基于X光CT技术矿岩散体浸出过程中孔隙演化规律分析（可编辑）

基于X光CT技术矿岩散体浸出过程中孔隙演化规律分析（可编辑） 基于X光CT技术矿岩散体浸出过程中孔隙演化规律分 析 第 7 卷第 5 期 过 程 工 程 学 报 Vol.7 No.5 2007 年 10 月 The Chinese Journal of Process Engineering Oct. 2007 基于 X 光 CT 技术的矿岩散体浸出过程中孔隙演化规律分析 1 2 3 2 吴爱祥 , 杨保华 , 刘金枝 , 张 杰 1. 北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083;2. 中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083; 3. 中南大学数学科学与计算技术学院,湖南 长沙 410083 摘 要:应用自制的多功能实验装置同时进行了矿岩散体介质的柱浸实验和渗流实验,并采用 X 光 CT技术采集了矿 岩散体介质在浸出前后的孔隙图像. 基于图像处理技术探明了其浸出前后孔隙率和孔隙连通性的演化规律,并分析了 浸出过程中孔隙演化的主要原因. 结果明,堆浸系统中矿岩散体介质的孔隙率存在空间和时间变异性,随着高度的 降低而逐渐减小,浸出后减小趋势更为明显,其平均孔隙率比浸出前减小了 1.71%;孔隙连通性也存在空间和时间变 异性,浸出后上部区域连通性得到改善,但下部区域的连通性明显劣化;浸出 过程中矿岩散体介质的孔隙演化使渗流 性能逐渐下降,下降幅度为 31.37%,主要原因是其在多因素作用下的整体沉 降和细颗粒的运移及堆积 关键词:矿岩散体介质;柱浸;X光 CT技术;孔隙演化;渗流性能 中图分类号:TF18文献标识码:A文章编号:1009?606X200705 ?0960?07 律,必须从细观层次来探明矿岩散体介质孔隙结构形态 1 前 言 及其演化与溶液渗透性能的内在联系. 但传统的研究方 浸矿技术在我国获得了较为广泛的研究和应用,尤 法不能达到这个目标,所以必须采取新的研究方法和技 其是堆浸法,目前已发展成为我国大规模处理贫矿、尾 术手段来实现 矿、废矿石等物料,提取铀、铜、金和银等金属的一种 计算机断层扫描技术 CTComputed Tomography具 有效而又经济可行的方法. 堆浸技术的效果主要取决于 有无损伤地探测研究对象内部结构特征的优势,已被广 两个方面:一方面是溶浸液对有用矿物的溶解能力,另 泛应用于诸多领域的科学研究,尤其是结合数字图像处 一方面是溶浸液在矿堆中的渗透性能. 这两方面决定了 理技术和可视化技术,更加体现其实用性. 目前,基于 有用金属的浸出率和浸出速率. 当溶浸液对矿石中有用 CT 技术及图像处理技术进行物质孔隙结构的研究主要 [1?11] 物质的溶解能力一定时,堆浸效果好坏的决定性因素为 集中于一些多孔介质或含裂隙介质 ,如土壤、石油 溶浸液在矿堆中的渗透性能 储层和岩石等. 但集成 CT 技术和图像处理技术进行浸 大量的实验及理论研究表明,矿堆的孔隙率与溶浸 矿基础理论研究在国内还未见报道,国外也是近几年才 [12,13] 液的渗流性能有密切联系,但通常在实验室内取样测试 开始展开 获得的孔隙率仅仅是一个浸出体系的宏观参数,只能从 2 实 验 宏观的角度揭示其与渗透性能的关系. 而事实上,在浸 出过程中,在溶浸液的作用下矿岩散体介质将发生物 2.1 原材料 理、化学和生物反应,并产生自然沉降、溶解、沉淀、 实验所用的矿样来自江西省德兴铜矿提供的混合 溶质运移等过程,使孔隙结构不断演化,从而在时间和 矿,矿样中铜的化学物相分析见表 1,主要元素的化学 空间上均存在很大的变异性,是一个复杂的动态结构分析见表 2. 混合矿中 氧化矿占 34.16%,次生硫化铜占 因此,为了更加深入地了解溶浸液在浸堆中的渗流规 30.25%,原生硫化铜矿占35.59% 表1 矿样中铜的化学物相 Table 1 The chemical phases of Cu in the ore sample %, ω Chemical phase Primary copper sulfide Secondary copper sulfide Free copper oxide Combined copper oxide Total copper amount Content of Cu 0.20 0.17 0.12 0.072 0.562 Occupancy 35.59 30.25 21.35 12.81 100.00 收稿日期:2006 ?12 ?05,修回日期:2007 ?02 ?08 基金项目:国家自然科学基金资助项目编号:50574099;国家重点基础研究发 展规划973基金资助项目编号:2004CB619205;国家杰出青年基金资 助项目编号:50325415;湖南省自然科学基金资助项目编号:06JJ30024 作者简介:吴爱祥1963 ?,男,湖北省仙桃市人,博士,教授,主要从事溶浸采 矿和散体力学方面的研究. 第 5期 吴爱祥等:基于 X光 CT技术的矿岩散体浸 出过程中孔隙演化规律分析 961 表2 矿样的化学成分 Table 2 The chemical composition of the ore sample %, ω Component Cu Fe S Mo SiO Al O CaO MgO As 2 2 3 Content 0.562 4.400 0.910 0.012 67.730 13.210 0.200 1.640 0.013 2.2 浸出反应原理 上不同密度的材料信息以高分辨率的数字图像显示出 表 2 表明,德兴铜矿混合矿中不溶性石英占据主要 来. 本实验中溶浸柱扫 描所用的 CT 机为螺旋 CT 机, 地位,碱性氧化物Al O +CaO+MgO居于次要地位,占 型号为 SOMATOM Sensation 16. 它结合了多层采集技 2 3 有率为 15.05%. 由于 CaO含量较低,只要控制 pH 值在 术及重建技术与超高速的旋转速度,每秒可采集 32 层 2.0 左右,将不会产生化学沉淀物,因此可采用酸法浸 图像,并可以 0.5 mm的分辨率显示,完全能满足实验 出. 硫的含量为 0.91%,浸出过程中将产生大量硫酸, 中图像采集的. CT 扫描装置见图 2整个过程中酸耗量不会很高. Mo和 As 为微量元素,对 浸出影响较小. 实验证明,氧化铜矿物用稀酸浸出反应 较完全,其主要化学反应方程式如下: CuCO CuOH +2H SO 2CuSO +CO +3H O,1 3 2 2 4 4 2 2. 2CuCO CuOH +3H SO 3CuSO +2CO +4H O, 2 3 2 2 4 4 2 2Cu O+H SO CuSO +H O+Cu 3 2 2 4 4 2 2.3 实验装置 2.3.1 柱浸实验装置 整个实验采用的是自制的组合式多功能实验装置,以便同时进行矿岩散体介质渗流实验和柱浸实验,如图 图 2 CT扫描装置 1 所示. 实验装置主要由上下游水箱、三角支架、工作 Fig.2 X-ray computed tomography machine used in the experiment 台架、渗流槽、溶浸柱、测压管、流量计、化工泵及塑 料管道、阀门组成. 实验所用的溶浸柱高为 500 mm, 2.4 实验过程 内径为 50 mm首先向溶浸柱内装满不同粒径的混合矿,粒径分布见图 3. 最 大颗粒粒径控制在 10 mm,为浸出圆柱内径的 1/5,以减小边壁效应. 为了对矿 石浸出前后的孔隙形态特征及孔隙率进行比较,在浸出前先采用 CT 机扫描 溶浸柱,扫描电压为 120 kV,电流 300 mA,扫描断层厚度为 0.75 mm. 接着 进行酸浸实验,酸浸过程中 pH值 2通过调节始终控制在2.0左右,布液强度为 600 L/m ?h, 100 1. Piezometer tube 2. Upstream water tank 3. Plastic pipeline 4. Clip 5. Valve 6. Chemical pump 7. Downstream tank 8. Flowmeter 80 9. Triangle support 10. Leaching column11. Work gantry 图 1 柱浸多功能实验装置 60Fig.1 Experimental apparatus of multifunctional column leaching 40 2.3.2 CT 扫描装置 20 CT 源的 X射线可穿透非金属材料,不同波长的 X射线的穿透能力不同,不 同的材料对同一波长的 X 射线 00.1 1 10 的吸收能力也不同,材料密度愈大,对 X射线的吸收能 Ore particle size mm力愈强. 在 X射线穿透物质的过程中,其强度呈指数关 图 3 柱浸实验粒径分布 系衰减,物质的密度是由物质对于 X射线的衰减系数来 Fig.3 The size distribution of ore particles used in 体现的. CT 技术就是通过计算机图像重建,使指定层面 the column leaching Mass percentage of the particles less than one certain size %962 过 程 工 程 学 报 第 7卷 浸出周期为 28 d. 实验过程中除了每天考察溶浸柱内矿 空间边界很易建立,也即很容易区分矿石颗粒和孔隙空 岩散体介质渗透系数的变化规律外,还要考察铜浸出率 间. 为了进行孔隙几何形态分析,必须对所获得的 CT 的变化情况,即每隔一天从浸出液中取样进行化学成分 图像进行预处理,在预处理之前先把所有的 CT 图像转 2+ 分析,当浸出液中 Cu 浓度及反应前后溶液 pH值趋于 化成 JPG的图像. 具体处理过程见图 4. 步骤如下: 稳定时,停止实验并记录所用时间和硫酸液的消耗量及 1 对所有二维图像按相同尺寸进行剪切,从而选定一 浸出液的总体积,从而计算出铜浸出率. 实验结束后再 矩形区域进行分 析;2 以相同阈值把所有的灰度图像 以相同参数对溶浸柱进行 CT 扫描. 为了进行浸出前后 转化成二值颗粒图像;3 把图像进行反值,获得二值 溶浸柱同一高度矿石颗粒孔隙图像的比较,在溶浸柱外 孔隙图像. 图像预处理完成后,就可计算孔隙面积. 本 壁上中下 3 个位置分别镶嵌了一铁丝,由于铁丝密度很 研究所有的图像处理都是基于 Matlab 图像处理工具箱 大,很容易被 CT 机识别,因此可以迅速定位到铁丝位 完成. 由于扫描断层厚度很小,因此每次扫描获得的 CT 置处的 CT 图像,实现同层图像比较. 图像数量大约都有 700幅,而每一幅图像都要进行图像 预处理和孔隙面积的计算,工作量很大. 为了实现批量 3 数据处理与分析 数据的处理,基于 Matlab 编写了一程序,从而迅速地 3.1 CT 图像预处理 完成所有图像的处理并获得孔隙面积数据由于孔隙与矿石颗粒的密度差异很大,因此两者的 1 2 3 Original CT imageOriginal gray image of selected zoneBinary particle image Pore is black Binary pore image Pore is white 图4 CT图像预处理过程 Fig.4 The preprocessing procedure of CT images 3.2 浸出前后矿岩散体孔隙率分布500 3.2.1 浸出前孔隙率空间分布对于堆浸中的矿岩散体介质,孔隙率是反映其 特性 400 的一个重要参数. 矿岩散体介质的孔隙率是指矿石颗粒 间的孔隙体积占总体积的百分比. 矿岩散体介质的孔隙 300 率通常在实验室内测试获得,但它表征的是一个宏观参 数. 为了清楚地获知溶浸柱内不同高度的矿岩散体的孔 200隙率,采用图像处理方法来进行计算. 图像预处理后, 得到了所有二值化孔隙图像的面积. 很显然,孔隙率即 100 为孔隙面积占整个图像面积的百分比,实际上就是白色 区域所占像素值与整个图像的总像素值的百分比. 以这 种方法计算出的孔隙率是某一断层的孔隙率,因此通常 0 0.30.4 0.50.6被称为表面孔隙率. 所有断层的表面孔隙率计算完后, Porosity 可获得孔隙率随溶浸柱高度变化的曲线及线性拟合后 图 5 浸出前孔隙率空间分布 的变化趋势线,见图 5. 由图可知,浸出前溶浸柱内矿 Fig.5 The spacial distribution of the porosity before leaching 岩散体的孔隙率自上向下分布不均匀,存在空间变异 3.2.2 浸出后孔隙率空间分布 性,局部区域的值突然增加或减小,但整体上略呈降低 酸浸结束后,在水力、重力及化学反应等因素作用 趋势,主要是由于装矿时的偏析现象所致. 通过计算, 下,溶浸柱内矿岩散体高度下降了约 1.5 cm. 在图像预 得出其平均孔隙率为 47.27% Height of leaching column mm第 5期 吴爱祥等:基于 X光 CT技术的矿岩散体浸出过程中孔隙演化规律分析 963 处理完成后,以上述相同方法计算各断层表面孔隙率, 隙率发生了明显变化. 浸出后溶浸柱上部矿岩散体介质 同样可获得浸出后孔隙率随溶浸柱高度变化的曲线及 的孔隙率与浸出前差不多,局部区域略有增大,但中下 线性拟合后的变化趋势线,见图 6. 由图可知,浸出后 部矿岩散体的孔隙率比浸出前明显减小,且减小程度逐 溶浸柱内矿石孔隙率分布同样不均匀,自上向下呈明显 渐增加,尤其是底部有局部区域的孔隙率呈大幅度减小的降低趋势. 通过计算,得出其平均孔隙率为 45.56%, 3.3 浸出前后孔隙连通性分布 比浸出前减小了 1.71%. 从二维角度分析,矿岩散体介质的孔隙拓扑结构可 以抽象为由孔体和孔喉组成的网络结构,孔体称为结 500 点,孔喉称为连线,其中孔喉尤为重要,它对溶液渗流 [14] 起着类似瓶颈的作用 ,在一定喷淋强度下孔喉大小决 400 定溶液渗流速度及散体介质的饱和度. 然而,堆浸系统 中矿岩散体介质孔隙并不全部相互连通,许多是盲端孔 300 喉,对渗流意义不大. 真正对渗流效果起关键作用的是 孔隙的连通性,它的好坏直接影响溶浸液在矿岩散体介 200 质中的扫浸率. 在浸出过程中,孔隙的连通性随着孔隙 结构的演化不断发生变化,同样存在时间变异性和空间 变异性,因此它也是表征孔隙演化的一个重要动态参数 100 孔隙连通性的分析必须利用图像处理技术中的细 化技术来实现. 细化是将一个曲线形物体细化为一条 0 0.3 0.4 0.5 0.6 线,从而图形化地显示其拓扑性质. 首先以溶浸柱上中 Porosity 下 3 个标记处的二维图像作为坐标基点,分别选择 100 图 6 浸出后孔隙率空间分布 张二维图像进行三维重构,再对重构后的三维图像进行 Fig.6 The spacial distribution of the porosity after leaching 纵剖,获得垂直剖面图像,经过图像预处理后再进行细 比较图 5, 6 可知,浸出前后溶浸柱中矿岩散体的孔 化处理. 图像处理过 程见图 7,最终处理结果见图 8 Taga Three-dimensional constructed ore granular media b Vertical section of ore granular mediac Binary pore structure of vertical section d Extracted pore skeleton of vertical section 图 7 孔隙连通性分析过程 Fig.7 The analyzing process of pore connectivity 由图 8 可见,上部区域矿岩散体介质的连通性在浸 连通性降低主要是由于 物理和化学两个因素的综合影 出后有所改善,中部区域比浸出前稍微差一些,下部区 响而导致的矿岩散体 中细颗粒的运移以及整体沉降. 首 域的连通性在浸出后明显劣化,局部区域孔隙很不发育 先是细颗粒的运移, 这里的细颗粒不但包括初始颗粒级 或仅有一些孤立的孔隙. 但不论浸出前还是浸出后,由 配中的细颗粒,还包 括在与硫酸发生化学反应后由于颗 于存在一定边壁效应,溶浸柱边界区域的连通性较好, 粒表面及内部微孔裂 隙受到损伤而产生的二次细颗粒在此区域很容易形成优势流,这与矿山实际浸堆 表面的 在溶浸液的渗流作用下,细颗粒会在大颗粒间的孔隙中 优势流有很大的相似性. 自上向下发生运移,一部分会在较窄的孔喉部位处 聚 3.4 孔隙演化的原因及其与渗流性能的相关性 集,一部分会随着溶液的流动最终在溶浸柱的中下部及 在实验过程中,pH 值一直保持在 2.0 左右,很少 底部堆积,形成颗粒密集区域,极少部分会被浸出液带 有化学沉淀物产生. 因此,浸出后孔隙率减小以及孔隙 出溶浸柱,见图 9 Height of leaching column mm964 过 程 工 程 学 报 第 7卷 Upper zone Middle zone Lower zone a Before leaching b After leaching 图 8 溶浸柱上中下 3区域孔隙连通性分布图 Fig.8 The pore connectivity distributions of upper, middle and lower zones of ore granular media从图 9a可以看出,溶浸柱的中下部明显比中上部致密,尤其是底部;从图 9b也可以发现上部细颗粒含量明显较少,中部稍有增加,而底部明显增加. 由于细颗粒之间有一定的粘结力,它们不是均匀地分布在一个横截面上,而是相互粘结在一起,形成团簇状,使孔隙分布不均匀,部分孔隙被堵塞;其次是矿岩散体介质的整体沉降. 在浸出过程中,矿石颗粒会在水力、重力因素作用下发生整体沉降,尤其是由于细颗粒的运移导致整体宏观骨架结构发生破坏,沉降会进一步加剧;另外,随着有用金属的不断浸出,物质总量逐渐减少,整体沉降也会稍有加强. 但由于矿石的品位很低,铜的浸出率在经过 28 d的浸出之后最终也只达到 45.29%,这说明浸出的铜的质量相对于整个溶浸柱中的矿岩散 体介质的总质量来说非常小,因此由物质总量的减少而带来的 a b 整体沉降并不明显. 散体介质的整体沉降以及细颗粒的 图 9 浸出后矿岩散体孔隙结构图 Fig.9 The pore structure of ore granular media after leaching 运移 使散体的密实度提高,孔隙率及孔隙连通性逐渐下 [a The three-dimensional constructed ore granular 降,溶浸液的流动断面缩小,流动阻力增大,最终导致 media in leaching column; b The cross sections of ore 渗流性能逐渐下降 granular media in upper, middle and lower zones]第 5期 吴爱祥等: 基于 X光 CT技术的矿岩散体浸出过程中孔隙演化规律分析 965 通过对实验数据的分析,渗流系数由最初的 0.0051 沉降以及细颗粒在溶浸 液的渗流作用下的运移和堆积, m/s 逐渐降低至 0.0035 m/s,下降幅度为 31.37%,渗流 孔隙的演化将直接 导致介质渗流性能的逐渐降低 系数随时间的变化曲线见图 10. 由图可见,在浸出过程 参考文献: 中的前 15 d,渗透系数下降幅度较大,尤其是前 4 d, [1] Wildenschild D, Hopmans J W, Vaz C M P. Using X-ray Computed 之后下降幅度减小. 由于在浸出过程中,浸出柱一直处 Tomography in Hydrology: Systems, Resolutions, and Limitations [J]J. Hydrol., 2002, 2679: 285 ?297于静止状态,没有采取任何松动措施,密实度没 有改善, [2] Menendeza B, Davida C, Nistalb A M. Confocal Scanning Laser 故渗流系数始终保持下降趋势,这就是矿山现场的浸堆 Microscopy Applied to the Study of Pore and Crack Networks in 经过数年的浸取之后渗流性能严重恶化的主要原因,它 Rocks [J]. Comput. Geosci., 2001, 275: 1101 ?1109会直接影响到有用 金属浸出速率和浸出率. 在本研究的 [3] Mecke K, Arns C H. Fluids in Porous Media: A Morphometric Approach [J]. J. Phys.: Condensed Matter, 2005, 172: 503 ?534基础 上继续深入分析孔隙演化机理并提出改善浸堆渗 [4] Kamath J, Xu B, Lee S H. Use of Pore Network Models to Interpret 透性能的相关措施是下一步研究的重点Laboratory Experiments on Vugular Rocks [J]. J. Pet. Sci. Eng., 1998, 206: 109 ?115 0.0052 [5] Nakashima Y, Nakano T, Nakamura K. Three-dimensional Diffusion0.0050 of Non-sorbing Species in Porous Sandstone: Computer Simulation0.0048 Based on X-ray Microtomography Using Synchrotron Radiation [J]. J0.0046Contam. Hydrol., 2004, 743: 253 ?2640.0044[6] Al-Raoush R I, Willson C S. Extraction of Physically Realistic Pore 0.0042Network Properties from Three-dimensional Synchrotron X-ray 0.0040Microtomography Images of Unconsolidated Porous Media Systems 0.0038[J]. J. Hydrol., 2005, 3005: 44 ?640.0036[7] Farber L, Tardos G, Michaels N J. Use of X-ray Tomography to Study 0.0034the Porosity and Morphology of Granules [J]. Powder Technol., 2003, 0 5 10 15 20 251323: 57 ?63 Time d[8] Hirono T, Takahashi M, Nakashima S. In situ Visualization of Fluid 图 10 氧化铜矿酸浸中渗流系数与时间的关系 Flow Image within Deformed Rock by X-ray CT [J]. Eng. Geol., Fig.10 The relationship between percolation coefficient 2003, 707: 37 ?46and time during the leaching of copper oxide ore [9] Liu J S, Polak A, Elsworth D. Dissolution-induced Preferential Flow in a Limestone Fracture [J]. J. Contam. Hydrol., 2005, 783: 53 ?704 结 论 [10] Karacan C O, Halleck M P. Comparison of Shaped-charge Perforating Induced Formation Damage to Gas- and Liquid-saturated 1 利用 CT 技术采集溶浸柱内矿岩散体浸出前后 Sandstone Samples [J]. J. Pet. Sci. Eng., 2003, 406: 61 ?75孔隙图 像,并基于图像处理技术计算孔隙率和分析孔隙 [11] Pierret A, Capowiez Y, Belzunces L. 3D Reconstruction and 连通性是一项新的溶浸采矿基础理论研究手段Quantification of Macropores Using X-ray Computed Tomography and Image Analysis [J]. Geoderma, 2002, 1066: 247 ?2712 堆浸系统中 矿岩散体介质的孔隙率存在空间变 [12] Lin C L, Miller J D, Garcia C. Saturated Flow Characteristics in 异性和时间变异性,溶浸柱内矿岩散体介质浸出前的孔 Column Leaching as Described by LB Simulation [J]. Miner. Eng., 隙率自上向下略呈降低趋势,而浸出后呈明显降低趋 2005, 183: 1045 ?1051势,且浸出后的平均孔隙率比浸出前有所减小 [13] Miller J D, Lin C L, Garcia C, et al. Ultimate Recovery in Heap Leaching Operations as Established from Mineral Exposure Analysis 3 堆浸系统中矿岩散体介质的孔隙连通性也存在 by X-ray Microtomography [J]. Miner. Process., 2003, 721: 空间变异性和时间变异性,浸出前下部区域的连通性比 331 ?340中上部略差,浸出后的连通性空间分布更不均匀,上部 [14] Bartlett W R. Solution Mining: Leaching and Fluid Recovery of 区域的连通性比浸出前明显改善,而下部区域的连通性 Materials [M]. New York: Gordon and Breach Science Publishers, 1998. 33 ?34 比浸出前明显劣化4 矿岩散体介质浸出过程中孔隙演化主要是因为 矿石颗粒在水力、重力及化学反应等因素作用下的整体 Percolation coefficient m/s