论文结合μCT扫描、计算机三维图像处理方法和浸矿过程建模仿真等手段,研究堆浸体系宏细观结构特征和水力学特性,提出矿堆结构精细化表征参数体系,基于矿堆三维图像,建立两级渗流—两级传质—固液反应—多相传热的浸矿多场耦合模型,通过氧化铜矿浸出的数值仿真,揭示孔隙尺度浸矿体系各物理场动态响应机制,主要研究工作如下:

(1)通过MCT扫描获取浸柱和矿石三维图像,基于三维图像处理方法,分析矿石单颗粒和散体形态特性,形成以粒级—球度—颗粒排列—颗粒内矿物分布的矿石颗粒散体表征体系和以孔喉轴线长—断面面积—断面周长的孔隙表征体系,并以工艺矿物学分析和常规筛分实验结果部分验证图像计算的有效性。

(2)提出两种基于图像计算的矿堆水力学特性预测方法:通过浸柱CT图像的颗粒散体特性分析,利用Carman-Kozeny经验方程计算介质渗透率;采用直接孔隙图像开展Navier-Stokes流动模拟计算任意(孔隙型/裂隙型)多孔介质渗透率/水力传导率。开展浸柱渗流实验,验证图像预测渗透率的可靠性。根据孔喉图像计算孔喉断面形状系数(圆度—粗糙度—径长比)和无量纲水力传导率,利用反向传播(BP)神经网络,建立形状系数与无量纲水力传导率的新关系。

(3)在阐明宏细观结构和物理特性差异的基础上,根据矿堆三维CT图像构建双尺度孔隙结构矿堆,建立基于Navier-Stokes和Brinkman's双区域控制方程的矿堆渗流模型,开展两级渗流模拟,实现优势流可视化,分析细观体系重要性。

(4)在两级渗流模型基础上建立包含宏观孔隙、脉石颗粒和孔雀石的双尺度孔隙结构矿堆浸矿模型。构造宏观孔隙和脉石颗粒内的两级渗流和对流—扩散传质控制方程,宏观孔隙、脉石颗粒和孔雀石中的对流—热传导多相传热控制方程,溶浸液与脉石矿物反应的区域反应控制方程,以及溶浸液与孔雀石反应的界面反应控制方程,分析渗流、传质、反应和传热过程的耦合关系,建立浸矿多物理场数学模型。

(5)利用双尺度孔隙结构矿堆模型开展氧化铜矿浸出过程仿真,分析了浸矿体系离子(H+、Cu2+、Ca/Mg2+)浓度、矿堆温度场以及钙镁脉石和矿石矿物浸出程度的整体变化趋势,再现了矿堆内流场、离子浓度场、矿堆温度场以及局部钙镁脉石和矿石矿物(未)浸出率的分布;通过比较不同浸矿条件下的浸出效果,分析各因素对浸矿过程的影响。开展小型柱浸实验验证双尺度孔隙结构矿堆浸矿模型,监测浸出液H+浓度、铜及钙镁浸出率变化,并与仿真结果比较,分析实验与仿真差异及其原因。