DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.11.033
充气强化浸出对废石堆浸渗透性的影响
吴爱祥，刘超，尹升华，艾纯明，薛振林
(北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京，100083)
摘要：基于常水头法，应用自主研发的多功能自动控制六浸柱实验装置，针对充气强化浸出作用下废石堆浸体系的渗透性进行柱浸试验研究。考察充气作用下体系渗透系数的变化规律，研究充气强度与渗透系数变化的关系；采用脉冲充气方式，讨论间隔充气对体系渗透效果改善规律。研究结果表明：由充气造成的气-液-固三相介质相互作用改变了体系的导水结构，增加有效渗流通道截面积，冲破某些渗流“盲区”，形成新的导水通道，有利于改善渗透效果；充气后，体系瞬时渗透系数迅速增加，而后缓慢下降，最终趋于1个大于不充气时的稳定值；充气强度越大，瞬时渗透系数和稳定渗透系数均越大，由扰动到稳定阶段所需时间越长，且体系存在极限充气强度；现场应用中可采用逐渐增加间隔时长的脉冲充气法改善堆浸场渗透性。
关键词：充气强化浸出；常水头；废石堆浸；多相介质；渗透系数
中图分类号：TD853 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)11-4225-06
Effect of aeration assisted leaching on permeability of waste ore heap
WU Aixiang, LIU Chao, YIN Shenghua, AI Chunming, XUE Zhenlin
(Key Laboratory of High-Efficient Mining and Satiety of Metal, Ministry of Education,
University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)
Abstract: Based on the constant-heap, a column leaching experiment was carried out to study the effect of aeration assisted leaching on the permeability of waste ore seepage system. The test was carried out at self-developed multifunctional automatic control device with six columns. The effect of aeration assisted leaching on permeability of waste ore heap was examined and the relationship between permeability coefficient and aeration velocity was analyzed. The law of improvement of infiltration effect was discussed through infiltration test at the pulse aeration. The results show that interaction among gas, ore and solution caused by aeration changes the structure of hydraulic conductivity, increases the effective section of seepage channel, and breaks some “transfusion blind spots”, so that the new water passages are formed, and the permeability is improved. After the aeration, the instantaneous permeability coefficient increases rapidly, and then declines gradually to a steady value higher than those without aeration. The faster aeration velocity is, the better permeability is, and it takes longer time to change from disturbed state to stable stage. Moreover, there exits an ultimate aeration velocity in the system. The aeration method with incremental time intervals can be used in field application to improve permeability of waste ore leaching heap.
Key words: aeration assisted leaching; constant-heap; waste ore dump leaching; multi-phase medium; permeability coefficient
在矿山开采过程中，大量废石伴随着矿石被采出，丢弃至堆场的废石中常含有一定量的可利用组分，随着优质资源的减少，废石的开发利用已逐渐得到重视。若规模庞大的废石场中可利用组分能得到充分利用，则可提高资源利用率，缓解资源压力，同时可改善生态环境，创造巨大的经济和社会效益。溶浸采矿是建立在物理化学作用与化学反应的基础上，利用特定的能溶解矿石中可利用组分的浸矿药剂，并借助某些催化剂、矿石表面活性剂和微生物的作用，选择性地溶解、浸出矿石或矿体中的可利用成分，使其从固态转化为液态再进行回收，从而实现矿石开采的1种新型采矿方法[1]。与传统的开采方法相比，溶浸采矿的突出优点是可以经济且合理地处理低品位矿，甚至是废石或尾矿。因此，溶浸采矿对尾矿资源的二次开发、低品位矿产的综合利用等具有重大意义。欧美发达国家利用堆浸技术可以处理品位(即质量分数)低至0.04%的铜矿石。此外，溶浸采矿工艺成本低且对环境影响较小，具有突出的环保优势。由于废石中可利用组分质量分数相对较低，从经济角度考虑，不适合采用传统的破碎、制粒和筑堆等堆浸技术，尤其是大型露天矿废石场，在设计初期并未充分考虑后期的再利用，加上堆放过程中的长期机械压实、偏析及风化等作用，造成浸堆渗透性较差[2-4]。如江西德兴铜矿废石堆浸场，由于块度不均匀，含泥量(质量分数)高，且经过后期的机械压实、风化等作用，导致浸堆渗透性差，形成明显的地表径流。在渗透性差的矿堆中，气体流动受阻较大，自然空气很难进入堆体内部[5-6]。充气强化浸出工艺作为1种有效的浸出调控手段，已成功应用于生产，堆浸过程中向矿堆中充入空气可提高浸出率及缩短浸出时间。虽然溶浸采矿技术与理论在国内外得到广泛应用，但堆场渗透性差等问题已成为制约溶浸技术快速发展的瓶颈[7-8]。为了研究充气对堆场渗透性的影响，本文作者利用现场取回的废石为材料在实验室进行了充气强化作用对渗透系数的影响试验，提出了脉冲充气强化浸出法，为矿山废石中有用资源的回收提供参考依据。
1 浸出体系多相介质相互作用理论
浸出体系由气、固、液三相组成，矿物的浸出是三相之间作用的结果。其中，固相为浸出对象，其中矿石粒度、品位(质量分数)、可利用成分以及含泥量等对浸出影响较大；液相为溶浸剂、细菌及金属离子的载体，溶液的pH、各种离子浓度及氧化-还原电位等均影响浸出效果；在特定浸出条件下，气相为浸出反应不可缺少的物质，直接决定浸出速率。体系的渗透系数决定着三者的相互作用程度，从而对浸出效果产生直接影响。影响废石堆浸体系浸出效果的直接因素可以概括为2类，即溶浸液对可利用组分的溶解能力和堆浸系统的渗透效果，后者是实现前者的前提条件。
Dounffard等[9]充分考虑制粒、溶液流速、堆内矿石颗粒粒径、矿堆高度等因素对溶液渗流过程动力学进行研究，基于对流时间等因素建立PSPD模型；Orr[10]通过室内试验和现场调查认为浸出过程是1个复杂的多孔介质内气液两相渗流模型；Metodiev等[11-12]基于流动动力学方程，采用计算流体动力学数值模拟手段，对溶液流速、空气流动等进行模拟分析，证明颗粒间的紊流是影响体系内溶液分布的主要因素；Sidborn等[13]建立了堆浸二维浸出动力学模型，得堆场内空气流动、浓度分布等规律；胡凯建等[14]利用变水头法对电场作用下尾矿渗流体系的渗透性进行柱浸试验研究，结果表明电场可提高体系的渗透系数。1993年澳大利亚Giralambone铜矿首次采用了浸堆强制加气技术，加快了浸出反应过程，取得了良好的效果[15]。
目前，国内对溶液在浸堆中的渗流规律相关的研究较少，针对充气强化的研究多集中在浸出的最终结果上，即侧重于充气对浸出率和浸出时间的影响，强调充气对堆体的供氧作用，而有关充气过程对堆体渗透性影响的相关研究较少[16-17]。
2 试验设计
2.1 试验材料
实验所用材料为新疆某矿废石，其粒级组成和级配特征见表1和表2。其中：
(1)
表1 试验用废石粒级组成
Table 1 Particle size of test waste ore sample
表2 材料颗粒级配特征
Table 2 Gradation character of material
(2)
(3)
式中：Cu为不均匀系数；Cc为曲率系数；dcp为颗粒平均粒径；wi为序号为i的物料对应的质量分数；di为序号为i的物料对应的粒度；d10，d30和d60分别为累积质量分数为10%，30%和60%时颗粒的平均直径。
图1所示为试验材料粒级分布曲线。由图1可知：试样品级分布范围较广，但粒径连续状况不良。
图1 试验材料粒级分布曲线
Fig. 1 Particle size distribution curve of test material
2.2 试验装置与原理
自行研制了多功能自动控制六浸柱实验装置，该矿岩浸出系统具有自动化程度高、功能全等特点。装置主要由3大循环系统、自动控制系统和数据采集系统3部分组成，能根据堆浸现场条件和矿石颗粒实际直径，进行室内模拟实验和半工业规模中试实验，为堆浸生产实践和工艺参数优化提供参考。图2所示为多功能自动控制六浸柱装置中单个柱子流程图，3大循环分别为水循环、气循环和液循环[18]，其中，水循环主要通过控制反应柱外层夹套内的水温对浸出系统进行温度调控；液循环为反应液在反应体系内的循环；气循环是指对浸出系统进行加气，从而实现强化浸出功能。
体系的渗透系数采用常水头法测定装置示意图，见图3。
图2 多功能自动控制柱浸装置流程图
Fig. 2 Flowchart for multifunctional automatic control device
图3 试验装置示意图
Fig. 3 Schematic diagram of test equipment
达西公式为
(4)
式中：Q为通过反应柱的水的流量，mL/s；A为过水断面面积，即反应柱的横截面积，mm2；K为渗透系数，mm/s；H为水头差，即溢流口与废石料底部的高度差，mm；L为渗流路径，即废石料的高度，mm。
由式(4)得渗流系数K为
(5)
2.3 试验过程
溢流口至废石料底部高差H为1 150 mm，废石 料高度为500 mm，反应柱内径为50 mm，废石料上下均铺设有粗料薄层以实现均匀布液。高位罐、反应柱和集液罐约为双层结构，外层夹套以电加热水循环通过计算机控制温度，试验中温度保持在24 ℃。充气孔位于反应柱的底部，连通空压机和储气罐，以玻璃转子流量计控制充气速度。
为了去除溶浸化学作用的影响，本次试验采用水作为反应液。液体由高位罐通过调节阀进入反应柱，透过废石料进入接液罐，而后由磁力循环泵再返回到高位罐，实现1次循环。管路中设有液体流量调节阀控制反应液流量。反应柱中液位高度通过溢流孔控制，并保持有反应液从溢流孔中流出，废石料处于饱水状态，溢流出的反应液进入接液罐。试验中通过测定单位时间内渗出水的体积Q，由式(5)计算体系的渗透系数K，具体试验过程如下。
1) 正常循环。启动系统进入正常反应液循环阶段，持续循环2 d，待反应柱底部出水管有持续稳定的反应液流出时，测定体系的初始渗透系数。
2) 充气强化。将反应柱底部的液体流量调节阀关闭，对体系进行充气，期间布液强度不变。10 min后，停止充气，打开反应柱底部的液体流量调节阀，每3 min测定1次体系渗透系数，此时的K称为瞬时渗透系数Ks。直至连续5次测得的Q相同时，视为渗流进入稳定阶段，稳定后的K为稳定渗透系数Kw。
3) 更换相同的新物料，重复步骤1)和2)，通过调整充气速度可得不同充气强度下体系渗透系数的变化规律。
4) 脉冲充气。单次充气完毕，体系进入稳定阶段后，不更换物料，直接重复步骤2)，对体系进行脉冲充气，研究脉冲充气法对体系渗透系数的影响规律。
本体系允许通过的最大气体流量为0.6 m3/h。
3 结果与分析
3.1 充气对体系渗透性的影响
经过2 h饱水，体系初始渗透系数为0.38 mm/s。持续循环2 d，渗透系数不发生变化。
分别充入充气强度为0.1，0.3，0.5和0.6 m3/h的空气，测定体系的渗透系数变化情况，如图4所示。由图4可知：对于同一渗透体系，不充气时渗透系数较小，渗透性差；充气后，瞬时渗透系数迅速增大，而后缓慢减小，最终趋于稳定；充气强化作用明显增大了体系的渗透系数，渗透效果得到改善。
图4 不同充气强度下体系瞬时渗透系数变化曲线
Fig. 4 Change curves of instantaneous permeability coefficient under different aeration velocities
在不充气条件下，物料的各粒级之间呈自然分布，细颗粒填充于粗颗粒之间，结构密实，减小了体系的有效渗透通道；充气后，气体的上升和液体的下渗对粗细颗粒之间的原有平衡状态造成扰动，从而扩充了导水通道，增大了有效渗流通道截面积，促使体系瞬时渗透系数急剧增加；充气停止后，随着时间的推移，扰动作用逐渐减弱，直至最终消失，体系形成新的平衡，达到稳定的渗流状态。同时，体系内原有的渗流“盲区”在气-液-固三相介质相互作用下被冲破，形成渗流通道；充气停止后，在新平衡状态形成的同时，体系内会慢慢形成新的“盲区”，这也是瞬时渗透系数逐渐下降的主要原因。由此可见：充气作用下体系的有效渗流通道截面积增大、形成新的导水通道等因素增大了渗透系数，从而改善了体系的渗透效果。
3.2 充气强度与渗透系数的关系
充气过程造成的扰动对体系的渗透性带来影响，扰动作用程度取决于气-液-固三相介质相互作用的强烈程度，即充气强度的作用程度。表3和图5所示分别为充气强度对稳定渗透系数的影响和充气强度与稳定渗透系数之间的关系。由表3和图5可知：充气强度越大，体系的瞬时渗透系数和稳定渗透系数均越大，且达到稳定阶段所需的时间也越长；在充气强度增大前期，体系稳定渗透系数增加较快，后期增速减缓。
表3 充气强度对稳定渗透系数的影响
Table 3 Effects of aeration velocity on stabilized permeability coefficient
图5 充气强度与体系稳定渗透系数的关系
Fig. 5 Relationship between aeration velocity and stabilized permeability coefficient
充气强度越大，对体系带来的扰动越大，越多的颗粒平衡被打破，有效渗透通道截面积也就越大，从而使瞬时渗透系数更大；充气停止后，扰动越激烈的体系到达稳定阶段所需的时间也就越长。同时，充气强度越大，可以冲破范围更广的渗流“盲区”，打通更多导水通道。
3.3 脉冲充气试验渗透效果分析
脉冲试验中共充气5次，每次充气10 min，强度为0.5 m3/h，测定充气后体系渗透系数。待前一次充气渗透系数稳定后即可进行下一次充气阶段。表4 所示为试验过程中体系渗透性变化情况，图6所示为脉冲充气试验过程中渗透系数变换曲线。
由表4和图6可知：脉冲充气可以改善体系渗透效果，提高渗透系数；每次脉冲后，体系瞬时渗透系数均有所增大，而稳定渗透系数会发生一定波动，但都集中于0.46~0.55 mm/s，相对于不充气体系，稳定渗透系数增加了21.05%~39.47%；随着充气次数的增加，体系到达稳定阶段所需时间有增加趋势，由第1次的67 min增加为第5次的142 min。
表4 脉冲充气对稳定渗透系数的影响
Table 4 Effects of pulse aeration on stabilized permeability coefficient
图6 脉冲充气试验过程中渗透系数变化曲线
Fig. 6 Change curves of permeability coefficient during experiment at pulse aeration
因此，在现场应用脉冲充气强化浸出生产时，可以根据堆浸场渗透性变化情况调整2次脉冲之间的时间间隔，采用逐渐延长相邻充气操作之间时间间隔的方式进行充气强化。
4 结论
1) 充气强化作用可以改善废石堆浸体系渗透效果。在气-液-固三相介质的相互作用下，体系的导水通道被扩充，有效渗流通道截面积得到增加，渗透性得到提升；同时，充气作用可以冲破渗流“盲区”，形成新的渗流通道。
2) 充气后，瞬时渗透系数得到迅速提升；随着三相作用的逐渐减弱直至消失，瞬时渗透系数缓慢下降，最终稳定于1个大于不充气时的稳定渗透系数，体系形成新的平衡状态。
3) 充气强度不同，体系内三相作用的激烈程度不同。充气强度越大，体系的瞬时渗透系数及稳定渗透系数均越大，由扰动阶段到达稳定阶段所需时间越长；堆浸体系存在极限充气强度，本次试验极限充气强度为0.6 m3/h。
4) 提出脉冲充气法对堆浸场进行渗透性改善。现场应用时可根据体系渗透性变化情况调整脉冲延时，采用逐渐延长充气作业之间时间间隔的方式来改善堆浸场渗透效果。
参考文献：
[1] 古德生, 李夕兵. 用原地溶浸采矿回收西部贫矿资源的关键技术研究[J]. 铜业工程, 2002(2): 4-6.
GU Desheng, LI Xibing. A key technical study on recovering resources from western low grade ore by means of in-situ leaching mining[J]. Copper Engineering, 2002(2): 4-6.
[2] Ozkaya B, Sahinkaya E, Nurmi P, et al. Iron oxidation and precipitation in a simulated heap leaching solution in a Leptospirillum ferriphilum dominated biofilm reactor[J]. Hydrometallurgy, 2007, 88(1): 67-74.
[3] WU Aixiang, YIN Shenghua, LIU Jinzhi, et al. Formative mechanism of preferential solution flow during dump leaching[J]. Journal of Central South University of Technology, 2006, 13(5): 590-594.
[4] Noller B N, Parker G, Gao G H. Metal and solute transportation through a wetland at a lead zinc mine, northern territory, Australia[J]. European Journal of Mineral Processing & Environmental Protection, 2003, 3(1): 15-35.
[5] Linklater C M, Sinclair D J, Brown P L. Coupled chemistry and transport modelling of sulphidic waste rock dumps at the Aitik mine site, Sweden[J]. Applied Geochemistry, 2005, 20(2): 275-293.
[6] Lizama H M. Copper bioleaching behavior in an aerated heap[J]. International Journal of Mineral Processing, 2001, 62(1): 257-269.
[7] Johnson D B. Biohydrometallurgy and the environment: Intimate and important interplay[J]. Hydrometallurgy, 2006, 83(1): 153-166.
[8] Pradhan N, Nathsarma K C, Rao K S, et al. Heap bioleaching of chalcopyrite: A review[J]. Minerals Engineering, 2008, 21(5): 355-365.
[9] Dounffard S C, Dixon D G. Investigative study into the hydrodynamics of heap leaching processes[J]. Metallurgical and Materials Transactions, 2001, 32(5): 763-776.
[10] Orr S. Enhanced heap leaching Part 1: Insights[J]. Mining Engineering, 2002, 54(9): 49-56.
[11] Metodiev B, Lilova K, Karamanev D, et al. Computational fluid dynamics (CFD) simulation of velocity and concentration profiles in the vicinity of immobilized acidithiobacillus ferrooxidans cells[J]. Biochemical Engineering Journal, 2006, 29(3): 182-190.
[12] Mousavi S M, Jafari A, Yaghmaei S. Computer simulation of fluid motion in a porous bed using a volume of fluid method: Application in heap leaching[J]. Minerals Engineering, 2006, 19(10): 1077-1083.
[13] Sidborn M, Casas J, Martinez J. Two-dimensional dynamic model of a copper sulphide ore bed[J]. Hydrometallurgy, 2003, 71(3): 67-74.
[14] 胡凯建, 吴爱祥, 尹升华, 等. 电场改善细粒级尾矿浸出渗透效果试验研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2012, 43(10): 3989-3994.
HU Kaijian, WU Aixiang, YIN Shenghua, et al. Experimental study on effect of electric field on permeability of fine tailings[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2012, 43(10): 3989-3994.
[15] 张继成. 紫外光、盐酸羟胺强化At.f菌浸出铜尾矿中重金属研究[D]. 重庆: 重庆大学资源及环境科学学院, 2013: 3-4.
ZHANG Jicheng. Study on enhance bioleaching on heavy metal of copper tailings by UV and hydroxylamine hydrochloride respectively[D]. Chongqing: Chongqing University. School of Resource and Environmental Science, 2013: 3-4.
[16] 张杰. 充气强化的微生物浸出试验研究[D]. 长沙: 中南大学资源与安全工程学院, 2008: 10-12.
ZHANG Jie. Experimental research on aeration assisted bioleaching[D]. Changsha: Central South University. School of Resources and Safety Engineering, 2008: 10-12.
[17] 尹升华. 浸出过程多相介质耦合作用机理及调控技术研究[D]. 北京: 北京科技大学土木与环境工程学院, 2010: 7-13.
YIN Shenghua. Interaction between multi-pahses during bioleaching process and its adjust and control technology[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing. School of Civil Engineering and Environmental Engineering, 2010: 7-13.
[18] YIN Shenghua, WU Aixiang, QIU Guanzhou. Bioleaching of low-grade copper sulphides[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008, 18(3): 707-713.
(编辑 刘锦伟)
收稿日期：2014-12-10；修回日期：2015-02-26
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51374035)；高等学校博士学科点基金资助项目(2011000612002)；全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目(201351) (Project(51374035) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2011000612002) supported by the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China; Project(201351) supported by the Special Funds of the National Outstanding Doctoral Dissertation Author)
通信作者：尹升华，博士，研究员，从事采矿工程与溶浸采矿研究；E-mail: csuysh@126.com
