基于核磁共振成像技术的堆浸细观渗流速度场特性

采用核磁共振成像技术对柱浸渗流过程进行非接触、无损探测,得到溶液静止和流动时的核磁共振图像.通过对速度值分布的分析,评价了速度场均匀性,得到了均匀性指数与喷淋强度的关系,进而研究了细观渗流速度场分布特性和孔隙内速度场演化规律.研究表明：流速分布具有明显的不均匀性,流速值与孔隙大小并不严格一致;不同喷淋强度下速度值分布趋势相似,最大流速与喷淋强度正相关;通过分析速度场均匀性与喷淋强度间关系可得到喷淋强度阈值,实验中0.7 L· cm -2·h -1为此粒级级配的喷淋强度阈值.现场应用动态喷淋强度可明显改善堆场的渗透性,提高铜的浸出率.     

不同堆体结构下矿岩散体内溶液渗流规律

通过设置分层筑堆方式,再现真实堆内复杂的分层结构,并结合CT技术与COMSOL Multiphysics模拟软件实现对堆内溶液流动轨迹、渗流速度场等细观研究。探究粗-细颗粒层或细-粗颗粒层交界面处流线的近水平方向的滑移现象,证实并讨论堆内层间流。研究结果表明:由于矿石粒径、相邻矿石的位置关系等因素影响,堆内不同位置的溶液流动轨迹、渗流速度场各不相同,溶液流经孔喉处时流速出现骤增,孔喉中心处取得最大值;偏析矿堆内溶液优先流的存在形式主要有2种:大孔道流与层间流,二者是导致堆内溶液不均匀分布的重要诱因。     

堆浸过程中溶质运移机制及影响因素

针对堆浸溶质运移过程的复杂性和多变性,以揭示溶质运移规律为目的,首先通过对其运移机制进行探讨,并基于矿堆理想渗流假设给出溶质运移均匀流模型,同时考虑矿堆内可流动溶液和不可流动溶液区的作用及其相互影响,建立溶质迁移流动-不流动模型.采用标记物穿透曲线法,进行溶质运移室内管柱实验,主要研究矿石粒径和喷淋强度对溶质运移规律的影响.研究结果表明;大粒径矿样的孔隙直径和孔隙率均比较大,可流动溶液在大孔隙的传导作用而快速流出,因此,溶质初期浓度升高相对较快;而小粒径矿石比表面积大,不可流动溶液比率大,溶质须通过分子扩散运移进入不可流动溶液区,因此,其浓度上升速度较缓;矿堆内不流动溶液是影响溶质运移规律的主要因素,因此,可通过控制矿石颗粒级配和喷淋强度以优化溶质运移过程.     

土石混合体细观渗流场的格子Boltzmann模拟

基于土石混合体中块石的CT扫描图片、颗粒流PFC软件及数字图像处理技术构建了土石混合体的孔隙结构模型,在此基础上引入介观的格子Boltzmann方法从孔隙尺度对土石混合体的渗流场进行了数值模拟,并据此分析了土石混合体的渗流特性。研究结果表明:基于土石混合体的孔隙结构模型和介观的格子Boltzmann方法,通过设置相应的边界条件可以快速有效地模拟土石混合体的细观渗流机制;与均质土体模型相比,土石混合体模型由于较大块石的存在使得其渗流通道明显减少,且通道变窄,弯折度增加,流速减小,渗透率大幅降低;土石混合体模型中水压力分布很不均匀,在块石的上下游会发生显著的压力降;块石含量、块石粒径及块石空间分布等细观结构因素对土石混合体的渗流场与渗透性能有一定的影响。     

矿石粒径对矿堆内溶液毛细渗流的影响特征

为探究矿石粒径对矿堆内溶液毛细渗流的影响特征,利用所构建的溶液毛细上升实验装置,针对单一粒径矿堆和混合粒径矿堆,分别开展不同矿石粒径下溶液毛细上升实验,得到了溶液毛细上升高度与时间的关系曲线及相应的拟合方程,分析了溶液上升速度随时间变化规律。研究发现：实验初期矿堆内溶液上升速度较快,随着实验时间的增加,溶液上升速度逐渐减小并最终降为零,且溶液最大上升高度及溶液上升速度均与矿石粒径负相关。矿堆内由毛细作用形成的不可动溶液含量随矿石平均粒径的减小而增大,细颗粒矿石含量过多时在矿堆内将形成大范围的不可动溶液区域,影响矿堆内溶液渗透效果。     

堆浸过程中矿岩散体粒间孔隙尺寸的演化规律

根据X射线CT技术无损伤地探测细菌浸出前、后矿岩散体介质孔隙结构特征,利用MATLAB环境编写程序对矿岩散体介质颗粒间横向及纵向孔隙尺寸分布进行统计,研究细菌浸出过程中矿岩散体粒间孔隙尺寸演化规律及其对溶浸液渗流特性的影响.研究结果表明:矿岩散体介质孔隙尺寸分布不均匀,分布范围广,基本呈正态规律分布;浸出后顶部区域中等孔隙和大孔隙数量增加,小孔隙数量减少,底部区域中等孔隙也有所增加,但小孔隙数量减少,横向大孔隙数量减少,纵向大孔隙数量变化不明显;浸出后平均孔隙尺寸比浸出前有所增大,大孔隙含量增加,加强了浸堆的渗流各向异性;微细颗粒的运移和沉积对孔隙尺寸演化影响程度最大.     

基于QSGS法3D重构土体渗流场的LBM数值模拟

基于四参数随机生长法（QSGS）以及改进QSGS方法等效重构三维（3D）各向同性/各向异性土体内部孔隙结构，结合格子玻尔兹曼方法（LBM），采用MATLAB自编程序进行细观渗流场数值模拟，分析不同孔隙参数及模型各向异性等因素对渗流特性的影响规律. 结果表明：3D模型尺寸100×100×100格点时，连通孔隙率nc达到最大增幅19.23%. 流体易在连通性好、孔喉直径大的部位形成主渗流通道，且存在“指进效应”，流体越靠近孔道中轴线流速越快. 3D重构土体的计算渗透率k随模型孔隙率n增大而增大，随土颗粒尺寸减小而减小，当分布概率pc = 0~0.05（大、中颗粒）时渗透率显著降低，降低幅度达42.86%. 考虑各向异性的重构模型出口边界渗流速度波动幅度较大、变化趋势规律性不明显，且流线分布稀疏、相互交错、主渗流通道不明显. 该研究能揭示流体在3D土体孔隙结构中的流动规律，并为3D土体重构和细观渗流模拟研究方法提供借鉴.     

降雨条件下边坡地下水运动规律

为了研究降雨对边坡渗流场孔隙水压力分布的影响,根据岩土饱和-非饱和渗流理论,利用SEEP渗流有限元程序计算给定降雨条件下孔隙水压力的分布,结合一个土坡算例,探求降雨强度、降雨持时以及土壤渗透系数等参数变化对渗流场的影响。通过记录坡肩处孔隙水压力变化,得到不同降雨类型下雨水入渗深度的规律;并记录下坡体内孔隙水压力随时间的变化规律,得到持续降雨条件下不同时刻坡体内孔隙水压力分布特点,可以为边坡的稳定性分析和滑坡预测提供依据。     

矿堆非饱和渗流中的界面作用

为探明矿堆非饱和浸出渗流规律,以界面作用为切入点,分析了浸出液的运动状态.矿堆中吸力由界面作用产生的基质吸力和吸收扩散产生的渗透吸力组成.孔隙中介质分布的不均匀性和矿石形状的随机性是导致界面作用多样性以及浸出液运动状态复杂的原因.采用毛细上升实验很好地证明了矿堆中吸力的存在,在驱动力的作用下,浸润初期的液面上升速度较快,浸润后期液面上升相对平缓.通过拟合得知液面毛细上升高度与浸润时间符合幂函数关系.理论研究表明可以通过改变固相、液相和气相的物理性质来实现对矿堆非饱和渗流中界面作用的调控.     

细粒尾矿砂渗透破坏细观结构特征研究

采用自制的小型渗透变形仪,对细粒质量分数为30%的尾矿砂进行渗透破坏特性试验,研究细粒尾矿砂在渗透破坏进程中内部的细观结构孔隙和颗粒分布的演化特征。在渗透破坏进程中,采用水头级差的方法,对试样逐级加载4级水头直至试样发生破坏,结合CT技术,对4种水头下的尾矿砂试样进行扫描,运用vg studio max 3.0和avizo9.0.1三维可视化软件对扫描后的试样数据进行三维重构,建立数字图像信息,从微观上研究尾矿砂渗透破坏后颗粒的分布及孔隙结构的细观特征变化,分析其渗透破坏微观进程,总结尾矿砂渗透破坏细观结构特征。试验结果表明:随着水头加载值增大,细粒尾矿试样表面会有细小颗粒被带出,且出水口出水浑浊,发生管涌破坏;细粒尾矿内部的细观结构试样总孔隙率逐渐增大,连通孔隙不断发育,0.075 mm以下粒径颗粒会不断地向渗流方向迁移,在试样内部形成连通的渗透破坏通道。     

基于颗粒群组构特性的氧化铜矿柱浸渗流行为分析

以高含泥氧化铜矿为研究对象,针对3种不同组构的颗粒群开展柱浸试验研究,揭示顺、逆流渗流条件下不同粒群结构对矿样渗透性及浸出率的影响规律,提出氧化铜石堆浸的最优颗粒群结构。实验结果表明:颗粒群组构特性的差异主要表现在孔隙率和孔隙分布特征的不同。粒间孔隙的分形特性说明,孔隙分布分维数越小,表明孔隙率越小,颗粒聚集体之间也越紧密,颗粒群的渗透率也越小。在相同酸液环境下,顺流浸矿时矿样的渗透性及铜浸出率均比逆流浸矿时的差。3组矿样的渗透性由大到小依次为B,C和A,而铜浸出率由大到小依次为C,B和A。工程应用表明,C型粒群结构的氧化铜矿石在堆浸生产中具有良好的渗透性和铜浸出率。     

基于LBM的2D/3D原状花岗岩残积土细观渗流模拟

为刻画原状土体内部孔隙细观渗流特征,选取东南沿海地区某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于计算机断层扫描(CT)和图像处理技术对2D/3D原状土体模型进行重构,并结合格子Boltzmann方法(LBM),通过自编程序模拟土体孔隙内水分渗流及分布情况.结果表明：孤立孔隙对渗流结果影响甚微,仅个别连通性好、孔径大且笔直的大孔隙会成为优势通道并产生优先流;渗流从开始至稳定过程中,最大流速主要出现在孔隙通道由宽变窄处,孔隙结构形态对渗流的影响较孔隙占比更为显著.基于工业CT扫描技术和LBM能较好刻画真实土体孔隙渗流特征,2D模型可更直观表现大孔隙优先流现象,适用于定性研究;3D模型更接近实际情况,可精确计算土体渗透率,适用于定量研究.     

原状花岗岩残积土大孔隙细观渗流场的格子Boltzmann模拟

选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于计算机断层扫描(CT)图像与格子Boltzmann方法,通过自编程序研究原状土样在大孔隙域中的细观渗流规律.结果表明:孔隙连通性好、孔径大的区域流体流速较大,且呈闪电状分布,而在孤立孔隙中流体无法流通;大孔隙渗流过程中存在明显的"指进效应",孔道中间流速最大,可达格子速度0...     

基于图像处理的矿石颗粒三维微观孔隙结构演化

采用高精度显微CT技术及三维图像分析方法研究氧化铜矿石颗粒在酸浸前后内部微观孔隙结构特征及其演变,考察孔隙率、孔隙尺寸分布、孔隙连通度、孔隙分维等参数的变化规律。结果表明：酸浸后矿石颗粒的孔隙率明显增加,孔隙尺寸分布范围更广,出现一定比例的大孔隙,平均孔隙直径增加2~3倍;孔隙连通度在酸浸前基本为零,酸浸后明显增加,并在各方向上呈现空间变异性;孔隙分维数在浸出结束后也有所增大,且在一定范围内与孔隙率及平均孔隙直径呈指数增长关系。借助三维图像分析可实现矿石浸出过程中内部微观孔隙结构的定量描述,从而揭示矿石颗粒孔隙结构的演化规律。     

基于COMSOL与AVIZO联合仿真方法的土体三维细观渗流特性研究

为实现COMSOL与AVIZO联合仿真过程,以福州某地原状花岗岩残积土为研究对象,基于工业CT扫描与图像处理技术,建立真实土样的三维孔隙网络模型,并以单相水渗流场模拟为例,详细探讨了两者数据交互对接的可视化过程。结果表明：可视化联合仿真技术可以较好地实现细观尺度下的三维模型渗流场模拟和渗透率计算。研究方法丰富了现有土体三维重构仿真模拟的手段,为细观孔隙结构及流体渗流研究提供了新途径。     

不同孔隙配比人工岩芯试件水力学试验研究

应用电液伺服岩石力学试验系统,研究了不同孔隙配比的人工岩芯试件的应力应变渗流特性,比较系统地分析了孔隙分布配级、孔隙度、渗流作用对强度、刚度的影响.试验得到了孔隙配比、孔隙度与初始渗透性的关系,建立了水压和孔隙度对试件强度弱化的关系方程,对于定量描述孔隙结构与渗流率、试样强度的关系,具有一定的参考价值.试验结果表明,粗颗粒比例和大孔径孔隙对孔隙度和渗透性影响较大,随着孔隙度增加,水对试件的强度弱化程度更加显著.     

江底盾构隧道施工期流固耦合分析

渗流场对于高水压条件下施工期间水下盾构隧道结构及围岩应力场有很大影响.采用有限元方法,通过对江底盾构隧道施工期渗流场单场数值模拟和流固耦合分析,获得施工期渗流场分布特征、围岩位移场分布及衬砌背后孔隙水压分布等,对比分析了双洞同时开工及先后施工的隧道开挖断面周边位移、孔隙水压变化等差异,并提出高水压下隧道地下水排导方式,所得结论可为类似工程的设计施工提供了有益参考及依据.     

溶出过程中三水铝土矿微观结构的变化

研究了三水铝土矿在铝酸钠溶液的溶出过程(液-固反应)中颗粒微观结构的变化规律.利用ASAP2020Micrometitics测量仪及扫描电子显微镜分别检测了颗粒的比表面积、孔隙结构(孔隙平均尺寸和体积)和表观结构.用BET法、Langmiur法、t-plot法及BJH法分别计算了颗粒的比表面积,同时用BJH法还计算了颗粒的孔隙结构.结果表明:颗粒比表面积和孔隙体积有相同的变化规律,即随溶出时间延长先增加后稍有减小;孔隙平均尺寸呈先减小再稍增加后降低;SEM照片显示三水矿颗粒的表面结构在溶出过程中逐渐变得疏松;在三水铝石的溶出过程中,矿石颗粒与溶液的接触面积不与颗粒直径的平方成正比.     

基于CT扫描的垃圾结构及渗透特性

为深入理解垃圾体内部流体的运移机制,对不同荷载作用下的3个垃圾试样进行CT扫描。采用VGStudio Max 3.0及MATLAB软件对图像进行分析,研究垃圾孔隙结构特征,并基于垃圾土的饱和渗流模型,对其渗流特性进行探讨。研究结果表明:CT图像可准确识别垃圾结构特征;2D颗粒会影响孔隙通道的形成,进而使流动路径发生曲折,2D颗粒的定向排列是垃圾各向异性的根本原因;随着荷载增大,大孔隙逐渐转变为小孔隙,孔隙累积分布曲线左移,孔隙排列角度也趋于水平化;垃圾颗粒尺寸会影响其渗透系数,尺寸越大,渗透系数也越大;渗透系数随着荷载增大而减小,各向异性则随着荷载的增加而增大;当荷载由0 kPa增大到500 kPa时,竖向渗透系数减小了4个数量级,水平向渗透系数减小了3个数量级。     

溶液电位及堆结构影响次生硫化铜矿生物堆浸的动力学

基于堆中溶液Fe3+与Fe2+的浓度比、颗粒空隙度、颗粒半径与各化学反应组分对次生硫化铜矿生物堆浸的影响,建立堆浸过程硫化矿细菌氧化反应速率动力学模型。计算与实验结果表明:模型仿真结果与实际结果较符合;堆浸过程次生硫化铜矿(辉铜矿)的氧化分为2个阶段,其中,辉铜矿反应步骤Ⅰ受溶液Fe3+浓度控制,随着Fe3+浓度增加,反应速率加快;反应步骤Ⅱ较反应步骤Ⅰ慢,为浸出反应的限制性步骤,Fe3+与Fe2+的浓度比是影响该反应步骤的关键因素。由于受扩散的限制,反应物颗粒粒径的增大导致浸出速率下降,但粒径过小时浸出率提高不明显。当喷淋强度由3.47/(m2.h)增加到69.00/(m2.h)时,浸出率逐渐下降,说明喷淋强度过大时,造成空隙间流体与颗粒孔道流体间界面剪切力过大,不利于物质传输与交换;当堆过高时,堆中离子的传输受阻,不利于次生硫化铜矿的浸出。