应力波作用下低品位铜矿浸出过程溶浸液渗流特性研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 溶浸采矿及其应用
• 1.1.2 原地浸矿法
• 1.1.3 就地破碎浸矿法
• 1.1.4 搅拌浸矿法
• 1.1.5 堆浸法
• 1.2 散体介质渗流特性的研究方法和研究现状
• 1.2.1 散体介质渗流特性的研究方法
• 1.2.2 散体介质渗流特性的研究现状
• 1.3 应力波在散体介质中传播规律的研究现状
• 1.3.1 应力波理论的发展概况
• 1.3.2 应力波在散体介质中传播规律的研究现状
• 1.4 散体介质中应力场和渗流场的耦合研究现状
• 1.5 研究意义、内容及技术路线
• 第二章 应力波作用下矿岩散体介质特性研究
• 2.1 概述
• 2.2 矿岩散体基本特性
• 2.2.1 矿岩散体结构
• 2.2.2 矿岩散体的级配特征
• 2.2.3 矿岩散体介质的孔隙率和压实度
• 2.2.4 矿岩散体介质的渗透特性
• 2.2.5 矿岩散体介质的变形特性
• 2.3 应力波在散体介质中的传播
• 2.3.1 应力波在弹性介质中的传播
• 2.3.2 应力波在粘弹性散体介质中的传播
• 2.4 本章小结
• 第三章 应力波作用下散体介质中溶浸液渗流特性的实验研究
• 3.1 概述
• 3.2 散体介质粒级组成对溶浸液渗透特性的影响
• 3.2.1 实验原理
• 3.2.2 实验装置
• 3.2.3 实验过程
• 3.2.4 实验结果及分析
• 3.3 散体介质压实度对溶浸液渗透特性的影响
• 3.3.1 实验原理及实验过程
• 3.3.2 实验结果及分析
• 3.4 应力波作用下散体介质中溶浸液渗透特性的研究
• 3.4.1 实验原理
• 3.4.2 实验装置
• 3.4.3 实验过程
• 3.4.4 实验结果及机理分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 堆浸过程中应力场和渗流场耦合作用机理研究
• 4.1 概述
• 4.2 应力场对堆浸矿岩散体介质结构的影响
• 4.2.1 矿岩散体介质结构的应力分析
• 4.2.2 应力场中堆浸矿岩散体介质的变形
• 4.2.3 应力场对堆浸矿岩散体介质的结构有效应力
• 4.2.4 应力场对堆浸矿岩散体介质的骨料有效应力
• 4.3 应力场和渗流场的相互影响与耦合关系
• 4.3.1 非稳定渗流的连续性方程和基本微分方程
• 4.3.2 渗流的有限元方程
• 4.3.3 应力场和渗流场的相互影响
• 4.3.4 应力场和渗流场耦合方程
• 4.4 本章小结
• 第五章 应力波作用下浸堆应力场和渗流规律数值模拟
• 5.1 概述
• 5.2 COMSOL Multiphysics计算软件简介
• 5.2.1 软件的组成及其功能模块介绍
• 5.2.2 软件特性
• 5.2.3 软件求解步骤
• 5.3 应力波作用下溶浸液渗流规律模拟
• 5.3.1 理论模型
• 5.3.2 建立几何模型
• 5.3.3 浸出模型参数选择
• 5.3.4 边界条件及初始条件
• 5.3.5 数值模拟
• 5.4 模拟结果与讨论
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要研究成果
• 1 发表论文
• 2 完成项目
• 3 参与科研项目
• 4 获得奖励