離子型稀土礦土壤有效孔徑及其分布參數的測試方法

胡世麗，洪本根，王觀石，2，羅嗣海

(1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學工程研究院，江西 贛州 341000)

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離子型稀土礦土壤有效孔徑及其分布參數的測試方法

胡世麗1，洪本根1，王觀石1，2，羅嗣海1

(1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000；2.江西理工大學工程研究院，江西 贛州 341000)

掌握離子型稀土礦體的孔隙結構特征對于分析浸礦效率和開采周期具有重要意義。假設離子型稀土礦土壤孔徑服從對數正太分布，運用毛細管模型建立溶液在土壤中穿透曲線的計算公式，提出土壤有效孔徑及其分布參數的測試方法，試驗測試了贛南某離子型稀土礦體的原礦重塑樣和篩分樣重塑樣的有效孔徑。測試結果表明，當礦樣孔隙度為44.4%時，相對于粒徑范圍0.075～0.09mm的篩分樣重塑樣，原礦重塑樣的平均有效孔徑和有效孔隙度大，分別為1.14倍和1.90倍，但兩者的孔徑分布參數基本相同。

離子型稀土礦；土壤有效孔徑；孔徑分布；平均有效孔徑；有效孔隙度

土壤孔隙結構對土體的滲流過程、變形及其破壞行為都有著至關重要的影響，常被用于分析土體的力學機制和預測土體宏觀行為，如，土壤大孔隙是引起優先流、溶質遷移、地下水污染、養分流失和灌溉水浪費的關鍵因素，現有研究結果表明：大孔隙的存在使土壤的飽和導水率增加了幾倍，且對總入滲量貢獻率可達到85%，特別是直徑大于1.0mm的孔隙是影響傳導水流的重要因素[1-2]。離子型稀土礦中75.0%～95.0%的稀土元素以離子形態吸附于高嶺土等黏土礦物上，并且主要是富集于粒度小的黏土類礦物中[3]。離子型稀土浸礦過程是硫酸氨溶液中的氨根離子與礦物顆粒表面的稀土離子進行離子交換、進入溶浸液的過程，礦體的孔隙結構是控制浸礦時滲流場中溶質濃度分布，直接傳質效率和資源回收周期的主要因素，因而研究稀土礦體的孔隙結構對原地浸礦工藝具有重要意義[4-5]。

多孔介質的流體力學性質與其細觀結構密切相關，表征多孔介質流體力學性質的細觀結構特征稱為滲流結構。在一般情況下，多孔介質的滲流結構可用有效孔隙半徑和迂曲度兩項參數來表示。離子型稀土礦土壤是一種典型的多孔介質，目前，測量土壤滲流結構的方法主要分為兩種，一種是計算機圖形學方法，一種是實驗法[6]。計算機圖形學方法，首先將圖像轉化為灰度圖像，然后選取閾值將圖像轉化為二值圖像，閾值以上即為孔隙，最后計算二值圖像中孔隙面積與總面積的比值即為孔隙度，根據所建立的數學模型計算孔隙半徑和迂曲度，該方法基于土壤切片計算滲流參數，由于切片中難免存在死端孔隙，因此將測試結果運用工程實踐計算時存在一定的誤差[7]。實驗法以傳統的烘干法為代表，實驗步驟為：首先用環刀取所需土樣并稱重，然后放入烘箱中于105℃下烘干24 h，取出后稱重，運用相關公式計算孔隙度。烘干法具有操作簡單和測試成本低等優點，但是難以掌握土壤內部的細觀孔隙結構，為此研究人員提出壓汞法、半滲透隔板法、離心機法、動力驅替法、氣體吸附法、懸浮液過濾法等[8-9]。

離子型稀土礦土壤的的孔道形狀復雜，影響測量結果的因素也很多，既有數學模型層面上的因素，也有測試方法、儀器設備、測試步驟和試樣尺寸大小等方面的因素，每種測試方法具有自身的優點和不足。本文運用毛細管模型，基于水在礦樣中的穿透曲線計算離子型稀土礦土壤的有效孔徑及其分布參數。

1　離子型稀土礦土壤有效孔徑測試方法

假設溶液在毛細管中的滲流過程滿足牛頓粘性定律，見式(1)。

(1)

式中：τr為剪應力；u為溶液的動力粘滯系數；v為溶液的流速；r為徑向坐標；dv/dr為該質點的法向速度梯度。

對于同時受到壓力和重力作用的滲流過程，由文獻[10]可知有式(2)。

(2)

式中：pA和pB分別是毛細管頂端和底端的壓強；L為毛細管長度；γ為溶液重度。

由式(1)和式(2)可得式(3)。

(3)

對于毛細管管道流，其邊界條件為：當r=R時，v=0。將邊界條件代入式(3)并積分可得式(4)。

(4)

式中：R為毛細管半徑。

距中心線r處的溶液流出時間計算見式(5)。

(5)

由式(4)可知，當r=0時，速度v最大，則溶液從毛細管底部流出的時間t′見式(6)。

(6)

單根毛細管的流量見式(7)。

(7)

將式(4)代入式(7)并積分可得式(8)。

(8)

由式(5)可解得r2，并代入式(8)可得式(9)。

(9)

式中時間t應滿足式(10)。

(10)

對管徑為Ri的毛細管，由式(9)可知其最大流量，見式(11)。

(11)

假設土壤有效孔徑是連續分布的，且服從對數正太分布，其概率密度計算見式(12)[11]。

(12)

式中，σ和μ為土壤孔徑的分布參數。

為簡化計算，假設式(10)取等號時，毛細管流量達到最大，即毛細管一出水就達到最大流量，則土壤中孔徑為Ri的毛細管總流量Q可表示為式(13)。

(13)

式中：nRi為土壤中孔徑為Ri的毛細管數量；δ為修正系數，其計算公式見式(14)。

(14)

式中，Rmax和Rmin分別為土壤最大和最小有效孔徑。對某一固定礦樣，最大有效孔徑就是第一次出水時的孔徑，而最小有效孔徑就是當水流達到穩定時的孔徑[12]。

土壤中所有毛細管的總流量Qz可表達為式(15)。

(15)

由文獻[10]可知，根據毛管束模型，土壤平均有效孔徑為RA的毛細管根數n可按式(16)計算。

(16)

式中：e為孔隙比；s為土壤滲流半徑；RA為平均有效孔徑，其計算公式見式(17)。

(17)

通過滲透試驗可以獲得礦樣的穿透曲線，即流量Qzc和時間t的關系曲線，運用式(15)可以計算試樣流量Qj和時間t，比較計算流量Qj和實測流量Qc，為達到參數全局最優，可以采用最小二乘法擬合確定有效孔徑R及其分布參數σ和μ。

2　離子型稀土礦土壤有效孔徑的測試試驗

2.1試驗方案

本試驗所使用的礦樣為江西贛南某礦區的離子型稀土礦體，礦樣分兩組，一組是離子型稀土原礦重塑樣，原礦的級配曲線如圖1所示；一組是粒徑范圍在0.075～0.09mm的篩分樣重塑樣。試驗裝置如圖2所示，該試驗裝置主要是由圓柱形Ф110 PVC管(內徑為10.5cm)、塑料滲水板及供水裝置三部分組成。兩組礦樣的初始條件相同，孔隙比為0.8、初始含水率為10%，高度為16.0cm，礦樣上表面的水頭高度為4.0cm。

圖1　原礦的級配曲線

圖2　試驗裝置示意圖

裝樣過程：在PVC管底部放置一塊塑料滲水板并墊一張濾紙，而后將配好的礦樣平均分成八份裝入管內，裝入后分層擊實，盡量保持每次的擊實力度一致，使礦樣均勻。為了避免礦樣出現土層分界面，裝入下一層礦樣前將夯實的土面抓毛。最后在礦樣頂部墊一張濾紙，并再放一塊塑料滲水板。

數據記錄：注入清水后，水從礦樣頂部自上而下流經礦樣，當礦樣出水的瞬間，開始連續記錄流量Q，直至滲流穩定。設Qj+1和Qj的取樣時間間隔為24h，若滿足(Qj+1-Qj)/Qj<0.5%，則判斷穩定滲流。

2.2試驗結果分析

分別記錄原礦重塑樣和篩分樣重塑樣的溶液出滲時間和滲流穩定時間，運用式(10)，由溶液出滲時間計算得到礦樣的最大有效孔徑，由滲流穩定時間計算得到礦樣的最小有效孔徑，結果見表1。表1結果表明，相對于粒徑范圍為0.075～0.09mm的篩分樣重塑樣，原礦的重塑樣具有出滲時間短，形成穩定滲流所需時間長，即盡管兩者的孔隙度均為44.4%，但兩者的有效孔徑有明顯的差異，為此進一步分析兩者的有效孔徑及其分布參數。

試驗獲得礦樣的穿透曲線，試驗時水的平均溫度為20℃，水的動力粘滯系數u=1.01×10-3Pa.s，設礦樣的孔隙迂曲度為1.2，即毛細管長度為礦樣長度的1.2倍，運用式(15)計算試樣的計算流量，采用最小二乘法確定礦樣的孔徑分布參數，原礦重塑樣的計算穿透曲線和實測穿透曲線如圖3所示，篩分樣重塑樣的計算穿透曲線和實測穿透曲線如圖4所示。

表1　原礦和篩分樣的孔隙半徑

圖3　原礦的穿透曲線

圖4　篩分樣的穿透曲線

礦樣的有效孔隙體積V′表示為式(18)。

(18)

有效孔隙度φe為礦樣的有效體積與礦樣總體積之比，以百分數計，由礦樣的穿透曲線計算得到原礦重塑樣和篩分樣重塑樣的有效孔徑分布參數，結果見表2。表2的試驗結果表明，原礦重塑樣的平均有效孔徑為1.09μm，有效孔隙度為16.13%，篩分樣重塑樣的平均有孔孔徑為0.96μm，有效孔隙度為8.48%，即篩分樣重塑樣的平均有效孔徑略有減小，有效孔隙度明顯減小，但是孔徑分布參數基本不變，原礦重塑樣的飽和滲透系數為1.09×10-6m/s，篩分樣重塑樣的飽和滲透系數為3.72×10-7m/s，前者是后者的2.93倍。

表2　原礦和篩分樣的孔徑及其分布參數

3　結　論

掌握離子型稀土礦體的孔隙特征對于分析浸礦效率和周期具有重要意義。假設離子型稀土礦土壤孔徑服從對數正太分布，運用毛細管模型建立溶液在土壤中穿透曲線的計算公式，提出土壤有效孔徑及其分布參數的測試方法，試驗測試了贛南某離子型稀土礦體的原礦重塑樣和篩分樣重塑樣的有效孔徑，試驗得到如下結果。

1)粒徑級配對離子型稀土礦土壤的滲透過程具有非常明顯的影響，相對于粒徑范圍為0.075～0.09mm的篩分樣重塑樣，原礦的重塑樣具有出滲時間短，形成穩定滲流所需時間長的特點。

2)當礦樣孔隙度為44.4%時，基于水在礦樣的穿透曲線測試得到原礦重塑樣的平均有效孔徑為1.09μm，有效孔隙度為16.17%，篩分樣重塑樣的平均有效孔徑為0.96μm，有效孔隙度為8.48%，即篩分樣重塑樣的平均有效孔徑略有減小，有效孔隙度明顯減小，但是孔徑分布參數基本不變。

[1]張中彬，彭新華.土壤裂隙及其優先流研究進展[J].土壤學報，2015，52(3)：477-488.

[2]李旭，張利民，敖國棟.失水過程孔隙結構、孔隙比、含水率變化規律[J].巖土力學，2011，31(S1)：100-105.

[3]邱廷省，伍紅強，方夕輝.離子型稀土礦浸出過程優化與分析[J].有色金屬科學與工程，2012，3(4)：43-47.

[4]吳愛祥，尹升華，李建鋒.離子型稀土礦原地溶浸溶浸液滲流規律的影響因素[J].中南大學學報：自然科學版，2005，36(3)：506-510.

[5]羅仙平，翁存建，徐晶，等.離子型稀土礦開發技術研究進展及發展方向[J].金屬礦山，2014(6)：83-90.

[6]程亞南，劉建立，張佳寶.土壤孔隙結構定量化研究進展[J].土壤通報，2012，43(4)：988-993.

[7]楊保華，吳愛祥，劉金枝.基于數字圖像處理的堆浸散體孔隙連通性分析[J].礦冶工程，2013，33(1)：18-21.

[8]孫德安，高游，劉文捷，等.紅黏土的土水特性及其孔隙分布[J].巖土工程學報，2015，37(2)：351-356.

[9]高帥，魏寧，李小春.蓋巖CO2突破壓測試方法綜述[J].巖土力學，2015，36(9)：2716-2727.

[10]張克錚.化工原理[M].石油工業出版社，2014.

[11]葛仕福，施明恒.被干燥多孔物料中孔隙大小及分布的探討[J].應用科學學報，2005(1)：94-98.

[12]Shi Z J，Wang Y H，Xu L H，et al.Soil macropore characteristics under typical vegetations in Liupan Mountains[J].Chinese Journal of Applied Ecology，2007，18(12)：2675-2680.

Testing method for soil effective pore and its distribution parameters of ion-absorbed rare earth deposits

HU Shi-li1，HONG Ben-gen1，WANG Guan-shi1，2，LUO Si-hai1

( 1.School of Architectural and Surveying & Mapping Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.Institute of Engineering and Research， Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

It is of great significance for analyzing ore leaching efficiency and mining cycle to master pore structure characteristics of ionic type rare-earth ore body.Assuming that the soil pore size distribution of ion-absorbed rare earth deposits are to logarithmic fall，using capillary model to establish calculation formula about the breakthrough curve of solution in the soil，proposed the testing method of soil effective pore size and its distribution parameters，the effective apertures of crude ore sample and screening sample about one of ionic type rare-earth ore from southern Jiangxi Province are tested by experiment.Test results show that：when the ore sample porosity is 44.4%，relative to the remolded screening sample that particle size range from 0.075mm to 0.09 mm，the average effective aperture and effective porosity of the remolded crude ore sample are 1.14 times and 1.90 times respectively，but the pore size distribution parameters of them are basically the same.

ion-absorbed rare earth deposits；soil effective pore；pore size distribution；average effective aperture；effective porosity

2016-03-03

國家自然科學基金項目資助(編號：51264008)；江西省自然科學基金項目資助(編號：20151BAB206023)；江西省教育廳科技落地計劃項目資助(編號：KJLD 14042)

胡世麗(1976-)，女，漢族，山西太谷人，博士，主要從事土力學和滲流力學方面的研究。E-mail：hslqhd@163.com。

胡世麗(1976-)，女，漢族，山西太谷人，博士，主要從事土力學和滲流力學方面的研究。E-mail：hslqhd@163.com。

S152

A

1004-4051(2016)10-093-04