尹升华等：矿石颗粒级配对堆浸体系三维孔隙结构的影响 973· ores.The ore particle size gradation has a significant influence on pore size and pore connectivity,but it has a minimal influence on the pore throat shape factor.The number of large pores increases with a decrease in the amount of fine ore,and the pore throat radius,throat length,and pore throat volume also correspondingly increase.When the uniformity of ore particle gradation is enhanced,the proportion of isolated pores decreases and the proportion of the number of high coordination pores increases. KEY WORDS heap leaching system;ore size distribution;micro CT;3D pore structure;pore network model 经过长期的采矿作业，浅部高品位富矿开采 研究仍较为匮乏，需进一步开展相关工作 殆尽，低品位、难处理矿产资源的有效利用成为保 本文针对不同级配的矿岩散体开展显微CT 障资源供给的重要途径-)堆浸技术因其能有效 扫描测试，获取矿岩散体结构图像，进而提取浸柱 处理低品位、复杂矿产资源的技术特点，且具有投 三维孔隙结构，分析浸柱孔隙率空间分布的均匀 资少、设计简单、成本低等优势，从而在铜、金、 性，然后利用最大球算法建立矿岩散体孔隙网络 镍、铅锌等金属矿产资源开发方面得到了较为广 模型(Pore network model,PNM),分析孔喉半径、 泛的应用).对于堆浸体系而言，溶液是浸矿药 孔喉体积、配位数等孔隙结构参数，探讨矿石粒径 剂和反应产物的主要载体，其在矿堆中的渗流效 分布对堆浸体系孔隙结构的影响 果对浸出过程具有重要影响6-刀 1实验 矿石是堆浸体系最基本的构成要素，国内外 学者针对矿石粒径分布与溶液渗透之间的关系开 1.1实验矿样 展了系列研究工作-.Ilankoon和Neethling!2开 实验所用矿石取自云南某铜矿堆场破碎站， 展了均匀颗粒和级配颗粒条件下溶液渗流实验， 矿石类型以变质石英砂岩、矽卡岩为主，其次为绢 分析了颗粒级配对堆浸体系溶液优先流行为的影 云砂质板岩，金属矿物的赋存形式有硫化物、氧 响.Poisson等B1利用直流电阻率成像技术对废石 化物及自然元素，脉石矿物以硅酸盐为主，其次为 堆场内部结构及含水率分布进行了研究，发现溶 碳酸盐类及氧化物类.对所取矿石进行破碎，分别 液在粗颗粒区流动性较好，而在细颗粒区流动性 筛取A(粒径：0~10mm),B(粒径：5~10mm)两 较差.Yin等开展了单一粒径和混合粒径条件 组矿石颗粒作为本次实验矿样.将两组将散体矿 下的毛细渗流实验.研究了矿石平均粒径与矿堆 样分别装入内径60mm、高70mm的有机玻璃柱 内不可动溶液含量的关系.叶勇军等开展了不 内，建立细观矿堆物理模型，记为浸柱A和浸柱 同粒径条件下铀矿堆浸体系溶液饱和渗流实验， B.浸柱A、B中矿石粒径分布曲线如图1所示.可 分析了粒径分维数对渗透率的影响，结果显示，随 以看出，浸柱A粒径分布曲线呈下凹型，在该类型 着粒径分维数的增加，矿堆的渗透率逐渐减小.已 矿岩散体中粗颗粒骨架位置相对固定，松散细颗 有研究表明矿石粒径分布是影响矿堆渗透性和溶 粒可在粗颗粒之间孔隙中移动，因此可能会造成 液渗流行为的关键因素之一，然而在堆浸体系中 局部孔隙堵塞：浸柱B粒径分布曲线近似直线，表 孔隙网络是溶液渗流的通道，所以矿石粒径分布 明矿岩散体颗粒分布均匀，此类散体中颗粒不易 必是通过影响孔隙结构而对溶液渗流行为产生作 发生位移四 用的 100 随着计算机断层扫描成像(Computed -Column A tomography,.CT)等无损探测技术的推广应用，相 80 -Column B 关学者在矿岩散体孔隙结构表征和探测方面开展 60 了研究工作169.Hoummady等20应用CT扫描研 究了铀矿浸出过程中孔隙结7构的变化特征，得 % 到了孔隙半径、孔隙率等参数变化规律.Lin等 20 利用显微CT(micro-CT)扫描得到了不同浸矿阶段 矿石内部结构图像，定量分析了浸矿过程中矿物 0 0.1 1 0 颗粒形态和尺寸的变化规律.已有研究在堆浸体 Ore particle size/mm 系孔隙结构无损探测方面取得了一定进展，但在 图1矿石粒径分布曲线 矿石粒径分布与孔隙结构参数之间关联性方面的 Fig.I Particle size distribution in ore columnsores. The ore particle size gradation has a significant influence on pore size and pore connectivity, but it has a minimal influence on the pore throat shape factor. The number of large pores increases with a decrease in the amount of fine ore, and the pore throat radius, throat length, and pore throat volume also correspondingly increase. When the uniformity of ore particle gradation is enhanced, the proportion of isolated pores decreases and the proportion of the number of high coordination pores increases. KEY WORDS    heap leaching system；ore size distribution；micro CT；3D pore structure；pore network model 经过长期的采矿作业，浅部高品位富矿开采 殆尽，低品位、难处理矿产资源的有效利用成为保 障资源供给的重要途径[1−2] . 堆浸技术因其能有效 处理低品位、复杂矿产资源的技术特点，且具有投 资少、设计简单、成本低等优势，从而在铜、金、 镍、铅锌等金属矿产资源开发方面得到了较为广 泛的应用[3−5] . 对于堆浸体系而言，溶液是浸矿药 剂和反应产物的主要载体，其在矿堆中的渗流效 果对浸出过程具有重要影响[6−7] . 矿石是堆浸体系最基本的构成要素，国内外 学者针对矿石粒径分布与溶液渗透之间的关系开 展了系列研究工作[8−11] . Ilankoon 和 Neethling[12] 开 展了均匀颗粒和级配颗粒条件下溶液渗流实验， 分析了颗粒级配对堆浸体系溶液优先流行为的影 响. Poisson 等[13] 利用直流电阻率成像技术对废石 堆场内部结构及含水率分布进行了研究，发现溶 液在粗颗粒区流动性较好，而在细颗粒区流动性 较差. Yin 等[14] 开展了单一粒径和混合粒径条件 下的毛细渗流实验，研究了矿石平均粒径与矿堆 内不可动溶液含量的关系. 叶勇军等[15] 开展了不 同粒径条件下铀矿堆浸体系溶液饱和渗流实验， 分析了粒径分维数对渗透率的影响，结果显示，随 着粒径分维数的增加，矿堆的渗透率逐渐减小. 已 有研究表明矿石粒径分布是影响矿堆渗透性和溶 液渗流行为的关键因素之一，然而在堆浸体系中 孔隙网络是溶液渗流的通道，所以矿石粒径分布 必是通过影响孔隙结构而对溶液渗流行为产生作 用的. 随 着 计 算 机 断 层 扫 描 成 像 （ Computed tomography，CT）等无损探测技术的推广应用，相 关学者在矿岩散体孔隙结构表征和探测方面开展 了研究工作[16−19] . Hoummady 等[20] 应用 CT 扫描研 究了铀矿浸出过程中孔隙结 7 构的变化特征，得 到了孔隙半径、孔隙率等参数变化规律. Lin 等[21] 利用显微 CT（micro-CT）扫描得到了不同浸矿阶段 矿石内部结构图像，定量分析了浸矿过程中矿物 颗粒形态和尺寸的变化规律. 已有研究在堆浸体 系孔隙结构无损探测方面取得了一定进展，但在 矿石粒径分布与孔隙结构参数之间关联性方面的 研究仍较为匮乏，需进一步开展相关工作. 本文针对不同级配的矿岩散体开展显微 CT 扫描测试，获取矿岩散体结构图像，进而提取浸柱 三维孔隙结构，分析浸柱孔隙率空间分布的均匀 性，然后利用最大球算法建立矿岩散体孔隙网络 模型（Pore network model，PNM），分析孔喉半径、 孔喉体积、配位数等孔隙结构参数，探讨矿石粒径 分布对堆浸体系孔隙结构的影响. 1    实验 1.1    实验矿样 实验所用矿石取自云南某铜矿堆场破碎站， 矿石类型以变质石英砂岩、矽卡岩为主，其次为绢 云砂质板岩. 金属矿物的赋存形式有硫化物、氧 化物及自然元素，脉石矿物以硅酸盐为主，其次为 碳酸盐类及氧化物类. 对所取矿石进行破碎，分别 筛取 A（粒径：0～10 mm） ，B（粒径：5～10 mm）两 组矿石颗粒作为本次实验矿样. 将两组将散体矿 样分别装入内径 60 mm、高 70 mm 的有机玻璃柱 内，建立细观矿堆物理模型，记为浸柱 A 和浸柱 B. 浸柱 A、B 中矿石粒径分布曲线如图 1 所示，可 以看出，浸柱 A 粒径分布曲线呈下凹型，在该类型 矿岩散体中粗颗粒骨架位置相对固定，松散细颗 粒可在粗颗粒之间孔隙中移动，因此可能会造成 局部孔隙堵塞；浸柱 B 粒径分布曲线近似直线，表 明矿岩散体颗粒分布均匀，此类散体中颗粒不易 发生位移[22] . 0.1 1 10 100 80 60 Percentage passing/ % Ore particle size/mm 40 20 0 Column A Column B 图 1    矿石粒径分布曲线 Fig.1    Particle size distribution in ore columns 尹升华等： 矿石颗粒级配对堆浸体系三维孔隙结构的影响 · 973 ·