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堆浸体系中散体孔隙演化机理与渗流规律研究

杨保华  
【摘要】: 微生物堆浸体系是一个复杂的动态体系,在浸出过程中散体介质的孔隙结构不断发生演化,而孔隙结构的演化又会影响到介质的渗透性能,进一步对溶质运移、热量传递、动量传递等过程产生影响,最终影响到浸出速率和浸出率。由此可见,散体孔隙结构在整个浸出体系中处于核心地位,研究其结构特征、演化规律以及对堆体渗透性能的影响具有重要意义。 论文通过现场调查、室内试验、理论分析、数值模拟相结合的方法,以细观孔隙结构参数与宏观渗透性能的相关性为突破口,引进先进的X光CT技术及数字图像处理技术,进行单级散体和级配散体孔隙结构参数量化分析,展开微生物浸出过程中孔隙结构演化规律和机理研究,并在此基础上实现散体介质细观渗流的数值模拟,在很大程度上丰富了溶浸采矿基础理论体系。 论文完成的主要工作如下: (1)以堆浸散体介质多尺度孔隙结构理论研究为出发点,系统分析了堆浸散体孔隙结构的多尺度特性,细观孔隙结构表征参数及其与宏观渗透性能的关联。 (2)发展了基于X光CT技术研究堆浸散体孔隙结构特征的新方法,提出了堆浸散体孔隙结构三维重构技术路线,基于体绘制算法,利用MATLAB编程实现了矿岩散体孔隙结构的三维重构。 (3)率先完成了多组单级散体试样和级配散体试样的CT扫描试验,结合图像处理技术实现了孔隙结构参数的定量化分析,探明了散体介质孔隙率、孔隙尺寸分布与粒径的关系,并应用分形理论分析了散体介质颗粒分维数、孔隙分维数以及颗粒—孔隙界面分维数与颗粒尺寸、孔隙率及渗透系数的相关性。 (4)首次结合CT技术完成了微生物堆浸矿岩散体孔隙演化试验,提出了孔隙拓扑率概念,并建立了考虑孔隙连通性变化的渗透率修正公式,在此基础上详细分析了堆浸过程中散体的孔隙率、孔隙尺寸、孔隙连通性以及渗透率的时间和空间变异性,探明了微生物堆浸过程中孔隙演化规律及其对渗透性能的影响。 (5)利用散体结构力学、渗流力学、物理化学以及微生物学等理论,首次从多尺度(微观、细观、宏观)和多过程(物理过程、化学过程、生物过程)分析了影响孔隙结构参数变化的主要因素及其影响机制,探明了微生物堆浸过程中矿岩散体孔隙演化机理。 (6)将数字图像处理技术(DIP)和有限元(FEM)技术进行耦合,基于散体孔隙CT图像直接构建孔隙有限元模型,把渗流数值模拟的物理模型从理想模型提升至真实模型,并率先利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件进行了堆浸散体中细观渗流的数值模拟,探明了孔隙细观渗流特性。


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