鈣芒硝不同溫度溶浸作用下力學(xué)特性弱化及內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、鈣芒硝礦床是一種重要的硫酸鈉礦床工業(yè)類型，而硫酸鈉是極具經(jīng)濟(jì)價值的化工原料，單獨開采鈣芒硝礦床時硫酸鈉鹵水濃度最高可達(dá)33.62％，有著非常高的開采價值。自20世紀(jì)80年代開始，硐室水溶法開始應(yīng)用于鈣芒硝礦石開采，對部分埋藏淺的鈣芒硝礦床進(jìn)行水溶開采，直至目前，各地鈣芒硝礦山多以地面露天堆浸和硐室水溶法共采為主。鈣芒硝礦石在水中溶浸時，將會引起巖石內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)改變，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化又會引起巖石力學(xué)性能及滲透性的改變，從而影響鈣芒硝礦原位

2、溶浸開采效率。而在其它如石鹽—硬石膏—鈣芒硝等鹽類礦床中，鈣芒硝層往往是以石鹽層的頂、底板或是以夾層的形式存在，所以研究鈣芒硝巖鹽在不同溶浸條件下的力學(xué)弱化特征和孔隙結(jié)構(gòu)變化對鹽巖溶腔建造穩(wěn)定性也有重要意義。
　　本文通過試驗研究、機(jī)理分析等方法，將鈣芒硝宏觀力學(xué)性質(zhì)和內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)相結(jié)合，圍繞不同溫度水溶液作用下鈣芒硝力學(xué)特性及內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷等問題進(jìn)行了研究。本文的主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：
　?。?）自然狀態(tài)鈣芒硝巖鹽力學(xué)

3、特性試驗
　　對自然狀態(tài)鈣芒硝進(jìn)行了單軸壓縮試驗、抗拉強度試驗、變角剪切試驗，通過以上力學(xué)試驗得到：自然狀態(tài)鈣芒硝平均抗壓強度為12.08MPa，破壞形式表現(xiàn)為典型的柱狀劈裂破壞，為脆性巖石材料，按巖石強度分類，屬于軟質(zhì)巖石。鈣芒硝的平均抗拉強度為1.48MPa，剪切強度擬合曲線為τ=1.3+σtan40.6°，內(nèi)聚力為1.3MPa，內(nèi)摩擦角為40.6°。
　?。?）不同溫度水溶液作用下鈣芒硝力學(xué)特性試驗
　　對經(jīng)過3

4、5℃、65℃、95℃水溶液溶浸10小時后的鈣芒硝試件進(jìn)行單軸抗壓強度試驗、抗拉強度試驗、變角剪切試驗。通過以上試驗得到：35℃溶浸后鈣芒硝平均抗壓強度約為9.60MPa，軟化系數(shù)為0.79，破壞方式主要為單斜面剪切破壞，仍顯脆性破壞特征，平均抗拉強度為1.18MPa，抗剪強度線性回歸方程為τ=0.8+σtan39.1°，內(nèi)聚力為0.8MPa，內(nèi)摩擦角為39.1°；65℃溶浸后鈣芒硝平均抗壓強度約為6.92MPa，軟化系數(shù)下降為0.57，

5、破壞方式為剪切破壞和拉伸破壞，開始顯現(xiàn)塑性破壞特征。平均抗拉強度為0.68MPa，該試驗條件下抗剪強度線性回歸方程為τ=0.7+σtan38.1°，內(nèi)聚力為0.7 MPa，內(nèi)摩擦角為38.1°；95℃溶浸后鈣芒硝平均抗壓強度為2.25MPa，軟化系數(shù)大幅下降為0.19，剪切破壞和張拉破壞同時存在相互促進(jìn)，破壞形式更為復(fù)雜，表現(xiàn)為明顯的塑性破壞，抗拉強度為0.27MPa；抗剪強度線性回歸方程τ=0.6+σtan37.0°，內(nèi)聚力為0.6

6、MPa，內(nèi)摩擦角為37.0°。
　?。?）不同溶浸-應(yīng)力條件下鈣芒硝損傷CT數(shù)分布特征
　　對35℃、65℃、95℃三種溶浸溫度條件、1MPa、1/2抗壓強度、峰值強度三種應(yīng)力條件進(jìn)行正交實驗，取9個Φ50×100（mm×mm）試件各自對應(yīng)9種正交實驗條件，對其軸向加載后的試樣進(jìn)行CT掃描，對掃描所得CT數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到：隨著鈣芒硝試件所受應(yīng)力值的增加，鈣芒硝的變形量加大，其平均密度損傷增量一直增大，損傷程度變大；相同應(yīng)

7、力狀態(tài)下，鈣芒硝平均密度損傷增量隨著溶浸溫度增加而變大。
　?。?）不同溶浸-應(yīng)力條件下鈣芒硝裂紋演化規(guī)律
　　基于不同溶浸-應(yīng)力條件下鈣芒硝試件的CT圖像，對不同尺度裂紋數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)微裂紋、裂紋、裂縫的數(shù)量變化規(guī)律具有通性：加載后，鈣芒硝微裂紋數(shù)量降低，裂紋和裂縫數(shù)量增加。這是因為鈣芒硝在溶浸及應(yīng)力作用過程中其內(nèi)部損傷逐漸增大，微裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、連通，形成較大的裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展形成裂縫。
　?。?）不同溶