to small is C＞B＞A. Engineering application shows that copper oxide ore of C type structure in the heap leaching production has good permeability and copper leaching rate.

Key words: acid leaching; particles fabric; fractal structure; fine particles migration; seepage characteristics

浸矿散体是一种特殊的松散介质，由不同粒径且形状极不规则的矿石颗粒堆积而成，具有复杂的应力-应变关系和渗流演化规律^[1]。在柱浸过程中，内部结构发生变化在宏观上表现为复杂的渗流特性，因此，必须深入认识和研究酸浸条件下颗粒群细观结构演化特性^[2]。当溶浸液对氧化铜矿石中有用矿物质的溶解能力一定时，柱浸效果则取决于溶浸液在浸柱内的渗透效果。本文作者针对颗粒群3种不同组构特征开展柱浸渗透性试验研究，研究不同粒群结构对高含泥氧化铜石浸出率的影响，揭示产生不同浸矿效果的内在原因，提出高含泥氧化铜石堆浸的最优颗粒群结构。

1  颗粒群组构特性

Aberg将颗粒的结构分为A型和B型^[3-4]2种。在此基础上，本文作者定义了C型的粒群结构，该型颗粒集合体级配曲线位于A形和B型之间，呈直线分布，颗粒中骨架颗粒和松散颗粒均匀分布。在A型结构的颗粒集合体中，每个颗粒和周围充分多的颗粒接触，其位置是不变的。具有B型结构的颗粒集合体中，仅有部分颗粒位置固定，它们组成颗粒群的骨架，其他颗粒和周围的颗粒接触较少，可在不扰动附近其他颗粒的情况下在一定范围内自由移动。A型颗粒集合体中细颗粒比较多，颗粒级配曲线的下端相对较陡；而B型颗粒集合体中细颗粒相对较少，因此颗粒级配曲线的下端比较平缓，这类颗粒中的细颗粒容易发生迁移，而导致孔隙堵塞。

2  柱浸试验方案

2.1  试验材料

根据上述3种颗粒集合体的结构定义及其粒级组成曲线特点，在室内可以制备出满足3种颗粒集合体组构特征的氧化铜矿样，矿样的粒度分布如表1所示。

2.2  试验装置

试验采用自行研制的一套组合式渗流试验装置，如图1所示。该装置可以分别进行顺流浸出与逆流浸出的试验。试验装置主要由上游水箱、下游水桶、工作台架、浸出柱、带刻度细玻璃管、秒表、阀门组成。其中溶浸柱为自制有机玻璃圆柱，内径均为72 mm，高度为600 mm。

表1  3组矿样粒径分布

Table 1  Particle size distribution of three ore samples

图1  不同渗流方向的浸矿试验装置图

Fig. 1  Column leaching device with different seepage direction

2.3  试验过程

逆流浸出试验过程如下。

(1) 往溶浸柱内装满矿样，组装试验仪器。最大颗粒粒径控制在12 mm，为浸出圆柱内径的1/6，以减小边壁效应。在装矿之前，根据实际情况，用喷壶喷水，直至基本湿润，使其具有一定的黏结力，并进行充分搅拌，从而使矿物颗粒粗细分布均匀。

(2) 在浸出圆柱的上游塑料水箱内盛入定量的蒸馏水，调酸至pH为0.2，矿石进行循环酸浸28 d，每天检测pH，并调整溶液pH使其稳定在0.2左右。

(3) 在浸出过程中定期监测溶浸柱的pH，Cu²⁺浓度和渗透系数随时间的变化，当浸出液中Cu²⁺浓度以及反应前后溶液pH趋于稳定时，停止试验并记录硫酸液的消耗量及浸出液的总体积，从而计算出铜浸出率。

顺流浸出的试验过程与上述试验步骤基本一致。

3  试验结果

3.1  不同组构特性矿样的渗透性变化规律

不同颗粒集合体在相同溶液中的渗透性变化如图2所示。从图2可知，在不同溶液环境下，3组类型矿样内部溶液渗透系数在试验初期均呈现迅速增加态势，1~2 d后，溶浸液的渗透系数开始逐渐减小，并随着时间的延长趋于稳定。同时，在相同溶液介质中，B型矿样所测得渗透系数一直最大，C型矿样次之，而A型矿样最小。不同颗粒集合体组构对渗流性的影响是非常明显的。A型矿样中细颗粒相对较多，粗颗粒较少，孔隙率较小。在柱浸过程中，大多数颗粒随溶液在矿样下部运移、沉积，逐步堵塞浸柱下部的大孔隙，使溶液渗透系数降低，导致铜浸出率相对较低。B型矿样内部粗颗粒相对较多，细颗粒较少，孔隙率较大。在浸矿过程中，溶液运移顺畅，渗透性最好。但是，B型矿样由于粗颗粒相对较多，溶浸液向颗粒内部入渗困难，浸出反应时间较长，矿样铜浸出率最低。而C型矿样中粗颗粒和细颗粒均匀分布，尽管渗透性比B型矿样略差，但铜浸出率是最高的。

3.2  不同入渗方向对颗粒群渗透性的影响规律

从图2也可以看出，相同溶液环境下逆流浸矿渗透系数均大于顺流浸矿主要与试验过程中产生的气泡有关。这主要是硫酸与矿石内含CO₃^2-的脉石发生化学反应产生了气体。逆流浸矿试验中溶液的入渗方向与气泡的运动方向一致，有利于气泡的排出，而顺流浸矿试验时，由于溶液是从上往下渗流，在饱和渗流状态下，有部分气泡未及时排出，封闭在浸柱内，对溶液的渗流起到阻碍作用。因此，相同条件下，顺流浸矿时矿样渗透性比逆流浸矿时的差。

图2  不同颗粒集合体在相同溶液中的渗透性变化

Fig. 2  Permeability change of different particles aggregate in the same solution

3.3  不同颗粒群结构下铜浸出率的变化规律

根据3组矿样分别在质量浓度为30 g/L和60 g/L酸溶液中铜浸出率变化曲线如图3所示。由图3可以发现，在相同溶浸液介质中，由C型颗粒结构组成的氧化铜矿样在浸出过程中铜浸出率一直较高，其次为B型矿样，A型矿样最低。B型颗粒群结构由于粗颗粒较多，渗透系数虽然最大，但铜浸率并不能达到理想效果。而对于C型颗粒群结构，在质量浓度为60 g/L酸溶液中，尽管表现渗透性并没有B型矿样好，却得到了最高的铜浸出率。

图3  不同组构颗粒群的铜浸出率变化趋势

Fig. 3  Copper leaching rate of different fabric particles

4  讨论与分析

4.1  细颗粒迁移与颗粒群渗透性

酸液渗流时，浸柱中细颗粒在粗颗粒间运移，易引起骨架局部坍塌，或者堵塞孔喉，导致径流路径发生堵塞，降低颗粒群的渗透性^[5]。试验初期，溶浸液在下渗过程中改变了矿样内部结构。溶浸液的下渗将一部分细颗粒带出浸柱，使得渗流通道愈发顺畅，渗流系数变大；随着溶液渗流的持续，另一部分细颗粒随着溶液在矿样下部运移、沉积，逐步堵塞浸柱下部的孔隙，导致渗流通道变小，溶浸液渗透系数降低，直至矿样内部结构趋于稳态时，其值才趋于稳定。浸矿过程中，细颗粒发生运移、沉积必须满足一定的几何条件。由Kovacs建立的变截面孔隙模型^[6-7]可以得到孔隙的平均直径d₀、最小直径d₁和最大直径d₂：

                (1)

                  (2)

                (3)

               (4)

式中：n为孔隙率；为颗粒的形状系数；D_h为有效粒径；△G_i为第i粒组的质量分数；D_i为该粒组的代表粒径。当D＜d₁，该颗粒为移动颗粒，随溶液移出浸柱；当d₁≤D≤d₂，该颗粒可随溶液移动但最终形成阻塞颗粒(如图4所示)。

4.2  颗粒群的分形特性及渗透性能

4.2.1  孔隙分布分维

假设a×b区域含有多个颗粒(图中黑色充填圆形

为细颗粒，无充填圆形为粗颗粒，其他区域为孔隙)，边长为ε的正方形格子将图像分割成正交型格网，且设格网中含有孔隙的格子总数为N(ε)，改变ε使其在一定值域范围内变化，如ε₁, ε₂, …, ε_n，则得到相应的序列值(N(ε₁)，N(ε₂)，…，N(ε_n))。假定研究区域无量纲边长满足为a×b=4×3，确定边长为1/2，1/4，1/8，1/16，…，将这些数据对在双对数坐标系中表示，可以直观地确定lnε~InN(ε)的对应关系，拟合直线的斜率为孔隙分布分维^[8-9]。为了便于定量分析，先将所有矿岩颗粒的平面投影看成圆形，按照试验所测孔隙率分别绘制3种颗粒群的组构图(如图5所示)，并在示意图上对粒间孔隙的分布分维D_p进行计算。

        (5)

颗粒集合体组构特征的差异性主要体现在孔隙率和孔隙分布特征的差异。3种颗粒的孔隙分布分维如图6所示。从图6可知，A型颗粒的孔隙分布分维最小，B型颗粒的孔隙分布分维最大。试验中测得A，B和C矿样平均孔隙率分别为37.67%，44.03%和40.25%，而且B型矿样的渗透性最好，说明细颗粒在运移、沉积过程中，孔隙率及孔隙分布特征对颗粒群渗透性影响很大，而与其他条件无关。孔隙分布分维数越小，表明孔隙的分布面积越小，颗粒聚集体之间也就越紧密。

图4  孔隙间的阻塞颗粒与移动颗粒

Fig. 4  Blocking particles and moving particles between pores

图5  孔隙分布维算法示意图

Fig. 5  Diagram of fractal dimensional algorithm for pore distribution

4.2.2  孔隙分形结构的渗透率预测

溶浸液主要在相互连通的大孔隙中流动，试验所测渗透率实际上是溶浸液经过大孔隙的等效渗透率，本文采用毛细管束模型的渗透率表达式来计算细颗粒发生迁移后3种颗粒群的渗透率^[10-11]。

图6  3种颗粒的孔隙分布分维

Fig. 6  Fractal dimension value of pores distribution

表2  颗粒群渗透率的预测值

Table 2  Prediction value of particle group permeability

           (6)

，           (7)

式中：k为渗透率，m²；N为总孔隙数；λ为最小孔径半径与最大孔隙半径之比；τ为渗流通道的平均曲折度；L_c为渗流通道的平均长度，m；L_m为研究区域长度，m。

假定图5中研究区域边长满足a=8 cm，b=6 cm，其他计算参数可通过Matlab图像处理技术获得，如表2所示。根据分维数计算得A，B和C 3种颗粒群的渗透率分别为1.53×10^{-12 m2}，2.61×10^{-11 m2}和1.68×10^{-11 m2}。A型颗粒的渗透率明显小于C型颗 粒，B型颗粒的渗透率最大，说明B型颗粒的渗透性能最好。

4.3  气泡作用与渗透性变化

气泡对溶浸液作用过程可以理解为，在溶浸液入渗初期，由于入渗流体的影响，颗粒群内部空气先受到压缩，孔隙气压力会逐渐增大，然后形成通道排出，当接近饱和时，残余气体又受到压缩并且无法排出，对入渗流体起阻碍作用。随着溶浸液继续下渗，当封闭气泡的压力达到气泡破裂压力时，气泡开始从矿样表面溢出，矿样内气压急剧降低，入渗速率增大，当颗粒体系中气体压力降至气泡封闭压力时，气体被封闭在粒间孔隙中，气体压力增大，入渗速率再次降低。整个入渗过程中不断地进行这种循环，循环的次数取决于矿样表面的压力水头的稳定性。

封闭气泡的含量(体积分数)与渗透系数关系可以通过Faybishenko提出的经验公式进行描述^[12-13]：

         (8)

式中：θ，θ_s和θ_qs分别为体积含水率、饱和体积含水率及封闭气泡含量达到最大时的体积含水率；为最大封闭气泡含量；为封闭气泡含量；K(ω)，K_s和K₀分别为渗透系数、饱和渗透系数及封闭气泡含量达到最大时的渗透系数；n为拟合系数。该经验公式说明了封闭气泡的含量对颗粒群渗透性有直接影响，在气体含量未达到饱和时，气体含量越大，渗透系数越低。若气体含量达到饱和值，则浸柱内气泡会破裂，渗透系数突然增大而不再满足上述经验公式。

5  工程应用

云南某铜矿在试生产过程中，堆场渗透性极差，溶浸液无法下渗，而浸出液铜离子质量浓度小于1 g/L，浸出率低于10%。根据室内试验研究结论，对破碎后原矿石进行水洗处理，改变其粒度分布特征。粒度为1 mm以上的矿石经洗矿机洗涤分级后返砂(粒度5~20 mm)直接入堆，溢流继续进入螺旋分级机分级，分级机返砂(粒度1~5 mm)，在矿堆周围分层入堆。破碎后原矿与水洗入堆矿粒级组成曲线如图7所示。破碎后原矿石粉矿及泥质矿(粒度小于0.5 mm)质量分数大于23.07%，但经过水洗分级后，粉矿及泥质矿质量分数小于8%，其级配曲线基本接近于C型粒群结构。同时，采用水洗皮带入堆技术，矿石处理能力大，达到1 191 t/d。

图7  破碎后原矿与水洗入堆矿粒级组成曲线

Fig. 7  Gradation of crushed raw ore and washed ore

表3所示为2种矿样颗粒级配特征值。经过洗矿分级入堆的矿石，其平均粒径、有效粒径、控制粒径都增大^[14]，不均匀系数C_u急剧减小，曲率系数增大1倍，这说明洗矿后矿石粒径更加均匀(C_u愈大表示浸堆矿石愈不均匀)，浸堆级配良好(C_c=1~3)。破碎后的氧化铜原矿石平均粒径只有1.34 mm，属于细料范畴^[15](粒度为0.1~5 mm)；而经洗矿分级后的矿石，平均粒径有6.04 mm，属于粗料范畴(粒径＞5 mm)。工程实践表明，浸堆渗透性明显改善，堆浸周期45~60 d，浸出率达63.98%。

此外，粒度＜1 mm矿浆从螺旋分级机溢流口泵压输送至槽浸工段的水力旋流器，将粉状矿石分为适合槽浸的粉状矿(粒度为0.295~1 mm)与适合搅拌浸出的泥质矿(粒度小于0.295 mm)。粉状矿自流进入浸出槽。在酸浸过程中，细粒物料发生迁移，容易堵塞槽池底部的筛网结构，从而恶化渗透效果。为了加快渗透速度，在常规顺流布液的基础上，再增设一套管道，形成逆流布液方式(如图8所示)。通过溶浸液在矿层中不断改变渗流方向，疏松矿层内部结构，防止细颗粒在1个方向上迁移。

表3  2种矿样颗粒级配特征值

Table 3  Grading eigenvalues of two ore samples

图8  槽浸布液方式

Fig. 8  Solution flow mode of trench-leaching

6  结论

(1) 浸矿过程中，渗透系数先增后减，溶液下渗过程中改变了矿样内部结构。浸矿初期，细颗粒被带出浸柱，使得渗流通道愈发顺畅，渗流系数变大；随后，细颗粒逐步运移、沉降，堵塞浸柱下端的大孔隙，导致渗流通道变小，矿样渗透系数逐渐变小。

(2) 颗粒群组构特性的差异主要表现在孔隙率和孔隙分布特征的不同。粒间孔隙的分形特性说明，孔隙分布分维数越小，表明孔隙的分布面积(孔隙率)越小，颗粒聚集体之间也就越紧密，颗粒群的渗透率也越小。

(3) 对同类型颗粒群同时开展逆流和顺流浸出试验，顺流浸矿时铜浸出率均比逆流浸矿时的小，说明溶液不同的入渗方向对矿样内部结构的改变及渗流特性的影响是不同的，其差异性主要是由浸矿反应产生的气体所致。在酸浸过程中，铜的浸出率还与组成该矿样的粒群结构密切相关。在相同的酸液环境下，3组颗粒群的渗透性由大到小依次为B，C和A，而铜浸出率由大到小依次为C，B和A。

(4) C型粒群结构高含泥氧化铜矿在堆浸时具有良好的渗透性和铜浸出率。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2013-05-25；修回日期：2013-09-12

基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(50934002)；国家自然科学基金资助项目(51074013)

通信作者：姚高辉(1983-)，男，湖北仙桃人，博士，从事溶浸采矿和金属矿床地下开采工作；电话：13811402500；E-mail: yaogaohui@163.com