496 工程科学学报，第43卷，第4期 granulated ore increase respectively by 99%,151%,223%,and 90%.In addition,the porosity increases fourfold and the pore connectivity nearly triples.The flow velocity and pressure of the solution was found to increase sharply as the solution flows through the narrow and bottom areas of the pore channels,which has a great impact on the stability of the ore granulation structure. KEY WORDS copper sulfide ore;agglomeration technology;CT technology;pore evolution;numerical simulation 生物浸矿系统是一个固、液、气三相共存的体 的三维数值模型，探究渗流特性的变化，为进一步 系，溶液与矿石接触并发生化学反应，金属铜从固 了解制粒后的孔隙演变、探索矿粒内部溶液的渗 态矿石转移至液态溶液中，浸出液经收集、萃取等 流规律等提供参考 工序达到“采铜”的目的-)生物浸矿技术因其高 1试验概述 效率、低成本、绿色等优点，被广泛应用于多个国 家的金属矿开采-然而，在创造了可观的经济 1.1试验材料 效益的同时，生物浸铜技术面临着重大挑战，如浸 本试验所用矿样取自福建省某铜矿，其主要 出过程中无法保证堆浸系统的渗透性、浸矿菌种 成分以及铜物相分析结果如表1、表2所示.铜的 活性随浸出过程逐渐变差和浸矿体系基础理论不 品位为0.70%，铜的主要存在形态是次生硫化铜， 完善等问题？).浸矿系统中的孔隙为溶液流动提 其质量分数为0.60%，其次为原生硫化铜和自由氧 供了空间与路径，随着反应的发生，孔隙结构也不 化铜，结合铜的含量最少.预先将矿样破碎以方便 断发生变化，影响溶液的渗流特性，并最终影响浸 制粒工序，破碎后矿样粒径均小于5mm,90%以 矿效果0四制粒预处理技术的出现，较好地解决 上矿样粒径小于0.8mm,矿样粒径分布图如图1 了浸矿系统渗透性差的问题，改善了矿堆的渗透 所示 性：此外，开采及破碎过程中产生的粉矿也得到 表1矿样主要元素质量分数 了回收利用，减少了资源的流失与浪费4 Table 1 Mass fractions of major elements in mineral samples % 浸矿过程中，孔隙演变与溶液渗流相互作用， Elements Cu Fe S CaO Mgo AlO SiO, 相互影响.近年来，国内外专家开展了大量有关于 Mass fraction 0.701.671.100.300.045.1991.00 溶液渗流特性的研究，随着CT技术的广泛应用， 浸矿系统中的孔隙演变及溶液渗流规律的研究已 表2铜物相分析结果（质量分数） 取得了较好的成果-刘超研究了酸浸氧化铜 Table 2 Cu phase analysis results of mineral samples 矿石颗粒内部裂隙结构的演化规律，结果表明酸 Phase Mass fraction/% 浸作用下，矿粒孔隙率、裂隙尺寸和数量分别增加 Copper oxide 0.04 了约40%、3.5%和25%；氧化铜矿岩散体线孔隙率 Primary copper sulfide 0.05 也随时间呈现出一定的演化规律P.吴爱祥等以 Secondary copper sulfide 0.60 高泥氧化铜矿为试验材料，开展矿岩散体的柱浸 Combined copper 0.01 试验，结果表明松散颗粒在浸出过程中发生迁移， Total 0.70 浸出后平均孔隙率降低了2.63%，浸出5h后渗透 100 系数降低了37.5%2.L0等利用XMT技术，开展 -The line of mineral powder 了腐泥土(SAP)和针铁矿(G)两种镍矿石制粒后 80 柱浸试验，结果表明两组矿柱的孔隙度变化与质 量损失和坍落度变化一致，但前者有更好的孔隙 率与浸出稳定性四).尽管基于CT扫描技术的运 40 用，浸矿系统内部孔隙演变规律的研究已取得了 较好的成绩，但矿石制粒后矿粒内部孔隙演变的 研究仍较为空白 0.074 0.0980.125020.450.81.2525 本文利用CT扫描技术和数字图像处理技术， Ore particle size/mm 分析溶浸后矿粒内部的孔隙演变，利用COMSOL 图1矿样粒径分布图 Multiphysics模拟仿真软件构建矿粒内部溶液渗流 Fig.I Particle size distribution of ore samplesgranulated  ore  increase  respectively  by  99%,  151%,  223%,  and  90%.  In  addition,  the  porosity  increases  fourfold  and  the  pore connectivity nearly triples. The flow velocity and pressure of the solution was found to increase sharply as the solution flows through the narrow and bottom areas of the pore channels, which has a great impact on the stability of the ore granulation structure. KEY WORDS    copper sulfide ore；agglomeration technology；CT technology；pore evolution；numerical simulation 生物浸矿系统是一个固、液、气三相共存的体 系，溶液与矿石接触并发生化学反应，金属铜从固 态矿石转移至液态溶液中，浸出液经收集、萃取等 工序达到“采铜”的目的[1−3] . 生物浸矿技术因其高 效率、低成本、绿色等优点，被广泛应用于多个国 家的金属矿开采[4−6] . 然而，在创造了可观的经济 效益的同时，生物浸铜技术面临着重大挑战，如浸 出过程中无法保证堆浸系统的渗透性、浸矿菌种 活性随浸出过程逐渐变差和浸矿体系基础理论不 完善等问题[7−9] . 浸矿系统中的孔隙为溶液流动提 供了空间与路径，随着反应的发生，孔隙结构也不 断发生变化，影响溶液的渗流特性，并最终影响浸 矿效果[10−12] . 制粒预处理技术的出现，较好地解决 了浸矿系统渗透性差的问题，改善了矿堆的渗透 性[13] ；此外，开采及破碎过程中产生的粉矿也得到 了回收利用，减少了资源的流失与浪费[14−16] . 浸矿过程中，孔隙演变与溶液渗流相互作用， 相互影响. 近年来，国内外专家开展了大量有关于 溶液渗流特性的研究，随着 CT 技术的广泛应用， 浸矿系统中的孔隙演变及溶液渗流规律的研究已 取得了较好的成果[17−19] . 刘超研究了酸浸氧化铜 矿石颗粒内部裂隙结构的演化规律，结果表明酸 浸作用下，矿粒孔隙率、裂隙尺寸和数量分别增加 了约 40%、3.5% 和 25%；氧化铜矿岩散体线孔隙率 也随时间呈现出一定的演化规律[20] . 吴爱祥等以 高泥氧化铜矿为试验材料，开展矿岩散体的柱浸 试验，结果表明松散颗粒在浸出过程中发生迁移， 浸出后平均孔隙率降低了 2.63%，浸出 5 h 后渗透 系数降低了 37.5% [21] . Lo 等利用 XMT 技术，开展 了腐泥土（SAP）和针铁矿（G）两种镍矿石制粒后 柱浸试验，结果表明两组矿柱的孔隙度变化与质 量损失和坍落度变化一致，但前者有更好的孔隙 率与浸出稳定性[22] . 尽管基于 CT 扫描技术的运 用，浸矿系统内部孔隙演变规律的研究已取得了 较好的成绩，但矿石制粒后矿粒内部孔隙演变的 研究仍较为空白. 本文利用 CT 扫描技术和数字图像处理技术， 分析溶浸后矿粒内部的孔隙演变，利用 COMSOL Multiphysics 模拟仿真软件构建矿粒内部溶液渗流 的三维数值模型，探究渗流特性的变化，为进一步 了解制粒后的孔隙演变、探索矿粒内部溶液的渗 流规律等提供参考. 1    试验概述 1.1    试验材料 本试验所用矿样取自福建省某铜矿，其主要 成分以及铜物相分析结果如表 1、表 2 所示. 铜的 品位为 0.70%，铜的主要存在形态是次生硫化铜， 其质量分数为 0.60%，其次为原生硫化铜和自由氧 化铜，结合铜的含量最少. 预先将矿样破碎以方便 制粒工序，破碎后矿样粒径均小于 5 mm，90% 以 上矿样粒径小于 0.8 mm，矿样粒径分布图如图 1 所示. 表 1    矿样主要元素质量分数 Table 1    Mass fractions of major elements in mineral samples % Elements Cu Fe S CaO MgO Al2O3 SiO2 Mass fraction 0.70 1.67 1.10 0.30 0.04 5.19 91.00 表 2    铜物相分析结果（质量分数） Table 2    Cu phase analysis results of mineral samples Phase Mass fraction/% Copper oxide 0.04 Primary copper sulfide 0.05 Secondary copper sulfide 0.60 Combined copper 0.01 Total 0.70 0.074 0.098 0.125 0.2 0.45 0.8 1.25 2 5 0 20 40 60 80 100 Cumulative mass fractions of ore particles vsmaller than certain sizes/ % Ore particle size/mm The line of mineral powder 图 1    矿样粒径分布图 Fig.1    Particle size distribution of ore samples · 496 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期