【摘要】：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(jià)值的化工原料,單獨(dú)開采鈣芒硝礦床時(shí)硫酸鈉鹵水濃度最高可達(dá)33.62%,有著非常高的開采價(jià)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(duì)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(shí),將會(huì)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(huì)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溶浸開采效率[1]。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?shī)A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(duì)鹽巖溶腔建造穩(wěn)定性也有重要意義。本文通過試驗(yàn)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?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:(1)自然狀態(tài)鈣芒硝巖鹽力學(xué)特性試驗(yàn)對(duì)自然狀態(tài)鈣芒硝進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、變角剪切試驗(yàn),通過以上力學(xué)試驗(yàn)得到:自然狀態(tài)鈣芒硝平均抗壓強(qiáng)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(qiáng)度分類,屬于軟質(zhì)巖石。鈣芒硝的平均抗拉強(qiáng)度為1.48MPa,剪切強(qiáng)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°。(2)不同溫度水溶液作用下鈣芒硝力學(xué)特性試驗(yàn)對(duì)經(jīng)過35℃、65℃、95℃水溶液溶浸10小時(shí)后的鈣芒硝試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、變角剪切試驗(yàn)。通過以上試驗(yàn)得到:35℃溶浸后鈣芒硝平均抗壓強(qiáng)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(qiáng)度為1.18mpa,抗剪強(qiáng)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(qiáng)度約為6.92mpa,軟化系數(shù)下降為0.57,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(qiáng)度為0.68mpa,該試驗(yàn)條件下抗剪強(qiáng)度線性回歸方程為τ=0.7+σtan38.1°,內(nèi)聚力為0.7mpa,內(nèi)摩擦角為38.1°;95℃溶浸后鈣芒硝平均抗壓強(qiáng)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(shí)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(qiáng)度為0.27mpa;抗剪強(qiáng)度線性回歸方程τ=0.6+σtan37.0°,內(nèi)聚力為0.6mpa,內(nèi)摩擦角為37.0°。(3)不同溶浸-應(yīng)力條件下鈣芒硝損傷ct數(shù)分布特征對(duì)35℃、65℃、95℃三種溶浸溫度條件、1mpa、1/2抗壓強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度三種應(yīng)力條件進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),取9個(gè)Φ50×100(mm×mm)試件各自對(duì)應(yīng)9種正交實(shí)驗(yàn)條件,對(duì)其軸向加載后的試樣進(jìn)行ct掃描,對(duì)掃描所得ct數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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)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。(4)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(duì)不同尺度裂紋數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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?yàn)殁}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。(5)不同溶浸-應(yīng)力條件下鈣芒硝孔隙結(jié)構(gòu)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(duì)試件孔隙率、平均孔徑、比表面積等孔隙參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。相同應(yīng)力狀態(tài)下,各孔隙參數(shù)數(shù)值均隨著溫度的升高而增大,但是不同溫度溶浸作用對(duì)鈣芒硝造成的初始損傷程度不同,導(dǎo)致加載后的損傷程度和破壞類型以及機(jī)理不同。初始損傷大的鈣芒硝在加載時(shí)隨著應(yīng)力的增加,孔裂隙的生成、擴(kuò)展過程更劇烈,最終的損傷程度也更大。
【圖文】：

417%～44%，平均 34%；CaSO4 36%～41%，平均38%；水不溶物23%～34%。礦石具有自形晶粒狀結(jié)構(gòu)如圖2-1(a)所示、定向半自形 自形柱粒狀結(jié)構(gòu)（圖 b）、自形 半自形等粒鑲嵌結(jié)構(gòu)（圖 c）、板狀結(jié)構(gòu)等。本文試驗(yàn)所用鈣芒硝巖樣化學(xué)組分由下表所示，，屬自形晶粒狀結(jié)構(gòu)，為致密塊狀構(gòu)造。表 2-1 鈣芒硝巖樣的礦物組分及含量Tab.2-1 Mineral composition and content of glauberite rock sample成分 鈣芒硝 伊利石 蒙脫石 云母 石英 綠泥石 其他含量/% 75 6 5 4 4 4 2（a）

圖 2-2 芒硝和鈣芒硝溶解度與溫度關(guān)系圖 Relationship between temperature and solubility of glauber and 溫度的溶液環(huán)境中，其溶解過程中生成的物質(zhì)也2O 相平衡體系處于 28℃以下時(shí)，鈣芒硝在水中發(fā)生4+ H2O →（Na2SO4+ H2O）+ CaSO4·2H2O↓（飽和溶液）↓Na2SO4·10H2O↓+（Na2SO4+ H2O） （飽和溶液） Na2SO4—CaSO4—H2O 相 平 衡 體 系 中 為 “Na2SO4·+ Na2SO4飽和溶液”三相共存，Na2SO4·CaSO4與水在溫度在 28℃～52℃時(shí)，相平衡體系中物質(zhì)為“Na2SO+ Na2SO4飽和溶液”三項(xiàng)共存，制硝工廠在生產(chǎn)時(shí)普45℃；溫度超過 52℃時(shí)，平衡體系三相物質(zhì)變?yōu)椤癗a2
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TD871

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本文編號(hào)：2562783