钙芒硝不同温度溶浸作用下力学特性弱化及内部细观结构研究

发布时间：2019-11-18 22:30

【摘要】：钙芒硝矿床是一种重要的硫酸钠矿床工业类型,而硫酸钠是极具经济价值的化工原料,单独开采钙芒硝矿床时硫酸钠卤水浓度最高可达33.62%,有着非常高的开采价值。自20世纪80年代开始,硐室水溶法开始应用于钙芒硝矿石开采,对部分埋藏浅的钙芒硝矿床进行水溶开采,直至目前,各地钙芒硝矿山多以地面露天堆浸和硐室水溶法共采为主。钙芒硝矿石在水中溶浸时,将会引起岩石内部的物理结构改变,内部结构的变化又会引起岩石力学性能及渗透性的改变,从而影响钙芒硝矿原位溶浸开采效率[1]。而在其它如石盐—硬石膏—钙芒硝等盐类矿床中,钙芒硝层往往是以石盐层的顶、底板或是以夹层的形式存在,所以研究钙芒硝岩盐在不同溶浸条件下的力学弱化特征和孔隙结构变化对盐岩溶腔建造稳定性也有重要意义。本文通过试验研究、机理分析等方法,将钙芒硝宏观力学性质和内部细观结构相结合,围绕不同温度水溶液作用下钙芒硝力学特性及内部细观结构损伤等问题进行了研究。本文的主要研究内容及结果如下:(1)自然状态钙芒硝岩盐力学特性试验对自然状态钙芒硝进行了单轴压缩试验、抗拉强度试验、变角剪切试验,通过以上力学试验得到:自然状态钙芒硝平均抗压强度为12.08MPa,破坏形式表现为典型的柱状劈裂破坏,为脆性岩石材料,按岩石强度分类,属于软质岩石。钙芒硝的平均抗拉强度为1.48MPa,剪切强度拟合曲线为τ=1.3+σtan40.6°,内聚力为1.3mpa,内摩擦角为40.6°。(2)不同温度水溶液作用下钙芒硝力学特性试验对经过35℃、65℃、95℃水溶液溶浸10小时后的钙芒硝试件进行单轴抗压强度试验、抗拉强度试验、变角剪切试验。通过以上试验得到:35℃溶浸后钙芒硝平均抗压强度约为9.60mpa,软化系数为0.79,破坏方式主要为单斜面剪切破坏,仍显脆性破坏特征,平均抗拉强度为1.18mpa,抗剪强度线性回归方程为τ=0.8+σtan39.1°,内聚力为0.8mpa,内摩擦角为39.1°;65℃溶浸后钙芒硝平均抗压强度约为6.92mpa,软化系数下降为0.57,破坏方式为剪切破坏和拉伸破坏,开始显现塑性破坏特征。平均抗拉强度为0.68mpa,该试验条件下抗剪强度线性回归方程为τ=0.7+σtan38.1°,内聚力为0.7mpa,内摩擦角为38.1°;95℃溶浸后钙芒硝平均抗压强度为2.25mpa,软化系数大幅下降为0.19,剪切破坏和张拉破坏同时存在相互促进,破坏形式更为复杂,表现为明显的塑性破坏,抗拉强度为0.27mpa;抗剪强度线性回归方程τ=0.6+σtan37.0°,内聚力为0.6mpa,内摩擦角为37.0°。(3)不同溶浸-应力条件下钙芒硝损伤ct数分布特征对35℃、65℃、95℃三种溶浸温度条件、1mpa、1/2抗压强度、峰值强度三种应力条件进行正交实验,取9个Φ50×100(mm×mm)试件各自对应9种正交实验条件,对其轴向加载后的试样进行ct扫描,对扫描所得ct数进行统计分析,得到:随着钙芒硝试件所受应力值的增加,钙芒硝的变形量加大,其平均密度损伤增量一直增大,损伤程度变大;相同应力状态下,钙芒硝平均密度损伤增量随着溶浸温度增加而变大。(4)不同溶浸-应力条件下钙芒硝裂纹演化规律基于不同溶浸-应力条件下钙芒硝试件的CT图像,对不同尺度裂纹数量进行统计分析,发现微裂纹、裂纹、裂缝的数量变化规律具有通性:加载后,钙芒硝微裂纹数量降低,裂纹和裂缝数量增加。这是因为钙芒硝在溶浸及应力作用过程中其内部损伤逐渐增大,微裂纹产生、扩展、连通,形成较大的裂纹,裂纹继续扩展形成裂缝。(5)不同溶浸-应力条件下钙芒硝孔隙结构演化规律基于不同溶浸-应力条件下钙芒硝试件的CT图像,对试件孔隙率、平均孔径、比表面积等孔隙参数进行统计分析。相同应力状态下,各孔隙参数数值均随着温度的升高而增大,但是不同温度溶浸作用对钙芒硝造成的初始损伤程度不同,导致加载后的损伤程度和破坏类型以及机理不同。初始损伤大的钙芒硝在加载时随着应力的增加,孔裂隙的生成、扩展过程更剧烈,最终的损伤程度也更大。
【图文】：

417%～44%，平均 34%；CaSO4 36%～41%，平均38%；水不溶物23%～34%。矿石具有自形晶粒状结构如图2-1(a)所示、定向半自形 自形柱粒状结构（图 b）、自形 半自形等粒镶嵌结构（图 c）、板状结构等。本文试验所用钙芒硝岩样化学组分由下表所示，，属自形晶粒状结构，为致密块状构造。表 2-1 钙芒硝岩样的矿物组分及含量Tab.2-1 Mineral composition and content of glauberite rock sample成分 钙芒硝 伊利石 蒙脱石 云母 石英 绿泥石 其他含量/% 75 6 5 4 4 4 2（a）

图 2-2 芒硝和钙芒硝溶解度与温度关系图 Relationship between temperature and solubility of glauber and 温度的溶液环境中，其溶解过程中生成的物质也2O 相平衡体系处于 28℃以下时，钙芒硝在水中发生4+ H2O →（Na2SO4+ H2O）+ CaSO4·2H2O↓（饱和溶液）↓Na2SO4·10H2O↓+（Na2SO4+ H2O） （饱和溶液） Na2SO4—CaSO4—H2O 相 平 衡 体 系 中 为 “Na2SO4·+ Na2SO4饱和溶液”三相共存，Na2SO4·CaSO4与水在温度在 28℃～52℃时，相平衡体系中物质为“Na2SO+ Na2SO4饱和溶液”三项共存，制硝工厂在生产时普45℃；温度超过 52℃时，平衡体系三相物质变为“Na2
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD871

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本文编号：2562783