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应力波作用下低品位铜矿浸出过程溶浸液渗流特性研究

苏永定  
【摘要】: 浸堆的渗透性是影响低品位铜矿浸出率的一个关键因素,矿岩散体介质的级配、压实度、散体颗粒的结构等都是影响渗透性的主要因素。空气冲击波在溜井、矿仓堵塞等问题中的成功应用,使得应力波改善矿岩散体介质渗透性成为可能。论文结合国家自然科学基金(50574099)、国家重点基础研究发展规划项目(2004CB619205)和国家杰出青年基金项目(50325415)等项目的部分研究内容,通过理论分析、室内实验和数值模拟相结合的方法,对应力波作用下矿岩散体介质的渗透特性进行了系统研究,主要开展了以下几个方面内容: 1、通过分析矿岩散体的结构、级配特征、渗透特性和变形特性,系统研究了矿岩散体颗粒形状、粒径分布范围、压实程度等因素对浸堆渗透性的影响。 2、考察了不均匀系数G_u和曲率系数C_c对矿岩散体介质溶浸液渗透系数的影响,揭示了矿岩散体介质粒级组成对溶浸液渗透特性的影响规律,并推导出相应的数学模型。分析表明,渗透系数与不均匀系数G_u和曲率系数C_c均成正相关。 3、从矿岩散体介质粒级组成入手,探明了不均匀系数G_u和曲率系数C_c对散体介质渗透性的影响机理。研究表明,不均匀系数小,颗粒大小均匀,骨料与填料区别不明显,浸堆不能形成骨架结构,容易造成堆体破坏。不均匀系数较大,曲率系数也较大,矿岩散体缺乏中间粒径,大颗粒形成的骨架结构空隙较大,易形成管涌破坏。 4、探明了不同压实度对散体介质渗透特性的影响规律。结果表明,渗透系数与孔隙比呈现出正相关,与压实度呈负相关,即压实度越大,渗透系数越小,渗透性越差。 5、引入激波管实验,研究了应力波对散体介质渗透性的影响规律。结果表明,激波使得堆浸散体介质的有效孔隙率增加,渗透系数增大。浸堆的渗透性得到明显的改善,说明利用应力波改善浸堆是一种行之有效的方法。 6、根据矿岩散体介质的结构和力学性质,探明了矿岩散体介质的变形机理。研究表明,矿岩散体介质的结构变形是永久塑性变形,骨料变形是可逆的弹性过程。饱和的矿岩散体介质表现出与固体状态不同的力学性质,体现了结构应力和骨料应力的双重有效应力特性。 7、以达西定律、质量守恒定律及散体介质的基本方程等为基础,考虑应力场和渗流场的相互作用,分析初始条件和边界条件,建立了矿岩散体介质应力场和渗流场耦合的数学模型。 8、根据应力场和渗流场耦合控制方程,运用COMSOLMultiphysics计算分析软件,建立二维几何模型,进行了渗流场与应力场耦合的数值模拟分析。模拟结果表明,在应力波作用下矿岩散体介质的应力场、位移场和渗流场均发生了很大的变化,其结果有利于堆浸的渗流,验证了室内实验结果。


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