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Application of Geo-electrical Tomography in Coupled Hydro-mechanical–Chemical Investigations in Heap Leaching

  • Soroush Maghsoudy
  • Faramarz Doulati Ardejani
  • John Molson
  • Mehdi Amini
  • Luna Ebrahimi
Technical Article

Abstract

A shortcoming of the heap leaching process is its inherent limited metal recovery rate, due primarily to preferential pathways, which reduces the efficiency of the leaching process and can decrease the stability of the heap structure. In this study, geophysical methods were used to characterize the heaps. Five geophysical profiles with 10 m electrode spacing were created on the Miduk heap leaching operations in Iran using mixed array electrode spacing. The dipole–dipole data preserved the high resolution of the surficial response while the dual-direction pole–dipole arrays data provided the desired depth range of 50 m. The inversion of geophysical data revealed areas of focused fluid flow within the heap structure as well as zones of high and low moisture content, and hence areas with a risk of structural failure. In dry zones, under high matrix suction, the hydraulic conductivity is less than in zones with higher water content; thus flow is preferentially focused within the wetter zones, inducing leakage. Geo-electric data also revealed that the three initial heap lifts (oxide lifts) adjacent to the liner were almost impermeable to the leaching fluid due to their fine-grained nature and their high clay content. Oxide materials react more with acid and their structure degrades over time, leaving finer size particles with less permeability. Low permeability zones can cause preferential fluid pathways and pooling to develop elsewhere in the heap, followed by the loss of metal content in those areas. The relationship between these zones is governed by the relative differences in hydraulic conductivity (k) as a function of the water content and matrix suction. If the fluid flux rate is less than the Ksat (saturated hydraulic conductivity) of the fine materials, most of the flow will pass through the fine materials. Therefore, local injection of fluid and changing the fluid flux rate in problematic zones has been suggested. Correlations between resistivity and parameters such as fluid accumulation, copper grade, and slope stability, can be indirectly used to determine the important operational parameters of the heap leaching structures.

Keywords

Heap hydrogeology Mixed array electrode spacing Preferential flow Hydraulic conductivity Pooling Miduk Copper Mine 

Anwendung geoelektrischer Tomographie in kombinierten hydro-mechanischen und –chemischen Untersuchungen für das Halden-Leaching

Zusammenfassung

Ein Nachteil des Halden-Leachings besteht in der Begrenztheit der Metallgewinnungsrate, vornehmlich infolge bevorzugter Sickerwasserpfade. Dies reduziert die Effizienz des Leachings und kann die Stabilität der Haldenstruktur verringern. In dieser Studie wurden geophysikalische Methoden für die Charakterisierung von Halden benutzt. Im Iran wurden in der Miduk-Halden-Leaching-Anlage fünf geophysikalische Profile mit 10 m Elektrodenabstand nach der mixed-array-electrode-spacing-Methode angelegt. Die Dipol-Dipol-Daten sicherten hohe Auflösung in der Fläche während die bidirektionalen Pol-Dipol-Felder den gewünschten Tiefenbereich von 50 m sicherstellten. Die Auswertung der geophysikalischen Daten zeigten sowohl Bereiche in der Haldenstruktur mit verstärkter Durchströmung als auch Zonen mit hohem und niedrigem Wassergehalt; d.h. Bereiche mit dem Risiko des mechanischen Versagens der Haldenstruktur. In trockenen Bereichen mit hoher Saugspannung ist die hydraulische Leitfähigkeit geringer als in Bereichen mit hohem Wassergehalt. D.h., der Durchfluss erfolgt präferenziell in den nassen Bereichen, was zu Wasseraustritten führt. Die geoelektrischen Daten ergaben außerdem, dass die drei ersten Haldenlagen (Oxid-Schichten) über der Grunddichtung wegen ihrer sehr geringen Korngröße und ihrem Tonanteil nahezu undurchlässig für das Leaching-Fluid waren. Oxidische Materialien reagieren mehr mit Säure und ihre Struktur verschlechtert sich mit der Zeit, was feineres Material mit geringerer Durchlässigkeit hinterlässt. Geringe Durchlässigkeiten verursachen präferenziellen Fluss in anderen Bereichen der Halde, was zu einer Abreicherung von Metallen in diesen Bereichen führt. Das Verhältnis zwischen diesen Bereichen wird durch die relativen Differenzen der hydraulischen Leitfähigkeit (k) als Funktion von Wassergehalt und Saugspannung bestimmt. Wenn die Flussrate kleiner als die für Ksat (hydraulische Leitfähigkeit bei Wassersättigung) der feinen Materialien ist, wird der größte Durchfluss durch die feinen Materialien erfolgen. Daher wurden lokale Injektionen des Leaching-Fluids und eine Anpassung der Flussrate vorgeschlagen. Korrelationen zwischen Fließwiderstand und Parametern wie Wassergehalt, Kupfergehalt und Böschungsstabilität können indirekt für die Bestimmung wichtiger Betriebsparameter des Halden-Leachings benutzt werden.

Aplicación de tomografía geo-eléctrica en investigaciones hidromecánicas-químicas acopladas en lixiviación en pilas

Resumen

Una deficiencia del proceso de lixiviación en pilas es su limitada tasa de recuperación de metales debido principalmente a los canales preferenciales, lo que reduce la eficiencia del proceso de lixiviación y puede disminuir la estabilidad de la estructura de la pila. En este estudio, se usaron métodos geofísicos para caracterizar as pilas. Se crearon cinco perfiles geofísicos con un espaciado de electrodos de 10 m en las operaciones de lixiviación en pilas en Miduk, Irán; se utilizaron arreglos de electrodos de matriz mixta. Los datos dipolo-dipolo conservaron la alta resolución de la respuesta superficial, mientras que los datos de las matrices dipolo-polo de doble dirección proporcionaron el rango de profundidad deseado de 50 m. La inversión de los datos geofísicos reveló áreas de flujo de fluido concentrado dentro de la estructura de la pila, así como zonas de alto y bajo contenido de humedad y, por lo tanto, áreas con un riesgo de falla estructural. En zonas secas, bajo alta succión matricial, la conductividad hidráulica es menor que en zonas con mayor contenido de agua; por lo tanto, el flujo se encamina preferentemente dentro de las zonas más húmedas, induciendo pérdidas. Los datos geoeléctricos también revelaron que las tres elevaciones iniciales de la pila (elevaciones de óxido) adyacentes al revestimiento eran casi impermeables al fluido de lixiviación debido a su naturaleza de grano fino y su alto contenido de arcilla. Los materiales de óxido reaccionan más con el ácido y su estructura se degrada con el tiempo, dejando partículas de tamaño más fino con menos permeabilidad. Las zonas de baja permeabilidad pueden provocar que los canales preferenciales de fluidos y la acumulación se desarrollen en otras partes de la pila, seguidas por la pérdida de contenido de metal en esas áreas. La relación entre estas zonas se rige por las diferencias relativas en la conductividad hidráulica (k) en función del contenido de agua y la succión de la matriz. Si la velocidad del flujo de fluido es menor que la Ksat (conductividad hidráulica saturada) de los materiales finos, la mayor parte del flujo pasará a través de los materiales finos. Por lo tanto, se ha sugerido la inyección local de fluido y el cambio de la velocidad de flujo de fluido en zonas problemáticas. Las correlaciones entre la resistividad y parámetros tales como la acumulación de fluidos, la ley en cobre y la estabilidad de la pendiente se pueden usar indirectamente para determinar los parámetros operacionales importantes de las estructuras de lixiviación en pilas.

地电层析成像技术在堆浸水文-力学-化学耦合分析中的应用

抽象

堆浸过程的内在缺点是金属回收率较低,主要是由于优先流通道降低了淋滤效率,同时优先流还可能破坏浸堆的稳定性。研究采用地球物理方法探测和描述浸堆特征。以10m混合电极间距建立了伊朗Miduk浸堆的五个地球物理剖面。偶极-偶极装置用以高分辨率刻画浸堆表面特征,双向混合电极装置用以探测浸堆内50m深范围状况。地球物理数据反演显示出了浸堆内部集中水流区、含水量高-低分带以及浸堆结构破坏风险区。干燥带的基质吸力较高,渗透系数也低于高水分含量区;浸堆内水流将优先集中于更湿润地带。同时,地电数据揭示紧邻衬砌的三个初始台阶(氧化物台阶)几乎不渗漏任何淋滤液,因为它们颗粒细小且粘土含量高。氧化材料主要与酸反应,物质结构也随时间破坏,遗留下更细小的低渗透性颗粒。低渗透带可能形成优先流通道,将流体集中于堆内其它地方,进一步造成该区金属含量损失。这些区域之间的关系受渗透系数差异控制,渗透系数随含水量和基质吸力变化。如果流体通量比细粒物质的饱和渗透系数(Ksat)还小,多数水流将穿过细粒物质。因此,建议局部流量注射和改变问题区流体通道。电阻率与流体积聚量、铜梯度和坡稳定性的关系也可以间接确定浸堆的重要运行参数。

Notes

Acknowledgements

This research is part of Project 952856, which focusses on optimizing the flow rate and operation of the heap leaching process at the Miduk copper mine in Kerman, Iran. We are very grateful for the cooperation of the Research and Development Division of the National Iranian Copper Company (NICICO). The authors also thank the Geophysical Laboratory of the University of Tehran for providing the instruments for this research. Professor Gholamhosein Nouroozi, Mojtaba Raki, and Mojtaba Abdollahnejad kindly provided support during the field operation.

Supplementary material

10230_2018_557_MOESM1_ESM.pdf (8 mb)
Supplemental Fig. S-1: Thin (top) and polished (bottom) sections of a sample taken from the high-grade part of dump 2 (PDF 8142 KB)

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Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature 2018

Authors and Affiliations

  1. 1.School of Mining, College of EngineeringUniversity of TehranTehranIran
  2. 2.Mine Environment and Hydrogeology Research Laboratory (MEHR Lab)University of TehranTehranIran
  3. 3.Department of Geology and Geological EngineeringLaval UniversityQuebecCanada
  4. 4.National Iranian Copper Industries, Research and Development CenterMiduk Copper MineKermanIran

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