توصيفگر ها :
ليچينگ برجا , شبيه سازي چند فيزيكي , توده سنگ متخلخل شكسته , نرم افزار چند حالته كامسول
چكيده فارسي :
با توجه به چالشهاي روشهاي سنتي معدنكاري از جمله هزينههاي بالا، تخريب محيط زيست و محدوديت دسترسي به ذخاير عميق، روش ليچينگ برجا به عنوان يك جايگزين كارآمد روش هاي سنتي معدنكاري مورد توجه قرار گرفته است. روش استخراج ليچينگ برجابه عنوان يك روش نوين و كمهزينه براي استخراج كانسارهاي مس، طلا، اورانيوم و... ميپردازد. اين روش مبتني بر تزريق محلولهاي شيميايي (مانند اسيد سولفوريك) به درون توده سنگ معدني و استخراج فلز هدف از طريق چاههاي توليدي است. هدف اصلي اين پژوهش، شبيهسازي فرآيند تزريق اسيد سولفوريك در محيطهاي شكسته و متخلخل و تحليل تأثير ويژگيهاي هندسي توده سنگ شكسته بر الگوي جريان و نفوذ سيال است.
براي شبيهسازي اين فرآيند، از نرمافزار چند حالته كامسول استفاده شده است كه توانايي حل معادلات ديفرانسيل جزئي همبسته شده را دارد. اين نرمافزار به دليل قابليتهاي منحصر به فردي همچون مدلسازي چندفيزيكي (شامل جريان سيال، انتقال جرم، انتقال حرارت و واكنشهاي شيميايي)انعطافپذيري در تعريف هندسههاي پيچيده (مانند چاهها و شكستگيها) و امكان بهينهسازي پارامترهاي عملياتي انتخاب شد. مدلسازي در سه پودمان (ماژول) اصلي انجام گرفت، پودمان قانون دارسي براي توصيف جريان سيال در محيط متخلخل، پودمان انتقال جرم براي مدلسازي انتشار اسيد و يونهاي مس و پودمان انتقال حرارت براي تحليل اثرات دما بر واكنشهاي شيميايي شده است. محيط معدني شامل لايه هاي مختلف ماده معدني مس دار و سنگهاي دربرگيرنده در كمر بالا و كمر پايين لايه مس بوده است. خصوصيات هندسي توده سنگ شكسته (مانند بازشدگي درزهها، زاويه، فاصلهداري، و جهتگيري) و پارامترهاي ذاتي سيال (مانند ويسكوزيته و غلظت اسيد) به عنوان متغيرهاي كنترلپذير در شبيهسازي در نظر گرفته شدند. چاههاي تزريق و پمپاژ در يك الگوي پنجنقطهاي مربعي طراحي شدند تا پوشش بهينهاي از منطقه معدني فراهم شود. واكنشهاي اصلي بين اسيد سولفوريك و كانيهاي مس اكسيدي (مانند مالاكيت، كوپريت و كريزوكولا) مدلسازي شدند. اين واكنشها به همراه سينتيك مربوطه در پودمان انتقال جرم نرمافزار تعريف شدند. نتايج شبيهسازي نشان داد كه خصوصيات هندسي شكستگيها تأثير مستقيمي بر الگوي جريان سيال و نرخ نفوذ اسيد دارند. افزايش بازشدگي درزهها از 1 تا 7/1ميليمتر، سرعت دارسي در محيط متخلخل را تا 77/39 درصد افزايش ميدهد. درزههاي با زاويه عمودي نسبت به جهت جريان، كمترين مقاومت را ايجاد كرده و باعث بهبود فرآيند تا ميزان 64/21 درصد مي شوند. اين پژوهش نشان داد كه شبيهسازي چندفيزيكي با نرم افزار چندحالته كامسول ابزاري قدرتمند براي درك فرآيند ليچينگ برجا و بهينهسازي آن است. نتايج حاكي از آن است كه كنترل پارامترهاي هندسي توده سنگ شكسته و هيدروديناميكي سيال ميتواند بازدهي استخراج را به ميزان قابل توجهي افزايش دهد. همچنين اين روش به كاهش هزينههاي عملياتي و اثرات زيستمحيطي كمك ميكند. براي تحقيقات آينده، توسعه مدلهاي تركيبي شامل اثرات تنشهاي مكانيكي و تغييرات ديناميكي محيط پيشنهاد ميشود.
كلمات كليدي: ليچينگ برجا، شبيه سازي چند فيزيكي، توده سنگ متخلخل شكسته، نرم افزار چندحالته كامسول
چكيده انگليسي :
The in-situ leaching (ISL) method is addressed as a modern and cost-effective approach for extracting oxidized copper deposits. The primary objective of this research is to simulate the sulfuric acid injection process in fractured and porous media and to analyze the impact of the geometric characteristics of the fractured rock mass on the fluid flow and penetration pattern. Given the challenges of traditional mining methods, including high costs, environmental degradation, and limited access to deep reserves, ISL has emerged as an efficient alternative. This method relies on injecting chemical solutions (e.g., sulfuric acid) into the mineralized rock mass and extracting the target metal through production wells. To simulate this process, COMSOL Multiphysics software was utilized, capable of solving coupled partial differential equations. This software was selected due to its unique capabilities, such as multiphysics modeling (including fluid flow, mass transfer, heat transfer, and chemical reactions), flexibility in defining complex geometries (e.g., wells and fractures), and the ability to optimize operational parameters. The modeling was conducted using three main modules: 1. Darcy’s Law Module: To describe fluid flow in porous media. 2. Mass Transfer Module: To model the diffusion of acid and copper ions. 3. Heat Transfer Module: To analyze the effects of temperature on chemical reactions. The studied mineral environment consists of three main layers: - Oxidized copper layer: 105 meters thick, located 51 meters below the surface. - Sandstone layer: As the overlying layer. - Limestone layer: As the underlying layer. The geometric characteristics of the fractured rock mass (e.g., fracture aperture, angle, spacing, and orientation) and intrinsic fluid properties (e.g., viscosity and acid concentration) were considered controllable variables in the simulation. Injection and pumping wells were designed in a square five-point pattern to ensure optimal coverage of the mineralized zone. The main reactions between sulfuric acid and oxidized copper minerals (e.g., malachite, azurite, cuprite, and chrysocolla) were modeled. These reactions, along with their kinetics, were defined in the mass transfer module of the software. Simulation results indicated that the geometric characteristics of fractures directly influence the fluid flow pattern and acid penetration rate: - Fracture aperture: Increasing the aperture up to 1.7 mm significantly enhances permeability. - Fracture angle: Fractures oriented vertically relative to the flow direction exhibit the least resistance. - Fracture spacing: Reducing the distance between fractures increases and improves fluid flow. This research demonstrated that COMSOL Multiphysics multiphysics simulation is a powerful tool for understanding and optimizing the ISL process. The results suggest that controlling the geometric and hydrodynamic parameters of the fractured rock mass can significantly enhance extraction efficiency. Additionally, this method contributes to reducing operational costs and environmental impacts. For future research, the development of hybrid models incorporating the effects of mechanical stresses and dynamic environmental changes is recommended.
Keyword: In-Situ Leaching, Multiphysics Simulation, Fluid Flow, Fractured Rock Mass, Comsol Multiphysics