堆浸礦堆溶液滲流規(guī)律初探

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1、http://www.paper.edu.cn1堆浸礦堆溶液滲流規(guī)律初探吳愛(ài)祥尹升華（中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083）csuysh@126.com摘要：溶液滲流規(guī)律對(duì)堆浸技術(shù)的浸出率、浸出速率具有很重要的影響作用。本文將礦堆組成劃分為礦石顆粒、空氣、不可動(dòng)溶液和可動(dòng)溶液，礦石顆粒是組成礦堆的骨架。認(rèn)為顆粒表面吸附作用和表面張力是促使溶液進(jìn)入礦堆的重要因素，在非飽和滲流狀態(tài)下，礦堆相對(duì)滲透率與飽和度有關(guān)。礦堆中顆粒尺寸小的區(qū)域滲透系數(shù)小，導(dǎo)致最大極限流速小，易達(dá)到局部區(qū)域飽和滲流，隨著噴淋強(qiáng)度的增大，飽和區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，直至整個(gè)礦堆達(dá)到飽和

2、滲流。采用假想滲流代替實(shí)際滲流，推導(dǎo)了溶液滲流的基本方程。關(guān)鍵詞：堆浸；溶液；滲流規(guī)律；連續(xù)性方程[1-3]隨著堆浸技術(shù)的日益發(fā)展，堆浸工藝逐漸被用以處理金、銀、鈾以及低品位銅礦石等。目前，國(guó)內(nèi)在研究浸出工藝時(shí)將浸出礦堆視為“黑箱”進(jìn)行研究，對(duì)溶液在礦堆中的滲流規(guī)律研究甚少；國(guó)外在此方面的研究，也僅借鑒土力學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、化學(xué)的一些基本原理和[4]方法，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，局限于對(duì)礦石顆粒性質(zhì)與滲透率、滲透效果之間的關(guān)系研究。溶液滲流在浸出過(guò)程中起兩方面的作用，一是將溶浸劑輸送到達(dá)目的礦物，二是將有用組分運(yùn)出礦堆，因此溶液滲流規(guī)律是影響堆浸工藝成功與否的關(guān)鍵因

3、素。礦石顆粒尺寸大小不一，并伴隨各種交換、溶解、沉淀、氧化還原、生物化學(xué)等化學(xué)反應(yīng)，因此溶液滲流規(guī)律[5]更加難以定量描述。在遵循堆浸過(guò)程基本條件的基礎(chǔ)上，采用等效的方法進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)溶液滲流基本規(guī)律進(jìn)行探索性的研究。1礦堆組成以原生硫化礦為主的眾多礦石浸出反應(yīng)，需要氧氣的參與，因此礦堆中除了礦石顆粒和溶液之外，空氣也是礦堆重要的組成部分，并且從滲流的角度出發(fā)，溶液可分為不可動(dòng)和可動(dòng)溶液。（1）礦石顆粒礦石顆粒是組成礦堆的骨架，目的礦物嵌于其中或附于其表面。礦石顆粒在浸出過(guò)程中，其位置固定不變，但隨著浸出反應(yīng)和風(fēng)化作用的長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行，礦石會(huì)逐漸被溶解縮小，直至

4、完全泥化。（2）空氣進(jìn)行噴淋浸出前，礦堆孔隙和礦石裂隙都充滿(mǎn)空氣。噴淋開(kāi)始之后，通過(guò)調(diào)節(jié)噴淋量的大小可控制礦堆溶液的飽和度，保證礦堆中含有足夠的空氣以滿(mǎn)足浸出反應(yīng)得進(jìn)行。（3）不可動(dòng)溶液由于礦物表面不飽和力場(chǎng)作用下形成的吸附液和薄膜液均屬于不可動(dòng)溶液，其特性之一是鋪展于整個(gè)礦石顆粒表面。除此之外，礦石內(nèi)部裂隙、礦石間微孔隙以及盲端孔隙中的溶本課題得到國(guó)家教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（20020533037）和國(guó)家杰出青年基金資助項(xiàng)目（50325415）-1-http://www.paper.edu.cn液由于礦石表面的毛細(xì)作用，不能自由流動(dòng)，亦屬于不可動(dòng)溶液。

5、（4）可動(dòng)溶液可動(dòng)溶液在重力的作用下，可在礦堆孔隙中自由流動(dòng)，噴淋停止之后，可立即疏干，排出礦堆。可動(dòng)溶液礦石顆粒不可動(dòng)溶液空氣圖3-1礦堆中溶液形態(tài)示意圖[6]絕大部分礦石的裂隙率一般為1-6%，礦堆裂隙率為1-4%。實(shí)驗(yàn)研究表明，礦堆中四組分所占比例如表1所示。表1礦堆中四組分所占比例成分狀態(tài)占礦堆總體積比例礦石顆粒靜止59.0%空氣流動(dòng)18.1-19.6%不可動(dòng)溶液靜止2.4%可動(dòng)溶液流動(dòng)19.0%-21.5%2溶液滲流狀態(tài)根據(jù)浸出反應(yīng)對(duì)氧氣的依賴(lài)程度不同，可通過(guò)制粒、筑堆和噴淋等手段控制礦堆孔隙率、飽和率和溶液流動(dòng)速率，從而調(diào)控礦堆內(nèi)空氣含量。不同

6、噴淋強(qiáng)度下，礦堆內(nèi)溶液滲流狀態(tài)可分為三種：孔隙水疏干、非飽和滲流、飽和滲流。Schlitt等人所進(jìn)行的柱浸實(shí)驗(yàn)中，噴淋[7]強(qiáng)度與滲流狀態(tài)的關(guān)系如表2所示。表2噴淋強(qiáng)度與滲流狀態(tài)關(guān)系表噴淋強(qiáng)度（mm/hr）滲流狀態(tài)飽和度(%)0孔隙水疏干19.01.2孔隙水疏干20.66.0非飽和滲流20.724.0非飽和滲流21.1120.0非飽和滲流21.33050.0非飽和滲流21.54070.0飽和滲流38.6-2-http://www.paper.edu.cn2.1溶液進(jìn)入溶液的進(jìn)入過(guò)程是不動(dòng)溶液形成的過(guò)程，在礦堆中，溶液除了受重力和空氣壓力作用之外，礦石表面吸

7、附和表面張力是影響溶液滲流狀態(tài)的重要因素。溶液進(jìn)入礦堆時(shí)，溶液被礦石顆粒表面吸附，形成一層液膜，即不可動(dòng)溶液中的一種——結(jié)合液，也就是說(shuō)，溶液浸潤(rùn)礦石是從其表面開(kāi)始的。礦堆中溶液與礦石顆粒的接觸有多種，其中整個(gè)顆粒浸在溶液中時(shí)，顆粒表面溶液分布最均勻；大顆粒則可能被從下面來(lái)的或從上面來(lái)的溶液流或液滴浸潤(rùn)；更多的情況是，溶液是從先被浸潤(rùn)的相鄰顆粒進(jìn)入干燥或微浸潤(rùn)的顆粒；因空氣中溶液冷凝在礦石表面形成液體的情況也存在。在礦石顆粒表面浸潤(rùn)形成液膜的同時(shí)，溶液進(jìn)入礦堆微孔隙、顆粒裂隙及盲端孔隙進(jìn)入，形成另一種不可動(dòng)溶液——毛細(xì)溶液。礦堆微孔隙和顆粒裂隙相當(dāng)于毛細(xì)管

8、，其氣、液兩相界面存在毛細(xì)管壓力：''2σP=P?P'=（1）er