·150· 工程科学学报，第41卷，第2期 石内部有价组分的持续浸出，宏观上表现为矿堆板 动溶液与不可动溶液构成，溶液非饱和区与溶液泡 结.为减缓钝化物质的生成、实现生物浸出过程的 和区共存于浸出体系[)，其中，饱和区内溶液含量 定向干预与强化，对多菌种协同作用及其关键产物 高，浸刊矿强度较高：反之，非饱和区域溶液含量低，溶 进行了分析鉴定1】，探讨了浸矿体系中C2+, 液扩散主要依赖毛细作用]由界面作用产生基质 Fe3+,Fe2+等离子对浸矿细菌的影响机制与协同浸 吸力[]，溶液流速慢，浸矿强度低.对于影响溶液 出作用[2]：为探索浸出机理的调控机制，开展了浸 渗流行为的因素，比如：喷淋方式与强度、入堆矿石 出过程中S、Fe等元素的相态转化研究：通过测定 颗粒级配、筑堆方式、矿石化学组成、杂质含量、强制 Zeta电位、接触角等关键参数，获取浸矿过程中表面 通风及应力波等外加场能作用分别进行了探 电化学、表面润湿性等反应界面的物理化学性质变 讨[0-)，例如：高喷淋强度下溶液倾向于流入粗颗 化)]：通过添加化学防垢剂等，一定程度上实现了 粒区，低喷淋强度下溶液倾向于流向细颗粒区[] 对界面反应及反应产物调控. 对于高含泥矿堆和废石堆而言，堆内结构具有显著 3.3浸出体系多级渗流行为 的非均质性，在细粒夹层的扰动下溶液渗流过程异 矿堆良好的渗透性也是堆内有价金属高效浸取 常复杂，极易形成堆表沟流及堆内溶液优先流] 的保障，溶浸液是浸出体系内气体、溶质、细菌等介 如图6所示.对此，机械翻堆、薄层免压筑堆、洗刊矿 质传输与浸出反应的重要媒介[6).微观界面流、细 分级、制粒技术等手段对于改善矿堆渗透性起到了 观毛细扩散和宏观孔隙流动，各级渗流相互耦合，共 良好作用)，但往往难以实现溶液渗流路径与堆内 同构成堆浸体系内的多级渗流过程，是影响矿堆浸 溶液分布的精准调控.粒子测速技术(particle image 出效率的关键因素 velocity,PIV)、核磁共振(MRI)技术等非接触、无损 国内针对堆内溶液的多级渗流行为开展了大量 探测技术的出现[]，使得多级渗流的研究逐步转向 研究.现有研究表明矿堆是由矿石颗粒、孔裂隙、可 实时化、定量化和可视化. 地表积液 泥化板结 (a) 矿石结垢 图6云南某氧化铜矿浸堆严重的板结及钝化现象.(a)矿堆低渗透性：(b)矿堆板结及钝化现象 Fig.6 Severe curing and passivation phenomena in heaps of copper oxide ores,Yunnan Province:(a)low perimiability of ore heap;(b)heap com- paction and passivation phenomenon 3.4孔隙结构重构与定量化 当前，有关孔隙结构的研究多集中于岩石、土 散体矿石颗粒构成矿堆基本骨架，其中，颗粒之 壤、油气和煤层等多孔介质领域.对于矿石浸出体 间形成孔隙，颗粒内部存在裂隙，二者共同形成浸出 系而言，主要集中于真实孔隙结构研究、基于压汞法 体系的复杂孔裂隙网格结构：并且，由于入堆矿石颗 等的孔喉研究.伴随着计算机断层扫描(X-ryCT) 粒的尺寸、密度、表面粗糙度等性质差异，导致矿堆 技术，微计算机断层扫描（μCT)技术、核磁共振 出现颗粒偏析现象，产生了大量细粒夹层[]，严重 (MRI)技术等细观无损探测手段的出现，结合数字 阻碍了浸出液的均匀扩散与有价元素高效浸出.在 图像处理技术和三维重构技术[]，使得矿石内部孔 溶液的拖曳作用与自身重力作用下，大量微细颗粒 裂隙结构研究准确化、可视化，逐步实现了堆内孔裂 发生运移和沉积，形成微粒渗滤沉积作用，使得浸堆 隙结构的精准表征与三维重构，如图7所示.基于 底部孔隙率降低[7].长久以来，传统物理方法无法直 上述细观可视化技术，我国学者提出了多种定量描 接测量矿堆孔隙结构，难以实现矿堆结构量化表征 述矿堆孔隙的方法，主要集中于介质孔隙率、孔隙尺工程科学学报,第 41 卷,第 2 期 石内部有价组分的持续浸出,宏观上表现为矿堆板 结. 为减缓钝化物质的生成、实现生物浸出过程的 定向干预与强化,对多菌种协同作用及其关键产物 进行了 分 析 鉴 定[81] , 探 讨 了 浸 矿 体 系 中 Cu 2 + , Fe 3 + ,Fe 2 + 等离子对浸矿细菌的影响机制与协同浸 出作用[82] ;为探索浸出机理的调控机制,开展了浸 出过程中 S、Fe 等元素的相态转化研究;通过测定 Zeta 电位、接触角等关键参数,获取浸矿过程中表面 电化学、表面润湿性等反应界面的物理化学性质变 化[83] ;通过添加化学防垢剂等,一定程度上实现了 对界面反应及反应产物调控. 3郾 3 浸出体系多级渗流行为 矿堆良好的渗透性也是堆内有价金属高效浸取 的保障,溶浸液是浸出体系内气体、溶质、细菌等介 质传输与浸出反应的重要媒介[86] . 微观界面流、细 观毛细扩散和宏观孔隙流动,各级渗流相互耦合,共 同构成堆浸体系内的多级渗流过程,是影响矿堆浸 出效率的关键因素. 国内针对堆内溶液的多级渗流行为开展了大量 研究. 现有研究表明矿堆是由矿石颗粒、孔裂隙、可 动溶液与不可动溶液构成,溶液非饱和区与溶液饱 和区共存于浸出体系[87] ,其中,饱和区内溶液含量 高,浸矿强度较高;反之,非饱和区域溶液含量低,溶 液扩散主要依赖毛细作用[88] ,由界面作用产生基质 吸力[89] ,溶液流速慢,浸矿强度低. 对于影响溶液 渗流行为的因素,比如:喷淋方式与强度、入堆矿石 颗粒级配、筑堆方式、矿石化学组成、杂质含量、强制 通 风 及 应 力 波 等 外 加 场 能 作 用 分 别 进 行 了 探 讨[90鄄鄄91] ,例如:高喷淋强度下溶液倾向于流入粗颗 粒区,低喷淋强度下溶液倾向于流向细颗粒区[92] . 对于高含泥矿堆和废石堆而言,堆内结构具有显著 的非均质性,在细粒夹层的扰动下溶液渗流过程异 常复杂,极易形成堆表沟流及堆内溶液优先流[93] , 如图 6 所示. 对此,机械翻堆、薄层免压筑堆、洗矿 分级、制粒技术等手段对于改善矿堆渗透性起到了 良好作用[94] ,但往往难以实现溶液渗流路径与堆内 溶液分布的精准调控. 粒子测速技术(particle image velocity, PIV)、核磁共振(MRI)技术等非接触、无损 探测技术的出现[95] ,使得多级渗流的研究逐步转向 实时化、定量化和可视化. 图 6 云南某氧化铜矿浸堆严重的板结及钝化现象 郾 (a) 矿堆低渗透性;(b) 矿堆板结及钝化现象 Fig. 6 Severe curing and passivation phenomena in heaps of copper oxide ores, Yunnan Province: (a) low perimiability of ore heap; (b) heap com鄄 paction and passivation phenomenon 3郾 4 孔隙结构重构与定量化 散体矿石颗粒构成矿堆基本骨架,其中,颗粒之 间形成孔隙,颗粒内部存在裂隙,二者共同形成浸出 体系的复杂孔裂隙网格结构;并且,由于入堆矿石颗 粒的尺寸、密度、表面粗糙度等性质差异,导致矿堆 出现颗粒偏析现象,产生了大量细粒夹层[96] ,严重 阻碍了浸出液的均匀扩散与有价元素高效浸出. 在 溶液的拖曳作用与自身重力作用下,大量微细颗粒 发生运移和沉积,形成微粒渗滤沉积作用,使得浸堆 底部孔隙率降低[97] . 长久以来,传统物理方法无法直 接测量矿堆孔隙结构,难以实现矿堆结构量化表征. 当前,有关孔隙结构的研究多集中于岩石、土 壤、油气和煤层等多孔介质领域. 对于矿石浸出体 系而言,主要集中于真实孔隙结构研究、基于压汞法 等的孔喉研究. 伴随着计算机断层扫描(X鄄鄄ray CT) 技术,微计算机断层扫描 ( 滋CT) 技术、核磁共振 (MRI)技术等细观无损探测手段的出现,结合数字 图像处理技术和三维重构技术[98] ,使得矿石内部孔 裂隙结构研究准确化、可视化,逐步实现了堆内孔裂 隙结构的精准表征与三维重构,如图 7 所示. 基于 上述细观可视化技术,我国学者提出了多种定量描 述矿堆孔隙的方法,主要集中于介质孔隙率、孔隙尺 ·150·