方柱浸铜试验研究及其数值分析.pdf

第3 2 卷第6 期 2 0 1 2 年1 2 月 矿 冶 工 程 M l N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2N 0 6 D e e e m b e r2 0 1 2 方柱 浸铜试验研究及其数值分析① 缪秀秀1 ，刘金枝1 ⋯，昊爱祥1 1 ．北京科技大学土木与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．1 - ．海海洋大学信息学院，上海2 0 1 3 0 6 摘要设计了方柱浸试验以探究滴灌式堆浸的可行性。试验矿样为含铜1 ．4 6 ％的羊拉铜矿，在柱浸试验中定期监测了渗流速度 和压力值，同时运用E v i e w s 和M a t l a b 软件进行矿柱渗透性系数变化趋势的分析模拟。结果表明矿物含泥特性对矿柱渗透性有较 大影响，尤其是浸矿初期影响显著；沉淀物的阻塞对矿柱渗透性影响不显著。 关键词方柱浸出；堆浸；浸铜；渗透系数；数值分析 中图分类号T D 9 5 3文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 6 0 0 7 4 0 4 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nC o p p e rL e a c h i n gb yS q u a r eC o l u m n a n dI t sN u m e r i c a lA n a l y s i s M I UX i u x i u l ，L I UJ i n z h i l ’- ，W UA i x i a n 9 1 1 ．S c h o o lo fC i v i la n dE n v i r o n m e n tE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e o i n g ，B e o i n g10 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．C o l l e g eo fI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y ，S h a n g h a iO c e a nU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 13 0 6 ，C h i n a A b s t r a c t As q u a r ec o l u m nl e a c h i n ge x p e r i m e n tw a sd e s i g n e dt oi n v e s t i g a t et h ef e a s i b i l i t yo fd r i pi r r i g a t i o nt y p eh e a p l e a c h i n g ．T a k i n gY a n g l ac o p p e ro r ew i t hh e a da s s a yo f1 ．4 6 ％C ua so r es a m p l e s ，t h es e e p a g ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ew e r e m o n i t o r e dp e r i o d i c a l l yd u r i n gc o l u m nl e a c h i n ge x p e r i m e n t ，a n dt h ev a r i a t i o nt r e n d so f s e e p a g ec o e f f i c i e n to ft h e o r e c o l u m nw e r ea n a l y z e db ys i m u l a t i o n w i t hs o f t w a r eE v i e w sa n dM a t l a b ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a tm u dp r o p e r t i e so ft h e m i n e r a l sh a dab i ge f f e c to nt h ep e n e t r a t i o no fo r ec o l u m n ，e s p e c i a l l ya tt h ei n i t i a ls t a g eo fo r el e a c h i n g ，w h i l en o o b v i o u se f f e c tw a so b s e r v e db yt h ec h o k i n go fs e d i m e n t s ． K e yw o r d s s q u a r ec o l u m nl e a c h i n g ；h e a pl e a c h i n g ；c o p p e rl e a c h i n g ；s e e p a g ec o e f f i c i e n t ；n u m e r i c a la n a l y s i s 我国有色矿产资源贫多富少，选冶难度大。经济 可采资源量低，采出矿产固体废弃物排放量大，再加之 传统选噎工艺严重污染环境，迫切需要寻找新的工艺 方法提取矿产资源。堆浸技术以其工艺简单、投资少、 见效快、管理简单等诸多优点而被广泛应用于从低品 位矿石中提取有用金属。。⋯。近1 0 年来，生物堆浸工 艺又以其低污染、高产率的独特优势得到迅速推广，并 且在处理氧化铜和次生硫化铜矿上得到了广泛应 用。5J 。目前在堆浸中广泛运用的喷淋布液方式易受 大风、干旱、低温等天气影响，为克服这些缺陷，滴灌式 堆浸应运而生。其中美国大部分堆浸场的喷淋装置已 被滴灌装置所取代，室内柱浸实验几乎全部采用圆形 浸出柱。 本文考虑到滴灌式布液的特点，布液强度低，滴头 负责区域间的相互干扰较小，设计了方柱浸实验以模 拟滴灌式堆浸，并基于E v i e w s 软件回归分析了矿柱渗 ①收稿日期 基金项目 作者简介 通讯作者 透性系数变化趋势，为改善浸出效果提供理论指导。 1 实验 1 ．1 实验材料 1 ．1 ．1 矿样以羊拉铜矿为研究矿样，矿石品位约 为1 ．4 6 ％，视密度为2 ．5 6t ／m 3 。该铜矿为高含泥高 碱性矿石，赋存形式有氧化矿、混合矿及硫化矿。其化 学成分及化学物相如表1 及表2 所示。 表1 矿样的化学成分 质量分数 ／％ 1 单位为g ／t 。 2 0 1 2 7 3 6 7 3 4 国家自然科学基金重点项目 5 0 9 3 4 0 0 2 ；国家自然科学基金 5 1 1 0 4 1 0 0 ；中国博士后科学基金 2 0 0 9 0 4 5 0 0 1 4 ，2 0 1 0 0 3 0 5 2 缪秀秀 1 9 8 9 一 ，女，浙江温州人，硕士研究生，主要从事采矿工程、数学在采矿中的应用研究。 刘金枝 1 9 7 1 一 ，女，湖南益阳人，副教授，博士，主要从事溶浸采矿与应用数学方向的研究。 万方数据 第6 期 缪秀秀等方柱浸铜试验研究及其数值分析 表2 矿样中铜的化学物相 将样品进行7 个尺寸等级粒度筛分，采用的矿石 最大粒径为1 5m m ，粒级分析如表3 所示。 表3 矿石粒级分析 由于部分矿石粒级特性以表3 所提供的数据无法 进行计算，本文引入M a t l a b 线性插值法以补充必要数 据。插值数据列于表4 ，插值效果如图1 所示。 表4 累积分布插值 粒级／m m累积分布／％ 粒级／r a m 累积分布／％ 0 ．9 1 6 41 04 ，8 1 6 96 0 2 ．0 1 2 12 06 ．2 2 3 97 0 3 ．0 6 1 4 】， 3 08 ．0 0 4 98 0 3 ．6 4 6 64 09 ．6 4 4 39 0 4 ．2 3 1 75 01 5 ．0 0 0 0l O O 长 ＼ 妊 求 娶 啸 粒径／r a m 图1 粒级分布插值效果 矿堆的颗粒级配可用不均匀系数、曲率半径、平均 粒径表示，其计算公式如下‘“ 不均匀系数 C u i d 6 0 1 曲率系数 c 。 羲 2 平均粒径 d 甲 ∑竿o ； 3 式中d ∞、d ，。、d ，。分别表示表3 中筛下累积6 0 ％、3 0 ％、 1 0 ％对应的颗粒粒度，m m ；d 。，d ⋯分别为表3 中第i 组粒度范围的始末粒度值，m m ；a 。为表3 中第i 组粒 度范围的质量分布频率。 计算得C 。 5 。2 5 6 6 ；C 。 2 ．1 2 3 4 ；d 。。 4 ．9 5m m 。 土力学中，不均匀系数G 。反映了样品中粗粒级与 细粒级间的比值，c 。值越大表示粗粒级比例越大。 c 。 3 或C 。 5 且C ， l ～3 说明样品级配良好。从计算结果可知，本 矿样具有良好级配，适于柱浸实验。 1 ．1 ．2 溶浸液及浸矿细菌由于本矿样是氧化铜矿 与硫化铜矿的混合矿样，具有高碱性，实验采用了硫 酸一细菌两阶段浸出方案。溶浸液由1 0g ／LH s O 。溶 液和氧化亚铁硫杆菌菌液组成。为实现溶浸液2 4h 完成一次循环，共配制溶浸液4L ，其中氧化亚铁硫杆 菌菌液占1 0 ％。浸矿细菌氧化亚铁硫杆菌接种于9 K 培养基中，放入转速1 5 0r ／r a i n 、温度3 0 ℃的培养箱 内培养。9 K 培养基的成分如表5 所示。 表59 K 培养基成分 成分浓度／ g L ‘1 3 0 ．5 O ．1 O ．5 O ．O l 4 4 ．3 1 ．2 实验装置及过程 实验装置布置如图2 所示。其主要组成包括 ①1 个规格为6 0m m 6 0m m 6 0 0m m 的有机玻璃 浸柱，底部配有出水阀；②2 个P V C 材质水箱，一个供 应溶浸液，另一个收集；③1 个一次性滴液注射器，连 接供应水箱和浸柱。 浸柱底部铺上滤布，滤布上再铺4 0m m 粗矿石， 再加入4 0 0m m 羊拉铜矿石，最后在上部再覆盖4 0 m i l l 粗矿石，共计矿石质量2 ．3 7 2k g 。 一一砌一～一 ∞帅蛳∞∞鲫∞∞勰加。 万方数据 7 6矿冶工程第3 2 卷 供液箱 图2 柱浸实验装置 溶浸液由上部水箱通过注射器注入矿柱，再由下 部水箱收集。每隔一定时间对铜离子进行采样化验， 并且进行矿柱渗透性测量。溶浸液每隔2 4h 需调整 p H 至1 ．2 ，体积调整至4L 。 渗透性研究主要依据于水力学的基本原理，其中 应用最多的是达西定律【7 。。浸柱渗透性系数测量采 用变水头法，实验装置如图3 所示。t ．时刻，浸柱中水 头为h 。；t 时刻，浸柱中水头为h 。 图3 变水头法装置 根据达西定律 秽脚一譬 4 式中口为渗流速度，c m ／s ；K 为渗透性系数，c m ／s ；J 为 水力梯度；Ⅳ为溶浸液流经矿样的压力降，．e m ；L 为矿 样高度，c m 。 秒 一怒 一警 一面d H 5 式中Q 为溜井矿样的溶浸液体积，e m 3 ；A 为矿样截面 积，c m 2 ；￡为时间，s 。 由式 4 和式 5 可得 K d ‘ 百L d H K △￡￡1 n 鲁 6 凡． K 三击，n 氆 式中L 。为矿样高度，c m ；L ．为浸柱上表面至起始液面 高度，c m ；￡2 为浸柱上表面至终止液面高度，e m ；A t 为 起始时间与终止时间间隔，s 。 2 实验结果与分析 表6 为变水头法所观测的2 8d 方形矿柱渗透性 系数变化计算表。在2 8d 浸矿过程中，矿柱渗透性系 数不断减小，其中由于重力压实和溶浸液侵蚀，矿样高 度也发生了微量的变化。 表6 矿柱渗透系数计算表 基于试验测量值，采用E v i e w s 软件分析渗透系数 变化趋势。由于试验数据量不足以进行模型估计，此 处同样采用线性插值法补充数据，见表7 。 表7 渗透性系数插值 浸出时间 K 浸出时间 K 浸出时间 K ／d ／ e m s 一1 ／d ／ c m s 一‘ ／d ／ c n l s 一‘ 0O ．1 6 8 l1 0O ．0 6 9 52 0O ．0 1 4 6 lO ．1 5 7 2l l0 ．0 6 3 62 l0 ．0 1 3 5 20 ．1 4 6 41 2O ．0 5 7 72 20 ．0 1 2 4 30 ．1 3 5 51 3O ．0 5 1 82 30 ．0 1 1 4 40 ．1 2 4 71 40 ．0 4 6 02 40 ．0 1 0 3 50 ．1 1 3 8 1 5O ．0 4 0 l 2 50 ．0 1 0 0 60 ．1 0 2 91 60 ．0 3 2 32 6O ．0 0 9 6 7 0 ．0 9 2 l 1 7O ．0 2 4 52 70 ．0 0 9 3 8O ．0 8 1 2 1 8 O ．0 1 6 72 80 ．0 0 9 0 90 ．0 7 5 31 90 ．0 1 5 6 万方数据 第6 期缪秀秀等方柱浸铜试验研究及其数值分析 将表7 中数据输入E v i e w s 系统㈣，观察渗透性系 数变化趋势，如图4 。采用加权最小二乘法，权值加 1 ／a b s r e s i d r e s i d 为最小二乘估计的残差项 。加权 最小二乘法估计方程为 △3 K 一0 ．9 9 6 1 2 6 A 2 K l 7 图4 渗透性系数变化趋势 加权最小二乘法估计方程决定性系数R 2 0 ．9 9 9 7 6 9 ，证明式 7 合理。拟合渗透性系数动态曲 线与实际动态曲线的比较如图5 所示。进一步展开式 7 ，即可得到渗透性系数变化规律的另一表达式 K t 2 3 K t 1 一3 ．9 9 6 1 2 6 K z 2 ．9 9 2 2 5 2 K t 一1 一0 ．9 9 6 1 2 6 K t 一2 8 迎 镁 姐 套 图5加权最小二乘法趋势估计图 咖 彘 测 盘 1 1 1 藕 懈 型 骢 模拟结果表明矿柱渗透性开始下降较快，后期变 化缓慢趋于平稳。主要由于该铜矿含泥量较大，随溶 浸液的渗滤矿石软化、膨胀，一些软化矿石甚至粘结在 一起，这样矿柱的孑L 隙率便不断下降，导致渗透性大大 降低。一旦矿柱含水率达到饱和，这种渗滤的影响就 不明显，而沉淀的作用便开始显现。尽管沉淀一直影 响着浸出整个过程，但在前期相对于孔隙缩小对渗透 性的影响还是微不足道的。 浸出过程中，渗透性系数与时间的关系是渗流动 力学的一个重要组成部分，因而对渗透性系数随时间 变化趋势的预测对于揭示浸出过程中渗流动态变化规 律也具有重要意义。E v i e w s 的加权最小二乘法趋势估 计渗透性系数如图5 所示，估计方程决定性系数R 2 0 ．9 9 9 7 6 9 ，拟合残值小，通过前期渗透性系数观测值预 测后期渗透性系数变化可靠性高。 3 结论 1 堆浸过程中，矿柱渗透性变化趋势主要受矿柱 高碱性高含泥特性及沉淀物两个因素影响。渗流系数 不是恒定值，渗流量随时间的延长而下降。E v i e w s 加 权最小二乘法趋势估计可有效预测渗透性系数变化。 2 矿物含泥特性对矿柱渗透性影响显著，主要作 用于浸矿初期，散体渗流系数先降后升，与细粒物料在 空间中的再分布有关；之后，渗流系数呈单一下降趋 势；沉淀物的阻塞对矿柱渗透性影响不显著。 参考文献 [ 1 ] 李壮阔，桂斌旺，段希祥．德兴铜矿堆浸厂的生产实践及技术研 究[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 2 ，2 2 1 4 6 4 8 ． [ 2 ] 刘汉钊，张永奎．难处理低品位金矿细菌堆浸的现状和前景[ J ] ． 四川地质学报，1 9 9 8 ，1 8 3 2 3 4 2 4 0 ． [ 3 ]田原，关自斌，高仁喜．铀、金矿石的堆浸技术进展[ J ] ．铀矿 冶，1 9 9 8 ，1 7 2 1 2 1 1 2 6 ． [ 4 ] R o h w e r d e rT ，G e h r k eT ，K i n z l e rK ，e ta 1 ．B i o l e a c h i n gr e v i e wp a r t A P r o g r e s si nb i o l e a c h i n g f u n d a m e n t a l sa n dm e c h a n i s m so fb a c t e r i a l m e t a ls u e d eo x i d a t i o n [ J ] ．A p p lM i c m b i o lB i o t e c h n o l ，2 0 0 3 ，6 3 2 3 9 2 4 8 ． [ 5 ] 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