堆浸主要指原矿堆浸和废石堆浸。废物堆浸用于处理含矿废石、低品位矿石或尾矿。原矿堆浸用于处理新开采的中品位氧化矿和次生硫化矿，往往需要先将矿石破碎，然后建堆浸出。
堆浸作为一种相对成熟的技术，已广泛应用于各种低品位铜矿石(包括难选氧化铜矿、铜矿贫矿、含铜废石、低品位矿床、残留矿柱、铜尾矿、冶金铜渣等)中铜的浸出。)，其配套技术(萃取-电积)和设备日趋完善。然而，堆浸的基础理论研究在许多方面还不完善。原因是堆浸的浸出机理涉及颗粒力学、物理化学、传热学、渗流力学和微生物学等多门学科。，研究对象具有不同尺度上物理机制的耦合性和相关性。只考虑单一尺度上的一种物理机制，不可能描述整个系统的复杂现象。因此，堆浸理论的核心问题是多过程耦合和跨尺度关联。
1.堆浸的多尺度特征
(A)矿岩松散体的多尺度结构
堆浸系统中的矿岩块体是由不同大小、形状极不规则的矿石颗粒组成的松散多孔介质，形成的孔隙结构非常复杂。在堆浸过程中，矿岩散体受到温度场、渗流场、应力场等场的耦合。溶液渗流、扩散、对流以及其中相应的化学和生物反应的作用直接影响有用金属的浸出率和浸出率，而这些过程又与其空的多尺度特性密切相关。
因此，堆浸理论的研究应从微观、中观、宏观三个尺度入手，如图1所示。严格来说，微观应该是指原子层面，比如一个粒子中原子之间的链接。但对于堆浸体系，微观尺度应该是矿岩块体的基本单位，即单颗粒；宏观尺度是指能够表征堆积物宏观力学特征的结构体系，如实验室小型柱浸试验或野外大型堆浸；微观尺度是指由基本单元组成的相对稳定的结构，对宏观尺度行为有很大影响。显然，它既大于基本单位的微观尺度，又小于宏观尺度。在堆浸系统中，这种微观尺度就是矿石和岩石的颗粒群。
图1矿岩颗粒介质的多尺度空结构
颗粒材料的宏观力学行为是微观特征变化的结果。堆浸系统中颗粒物料的研究尺度可分为微观尺度、微观尺度和宏观尺度，进一步的实验研究和理论分析将对进一步探索颗粒物料中浸出液的流动机理和建立相应的精确数学模型具有一定的指导意义。
(2)颗粒多孔介质微观结构的可视化
由于浸出体系中矿岩块体空的结构从宏观尺度跨越到微观尺度，肉眼观察无法捕捉到微观结构的变化特征，如微生物化学反应对矿岩块体的溶解和蚀变；显微镜实时观察、CT实时扫描等实验是揭示浸出过程中微观结构演化规律的有效手段(如图2)。
图2基于各种成像技术的矿石和岩石可视化
矿岩散体多尺度结构可视化实验室研究目前主要有以下四种设备。
1.图像光学显微镜。基于光学原理，对人眼无法分辨的微观物体进行放大成像，从而提取物体表面的微结构信息。分辨率一般为0.2μm，实验室主要用于观察矿物和岩体的表面结构特征。
2.扫描电子显微镜。二次电信号成像目前主要用于观察矿岩松散颗粒浸出前后表面形貌(微裂纹和孔隙)的演化规律，但无法深入颗粒内部。二次电子图像的分辨率一般在5 ~ 10 nm左右。
3.西门子Somatom Plus X射线螺旋CT机。空之间分辨率为0.35mm×0.35mm，最小可识别体积为0.12mm3(最小层厚1mm)，但无法分辨矿石和岩石颗粒在生化作用下孔隙或微裂隙的结构变化。
4.μCT225kVFCB高精度显微CT测试系统。这台试验机由中国工程物理研究院和太原理工大学联合研制，最大功率320W，放大倍数1 ~ 400倍。它可以分辨1 ~ 2微米大小的孔隙和微裂纹，为矿物和岩石颗粒的微观测试和分析提供了更高精度的测试设备。
第二，多相多场耦合和跨尺度关联
(一)堆浸系统中的多相多场耦合
1.多相多场条件下浸出响应机理研究。
微生物堆浸是一个复杂的生化反应系统，受多相、多场、多因素直接或间接与浸出系统相互作用的影响。有五个元素:固体、液体、气体、细菌和热，分别对应矿物、浸出液、O2和CO2、细菌和反应热。这五种元素都在矿堆的孔隙和裂隙网络中起作用，从而决定浸出效果。良好的浸出环境应该是固、液、气、热、菌相互协调的环境。以上五个因素决定了堆浸体系是一个多相共存体系，包括气相、固相和液相。细菌存在于固相和液相，热存在于气、固、液相。除堆浸系统外，它还是一个多场共存的系统，主要包括温度场、浓度场和渗流场。孔隙网络是矿石和岩石固有的结构特征，是浸出液到达有用矿物、实现矿物有效浸出的基本前提。因此，矿岩孔隙和裂隙网络的结构特征是多相多场条件下浸出体系响应机理研究的关键科学问题。目前，多相多场耦合主要有三个方面的工作。
(1)测定了浸出堆内气-固-液相的热力学参数，研究了温度对溶液粘度、矿岩渗透性、溶质迁移和浸出反应速率的影响，探讨了矿物浸出行为对温度的响应机理。
(2)研究溶浸体系中溶质的迁移方式和扩散速率，找出溶浸体系中浓度场的分布特征和变化规律；分析了溶液pH值、反应物和产物浓度对微生物浸出规律的影响。
(3)深入分析温度场、浓度场和渗流场之间的耦合机理，探讨交叉梯度(温度梯度和浓度梯度)作用下溶质的扩散和迁移规律；进行了多相多场条件下的矿岩浸出实验，揭示了应力场、浓度场、渗流场与矿岩浸出率的关系。
2.颗粒群的细观渗流机理研究。
经典渗流力学已经形成了完善的理论体系和独特的研究方法。但由于它是在达西定理的基础上发展起来的，是基于连续均匀介质的假设，唯象宏观渗流力学根本不涉及多孔介质本身的细观空结构，因此在研究细观结构对渗流形态的影响方面是无能为力的。因此，有必要发展细观层次的渗流力学理论，即充分考虑颗粒多孔介质的细观形态对渗流行为的影响。
岩石颗粒介质的细观渗流是指溶浸液在细观尺度下颗粒之间的渗流行为，如图3所示。传统渗流研究宏观特征，即统计平均特征，不能确定溶解多孔介质的局部物理化学过程和渗流机理。微观和宏观研究的相互补充可以使对渗流的认识更加透彻。微观渗流研究的内容包括:颗粒群本身的特性，如拓扑结构、孔隙和微裂缝的分布、孔隙表面粗糙度、孔隙率和渗透率等。颗粒多孔介质与流体之间的关系，如表面润湿性、吸附和解吸特性、饱和度分布和各相之间的分布细节等。
图3浸出液在颗粒间的渗流状态
3.矿石颗粒与浸出液的固液耦合。
研究矿岩微观浸出机理，需要知道单个颗粒的基本特征:①小孔隙或微裂纹尺寸(如图4)；②渗流吸附速率慢；③颗粒内有生化反应和物质交换。
图4矿石颗粒浸出反应示意图
由于矿物岩石颗粒中的一些微孔或微裂缝从表面转移到矿块内部，位于表面微损伤结构处的矿物最容易受到浸出剂的作用，溶液很容易渗透到延伸到颗粒表面的微孔和裂缝中。正是这些与表面相连的微孔和裂缝为溶液沿颗粒表面和内部的快速分布创造了有利条件。
对于绝大多数矿岩颗粒来说，渗透和扩散是充分进行的。渗透不仅表现为扩散，还表现为孔隙表面附近的渗透和毛细裂缝中球形弯月面的形成。在矿块表面浸润的同时，溶液沿着微裂隙和矿物孔隙向矿块内部浸润。由于毛细作用，溶液进入裂缝和紧密间隔的颗粒表面之间的自由空空间。
矿石颗粒微观溶出机理的主要研究内容包括:测定溶出后矿岩的成分和力学性质，分析颗粒在生化作用、界面作用和渗透压作用下的分解和聚合；基于流固单颗粒反应动力学，建立了单颗粒微观反应速率模型。开展了矿石颗粒浸出过程的原位扫描试验，借助高精度显微CT、图像处理和三维重建，构建了孔隙-裂隙网络空模型，以查明矿石颗粒在生化作用下孔隙-裂隙结构的变化规律，揭示不同浸出阶段矿石颗粒渗吸-溶蚀边缘形态的演化规律。
(二)微观尺度与宏观尺度的关系
矿堆中多孔介质的宏观特征，如渗流性能、浸出率、浸出率等，通常受到微观或微观参数的影响，如矿物岩石颗粒的结构特征、单个矿物岩石中微孔和裂隙的分布规律等。宏观变化是由跨尺度非线性相关的发展引起的。微观尺度上的一些结构演化效应或无序反应可能被强烈放大，上升到显著的大尺度效应，这是一个跨尺度的演化过程。因此，有必要从不同尺度研究矿岩块体的孔隙结构，从而找出微观浸出机理与宏观浸出率之间的关系。
浸出反应器是一个自上而下的非均相系统，这是因为在建造反应器的过程中存在不均匀的粒度分布和离析现象。随着浸出过程的进行，堆浸的散体介质会发生结构变形，细颗粒会发生迁移和沉积，并伴随着化学溶解和沉淀，以及微生物的沉积和吸附，因此介质的非均质性会更加严重。如果不考虑堆浸块体的非均质性及其内部结构特征的变化，而只关注其宏观参数的变化，就无法理解堆浸中的复杂过程和相关规律。堆浸散体材料的渗流问题必须考虑多尺度组合。在细观层次上，需要阐明各种物理过程和化学相互作用的机理以及流体在颗粒之间、孔隙系统中各相流体之间、流体与孔隙固体壁之间的运动细节，而在宏观层次上，需要总结相应的渗流场参数变化规律，其中微观孔隙结构的定量分析自然成为其研究基础和理论前提。因此，将微观孔隙结构参数与宏观特征联系起来是堆浸理论研究的发展趋势。
3.微生物浸出机理的研究
自从20世纪50年代发现浸矿细菌以来，微生物-矿物相互作用的机理一直是人们试图解决的基本课题。目前有三种假设:直接、间接和复合，如图5所示。直接作用是浸出细菌附着在矿石表面，与矿石中的硫化矿发生关系，并分泌一系列多糖化合物与矿物作用，使矿物氧化溶解。
1963年，Sutton等人通过实验证明了细菌对CuFeS2的直接侵蚀。Escobar等应用放射学研究了氧化亚铁硫杆菌在矿物表面的吸附过程和特征，进一步验证了细菌的直接作用。间接作用是指通过细菌代谢产物(硫酸铁、过氧化物、硫酸等有机酸)溶解矿石并释放金属离子的过程。布赖尔利认为，虽然细菌可以直接分解矿物，但细菌氧化产生的Fe3 ++才是硫化矿浸出的关键。Mcdonald等人研究了Fe3+对黄铜矿的氧化浸出，认为Fe3+对黄铜矿有很好的浸出作用。复合作用是指细菌的直接作用和化学氧化的间接作用并存。在实际案例中，直接作用和间接作用同时存在，有时直接作用占优势，有时间接作用占优势。
尽管许多学者对微生物的作用机理做了一些工作，但原生铜矿的微生物堆浸仍处于试验阶段。以黄铜矿为主的原生矿约占世界现有铜储量的70%，但现场大规模微生物堆浸技术的应用还不成熟。如果能在铜矿石上取得重大突破，必将给世界铜矿资源高效循环利用带来一场革命。目前，微生物堆浸的研究重点如下:
图5细菌作用机制
1.研究O2和CO2浓度对浸出体系中微生物生长和化学反应的影响，探讨其对矿岩浸出率的影响机理。
2.研究温度对微生物活性和浸出行为的影响，分析温度对浸出率的影响规律，探索浸出体系中的传热规律。
3.研究浸出微生物的吸附、迁移和解吸规律；论述了微生物在固液作用下的生长、繁殖和浸出规律，分析了微生物堵塞对矿岩孔隙和溶液渗流的影响特征。
第四，多过程耦合的数值模拟
传统的堆浸理论研究往往将整个堆浸视为一个“黑箱”，只考虑其宏观参数的变化。由于实验条件的限制，宏观系统研究和微观系统研究几乎不可能深入。此外，在模拟堆浸过程中的渗流值时，通常假设颗粒孔隙的物理模型，无法得到真实的物理模型，这必然会对模拟结果的真实性和有效性产生很大影响。
以CT技术为实验手段，以数字图像技术为基础，建立真实的孔隙物理模型。通过建立多场耦合下孔隙演化和渗流动力学的数值模型，利用多物理场数值模拟软件COMSOL Multiphysics对堆浸过程中散体介质的微观渗流进行三维数值模拟，找出浸出液的渗流速度、饱和度等参数空的分布特征，使同一对象的研究尺度从宏观深化到微观，量化水平更高。
在摸清多相多因素条件下浸出体系响应机理的基础上，逐步建立浸出体系孔隙发育、溶质迁移、传热和气体对流的数学模型。借助多场耦合软件，确定孔隙率、溶液流量、温度和气体浓度的影响水平，提出浸出环境的微观尺度优化控制措施，实现矿岩浸出过程的优化控制。
根据矿岩颗粒的溶解机理，对单个颗粒的溶解过程进行了合理的简化和假设。在此基础上，考虑微孔裂缝溶解和渗透率变化的耦合条件，建立了生化作用下的渗吸-溶解耦合模型。在实验室研究了特定条件下矿岩颗粒的渗吸-溶解耦合过程，并利用耦合模型进行了模拟分析和验证。
动词 （verb的缩写）堆浸技术的研究进展
关于堆浸技术，国内外为提高浸出液的渗透效果做了大量的工作，如泥粉矿的制粒、合理的筑堆方法、合理的布液方法、在堆内安装穿透器、添加阻垢剂等。提高了金属浸出率，缩短了浸出周期。王宏江等，“四川以德兴铜矿排土场细菌浸出为工程实例，开展了细菌强化浸出机理研究，提出了排土场强化浸出新工艺。
建立堆浸模型是堆浸理论研究的重要组成部分。目前这方面的研究工作很少，而且由于理论研究的困难，大量数据难以获得。虽然国外已经开展了一些工作，但结果有很大的局限性。然而，国内关于这项研究工作的公开报道却很少。
1986年，约翰·c·博克斯和艾伦·P·普罗瑟提出了混合矿物和混合溶剂的浸出模型:巴特利特在1992年提出了简单扩散模型；1993年，Dixson和Hendrix提出了从球形颗粒中浸出各种固体反应物的数学模型。王等人根据能斯特原理，考虑了溶质扩散速率与溶液渗流速率的关系，即浓度变化引起的浸出液过程平衡条件的破坏应满足流动液体中函数的微分方程，建立了浸出动力学方程。E. Cariaga等学者还考虑了非饱和堆浸体系中浸出液和空气体的两相流动，建立了描述堆浸过程两相流动的数学方程。国内也有人研究过堆浸的渗流模型。如青岛建筑工程学院的陈锡山应用渗流理论分析堆浸工艺中浸出液的渗流过程，推导出浸出液在浸润面、饱和区和非饱和区的渗流模型。刘等人研究了斜底垫场的渗流理论，建立了描述浸润面形状的数学模型方程，通过数值计算和数据拟合，得出浸润面为椭圆抛物面，为合理利用饱和区和堆浸提供了指导。上述模型都是基于宏观统计连续统假设，反映了堆浸体系中的宏观渗流特征，即堆浸中的渗流被视为黑箱问题，通过输入输出结果建立渗流控制方程，因此微观机理和规律无法确切得知。
将CT技术与数字图像处理技术相结合，并将其应用于溶浸采矿基础理论的研究，是近年来国外才开始探索的。美国犹他大学的C.L.Lin和J.D.Miller借助CT技术揭示了矿岩颗粒介质孔隙度空在浸出过程中的变化规律，但没有揭示物理化学和生物耦合作用下矿岩颗粒介质微观孔隙的演化机理。在国内，杨等人首次利用毫米波CT扫描仪研究了浸出前后矿岩颗粒的微观孔隙演化规律。但由于空之间分辨率有限，采集到的图像难免会出现一些误差。因此，微米CT浸出前后矿岩颗粒微观孔隙演化规律的研究有待进一步开展。
总之，堆浸理论的研究对实际堆浸过程具有重要的指导作用，而我国在这方面的研究还很不足，尤其是对堆浸系统中多尺度耦合效应的研究还不够深入。缺乏系统的基础理论体系和有效的提高金属浸出率的技术措施，有待进一步加强。主要研究难点如下:
(1)溶浸体系的孔隙裂隙结构复杂，属于动态不稳定结构，难以实现定量描述。
(2)气液两相渗流特征复杂，固液之间物质交换过程复杂，导致浸出率控制步骤难以确定。
(3)浸出系统中温度、浓度和流量的空分布复杂，易受外界环境影响，难以揭示多场耦合机理。
(4)气相、固相、液相、温度场、浓度场和渗流场直接或间接相互作用，浸出过程响应特征复杂。
(5)淋滤过程受孔隙发育、溶液流动、溶质迁移、沉淀等过程控制。耦合模型涵盖孔隙度、流量、温度、浓度等变量，函数关系难以确定。
不及物动词结论
(1)研究堆浸体系中矿岩的多尺度空结构和演化特征，将现代计算机技术、CT技术和图像处理技术应用于传统矿业，使堆浸基础理论研究深化到微观层面，促进溶浸采矿研究手段和方法的新发展。
(2)深入分析堆浸过程中的多因素耦合和跨尺度关联机理，形成多相多场条件下浸出体系的响应机理，将进一步丰富和拓展溶浸采矿的新理论。
(3)通过对堆浸系统多尺度效应和多过程耦合的深入系统研究，建立多相多场条件下浸出系统的动态响应模型，提出微观尺度浸出环境的优化控制措施，为解决我国金属矿山浸出率低、浸出周期长的问题提供技术指导。
