滲流作用下風(fēng)化殼淋積型稀土礦細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)演化特征

陳 勛，尹升華?，嚴(yán)榮富，王雷鳴

1) 北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083 2) 北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院,北京 100083

稀土元素由于獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)體系中的諸多領(lǐng)域，是國(guó)家的重要戰(zhàn)略資源，尤其是與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)的中重稀土[1?3].風(fēng)化殼淋積型（離子吸附型）稀土礦是中重稀土的主要來源，其中的稀土元素主要以水合或羥基水合離子形式吸附于黏土礦物表面，傳統(tǒng)選冶工藝無法有效回收，而離子交換法是從風(fēng)化殼淋積型稀土礦中提取稀土元素的有效手段[4?6].經(jīng)過多年的發(fā)展，原地浸出工藝逐漸成為風(fēng)化殼淋積型稀土礦開采的主要技術(shù)，對(duì)于稀土原地浸出體系而言，溶液滲透性能是控制稀土元素浸出效率的重要因素[7?8].而礦體中的孔隙空間是溶液滲流的主要通道，其形態(tài)結(jié)構(gòu)特征對(duì)溶液滲流效果具有重要影響，并且孔隙結(jié)構(gòu)在滲流作用下會(huì)不斷發(fā)生演化，因此，研究滲流作用下浸出體系孔隙結(jié)構(gòu)特征對(duì)優(yōu)化離子型稀土礦浸出效果具有重要意義[9?10].

近年來，相關(guān)學(xué)者針對(duì)風(fēng)化殼淋積型稀土礦孔隙結(jié)構(gòu)特征開展了一些研究工作[11?12].王曉軍等利用顯微鏡對(duì)浸礦過程中離子型稀土礦的二維孔隙結(jié)構(gòu)演化特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：孔隙率和孔隙半徑均隨著浸礦時(shí)間的增加而增大[13].劉德峰等基于掃描電鏡測(cè)試，分析了浸礦后礦樣孔隙率隨深度的變化規(guī)律，研究了不同深度位置稀土礦樣微觀孔隙結(jié)構(gòu)的差異特征，并探討了宏觀滲透系數(shù)與有效孔隙率的關(guān)系[14].謝芳芳等利用醫(yī)學(xué)CT 得到了浸出前后的稀土孔隙結(jié)構(gòu)圖像，分析了浸出前后不同高度稀土礦樣的二維孔隙率變化特征，并對(duì)孔隙演化機(jī)理進(jìn)行了探討[15].Zhou 等基于核磁共振技術(shù)對(duì)浸出過程中孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示：隨著離子交換反應(yīng)的進(jìn)行，礦樣孔隙率保持不變，孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)[16].同時(shí)，隨著Micro-CT 技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將其應(yīng)用于銅、金、鈾、鎳等浸出體系孔隙結(jié)構(gòu)研究方面，并取得了創(chuàng)新性進(jìn)展[17?18].楊保華等利用工業(yè)CT 得到了銅礦石顆粒浸出前后內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征[19].Yang 等基于同步輻射CT 技術(shù)分析了黃銅礦浸出過程中孔隙結(jié)構(gòu)的演化特征[20].Hoummady 等通過Micro-CT 掃描技術(shù)，研究了鈾礦浸出過程中孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征，建立了孔隙結(jié)構(gòu)三維動(dòng)態(tài)模型，得到了孔隙半徑、孔隙率等參數(shù)隨時(shí)間的變化特征[21].總體而言，已有研究雖然對(duì)離子型稀土礦孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索，但相關(guān)結(jié)果大多反映二維孔隙結(jié)構(gòu)特征，并未對(duì)三維孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行直觀表征，也缺乏對(duì)滲流作用下離子型稀土礦三維孔隙結(jié)構(gòu)演化特征的深入分析.

本文聚焦于風(fēng)化殼淋積型稀土礦孔隙結(jié)構(gòu)，以去離子水為溶浸液開展稀土礦浸出實(shí)驗(yàn)，利用Micro-CT 掃描技術(shù)獲取滲流前后稀土礦樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，基于圖像處理及分析得到孔隙結(jié)構(gòu)三維圖像，分析溶液滲流作用下稀土礦細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)變化特征，探討滲流作用對(duì)孔隙率、孔隙體積、孔隙長(zhǎng)寬比、孔隙方向等參數(shù)的影響.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 稀土礦樣

本實(shí)驗(yàn)中所用稀土礦樣取自江西省贛州龍南某稀土礦山，礦樣中主要礦物為石英，其次為高嶺石、斜閃石和伊利石等黏土物質(zhì).將所取礦樣混合均勻，然后取樣測(cè)試得到的礦樣粒級(jí)組成如圖1所示.可以發(fā)現(xiàn)，稀土礦樣級(jí)配良好，級(jí)配曲線中細(xì)顆粒段相對(duì)較為平緩而粗顆粒段相對(duì)較陡，礦樣中細(xì)顆粒易被侵蝕[22].

圖1 稀土礦樣粒級(jí)組成Fig.1 Particle size distribution of the rare earth ore sample

1.2 浸出實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中以聚丙烯塑料管為裝礦容器，內(nèi)徑為26 mm，裝礦高度為100 mm.采用全粒級(jí)稀土礦樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試樣制備時(shí)取混合均勻的礦樣逐步裝入容器中，并對(duì)礦樣進(jìn)行壓實(shí)處理，礦樣裝滿容器后鋪設(shè)紗布并進(jìn)行封口.浸出實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)試樣兩端開口以用于注液和出液，并以紗布端為底部.采用去離子水為溶浸液開展浸出實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示.實(shí)驗(yàn)過程中，注液管位于試樣中心位置，溶液以中心點(diǎn)注的形式進(jìn)入礦樣中.實(shí)驗(yàn)過程中注液強(qiáng)度控制在3 mL·min?1，注液時(shí)間持續(xù)2 h.注液結(jié)束后，試樣在支架上進(jìn)行靜置排水，直至無水流出時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束.

圖2 浸出實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the leaching experimental device

1.3 CT 掃描測(cè)試

針對(duì)浸出前和浸出后的試樣，分別開展CT 掃描測(cè)試，兩次掃描為同一位置，位于試樣的中上部.所采用的CT 掃描設(shè)備為Nano Voxel?4000 型X 射線三維掃描系統(tǒng)，兩次掃描工作參數(shù)相同.經(jīng)調(diào)試，確定掃描電壓為180 kV，電流為145 μA，曝光時(shí)間為0.5 s，掃描空間分辨率為15.26 μm.掃描過程中樣品臺(tái)不斷旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)角度為0.25°，旋轉(zhuǎn)360°共獲得1440 幅樣品投影圖.掃描結(jié)束后，利用VoxelStudiorecon 軟件采用FDK（Feldkamp?Davis?Kress）算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，得到試樣的三維灰度圖像.三維圖像共包含1400 個(gè)二維截面，每個(gè)截面尺寸為1900×1900 像素，去離子水浸出前后試樣的二維截面如圖3 所示.

圖3 試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像.（a）浸出前；（b）浸出后Fig.3 Internal structure image of the sample:(a) before leaching;(b) after leaching

2 圖像處理及數(shù)據(jù)提取

2.1 圖像預(yù)處理

在對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取之前，先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，主要包括方位校正、濾波降噪和圖像裁剪等.由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，兩次掃描得到的CT 圖像中顆粒方位存在差異，這是由于掃描時(shí)試樣擺放角度誤差所導(dǎo)致的，因此首先對(duì)圖像進(jìn)行方位校正以保證浸出前后的試樣CT 圖像具有一致性.然后，采用非線性三維中值濾波算法對(duì)圖像進(jìn)行降噪，以降低噪聲或偽影對(duì)圖像的干擾，增強(qiáng)樣品結(jié)構(gòu)特征.最后，為消除邊壁效應(yīng)的影響對(duì)試樣圖像進(jìn)行裁剪，得到直徑為1600 像素、高度為1300 像素的圓柱形試樣三維灰度圖像.預(yù)處理之后的試樣二維截面圖像如圖4 所示.

圖4 預(yù)處理后試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像.（a）浸出前；（b）浸出后Fig.4 Internal structure image of the sample after preprocessing:(a) before leaching;(b) after leaching

2.2 孔隙結(jié)構(gòu)提取

本研究利用閾值分割算法對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取，將圖像分割成孔隙和礦巖兩相介質(zhì).閾值分割得到的孔隙結(jié)構(gòu)如圖5 所示.由圖5 可以直觀地看出相比浸出前，在去離子水滲流作用下，浸出后孔隙體積明顯增大.本研究中CT 空間分辨率為15.26 μm，所以可被識(shí)別的最小孔隙尺寸為15.26 μm；為量化分析試樣孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Avizo 軟件對(duì)孔隙三維體積、二維截面孔隙面積進(jìn)行計(jì)算.并且對(duì)孔隙空間中的獨(dú)立孔隙進(jìn)行標(biāo)記，以使得各個(gè)獨(dú)立孔隙之間可以相互區(qū)分，同時(shí)得到各個(gè)孔隙的體積、長(zhǎng)度和寬度等參數(shù).

圖5 浸出前后孔隙三維圖像.（a）浸出前；（b）浸出后Fig.5 3D images of the pore structure before and after leaching:(a) before leaching;(b) after leaching

3 結(jié)果與討論

3.1 溶液滲流前后孔隙結(jié)構(gòu)變化特征

圖6 所示為浸出前后試樣的第200、400、600、800 和1000 層橫截面圖像，從圖中可知，在稀土礦中細(xì)顆粒填充于粗顆粒之間，溶液滲流作用后粗顆粒并未發(fā)生明顯位移.相比浸出前，經(jīng)去離子水浸出后的試樣中孔隙結(jié)構(gòu)具有顯著變化，孔隙更加明顯，并且在粗顆粒與細(xì)顆粒接觸區(qū)域孔隙增大幅度最為突出.主要原因在于：滲流作用下稀土礦含水率增大導(dǎo)致顆粒間內(nèi)聚力降低；并且隨著溶液滲流的進(jìn)行，大顆粒表面自由水增多形成潤(rùn)滑層，降低了摩擦阻力；再者由于稀土礦散體顆粒間內(nèi)聚力隨粒徑的增大而減小，所以粗顆粒與相鄰細(xì)顆粒之間的內(nèi)聚力較小，故而在滲流力作用下粗顆粒周圍的細(xì)顆粒容易發(fā)生遷移，使得原有孔隙逐漸擴(kuò)張，最終造成粗細(xì)顆粒接觸區(qū)的孔隙增加最為明顯[23?26].

圖6 試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)二維圖像.（a）浸出前；（b）浸出后Fig.6 2D images of the internal structure of the sample:(a) before leaching;(b) after leaching

對(duì)孔隙中的三維孔隙連通性和二維橫截面上的孔隙連通性進(jìn)行識(shí)別，浸出前后的三維孔隙分布特征如圖7 所示，圖8 則為浸出前后第200、400、600、800 和1000 層橫截面上的二維孔隙分布特征.可以發(fā)現(xiàn)，相比浸出前，浸出后孔隙之間的連通性得到明顯提升.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，滲流作用下孔隙演化特征較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為孔隙生成、孔隙貫通、孔隙擴(kuò)張和孔隙消亡4 個(gè)方面.對(duì)于孔隙的生成、貫通和擴(kuò)張，主要原因可分為兩個(gè)方面：一是滲流作用下發(fā)生的顆粒遷移和壓溶作用，生成了新孔隙，同時(shí)也造成了孔隙之間連通；二是溶液滲流過程中，礦石顆粒表面生成結(jié)合水膜使得表面張力增大而導(dǎo)致微小顆粒相互聚集，進(jìn)而使得微孔隙相互合并，形成了尺寸較大的孔隙[15,27?29].對(duì)于孔隙的消亡，一方面是由于細(xì)顆粒遷移造成的堵塞，另一方面是在滲流力作用下顆粒產(chǎn)生位移造成的孔隙閉合.

圖7 試樣三維獨(dú)立孔隙圖像.（a）浸出前；（b）浸出后Fig.7 Images of 3D separated pores of the sample:(a) before leaching;(b) after leaching

圖8 試樣二維獨(dú)立孔隙圖像.（a）浸出前；（b）浸出后Fig.8 Images of the 2D separated pores of the sample:(a) before leaching;(b) after leaching

3.2 溶液滲流對(duì)孔隙率的影響

計(jì)算得到浸出前后試樣的三維孔隙率分別為3.41%和7.03%，可知浸出后試樣的孔隙率顯著增加，增幅達(dá)106.13%，對(duì)比前述分析結(jié)果，這是由于溶液滲流作用下生成了新孔隙，孔隙相互貫通擴(kuò)張，從而造成孔隙體積增大，使得稀土礦孔隙率大幅度提高.由于實(shí)驗(yàn)過程中溶液由試樣頂部中心處注入，為分析滲流作用下距注液中心的距離對(duì)孔隙率變化的影響，將試樣以軸心為起點(diǎn)向邊界一側(cè)等間距劃分為5 個(gè)區(qū)域，如圖9（a）所示.

圖9 浸出前后孔隙率變化特征.（a）分區(qū)示意圖；（b）不同區(qū)域孔隙率；（c）試樣不同高度各區(qū)域孔隙率增加率Fig.9 Porosity variation characteristics of the sample before and after leaching:(a) diagram of regional division;(b) porosity of different regions of the sample;(c) porosity increase rate of different regions at different heights of the sample

分別計(jì)算得到浸出前后區(qū)域Ⅰ～Ⅴ的孔隙率，結(jié)果如圖9（b）所示.可以發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域間稀土孔隙率具有明顯差異，浸出后區(qū)域Ⅰ～Ⅴ的孔隙率均比浸出前有所增大，并且初始孔隙率較大的區(qū)域，在滲流作用下其孔隙率增加量也較大.經(jīng)去離子水浸出后，區(qū)域Ⅰ～Ⅴ的孔隙率增幅分別為116.97%、106.89%、106.82%、105.25%和105.55%.結(jié)果表明：隨著距注液中心距離的增加，區(qū)域孔隙率增幅總體呈降低趨勢(shì)，即距注液中心越遠(yuǎn)，滲流作用下孔隙率增幅越小.可以發(fā)現(xiàn)，區(qū)域Ⅴ的孔隙率增幅稍大于區(qū)域Ⅳ，參照?qǐng)D6 可知原因在于區(qū)域Ⅴ存在多個(gè)粗顆粒與細(xì)顆粒接觸區(qū)域，這些區(qū)域在滲流作用下孔隙擴(kuò)張性較強(qiáng)，所以導(dǎo)致區(qū)域Ⅴ的孔隙率增幅稍大于區(qū)域Ⅳ，但這并不影響“距注液中心越遠(yuǎn)孔隙率增幅越小”的總體趨勢(shì).

將1300 層礦樣結(jié)構(gòu)圖像按高度分為上（第1300～868 層）、中（第867～434 層）、下（第433～1 層）3 個(gè)部分，分別得到不同高度上區(qū)域Ⅰ～Ⅴ的孔隙率變化率，如圖9（c）所示.對(duì)比分析掃描試樣的上、中、下3 個(gè)位置，可以發(fā)現(xiàn)在不同高度位置，隨著距注液中心距離的增加，區(qū)域Ⅰ～Ⅴ的孔隙率增幅變化規(guī)律有所差異，這主要是由于不同高度位置礦樣的初始孔隙結(jié)構(gòu)差異所造成的.結(jié)果表明，由于受到初始孔隙結(jié)構(gòu)的影響，當(dāng)?shù)V樣高度較小時(shí)，將無法有效反映孔隙率增幅隨距注液中心距離的變化特征.

計(jì)算得到試樣高度方向上1300 層橫截面的孔隙率，即2D 孔隙率，其隨層高分布情況如圖10 所示.可以發(fā)現(xiàn)，相比浸出前，浸出后的試樣各橫截面孔隙率均有所增大，浸出前后試樣2D 孔隙率最大值分別為7.99%和10.40%，最小值分別為1.86%和5.30%.滲流作用下，試樣不同截面的孔隙率增幅差異顯著，其中最大增幅為283.47%，最小增幅為23.90%.并且，浸出前后2D 孔隙率在試樣高度方向上的分布都極不均勻，浸出前后試樣2D 孔隙率方差分別為0.0122%和0.0133%，這表明浸出后試樣2D 孔隙率增大的同時(shí)，不同層面間孔隙率差異性更加明顯.

圖10 浸出前后面試樣的2D 孔隙率分布特征Fig.10 Distribution characteristics of the 2D porosity of the sample before and after leaching

3.3 溶液滲流對(duì)孔隙體積的影響

浸出前后各獨(dú)立三維孔隙分布特征如圖7 所示，通過對(duì)孔隙所占體素?cái)?shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得到各個(gè)孔隙的體積.由于本實(shí)驗(yàn)中CT 掃描空間分辨率為15.26 μm，所以可識(shí)別的最小孔隙體積為3.55×10?6mm3.統(tǒng)計(jì)得到浸出前后試樣中孔隙體積分別為3.55×10?6～91.27 mm3和3.55×10?6～191.64 mm3，即在滲流作用下最大孔隙體積由91.27 mm3，增大至191.64 mm3.統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，去離子水浸出后，試樣中孔隙數(shù)量大幅度降低，降幅為40.61%，但孔隙總體積卻比浸出前顯著增加，這表明在滲流作用下孔隙之間發(fā)生相互貫通，孔隙連通性得到增強(qiáng).

圖11 所示為浸出前后不同體積孔隙的數(shù)量占比分布特征.可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于浸出前試樣，體積在0.00001～0.0001 mm3之間的孔隙數(shù)量占比最大，達(dá)到孔隙總量的46.15%；而浸出后，體積在0.0001～0.001 mm3之間的孔隙數(shù)量占比最大，為孔隙總量的45.14%.溶液滲流作用下，體積為0.0001 mm3及以下的孔隙所占比例降低，而體積大于0.0001 mm3的孔隙所占比例相應(yīng)增大.圖12所示為浸出前后各體積區(qū)間孔隙數(shù)量變化率隨孔隙體積的變化規(guī)律，可知，孔隙數(shù)量變化率隨孔隙體積呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì).并且，由圖12可知浸出后體積在0.001 mm3及以下的孔隙數(shù)量較浸出前均有所減少，而體積在0.001～10 mm3的孔隙數(shù)量增加.浸出前后各體積區(qū)間孔隙數(shù)量及其變化量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示，可以發(fā)現(xiàn)，浸出前后體積大于10 mm3的孔隙數(shù)量未發(fā)生變化，均為2 個(gè)，依計(jì)算結(jié)果可知孔隙體積分別由75.92 mm3和91.27 mm3增大至127.84 mm3和191.64 mm3.另外，浸出后體積在0.00001～0.0001 mm3之間的孔隙數(shù)量減少量在孔隙減少總量中占比最大，即該體積區(qū)間的孔隙數(shù)量減少量最多，而體積在0.001～0.01 mm3之間的孔隙增加量最大.上述結(jié)果反映出，在滲流作用下孔隙發(fā)生擴(kuò)張，孔隙之間相互貫通，使得小體積孔隙相互合并形成中等體積孔隙，促使中等體積孔隙數(shù)量增加；并且，大體積孔隙也在滲流作用下不斷擴(kuò)張，與鄰近孔隙形成聯(lián)合體，導(dǎo)致體積進(jìn)一步增大.

表1 浸出前后不同體積孔隙數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical result of the number of pores with different volume sizes

圖11 浸出前后孔隙體積分布特征Fig.11 Frequency distribution of pore volumes

圖12 滲流前后不同體積孔隙數(shù)量變化特征Fig.12 Variation characteristics of the number of pores with different volume sizes

3.4 溶液滲流對(duì)孔隙長(zhǎng)度和寬度的影響

由于孔隙形狀復(fù)雜，尺寸無法直接測(cè)量，故利用費(fèi)雷特直徑（Feret's diameter）對(duì)孔隙長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行表征，其中孔隙長(zhǎng)度為費(fèi)雷特直徑的最大值，而孔隙寬度為費(fèi)雷特直徑的最小值[30].根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，浸出前后試樣中最大孔隙長(zhǎng)度分別為27.07 mm 和29.38 mm，而最大孔隙寬度分別為14.41 mm 和13.73 mm，這表明在滲流作用下，孔隙不僅發(fā)生了擴(kuò)張和貫通，使得孔隙長(zhǎng)度增加，并且也存在局部孔隙堵塞行為，導(dǎo)致孔隙寬度降低.

統(tǒng)計(jì)得到滲流作用前后不同長(zhǎng)度和寬度的孔隙在相應(yīng)孔隙總量中的數(shù)量占比情況，如圖13 所示.由圖13（a）可知，浸出前后長(zhǎng)度位于0.05～0.5 mm 之間的孔隙均占據(jù)相應(yīng)孔隙總量的絕大多數(shù)，數(shù)量占比分別達(dá)到78.70%和85.31%.但是，浸出前長(zhǎng)度為0.05～0.1 mm 和0.1～0.5 mm 的孔隙數(shù)量占比相近，而浸出后長(zhǎng)度為0.1～0.5 mm 的孔隙數(shù)量占比顯著大于長(zhǎng)度為0.05～0.1 mm 間的孔隙.同時(shí)可知，經(jīng)溶液滲流作用，長(zhǎng)度在0.1 mm 及以下的孔隙在相應(yīng)孔隙總量中占比降低，而長(zhǎng)度大于0.1 mm 的孔隙占比增大.由圖13（b）可知，浸出前寬度在0.05 mm 及以下的孔隙在相應(yīng)孔隙總量中占比最大，為46.43%；而浸出后寬度在0.05～0.1 mm 間的孔隙數(shù)量占比最大，為47.53%.并且，經(jīng)去離子水浸出后，寬度在0.05 mm 及以下的孔隙數(shù)量占比降低，而大于0.05 mm 的孔隙數(shù)量占比增大.

圖13 浸出前后孔隙長(zhǎng)度和寬度分布特征.（a）孔隙長(zhǎng)度；（b）孔隙寬度Fig.13 Frequency distribution of the pore length and width:(a) pore length;(b) pore width

計(jì)算得到浸出前后不同尺寸區(qū)間孔隙數(shù)量變化情況，如圖14 所示.由圖14（a）可知，孔隙數(shù)量變化率隨孔隙長(zhǎng)度呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，并且浸出結(jié)束后長(zhǎng)度在0.5 mm 及以下和長(zhǎng)度大于10 mm 的孔隙數(shù)量降低，長(zhǎng)度在0.5～10 mm 間的孔隙數(shù)量增大.孔隙數(shù)量變化率隨孔隙寬度同樣呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，寬度在0.1 mm 及以下和寬度大于5 mm 的孔隙數(shù)量降低，寬度在0.1～5 mm 間的孔隙數(shù)量增大.同時(shí)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度在0.1 mm 及以下的孔隙數(shù)量減少量占孔隙總減少量的87.99%.溶液滲流作用下，孔隙長(zhǎng)度和寬度變化情況與孔隙體積變化情況具有一致性，均反映出了滲流作用下孔隙之間的擴(kuò)張及貫通合并行為.

圖14 浸出前后不同長(zhǎng)度和寬度孔隙數(shù)量變化特征.（a）孔隙長(zhǎng)度；（b）孔隙寬度Fig.14 Variation characteristics of the number of pores with different lengths or widths:(a) pores with different lengths;(b) pores with different widths

3.5 溶液滲流對(duì)孔隙長(zhǎng)寬比的影響

參考相關(guān)文獻(xiàn)，利用孔隙長(zhǎng)度和寬度的比值對(duì)孔隙形狀進(jìn)行表征[31].計(jì)算結(jié)果顯示，浸出前后孔隙長(zhǎng)寬比分別為1～9.68 和1～8.29，即浸出后孔隙最大長(zhǎng)寬比降低.圖15 所示為浸出前后孔隙長(zhǎng)寬比分布特征，可知，浸出前后試樣孔隙中數(shù)量占比最大的長(zhǎng)寬比區(qū)間均為1～2，占比分別達(dá)61.95%和66.54%.在滲流作用下長(zhǎng)寬比為1～2 的孔隙占比增大，而長(zhǎng)寬比等于1 和大于2 的孔隙數(shù)量占比均降低，表明滲流作用使得孔隙長(zhǎng)寬比數(shù)值的分布區(qū)間更加集中.統(tǒng)計(jì)得到浸出前后各個(gè)長(zhǎng)寬比區(qū)間孔隙數(shù)量及其變化量，如表2 所示.可知，浸出后除了長(zhǎng)寬比為8～9 的孔隙外，其他各長(zhǎng)寬比區(qū)間的孔隙數(shù)量均減少，但長(zhǎng)寬比為1～2 的孔隙數(shù)量減少率最低.結(jié)合孔隙長(zhǎng)度和寬度變化情況，孔隙長(zhǎng)寬比分布區(qū)間的集中現(xiàn)象，反映出在溶液滲流作用下，孔隙在垂直方向和水平方向均發(fā)生擴(kuò)張和貫通，這與圖8 所示結(jié)果具有一致性.

表2 浸出前后不同長(zhǎng)寬比孔隙數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical result of the number of pores with different aspect ratios

圖15 浸出前后孔隙長(zhǎng)寬比分布特征Fig.15 Frequency distribution of the pore aspect ratio

3.6 溶液滲流對(duì)二維孔隙面積的影響

對(duì)1300 層橫截面上二維獨(dú)立孔隙的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)浸出后二維孔隙數(shù)量降低了17.54%，統(tǒng)計(jì)得到二維孔隙面積分布特征如圖16 所示.可以發(fā)現(xiàn)，浸出前后二維孔隙面積分布特征具有相似性，面積在0.001～0.01 mm2間的孔隙數(shù)量在相應(yīng)孔隙總量中均占比最大，分別為60.45%和51.04%.經(jīng)去離子水浸出后，面積為0.01 mm2及以下的孔隙所占比例降低，面積大于0.01 mm2的孔隙所占比例增大.圖17 所示為浸出前后各區(qū)間相應(yīng)孔隙數(shù)量變化率隨面積的變化規(guī)律，可知孔隙數(shù)量變化率隨孔隙面積呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，并且浸出后面積在0.01 mm2及以下的孔隙數(shù)量較初始狀態(tài)有所減少，而面積大于0.01 mm2的孔隙數(shù)量增大.結(jié)合圖8 可知，這是由于溶液滲流作用下，孔隙在水平方向發(fā)生貫通、擴(kuò)張，小孔隙相互合并或被大孔隙貫通連接，進(jìn)而導(dǎo)致孔隙面積增大；并且，在溶液滲流作用下，部分尺寸低于CT 掃描分辨率的微孔隙相互合并，生成了新的小孔隙.

圖16 浸出前后二維孔隙面積分布特征Fig.16 Frequency distribution of the 2D pore area

圖17 不同面積孔隙數(shù)量變化特征Fig.17 Variation characteristics of the number of pores with different areas

3.7 溶液滲流對(duì)孔隙方向的影響

通過測(cè)量在球坐標(biāo)系中的孔隙方向（孔隙長(zhǎng)軸方向）來對(duì)稀土礦孔隙結(jié)構(gòu)各向異性進(jìn)行分析，利用方位角和極角對(duì)孔隙方向進(jìn)行表征.基于計(jì)算結(jié)果，得到浸出前后孔隙方位角和極角分布的玫瑰花圖，分別如圖18 和圖19 所示.由圖18 可知，浸出前后孔隙方向均呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非均質(zhì)性，孔隙在各方位角區(qū)間均有分布.相比浸出前，浸出后方位角在170°～180°間的孔隙數(shù)量占比明顯降低，由13.29%降為8.50%，而其他角度區(qū)間孔隙數(shù)量占比變化較小.浸出后，90°～180°間孔隙數(shù)量減少量在總減少量中占比最大，達(dá)44.23%.并且，在滲流作用下，各角度區(qū)間孔隙數(shù)量占比方差由0.0928%降為0.0715%.結(jié)果表明，在溶液滲流作用下，孔隙在各方位角區(qū)間的分布均勻性增加，孔隙方位角偏向性降低.

圖18 浸出前后孔隙方位角分布特征.（a）浸出前；（b）浸出后Fig.18 Frequency distribution of the azimuthal angle θ:(a) before leaching;(b) after leaching

圖19 浸出前后孔隙極角分布特征.（a）浸出前；（b）浸出后Fig.19 Frequency distribution of the polar angle:(a) before leaching;(b) after leaching

由圖19 可知，總體而言，相比浸出前，浸出后極角在0°～60°間的孔隙數(shù)量占比降低，其中極角在5°～10°間的孔隙數(shù)量占比降低最為明顯，由9.76%降為5.44%；而60°～90°間的孔隙數(shù)量占比增大，其中70°～80°間的孔隙數(shù)量占比增大顯著，由16.50%增為22.28%.并且，在溶液滲流作用下，各極角區(qū)間孔隙數(shù)量均呈降低趨勢(shì)，其中5°～10°和50°～55°間孔隙數(shù)量減少量在總減少量中占比最大，分別為16.06%和15.46%.相比浸出前，浸出后各極角區(qū)間孔隙數(shù)量占比方差由0.1927%變?yōu)?.1960%，變化量較小.

4 結(jié)論

（1）稀土礦孔隙結(jié)構(gòu)在溶液滲流作用下發(fā)生顯著變化，主要表現(xiàn)為孔隙生成、孔隙貫通、孔隙擴(kuò)張和孔隙消亡等，礦樣中粗、細(xì)顆粒接觸區(qū)孔隙變化最為明顯.溶液滲流將會(huì)導(dǎo)致稀土礦孔隙率增大，且距注液中心越遠(yuǎn)的區(qū)域孔隙率增幅越小，滲流作用下稀土礦高度方向的孔隙率不均勻性增大.

（2）稀土礦樣在溶液滲流作用下孔隙總數(shù)量減少，孔隙總體積增大.滲流作用對(duì)孔隙體積、長(zhǎng)度、寬度、二維截面積等參數(shù)的影響具有相似性.滲流作用下礦樣內(nèi)部的小體積孔隙數(shù)量減少，大體積孔隙數(shù)量增多，各體積區(qū)間的孔隙數(shù)量變化率隨孔隙體積的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).

（3）溶液滲流作用下各個(gè)長(zhǎng)寬比區(qū)間的孔隙數(shù)量均減少，且孔隙長(zhǎng)寬比分布區(qū)間更加集中.滲流作用下，極角在0°～60°間的孔隙數(shù)量占比降低，60°～90°間的孔隙數(shù)量占比增大；孔隙方位角在各角度區(qū)間的分布更加均勻，孔隙各向異性增強(qiáng).