堆浸矿堆溶液渗流规律初探

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1、http://www.paper.edu.cn1堆浸矿堆溶液渗流规律初探吴爱祥尹升华（中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083）csuysh@126.com摘要：溶液渗流规律对堆浸技术的浸出率、浸出速率具有很重要的影响作用。本文将矿堆组成划分为矿石颗粒、空气、不可动溶液和可动溶液，矿石颗粒是组成矿堆的骨架。认为颗粒表面吸附作用和表面张力是促使溶液进入矿堆的重要因素，在非饱和渗流状态下，矿堆相对渗透率与饱和度有关。矿堆中颗粒尺寸小的区域渗透系数小，导致最大极限流速小，易达到局部区域饱和渗流，随着喷淋强度的增大，饱和区范围逐渐扩大，直至整个矿堆达到饱和

2、渗流。采用假想渗流代替实际渗流，推导了溶液渗流的基本方程。关键词：堆浸；溶液；渗流规律；连续性方程[1-3]随着堆浸技术的日益发展，堆浸工艺逐渐被用以处理金、银、铀以及低品位铜矿石等。目前，国内在研究浸出工艺时将浸出矿堆视为“黑箱”进行研究，对溶液在矿堆中的渗流规律研究甚少；国外在此方面的研究，也仅借鉴土力学、水文地质学、化学的一些基本原理和[4]方法，在实验的基础上，局限于对矿石颗粒性质与渗透率、渗透效果之间的关系研究。溶液渗流在浸出过程中起两方面的作用，一是将溶浸剂输送到达目的矿物，二是将有用组分运出矿堆，因此溶液渗流规律是影响堆浸工艺成功与否的关键因

3、素。矿石颗粒尺寸大小不一，并伴随各种交换、溶解、沉淀、氧化还原、生物化学等化学反应，因此溶液渗流规律[5]更加难以定量描述。在遵循堆浸过程基本条件的基础上，采用等效的方法进行简化，对溶液渗流基本规律进行探索性的研究。1矿堆组成以原生硫化矿为主的众多矿石浸出反应，需要氧气的参与，因此矿堆中除了矿石颗粒和溶液之外，空气也是矿堆重要的组成部分，并且从渗流的角度出发，溶液可分为不可动和可动溶液。（1）矿石颗粒矿石颗粒是组成矿堆的骨架，目的矿物嵌于其中或附于其表面。矿石颗粒在浸出过程中，其位置固定不变，但随着浸出反应和风化作用的长时间进行，矿石会逐渐被溶解缩小，直至

4、完全泥化。（2）空气进行喷淋浸出前，矿堆孔隙和矿石裂隙都充满空气。喷淋开始之后，通过调节喷淋量的大小可控制矿堆溶液的饱和度，保证矿堆中含有足够的空气以满足浸出反应得进行。（3）不可动溶液由于矿物表面不饱和力场作用下形成的吸附液和薄膜液均属于不可动溶液，其特性之一是铺展于整个矿石颗粒表面。除此之外，矿石内部裂隙、矿石间微孔隙以及盲端孔隙中的溶本课题得到国家教育部博士点基金资助项目（20020533037）和国家杰出青年基金资助项目（50325415）-1-http://www.paper.edu.cn液由于矿石表面的毛细作用，不能自由流动，亦属于不可动溶液。

5、（4）可动溶液可动溶液在重力的作用下，可在矿堆孔隙中自由流动，喷淋停止之后，可立即疏干，排出矿堆。可动溶液矿石颗粒不可动溶液空气图3-1矿堆中溶液形态示意图[6]绝大部分矿石的裂隙率一般为1-6%，矿堆裂隙率为1-4%。实验研究表明，矿堆中四组分所占比例如表1所示。表1矿堆中四组分所占比例成分状态占矿堆总体积比例矿石颗粒静止59.0%空气流动18.1-19.6%不可动溶液静止2.4%可动溶液流动19.0%-21.5%2溶液渗流状态根据浸出反应对氧气的依赖程度不同，可通过制粒、筑堆和喷淋等手段控制矿堆孔隙率、饱和率和溶液流动速率，从而调控矿堆内空气含量。不同

6、喷淋强度下，矿堆内溶液渗流状态可分为三种：孔隙水疏干、非饱和渗流、饱和渗流。Schlitt等人所进行的柱浸实验中，喷淋[7]强度与渗流状态的关系如表2所示。表2喷淋强度与渗流状态关系表喷淋强度（mm/hr）渗流状态饱和度(%)0孔隙水疏干19.01.2孔隙水疏干20.66.0非饱和渗流20.724.0非饱和渗流21.1120.0非饱和渗流21.33050.0非饱和渗流21.54070.0饱和渗流38.6-2-http://www.paper.edu.cn2.1溶液进入溶液的进入过程是不动溶液形成的过程，在矿堆中，溶液除了受重力和空气压力作用之外，矿石表面吸

7、附和表面张力是影响溶液渗流状态的重要因素。溶液进入矿堆时，溶液被矿石颗粒表面吸附，形成一层液膜，即不可动溶液中的一种——结合液，也就是说，溶液浸润矿石是从其表面开始的。矿堆中溶液与矿石颗粒的接触有多种，其中整个颗粒浸在溶液中时，颗粒表面溶液分布最均匀；大颗粒则可能被从下面来的或从上面来的溶液流或液滴浸润；更多的情况是，溶液是从先被浸润的相邻颗粒进入干燥或微浸润的颗粒；因空气中溶液冷凝在矿石表面形成液体的情况也存在。在矿石颗粒表面浸润形成液膜的同时，溶液进入矿堆微孔隙、颗粒裂隙及盲端孔隙进入，形成另一种不可动溶液——毛细溶液。矿堆微孔隙和颗粒裂隙相当于毛细管

8、，其气、液两相界面存在毛细管压力：''2σP=P−P'=（1）er