应力波强化堆浸渗流的理论与试验研究

论文摘要

矿产资源是我国经济发展的支柱,而溶浸采矿是开发低品位难处理矿石资源的有效途径。由于矿堆的低渗透性问题,制约了溶浸采矿技术的推广应用,因此,开展强化低渗透性矿堆渗流的理论与应用技术研究具有重要意义。论文以国家自然科学基金项目“应力波作用下溶浸液在堆浸散体介质中的流动机理研究”（No.50574099）为基础,结合国家杰出青年科学基金项目“散体多相介质中多级渗流传质的动力学研究”（No.50325415）,开展应力波强化堆浸渗流的理论与试验研究。论文通过室内试验、理论分析、数值计算相结合的方法,针对低渗透性矿堆浸出存在的问题,分析渗透性对于矿石可浸性的重要性,以应力波作为改善浸堆孔隙率,提高浸堆渗透性的技术手段,开展应力波在堆浸散体介质中的传播规律、对散体结构的作用机理及其对渗透性的影响规律研究,以德兴铜矿堆浸厂为实例,开展应力波强化堆浸渗流的工程应用技术研究。论文完成主要研究工作如下:（1）系统研究了矿石可浸性的影响因素,根据影响程度,将影响因素划分为决定性的、控制性的和一般性三个等级,建立了以矿石可浸性指数（LI）为评价依据的评价模型,丰富了溶浸采矿理论。（2）将修正的卡曼.科泽尼（Carman-Kozeny）模型引入堆浸渗流机理研究,分析了浸堆渗透性的影响因素,其结果更贴近生产实际。首次建立了微粒渗滤沉积作对浸堆渗透性的影响的数学模型,揭示了微粒渗滤沉积作用对浸堆渗透性的影响规律。（3）首次将激波管试验引入堆浸渗流试验,运用渗流力学原理,研究了应力波对堆浸散体介质孔隙结构和渗流强化的作用机理,结果表明应力波使堆浸散体介质的孔隙结构松散,渗透系数增加3.8～10倍,渗流得到强化,并体现出一定的时效性。（4）以散体动力学为基础,引入双重有效应力模型,阐明了应力波作用下结构有效应力和颗粒问有效应力对浸堆结构的作用,揭示了应力波对浸堆孔隙结构的三重作用机理。（5）以Biot理论为基础,考虑应力波作用下堆浸过程的非线性渗流,建立了应力波作用下的应力场和渗流场耦合控制方程,采用数值模拟方法,验证了耦合模型,探寻了应力波对堆浸渗流的影响,阐明了应力波强化渗流的可行性与有效性。（6）开展了应力波强化堆浸渗流工程应用技术研究。以爆破应力波作为工作媒介,采用松动控制爆破技术作为应力波强化堆浸渗流的手段,研究了浸堆松动控制爆破技术及参数优化方法,并以德兴铜矿废石堆浸场为例,开展了松动控制爆破松堆工业试验研究,进一步验证了应力波强化堆浸渗流的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 溶浸采矿技术发展现状
• 1.2.1 原地浸出
• 1.2.2 原地破碎浸出
• 1.2.3 地表堆浸
• 1.2.4 矿石的可浸性评价
• 1.3 堆浸渗流研究进展
• 1.3.1 微观渗透扩散模型
• 1.3.2 宏观渗流模型
• 1.3.3 改善浸堆渗透性的工艺技术
• 1.4 应力波理论研究现状
• 1.5 论文的研究背景及意义
• 1.5.1 研究背景
• 1.5.2 研究意义
• 1.6 主要研究内容
• 第二章 矿石可浸性分级与评价
• 2.1 引言
• 2.2 矿石可浸性影响因素分析
• 2.2.1 矿石特性因素
• 2.2.2 工艺技术因素
• 2.2.3 矿床地质与水文地质因素
• 2.3 基于综合指数法的可浸性分级评价模型
• 2.3.1 可浸性影响因素分类
• 2.3.2 可浸性综合指数及其赋值
• 2.3.3 评价等级
• 2.4 模型验证
• 2.5 评价模型的工程意义
• 2.6 本章小结
• 第三章 浸堆低渗透性的致因分析
• 3.1 引言
• 3.2 堆浸散体介质渗流机理
• 3.2.1 卡曼—科泽尼方程
• 3.2.2 渗透系数的空间分布
• 3.3 粒度分布
• 3.3.1 分散性
• 3.3.2 偏析性
• 3.3.3 不均匀性
• 3.3.4 分析结论
• 3.4 微粒渗滤沉积
• 3.4.1 渗滤沉积产生的原因
• 3.4.2 悬浮颗粒沉积条件
• 3.4.3 悬浮颗粒运移沉积的数学模型
• 3.4.4 分析结论
• 3.5 机械压实
• 3.5.1 浸堆机械压实机理
• 3.5.2 压实度与压实深度
• 3.5.3 分析结论
• 3.6 含泥量及板结
• 3.7 本章小结
• 第四章 应力波强化堆浸渗流的试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 粒度分布对渗流特性的影响试验
• 4.2.1 试验装置
• 4.2.2 试验原理
• 4.2.3 试验过程及结果
• 4.3 机械压实恶化浸堆渗透性的试验
• 4.3.1 试验过程
• 4.3.2 试验结果
• 4.3.3 试验结论
• 4.4 微粒渗滤沉积恶化浸堆渗透性的试验
• 4.4.1 试验过程
• 4.4.2 试验结果
• 4.4.3 试验结论
• 4.5 应力波强化堆浸渗流试验
• 4.5.1 试验原理
• 4.5.2 试验装置
• 4.5.3 试验过程及结果分析
• 4.5.4 试验结论
• 4.6 本章小结
• 第五章 应力波强化堆浸渗流的散体动力学研究
• 5.1 引言
• 5.2 应力波类型
• 5.3 堆浸散体的结构特征
• 5.3.1 结构类型
• 5.3.2 孔隙性和压实度
• 5.3.3 相态
• 5.4 堆浸散体的动力特性
• 5.4.1 应力状态
• 5.4.2 动应力—应变关系
• 5.4.3 动强度特征
• 5.5 应力波在堆浸散体中的传播
• 5.6 应力波作用下堆浸散体的动力响应
• 5.6.1 结构变形机制
• 5.6.2 双重有效应力与结构变形
• 5.6.3 结构破坏机理
• 5.7 本章小结
• 第六章 应力波强化堆浸渗流的数值模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 基本假设
• 6.3 控制方程
• 6.4 定解条件
• 6.4.1 边界条件
• 6.4.2 初始条件
• 6.5 数值模拟
• 6.5.1 模型的建立
• 6.5.2 强度准则
• 6.5.3 计算参数及边界条件
• 6.5.4 模拟结果及分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 应力波强化堆浸渗流的工程应用研究
• 7.1 引言
• 7.2 基本原理和方法
• 7.2.1 基本原理
• 7.2.2 方法
• 7.3 德兴铜矿强化堆浸渗流试验
• 7.3.1 堆浸场概况
• 7.3.2 试验区段选择
• 7.3.3 试验区工程地质调查
• 7.3.4 试验参数设计
• 7.3.5 试验效果
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 全文结论
• 8.2 主要创新点
• 8.3 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的主要研究成果