基于核磁共振成像技术的堆浸细观渗流速度场特性

工程科学学报，第37卷，第3期：275-280,2015年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.3:275-280,March 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.03.002:http://journals.ustb.edu.cn 基于核磁共振成像技术的堆浸细观渗流速度场特性 尹升华，薛振林四，吴爱祥，刘超，李红 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:xue_zhenlin@126.com 摘要采用核磁共振成像技术对柱浸渗流过程进行非接触、无损探测，得到溶液静止和流动时的核磁共振图像.通过对速 度值分布的分析，评价了速度场均匀性，得到了均匀性指数与喷淋强度的关系，进而研究了细观渗流速度场分布特性和孔隙 内速度场演化规律.研究表明：流速分布具有明显的不均匀性，流速值与孔隙大小并不严格一致：不同喷淋强度下速度值分 布趋势相似，最大流速与喷淋强度正相关：通过分析速度场均匀性与喷淋强度间关系可得到喷淋强度阙值，实验中0.7L· cm2h为此粒级级配的喷淋强度阈值。现场应用动态喷淋强度可明显改善堆场的渗透性，提高铜的浸出率。 关键词渗流：流速：堆浸：核磁共振成像：铜 分类号TD952 Mesoscopic seepage velocity characteristics during heap leaching based on magnetic resonance imaging YIN Sheng-hua,XUE Zhen-lin,WU Ai-xiang,LIU Chao,LI Hong School of Civil and Environmental Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:xue_zhenlin@126.com ABSTRACT Column leaching seepage processes were detected in a non-contact and non-destructive way by magnetic resonance ima- ging.Column leaching images were obtained when the flow was stationary and running.Mesoscopic seepage velocity field distribution characteristics and velocity field evolution rules inside pores were studied by analyzing the velocity value distribution,flow velocity dis- tribution uniformity,and relationship between evenness index and spray intensity.The research shows that the velocity distribution has obvious inhomogeneity,and the flow velocity value is not in accordance with the pore size strictly.The flow velocity distribution is sim- ilar for different spray intensities.There is a positive correlation between the maximum velocity and spray intensity.A spray intensity threshold can be obtained by analyzing the relationship between velocity field uniformity and spray intensity.The value of 0.7 L.cm2.h is the intensity threshold of the designated graded distribution.Field applications of dynamic spray intensity can obvious- ly improve the permeability of dumps and the leaching rate of copper. KEY WORDS seepage:flow velocity:heap leaching:magnetic resonance imaging:copper 堆浸过程中溶液渗流对浸出过程有着非常重要的 堆微细观孔隙结构和孔隙率的变化，从而导致渗透性 作用，浸出剂到达目标矿物、浸出体系温度的调节、反 能的变化风：另一方面，溶液渗流的变化，导致堆内溶 应产物的输送等过程均由溶液渗流来完成，因此溶液 液分布不均（如矿堆表面径流、优先液流和沟流），从 渗流过程是关系到浸出工艺成功与否的关键过程四， 而影响矿堆中目标矿物的浸出率网.研究堆浸散体介 溶液在矿堆中的渗流，伴随矿堆压实、矿物溶解、沉淀、 质中溶液的渗流速度场分布以及速度演化规律，有助 细颗粒运移等现象发生.一方面，这些过程会导致矿 于进一步了解溶浸液在堆中的渗流规律，对于指导筑 收稿日期：2013-1206 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51374035)：新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-130669)

工程科学学报，第 37 卷，第 3 期: 275--280，2015 年 3 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 3: 275--280，March 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 03． 002; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于核磁共振成像技术的堆浸细观渗流速度场特性 尹升华，薛振林，吴爱祥，刘 超，李 红 北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: xue_zhenlin@ 126． com 摘 要 采用核磁共振成像技术对柱浸渗流过程进行非接触、无损探测，得到溶液静止和流动时的核磁共振图像． 通过对速 度值分布的分析，评价了速度场均匀性，得到了均匀性指数与喷淋强度的关系，进而研究了细观渗流速度场分布特性和孔隙 内速度场演化规律． 研究表明: 流速分布具有明显的不均匀性，流速值与孔隙大小并不严格一致; 不同喷淋强度下速度值分 布趋势相似，最大流速与喷淋强度正相关; 通过分析速度场均匀性与喷淋强度间关系可得到喷淋强度阈值，实验中 0. 7 L· cm － 2·h － 1为此粒级级配的喷淋强度阈值． 现场应用动态喷淋强度可明显改善堆场的渗透性，提高铜的浸出率． 关键词 渗流; 流速; 堆浸; 核磁共振成像; 铜 分类号 TD952 Mesoscopic seepage velocity characteristics during heap leaching based on magnetic resonance imaging YIN Sheng-hua，XUE Zhen-lin ，WU Ai-xiang，LIU Chao，LI Hong School of Civil and Environmental Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: xue_zhenlin@ 126． com ABSTＲACT Column leaching seepage processes were detected in a non-contact and non-destructive way by magnetic resonance ima￾ging． Column leaching images were obtained when the flow was stationary and running． Mesoscopic seepage velocity field distribution characteristics and velocity field evolution rules inside pores were studied by analyzing the velocity value distribution，flow velocity dis￾tribution uniformity，and relationship between evenness index and spray intensity． The research shows that the velocity distribution has obvious inhomogeneity，and the flow velocity value is not in accordance with the pore size strictly． The flow velocity distribution is sim￾ilar for different spray intensities． There is a positive correlation between the maximum velocity and spray intensity． A spray intensity threshold can be obtained by analyzing the relationship between velocity field uniformity and spray intensity． The value of 0. 7 L·cm － 2·h － 1 is the intensity threshold of the designated graded distribution． Field applications of dynamic spray intensity can obvious￾ly improve the permeability of dumps and the leaching rate of copper． KEY WOＲDS seepage; flow velocity; heap leaching; magnetic resonance imaging; copper 收稿日期: 2013--12--06 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51374035) ; 新世纪优秀人才支持计划资助项目( NCET--13--0669) 堆浸过程中溶液渗流对浸出过程有着非常重要的 作用，浸出剂到达目标矿物、浸出体系温度的调节、反 应产物的输送等过程均由溶液渗流来完成，因此溶液 渗流过程是关系到浸出工艺成功与否的关键过程［1］． 溶液在矿堆中的渗流，伴随矿堆压实、矿物溶解、沉淀、 细颗粒运移等现象发生． 一方面，这些过程会导致矿 堆微细观孔隙结构和孔隙率的变化，从而导致渗透性 能的变化［2］; 另一方面，溶液渗流的变化，导致堆内溶 液分布不均( 如矿堆表面径流、优先液流和沟流) ，从 而影响矿堆中目标矿物的浸出率［3］． 研究堆浸散体介 质中溶液的渗流速度场分布以及速度演化规律，有助 于进一步了解溶浸液在堆中的渗流规律，对于指导筑

·276· 工程科学学报，第37卷，第3期 堆及提高浸出效果具有重要意义，对渗流学科发展和 的一种方法，是一种既能显示矿堆内部结构，又能提供 解决堆浸工程应用问题也具有重要价值. 溶液流动方向、速度、流量等流动力学信息的技术.相 近年来，国内外的研究多将矿堆视为“黑箱”处 位编码采用双极梯度场对流动进行编码，即在射频脉 理，土力学、水文地质学和化学的一些基本原理和方 冲激发后，于层面选择梯度和读出梯度之间施加两个 法，局限于对矿石颗粒性质与渗透率、渗透效果之间的 大小、持续时间完全相同，但方向相反的梯度场.当应 关系研究四.对溶浸矿堆内流体渗流的研究主要借助 用第一梯度场时，静止和运动组织的质子都开始累积 于计算流体动力学方法，采用数值模拟研究5刀，鲜有 相位变化.随即应用第二个梯度场，静止组织自旋质 通过实验测量的手段分析系统内渗流场分布情况.其 子回绕并失相位，相位变化为零：而流动自旋质子由于 主要原因是，溶浸液在矿堆内的渗流速度的测量不同 位置发生了移动，即使遇到两个大小和持续时间相同 于传统的温度、溶氧、电位等参数测试，若在流场内布 但方向相反的梯度场，其相位变化也不可能回到零，故 置传感器，将影响流场的分布，无法进行无损测量.所 流动质子群的相位变化得到保留，与静止组织存在相 以，采用常规手段必然无法了解浸堆内部发生的复杂 位差别，利用这种差别即形成相位对比.流动质子群 过程和相关规律.核磁共振成像(magnetic resonance 的相位变化与流速呈线性关系，流速越快，相位变化越 imaging,MRI)作为一种无损伤探测技术，已广泛应用 明显： 于化学工程研究领域，如催化剂、物质运移和流体力 △Φ=r·△m·. (1) 学网，其探测具有无扰动、非接触、无损伤等特点，可揭 式中，△中为相位差，r为磁旋比，△m可简单表示为梯 示传统测试技术无法观测到的流动溶液渗流特性. 度场面积与施加双极梯度场的时间间隔的乘积，为 Sederman和Sankey等p-o分别利用核磁共振成像技 频率.通过对速度编码梯度场的调整，观察流动质子 术探测了单管内液体流动、气液两相流在均匀多孔介 的相位变化，可检测出流动质子的运动方向、流速、流 质内的流动.Fagan等1-四利用核磁共振成像技术对 量等信息切. 柱浸过程进行了探索性成像实验.本文把核磁共振成 2实验 像技术引入到柱浸实验中，使得非接触、无损地探测并 研究堆浸散体介质中的溶液渗流特性与演化规律成为 2.1实验装置 可能 实验装置主要由柱浸系统、夹持稳固装置和核磁 共振成像系统三部分组成.柱浸系统主体为自制有机 1相位对比法测速原理 玻璃柱，高220mm,内径60mm,底部有均匀圆孔筛板， 相位对比磁共振成像测速是利用流动所致的宏观 上端和末端均连接流量控制开关，下端连接流量计 横向磁化矢量的相位变化来抑制背景、突出流动信号 如图1所示 缓冲酥石 成像截面 散体介质 筛板 _60mm 图1核磁共振扫描装置 Fig.I Nuclear magnetic resonance scanner 核磁共振成像探测设备为美国通用电气医疗系统 (TE)为40ms/6.84ms,片层厚度4mm,片层方向为垂 Discovery MR7503.0T,见图1.实验时所有获得的图 直流动方向. 像参数为：切片厚度为4mm,缺口0.4mm,视野为15 2.2实验材料 cm×15cm,翻转角20°，重复时间(TR)/回波时间 核磁共振测速实验中实验材料对成像效果影响较

工程科学学报，第 37 卷，第 3 期 堆及提高浸出效果具有重要意义，对渗流学科发展和 解决堆浸工程应用问题也具有重要价值． 近年来，国内外的研究多将矿堆视为“黑箱”处 理，土力学、水文地质学和化学的一些基本原理和方 法，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［4］． 对溶浸矿堆内流体渗流的研究主要借助 于计算流体动力学方法，采用数值模拟研究［5 － 7］，鲜有 通过实验测量的手段分析系统内渗流场分布情况． 其 主要原因是，溶浸液在矿堆内的渗流速度的测量不同 于传统的温度、溶氧、电位等参数测试，若在流场内布 置传感器，将影响流场的分布，无法进行无损测量． 所 以，采用常规手段必然无法了解浸堆内部发生的复杂 过程和相关规律． 核磁共振成像( magnetic resonance imaging，MＲI) 作为一种无损伤探测技术，已广泛应用 于化学工程研究领域，如催化剂、物质运移和流体力 学［8］，其探测具有无扰动、非接触、无损伤等特点，可揭 示传统测试技术无法观测到的流动溶液渗流特性． Sederman 和 Sankey 等［9 － 10］分别利用核磁共振成像技 术探测了单管内液体流动、气液两相流在均匀多孔介 质内的流动． Fagan 等［11 － 12］利用核磁共振成像技术对 柱浸过程进行了探索性成像实验． 本文把核磁共振成 像技术引入到柱浸实验中，使得非接触、无损地探测并 研究堆浸散体介质中的溶液渗流特性与演化规律成为 可能． 1 相位对比法测速原理 相位对比磁共振成像测速是利用流动所致的宏观 横向磁化矢量的相位变化来抑制背景、突出流动信号 的一种方法，是一种既能显示矿堆内部结构，又能提供 溶液流动方向、速度、流量等流动力学信息的技术． 相 位编码采用双极梯度场对流动进行编码，即在射频脉 冲激发后，于层面选择梯度和读出梯度之间施加两个 大小、持续时间完全相同，但方向相反的梯度场． 当应 用第一梯度场时，静止和运动组织的质子都开始累积 相位变化． 随即应用第二个梯度场，静止组织自旋质 子回绕并失相位，相位变化为零; 而流动自旋质子由于 位置发生了移动，即使遇到两个大小和持续时间相同 但方向相反的梯度场，其相位变化也不可能回到零，故 流动质子群的相位变化得到保留，与静止组织存在相 位差别，利用这种差别即形成相位对比． 流动质子群 的相位变化与流速呈线性关系，流速越快，相位变化越 明显: ΔΦ = r·Δm·v． ( 1) 式中，ΔΦ 为相位差，r 为磁旋比，Δm 可简单表示为梯 度场面积与施加双极梯度场的时间间隔的乘积，v 为 频率． 通过对速度编码梯度场的调整，观察流动质子 的相位变化，可检测出流动质子的运动方向、流速、流 量等信息［13］． 2 实验 2. 1 实验装置 实验装置主要由柱浸系统、夹持稳固装置和核磁 共振成像系统三部分组成． 柱浸系统主体为自制有机 玻璃柱，高 220 mm，内径 60 mm，底部有均匀圆孔筛板， 上端和末端均连接流量控制开关，下端连接流量计． 如图 1 所示． 图 1 核磁共振扫描装置 Fig． 1 Nuclear magnetic resonance scanner 核磁共振成像探测设备为美国通用电气医疗系统 Discovery MＲ750 3. 0T，见图 1． 实验时所有获得的图 像参数为: 切片厚度为 4 mm，缺口 0. 4 mm，视野为 15 cm × 15 cm，翻 转 角 20°，重 复 时 间 ( TＲ) /回 波 时 间 ( TE) 为 40 ms /6. 84 ms，片层厚度 4 mm，片层方向为垂 直流动方向． 2. 2 实验材料 核磁共振测速实验中实验材料对成像效果影响较 · 672 ·

尹升华等：基于核磁共振成像技术的堆浸细观渗流速度场特性 ·277· 大，采用矿石作为介质时伪影较多，图像扭曲严重，无 (3)选取图像中边界明显、轮廓清晰、无伪影且无 法进行结果分析.本文采用自制琼脂颗粒作为散体介 扭曲图像进行保存，供后续图像处理和结果分析 质代替矿石，随机堆积分布构造堆浸渗流的空隙间结 3结果与讨论 构，从而减小金属物质对成像的影响，以获得清晰的核 磁共振图像，颗粒粒径分别为8、l0和15mm 3.1柱浸核磁共振测速图像获取 2.3实验步骤 图2为柱浸实验过程中获得的玻璃柱横截面核磁 (1)将不同粒径琼脂球充分混合后置于有机玻璃 共振图，其中图2(b)的流量为0.3L·min.静止状态 柱内，对装置进行饱和水处理2，使柱浸体系孔隙充 下成像效果较溶液流动时更为良好，因为溶液流动时 分饱和水，排尽装置内空气. H核移动影响了成像效果.静态图像反映了截面内颗 (2)将饱和处理后的矿柱固定在夹持装置内，减 粒和溶液的分布情况：黑色区域为代表矿粒的琼脂颗 少设备震动对柱浸系统成像的影响，然后将有机玻璃 粒，白色为溶液，颗粒随机分布，相互作用形成多孔 柱连同固定装置一起置于核磁共振仪中，进行成像实 介质结构，溶液充满孔隙，模拟堆浸渗流过程的饱和状 验.实验过程中分别设定流量为静止、0.3、0.4和0.5 态.此外，颗粒内黑色区域为气泡，对成像效果有一定 L·min.选择不同的编码方式及参数设置进行效果 影响.图2(b)中白色区域的明亮程度反映了流速的 比对，最终确定有效的编码方式和参数设定对有机玻 快慢，越亮表示速度越快，相反黑色部分表示不流动， 璃柱中段部分进行渗流过程的成像 这样就得到了横截面的流速分布核磁共振图像 a 图2柱浸核磁共振截面图.(a）溶液静止：(b)溶液流动 Fig.2 Nuclear magnetic resonance imaging of column leaching:(a)motionless state:(b)flow state 3.2渗流速度场特性分析 加，得到截面总流速，与设置流量进行对比，计算误差 3.2.1量化速度场的建立 结果表明最大误差出现在0.5L·min的流量，误差为 为了量化研究渗流速度场分布规律，将不同流量 8.82%,实验结果可以接受 下核磁共振成像相位图导入Imagej软件进行处理，通 经分析可知，堆浸系统中的渗流速度场分布由流 过软件转化计算得到每个截面内超过1万个像素点的 量、横截面积、散体分布、孔隙度等共同决定，而每个截 数据，后导入Excl数据库.根据图中颗粒分布，去噪 面的颗粒分布情况不同，孔隙率沿纵向动态变化，流速 和去除影响点后确定流动区域，得到每个像素点处速 分布情况随之变化。结果表明各截面溶液分布具有明 度值，建立量化的速度场分布图，如图3.为了验证结 显的不均匀性，溶液分布的不均匀与孔隙分布的不均 果的准确性，将不同流量下得到速度场各点速度值相 匀相一致的.流速与孔隙大小并不是严格的线性关 (a) (c) 流速/cm·s 圆1.52.0 ☐1.0-1.5 ■0.5-1.0 ■0-0.5 图3不同流量下渗流速度场分布.(a)0.3 L'min-!:(b)0.4Lmin1:(c)0.5 L'min-1 Fig.3 Seepage velocity field distribution at different fluxes:(a)0.3 L'min-;(b)0.4Lmin-1;(c)0.5 Lmin-

尹升华等: 基于核磁共振成像技术的堆浸细观渗流速度场特性 大，采用矿石作为介质时伪影较多，图像扭曲严重，无 法进行结果分析． 本文采用自制琼脂颗粒作为散体介 质代替矿石，随机堆积分布构造堆浸渗流的空隙间结 构，从而减小金属物质对成像的影响，以获得清晰的核 磁共振图像，颗粒粒径分别为 8、10 和 15 mm． 2. 3 实验步骤 ( 1) 将不同粒径琼脂球充分混合后置于有机玻璃 柱内，对装置进行饱和水处理 2 h，使柱浸体系孔隙充 分饱和水，排尽装置内空气． ( 2) 将饱和处理后的矿柱固定在夹持装置内，减 少设备震动对柱浸系统成像的影响，然后将有机玻璃 柱连同固定装置一起置于核磁共振仪中，进行成像实 验． 实验过程中分别设定流量为静止、0. 3、0. 4 和 0. 5 L·min － 1 ． 选择不同的编码方式及参数设置进行效果 比对，最终确定有效的编码方式和参数设定对有机玻 璃柱中段部分进行渗流过程的成像． ( 3) 选取图像中边界明显、轮廓清晰、无伪影且无 扭曲图像进行保存，供后续图像处理和结果分析． 3 结果与讨论 3. 1 柱浸核磁共振测速图像获取 图 2 为柱浸实验过程中获得的玻璃柱横截面核磁 共振图，其中图 2( b) 的流量为 0. 3 L·min － 1 ． 静止状态 下成像效果较溶液流动时更为良好，因为溶液流动时 H 核移动影响了成像效果． 静态图像反映了截面内颗 粒和溶液的分布情况: 黑色区域为代表矿粒的琼脂颗 粒，白色为溶液［14］，颗粒随机分布，相互作用形成多孔 介质结构，溶液充满孔隙，模拟堆浸渗流过程的饱和状 态． 此外，颗粒内黑色区域为气泡，对成像效果有一定 影响． 图 2( b) 中白色区域的明亮程度反映了流速的 快慢，越亮表示速度越快，相反黑色部分表示不流动， 这样就得到了横截面的流速分布核磁共振图像． 图 2 柱浸核磁共振截面图． ( a) 溶液静止; ( b) 溶液流动 Fig． 2 Nuclear magnetic resonance imaging of column leaching: ( a) motionless state; ( b) flow state 图 3 不同流量下渗流速度场分布． ( a) 0. 3 L·min － 1 ; ( b) 0. 4 L·min － 1 ; ( c) 0. 5 L·min － 1 Fig． 3 Seepage velocity field distribution at different fluxes: ( a) 0. 3 L·min － 1 ; ( b) 0. 4 L·min － 1 ; ( c) 0. 5 L·min － 1 3. 2 渗流速度场特性分析 3. 2. 1 量化速度场的建立 为了量化研究渗流速度场分布规律，将不同流量 下核磁共振成像相位图导入 Imagej 软件进行处理，通 过软件转化计算得到每个截面内超过 1 万个像素点的 数据，后导入 Excel 数据库． 根据图中颗粒分布，去噪 和去除影响点后确定流动区域，得到每个像素点处速 度值，建立量化的速度场分布图，如图 3． 为了验证结 果的准确性，将不同流量下得到速度场各点速度值相 加，得到截面总流速，与设置流量进行对比，计算误差． 结果表明最大误差出现在 0. 5 L·min － 1的流量，误差为 8. 82% ，实验结果可以接受． 经分析可知，堆浸系统中的渗流速度场分布由流 量、横截面积、散体分布、孔隙度等共同决定，而每个截 面的颗粒分布情况不同，孔隙率沿纵向动态变化，流速 分布情况随之变化． 结果表明各截面溶液分布具有明 显的不均匀性，溶液分布的不均匀与孔隙分布的不均 匀相一致［15］． 流速与孔隙大小并不是严格的线性关 · 772 ·

·278· 工程科学学报，第37卷，第3期 系，在某些小孔隙中流速较大，而某些大孔隙流速较 够反映渗透性情况又能全面合理地反映整个截面的流 低.这是因为流速的分布很大程度上受孔隙纵向连通 速分布特性，可比性好.均匀性指数计算公式如下： 性的影响.此外，受到壁面效应的影响，壁面附近溶液 (w:-02 流动速度一般大于其他部分的速度，这种壁面效应随 (2) 着流量的增大表现得更为明显.通过量化分析，饱和 式中：y为均匀性指数，在0~1之间变化，y越大说明 柱浸渗流实验中，细观尺度下整体渗流速度满足基于 流动越均匀；n为速度像素点数；w:和而分别为单像素 统计学的达西定律，矿堆内溶液流速主要取决于该区 速度和截面平均速度：ⅱ为溶液流动像素点数 域内颗粒性质 根据单像素流速确定不同流量图像中的取值和 3.2.2流量对流速值分布的影响 心：的范围；将图像进行二值化处理并提取数据，1代表 渗流速度值分布随外加条件的变化而变化，其概 孔隙，0代表颗粒，计算出截面孔隙面积、孔隙率和平 率分布可描述渗流特点.建立流速值分布概率图，如 均流速，进而得到不同流量下速度分布均匀性指数 图4.分析表明，不同流量下流速整体分布具有相似 性，速度分布以低流速为主，速度值越高其分布范围越 各参数计算结果如表1. 小。区域最大流速值随流量的增强而减小，说明随着 表1参数的计算结果 流量增强，流动区域逐渐增大，低流速区域相对增多 Table 1 Calculation results of parameters 截面内最大流速与流量呈正相关. 总流量/ 孔隙率/ 喷淋强度/ 均匀性 分析作用机理，由于不同粒级颗粒随机分布、紧密 i值 (L.min-1) % (L·cm-2.h-l) 指数 堆积、压实等原因，渗流通道受喉道尺寸控制，难以形 0 37.20 0 0 成良好的贯穿通道.此外，细观尺度下渗流通道为颗 0.3 37.20 0.4754 1898 0.8966 粒间孔隙的连通道，迂曲率大的通道内受高流量影响， 0.4 37.20 0.6339 2691 0.8573 速度场产生漩涡场、逆流等现象，更降低了垂直方向的 0.5 37.20 0.7924 2924 0.8439 渗透性能.所以，大部分区域，流速较低，仅有少量点 流速较高.在顺畅的通道中，细观层面的渗流速度场 溶液静止时，均匀性指数为1.建立流速分布均匀 受表面黏滞力、毛细吸力、孔隙压力等微观作用力影响 性指数与截面内喷淋强度的关系，如图5.结果表明， 是有限的.通道中阻力变化小，重力对其影响占主导 当喷淋强度由零开始增大时，溶液通过导水能力强的 地位，容易产生优势流等情况.所以流速会随着流量 通道快速流出矿堆，产生优势流.截面内速度场均匀 的增强而明显加强，不同流量下其最大流速逐渐增大 性的变化大，此时低渗透性区域溶液更新慢，易形成浸 出盲区，盲区对浸出初期影响不大，但浸出进入中后期 20 流量0.3L,·min ◆一流t0.41.…minl ◆-流量0.5L·min 时，浸出盲区矿物难以回收，影响浸出率和回收率。当 喷淋强度达到0.7L·cm2·h1时，均匀指数曲线变化 趋势趋于平缓，指数值稳定在0.84~0.85之间.此 后，流量的变化对渗流速度场分布的均匀性作用并不 明显，速度场相对稳定.所以0.7L·cm2h为此粒 1.00果 0.96 0.5 1.0 1.5 流速(cm·s 图4流速值颍率分布 Fig.4 Velocity value distribution 0.88 3.2.3速度场均匀性与流量关系 堆浸系统中溶液分布不均是影响整体浸出效果的 0.84 主要渗流问题之一.研究堆浸体系中溶液的渗流 0.2 0.4 0.6 0.8 速度场分布均匀性，必须对给出合理的评判准则，才能 喷淋强度L·m2.h 有效改善溶浸液流动特性.本文采用统计偏差定义的 图5均匀性指数与喷淋强度关系 均匀性指数来建立评价流速分布均匀性的准则，既能 Fig.5 Relationship between evenness index and spray intensity

工程科学学报，第 37 卷，第 3 期 系，在某些小孔隙中流速较大，而某些大孔隙流速较 低． 这是因为流速的分布很大程度上受孔隙纵向连通 性的影响． 此外，受到壁面效应的影响，壁面附近溶液 流动速度一般大于其他部分的速度，这种壁面效应随 着流量的增大表现得更为明显． 通过量化分析，饱和 柱浸渗流实验中，细观尺度下整体渗流速度满足基于 统计学的达西定律，矿堆内溶液流速主要取决于该区 域内颗粒性质． 3. 2. 2 流量对流速值分布的影响 渗流速度值分布随外加条件的变化而变化，其概 率分布可描述渗流特点． 建立流速值分布概率图，如 图 4． 分析表明，不同流量下流速整体分布具有相似 性，速度分布以低流速为主，速度值越高其分布范围越 小． 区域最大流速值随流量的增强而减小，说明随着 流量增强，流动区域逐渐增大，低流速区域相对增多． 截面内最大流速与流量呈正相关． 分析作用机理，由于不同粒级颗粒随机分布、紧密 堆积、压实等原因，渗流通道受喉道尺寸控制，难以形 成良好的贯穿通道． 此外，细观尺度下渗流通道为颗 粒间孔隙的连通道，迂曲率大的通道内受高流量影响， 速度场产生漩涡场、逆流等现象，更降低了垂直方向的 渗透性能． 所以，大部分区域，流速较低，仅有少量点 流速较高． 在顺畅的通道中，细观层面的渗流速度场 受表面黏滞力、毛细吸力、孔隙压力等微观作用力影响 是有限的． 通道中阻力变化小，重力对其影响占主导 地位，容易产生优势流等情况． 所以流速会随着流量 的增强而明显加强，不同流量下其最大流速逐渐增大． 图 4 流速值频率分布 Fig． 4 Velocity value distribution 3. 2. 3 速度场均匀性与流量关系 堆浸系统中溶液分布不均是影响整体浸出效果的 主要渗流问题之一［16］． 研究堆浸体系中溶液的渗流 速度场分布均匀性，必须对给出合理的评判准则，才能 有效改善溶浸液流动特性． 本文采用统计偏差定义的 均匀性指数来建立评价流速分布均匀性的准则，既能 够反映渗透性情况又能全面合理地反映整个截面的流 速分布特性，可比性好． 均匀性指数计算公式如下: γ = 1 － 1 2n ∑ n i = 1 槡( wi － w) 2 w ． ( 2) 式中: γ 为均匀性指数，在 0 ～ 1 之间变化，γ 越大说明 流动越均匀; n 为速度像素点数; wi 和 w 分别为单像素 速度和截面平均速度; i 为溶液流动像素点数． 根据单像素流速确定不同流量图像中 i 的取值和 wi 的范围; 将图像进行二值化处理并提取数据，1 代表 孔隙，0 代表颗粒，计算出截面孔隙面积、孔隙率和平 均流速，进而得到不同流量下速度分布均匀性指数． 各参数计算结果如表 1． 表 1 参数的计算结果 Table 1 Calculation results of parameters 总流量/ ( L·min － 1 ) 孔隙率/ % 喷淋强度/ ( L·cm － 2·h － 1 ) i 值 均匀性 指数 0 37. 20 0 0 1 0. 3 37. 20 0. 4754 1898 0. 8966 0. 4 37. 20 0. 6339 2691 0. 8573 0. 5 37. 20 0. 7924 2924 0. 8439 图 5 均匀性指数与喷淋强度关系 Fig． 5 Ｒelationship between evenness index and spray intensity 溶液静止时，均匀性指数为 1． 建立流速分布均匀 性指数与截面内喷淋强度的关系，如图 5． 结果表明， 当喷淋强度由零开始增大时，溶液通过导水能力强的 通道快速流出矿堆，产生优势流． 截面内速度场均匀 性的变化大，此时低渗透性区域溶液更新慢，易形成浸 出盲区，盲区对浸出初期影响不大，但浸出进入中后期 时，浸出盲区矿物难以回收，影响浸出率和回收率． 当 喷淋强度达到 0. 7 L·cm － 2·h － 1时，均匀指数曲线变化 趋势趋于平缓，指数值稳定在 0. 84 ～ 0. 85 之间． 此 后，流量的变化对渗流速度场分布的均匀性作用并不 明显，速度场相对稳定． 所以 0. 7 L·cm － 2·h － 1 为此粒 · 872 ·

尹升华等：基于核磁共振成像技术的堆浸细观渗流速度场特性 ·279· 级级配情况下流量的阈值，此时可实现高渗透性基础 3.3孔隙内细观渗流速度场演化规律 上的溶液均匀分布，达到高效、快捷、低耗和高回收率 选取图2(b)中渗透性良好的A和B两孔隙作为 的目的.通过渗流速度场均匀性分析的方法可以优化 研究对象，绘制不同流量下孔隙内流速等值线图，如 流量的设置，指导现场喷淋装置的选择和布置. 图6. 074 d ) 073 图6不同流量下细观渗流速度场演化（单位：cms).(a)孔隙A,0.3Lmin1:(b)孔隙A,0.4L·min1:(c)孔隙A,0.5L·min1: (d)孔隙B,0.3 L'min-;(c)孔隙B,0.4 L'min-!:(0孔隙B,0.5Lmin1 Fig.6 Mesoscopic seepage velocity field evolution at different fluxes:(a)Pore A.0.3Lmin-;(b)Pore A,0.4Lmin;(c)Pore A,0.5L .min-1:(d)Pore B,0.3L-min-1 (e)Pore B,0.4L-min-1 (f)Pore B,0.5L.min-1 流量为0.3L·mi时，孔隙B中流速基本满足单动态的过程.孔隙内速度场是一个十分复杂的动态 管内层流的流速分布特征，速度最高值在中心区，由中 场，明显受孔隙形状、大小和外加流量的影响.复杂条 心到边缘逐渐降低，但中心区域速度为平面分布.流 件下孔隙内速度场分布呈现多场相互影响的叠加状 速分布满足： 态，随条件变化而不断演化，难以通过传统简单公式表 (R2-2)， r<roi 达，有待深入研究.随着实验条件的改变（实验中为喷 Aul (3) 淋强度)，速度场分布形状及位置均有不同程度变化， (R-),o≤r<R 孔隙中心区速度变化大，是主要流动区 4ul 式中：。为最高流速区当量半径，随流量增强而减小； 4工程应用 R为孔隙当量半径；△p为片层压力差：μ为流体黏度；l 云南某铜矿在试生产过程中，堆场渗透性极差，浸 为片层厚度；为到最高流速中心的距离.随着流量的 增大，中心区域流速由1.1cms逐渐增加到1.5cm· 出液中铜离子的质量浓度小于1g·L,浸出率不足 $,范围缩小；速度场边缘向右下延伸，原不动液逐渐 10%.通过室内实验，以矿石柱浸实验为基础对渗流 转化为可流动液. 速度场均匀性分析，研究前期、中期和后期三个阶段的 孔隙A中速度场为两个相互作用的单速度场的 内部溶液渗流均匀性指数，获得不同时期喷淋强度阈 叠加场.随着流量增强，相互作用越发明显，速度场中 值.结果表明阈值随浸出推移呈现出动态变化，呈阶 心间距离增加，中心区速度逐渐增加：速度场外围向着 段性的减小. 边缘发展，右上区域不动液转化为可流动液，有助于浸 根据室内实验结论，对堆浸现场喷淋工艺进行优 出液的新陈代谢 化.首先，对布液进行优化，喷淋系统由喷淋主管、喷 综合分析，细观尺度下堆浸孔隙内溶液主要分为 淋支管、喷淋毛管、喷头、阀门以及喷淋泵组成，布置方 两种：可流动液和不可流动液.可流动液在连通孔隙 式如图7所示.其次，对喷淋强度进行优化，六块矿堆 中自由流动，对溶质运移和新陈代谢起关键作用.浸 作业，其中三块同时布液，布液面积12400m2.施行动 出过程中可流动液与不动液之间相互转化，呈现一个 态喷淋强度设置，前期采用较高的喷淋强度，设定为

尹升华等: 基于核磁共振成像技术的堆浸细观渗流速度场特性 级级配情况下流量的阈值，此时可实现高渗透性基础 上的溶液均匀分布，达到高效、快捷、低耗和高回收率 的目的． 通过渗流速度场均匀性分析的方法可以优化 流量的设置，指导现场喷淋装置的选择和布置． 3. 3 孔隙内细观渗流速度场演化规律 选取图 2( b) 中渗透性良好的 A 和 B 两孔隙作为 研究对象，绘制不同流量下孔隙内流速等值线图，如 图 6． 图 6 不同流量下细观渗流速度场演化( 单位: cm·s － 1 ) ． ( a) 孔隙 A，0. 3 L·min － 1 ; ( b) 孔隙 A，0. 4 L·min － 1 ; ( c) 孔隙 A，0. 5 L·min － 1 ; ( d) 孔隙 B，0. 3 L·min － 1 ; ( e) 孔隙 B，0. 4 L·min － 1 ; ( f) 孔隙 B，0. 5 L·min － 1 Fig． 6 Mesoscopic seepage velocity field evolution at different fluxes: ( a) Pore A，0. 3 L·min － 1 ; ( b) Pore A，0. 4 L·min － 1 ; ( c) Pore A，0. 5 L ·min － 1 ; ( d) Pore B，0. 3 L·min － 1 ; ( e) Pore B，0. 4 L·min － 1 ; ( f) Pore B，0. 5 L·min － 1 流量为 0. 3 L·min － 1时，孔隙 B 中流速基本满足单 管内层流的流速分布特征，速度最高值在中心区，由中 心到边缘逐渐降低，但中心区域速度为平面分布． 流 速分布满足: v = Δp 4μl ( Ｒ2 － r 2 ) ， r ＜ r0 ; Δp 4μl ( Ｒ2 － r 2 0 ) ， r { 0≤r ＜ Ｒ． ( 3) 式中: r0 为最高流速区当量半径，随流量增强而减小; Ｒ 为孔隙当量半径; Δp 为片层压力差; μ 为流体黏度; l 为片层厚度; r 为到最高流速中心的距离． 随着流量的 增大，中心区域流速由 1. 1 cm·s － 1逐渐增加到 1. 5 cm· s － 1，范围缩小; 速度场边缘向右下延伸，原不动液逐渐 转化为可流动液． 孔隙 A 中速度场为两个相互作用的单速度场的 叠加场． 随着流量增强，相互作用越发明显，速度场中 心间距离增加，中心区速度逐渐增加; 速度场外围向着 边缘发展，右上区域不动液转化为可流动液，有助于浸 出液的新陈代谢． 综合分析，细观尺度下堆浸孔隙内溶液主要分为 两种: 可流动液和不可流动液． 可流动液在连通孔隙 中自由流动，对溶质运移和新陈代谢起关键作用． 浸 出过程中可流动液与不动液之间相互转化，呈现一个 动态的过程． 孔隙内速度场是一个十分复杂的动态 场，明显受孔隙形状、大小和外加流量的影响． 复杂条 件下孔隙内速度场分布呈现多场相互影响的叠加状 态，随条件变化而不断演化，难以通过传统简单公式表 达，有待深入研究． 随着实验条件的改变( 实验中为喷 淋强度) ，速度场分布形状及位置均有不同程度变化， 孔隙中心区速度变化大，是主要流动区． 4 工程应用 云南某铜矿在试生产过程中，堆场渗透性极差，浸 出液中铜离子的质量浓度小于 1 g·L － 1，浸出率不足 10% ． 通过室内实验，以矿石柱浸实验为基础对渗流 速度场均匀性分析，研究前期、中期和后期三个阶段的 内部溶液渗流均匀性指数，获得不同时期喷淋强度阈 值． 结果表明阈值随浸出推移呈现出动态变化，呈阶 段性的减小． 根据室内实验结论，对堆浸现场喷淋工艺进行优 化． 首先，对布液进行优化，喷淋系统由喷淋主管、喷 淋支管、喷淋毛管、喷头、阀门以及喷淋泵组成，布置方 式如图 7 所示． 其次，对喷淋强度进行优化，六块矿堆 作业，其中三块同时布液，布液面积 12400 m2 ． 施行动 态喷淋强度设置，前期采用较高的喷淋强度，设定为 · 972 ·

·280· 工程科学学报，第37卷，第3期 10~20L·cm2h,在3~5d之后，降低喷淋支管喷 (杨保华，张卫锋，吴爱祥，等.基于X光CT技术的堆浸散 淋强度，设定为12~16L·cm2.h.堆浸中后期，矿 体孔隙尺寸分析.矿业研究与开发，2010(1)：50) 堆表面出现板结，逐渐下调喷淋强度，设定为初期的 B]Zhu L,Zhou Q,Wang K.Analysis of the heterogeneous soil water flow based on the multifractal theory.Ade Water Sci,2009,20 40%~60%,5~12Lcm2h.工程实践表明，动态 (3):392 调整喷淋强度可明显改善堆场的渗透性，提高铜的浸 (朱磊，周清，王康.基于多重分形理论的土壤水非均匀流动 出率.经优化后堆浸周期为45~60d,浸出率达 分析.水科学进展，2009,20(3)：392) 63.98%. 4 Salinas-Martinez A,De los Santos-Cordova M,Soto-Cruz O,et al.Development of a bioremediation process by biostimulation of native microbial consortium through the heap leaching technique. 喷淋泵 主管 J Enriron Manage,2008,88(1):115 支管 [5]Bouffard SC,Rivera-Vasquez B F,Dixon D G.Leaching kinetics and stoichiometry of pyrite oxidation from a pyrite-marcasite con- centrate in acid ferric sulfate media.Hydrometallurgy,2006,84 3 (3):225 [6]Cariaga E,Concha F,Sepulveda M.Flow through porous media with applications to heap leaching of copper ores.Chem Eng J, 2005,111(2):151 7]Liang Y,Chen JS,Chen L Numerical simulation model for pore 喷头 喷淋毛管/ 阀门 flows and distribution of their velocity.Chin J Geotech Eng, 图7喷淋系统布置图 2011,33(7):1104 Fig.7 Arrangement plan of the spray system (梁越，陈建生，陈亮.孔隙流动数值模拟建模方法及孔隙流 速分布规律岩.土工程学报，2011,33(7)：1104) 5结论 8]Zhang K Y.Principle and clinical application of nuclear magnetic resonance imaging.Clin Imaging Technol,2008,23(5):101 (1)溶液流动时影响柱浸成像效果.流速分布具 (张坤毅.核磁共振(MR的成像原理与临床应用.临床影像 技术，2008,23(5)：101) 有明显的不均匀性，流速分布与孔隙大小并不严格 9]Sederman A,Ohns M,Lexander P.Visualisation of structure and 致.此外，壁面效应对速度分布有一定的影响. flow in packed beds.Magn Reson Imaging,1998,16(5):497 (2)不同喷淋强度下，速度值概率分布情况具有 [10]Sankey M,Holland D,Sederman A,et al.Magnetic resonance 一致性，最大流速与喷淋强度呈正相关.喷淋强度与 velocity imaging of liquid and gas two-phase flow in packed beds. 导水通道共同作用影响着速度值的分布情况， J Magn Reson,2009,196(2):142 (3)通过分析喷淋强度与速度场均匀性之间关 [11] Fagan M,Sederman A,Johns M.MR imaging of ore for heap bi- 系，可以得到喷淋强度的阈值.实验中0.7L·cm2· oleaching studies using pure phase encode acquisition methods. Magn Reson,2012,216(3):121 h为此粒级级配下阈值.可实现良好渗透性基础上 12] Fagan M,Sederman A,Harrison S,et al.Phase distribution 溶液均匀分布，达到高效、快捷和低耗的目的 identification in the column leaching of low grade ores using (4)堆浸过程中颗粒间孔隙内溶液渗流速度场是 MRI.Miner Eng,2013,48 (7):94 一个十分复杂的状态。随着喷淋强度的增加，速度场 13] Ogawa K,MatsukaT,Hirai S,et al.Three-dimensional velocity 分布形状及位置均有不同程度变化，可流动液与不动 measurement of complex interstitial flows through water-saturated 液之间相互转化，呈现一个动态的过程. porous media by the tagging method in the MRI technique.Meas Sci Technol,2001,12(2):172 (5)设置动态喷淋强度可明显改善堆场的渗透 04] Kutsovsky Y.Scriven L,Davis H.NMR imaging of velocity pro- 性，提高铜的浸出率. files and velocity distributions in bead packs.Phys Fluids, 1996,8(4):863 参考文献 [15]Nguyen N L,van Buren V,Reimert R,et al.Determination of [Bouffard S C,Dixon D G.Investigative study into the hydrody- porosity and flow distribution in packed beds by magnetic reso- namics of heap leaching processes.Metall Mater Trans B,2001, nance imaging.Magn Reson Imaging,2005,23():395 32:763. 06] PoissonJ,Chouteau M,Aubertin M,et al.Geophysical experi- Yang B H,Zhang W F,Wu A X,et al.Analysis on pore size of ments to image the shallow intemal structure and the moisture granular media for heap leaching based on X-ray computed tomo- distribution of a mine waste rock pile.JAppl Geophys,2009,67 graphy technology.Min Res Dev,2010(1):50 (2):179

工程科学学报，第 37 卷，第 3 期 10 ～ 20 L·cm － 2·h － 1，在 3 ～ 5 d 之后，降低喷淋支管喷 淋强度，设定为 12 ～ 16 L·cm － 2·h － 1 ． 堆浸中后期，矿 堆表面出现板结，逐渐下调喷淋强度，设定为初期的 40% ～ 60% ，5 ～ 12 L·cm － 2·h － 1 ． 工程实践表明，动态 调整喷淋强度可明显改善堆场的渗透性，提高铜的浸 出率． 经 优 化 后 堆 浸 周 期 为 45 ～ 60 d，浸 出 率 达 63. 98% ． 图 7 喷淋系统布置图 Fig． 7 Arrangement plan of the spray system 5 结论 ( 1) 溶液流动时影响柱浸成像效果． 流速分布具 有明显的不均匀性，流速分布与孔隙大小并不严格一 致． 此外，壁面效应对速度分布有一定的影响． ( 2) 不同喷淋强度下，速度值概率分布情况具有 一致性，最大流速与喷淋强度呈正相关． 喷淋强度与 导水通道共同作用影响着速度值的分布情况． ( 3) 通过分析喷淋强度与速度场均匀性之间关 系，可以得到喷淋强度的阈值． 实验中 0. 7 L·cm － 2· h － 1为此粒级级配下阈值． 可实现良好渗透性基础上 溶液均匀分布，达到高效、快捷和低耗的目的． ( 4) 堆浸过程中颗粒间孔隙内溶液渗流速度场是 一个十分复杂的状态． 随着喷淋强度的增加，速度场 分布形状及位置均有不同程度变化，可流动液与不动 液之间相互转化，呈现一个动态的过程． ( 5) 设置动态喷淋强度可明显改善堆场的渗透 性，提高铜的浸出率． 参 考 文 献 ［1］ Bouffard S C，Dixon D G． Investigative study into the hydrody￾namics of heap leaching processes． Metall Mater Trans B，2001， 32: 763． ［2］ Yang B H，Zhang W F，Wu A X，et al． Analysis on pore size of granular media for heap leaching based on X-ray computed tomo￾graphy technology． Min Ｒes Dev，2010( 1) : 50 ( 杨保华，张卫锋，吴爱祥，等． 基于 X 光 CT 技术的堆浸散 体孔隙尺寸分析． 矿业研究与开发，2010( 1) : 50) ［3］ Zhu L，Zhou Q，Wang K． Analysis of the heterogeneous soil water flow based on the multifractal theory． Adv Water Sci，2009，20 ( 3) : 392 ( 朱磊，周清，王康． 基于多重分形理论的土壤水非均匀流动 分析． 水科学进展，2009，20( 3) : 392) ［4］ Salinas-Martínez A，De los Santos-Córdova M，Soto-Cruz O，et al． Development of a bioremediation process by biostimulation of native microbial consortium through the heap leaching technique． J Environ Manage，2008，88( 1) : 115 ［5］ Bouffard S C，Ｒivera-Vasquez B F，Dixon D G． Leaching kinetics and stoichiometry of pyrite oxidation from a pyrite-marcasite con￾centrate in acid ferric sulfate media． Hydrometallurgy，2006，84 ( 3) : 225 ［6］ Cariaga E，Concha F，Sepúlveda M． Flow through porous media with applications to heap leaching of copper ores． Chem Eng J， 2005，111( 2) : 151 ［7］ Liang Y，Chen J S，Chen L． Numerical simulation model for pore flows and distribution of their velocity． Chin J Geotech Eng， 2011，33( 7) : 1104 ( 梁越，陈建生，陈亮． 孔隙流动数值模拟建模方法及孔隙流 速分布规律岩． 土工程学报，2011，33( 7) : 1104) ［8］ Zhang K Y． Principle and clinical application of nuclear magnetic resonance imaging． Clin Imaging Technol，2008，23( 5) : 101 ( 张坤毅． 核磁共振( MＲI) 的成像原理与临床应用． 临床影像 技术，2008，23( 5) : 101) ［9］ Sederman A，Ohns M，Lexander P． Visualisation of structure and flow in packed beds． Magn Ｒeson Imaging，1998，16( 5) : 497 ［10］ Sankey M，Holland D，Sederman A，et al． Magnetic resonance velocity imaging of liquid and gas two-phase flow in packed beds． J Magn Ｒeson，2009，196( 2) : 142 ［11］ Fagan M，Sederman A，Johns M． MＲ imaging of ore for heap bi￾oleaching studies using pure phase encode acquisition methods． J Magn Ｒeson，2012，216( 3) : 121 ［12］ Fagan M，Sederman A，Harrison S，et al． Phase distribution identification in the column leaching of low grade ores using MＲI． Miner Eng，2013，48( 7) : 94 ［13］ Ogawa K，Matsuka T，Hirai S，et al． Three-dimensional velocity measurement of complex interstitial flows through water-saturated porous media by the tagging method in the MＲI technique． Meas Sci Technol，2001，12( 2) : 172 ［14］ Kutsovsky Y，Scriven L，Davis H． NMＲ imaging of velocity pro￾files and velocity distributions in bead packs． Phys Fluids， 1996，8( 4) : 863 ［15］ Nguyen N L，van Buren V，Ｒeimert Ｒ，et al． Determination of porosity and flow distribution in packed beds by magnetic reso￾nance imaging． Magn Ｒeson Imaging，2005，23( 2) : 395 ［16］ Poisson J，Chouteau M，Aubertin M，et al． Geophysical experi￾ments to image the shallow internal structure and the moisture distribution of a mine waste rock pile． J Appl Geophys，2009，67 ( 2) : 179 · 082 ·