基于單軸測試法的硫化礦石結塊特性檢測

李孜軍，鄧艷星，陳占鋒，陽富強，劉輝

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083)

基于單軸測試法的硫化礦石結塊特性檢測

李孜軍，鄧艷星，陳占鋒，陽富強，劉輝

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙，410083)

基于COSTT單軸測試法，提出一種改進的用于檢測硫化礦石結塊特性的單軸測試法。采用該方法對冬瓜山銅礦硫化礦石試件施以不同荷載并設置對照組進行比較。在恒溫恒濕條件下，用單軸測試儀測力環的變形值表示試件抗壓強度，并就礦石結塊特性與結塊時間及荷載關系進行分析。研究結果表明：當結塊時間相同時，荷載越大，單軸測試儀測力環變形值越大，試件抗壓強度越高，即結塊強度越大；當荷載相同時，結塊時間越長，測力環變形值越大，試件抗壓強度越高，即結塊強度越大；實驗結果與實際結果相吻合，證明了該方法應用于檢測硫化礦石結塊特性的可行性。

單軸測試法；硫化礦石；結塊特性；壓力；檢測

礦石結塊是硫化礦開采中存在的嚴重問題之一，隨著自燃研究的逐漸成熟[1?4]，硫化礦石的結塊性成為威脅硫化礦安全生產與資源利用率的關鍵因素。采場爆堆一旦結塊將導致放礦、裝卸、運輸等生產環節困難，處理成本增加，最終使得具有結塊性的硫化礦石不能長時間存放，不利于礦石的開采、存儲、運輸等。對結塊礦石不及時處理會降低礦產資源利用率，造成資源浪費，還可能導致自燃火災，給采場充填帶來不利影響[5?8]。人們對結塊的研究目前大多集中于化工領域，如洗衣粉、化肥、食鹽、奶粉的結塊問題等，關于硫化礦石的結塊性的研究尚處于起步階段，可對照的資料較少，目前主要有吳萍等[9]通過鉬銅鉛鋅硫化礦脫鉛富硫新工藝解決結塊問題。結塊特性的測試方法主要有吹氣測定法[10]、旋風黏度測試法、剪切力法、動力學針刺法等[11]，側重對結塊的力學特性進行測定；唐云等[12]提出的快速測定法，著重從外觀檢查反映肥料結塊硬度。國外對研究結塊問題的研究最早可以追溯到20世紀60年代的Jenike測試法[13]，其思想是通過剪切單元應力應變得出流動函數檢測結塊特性；近年來，R?ck等[13?15]提出的 COSTT(Consumer oriented solid transport technology)單軸測試法發展較成熟，適用于結塊壓力、時間、溫度、濕度等單因素分析，同時還可對各因素進行耦合分析。影響結塊的因素有含水率、時間、溫度、濕度和壓力等，已有的研究多側重含水率、時間等因素，涉及壓力的研究較少，且已有的檢測方法對壓力的研究具有一定的局限性。基于此，本文作者對現有的 COSTT單軸測試法加以改進并應用于采場礦石爆堆氧化結塊研究，以期為解決礦石氧化的結塊問題提供技術支持。

1 單軸測試法基本原理及改進

1.1 基本原理與方法

單軸測試法是通過單軸測試儀測量試件的無側限抗壓強度。將試件放在測試儀上下壓板間，沿軸向加載直至試件破壞(剔除破壞應力或荷載奇異試件)，測得其抗壓強度qu，原理如圖1所示(圖中P為制樣時施加的初始荷載)。

Jenike法和COSTT測試法是2種常用的單軸測試法。Jenike法通過剪切實驗(如圖2所示，A為試件橫截面積)建立流函數；由正應力σ、剪應力τ建立σ?τ曲線即屈服曲線，屈服半徑反映試件密度ρb。從圖2可見：隨著荷載的加大，密度增大，屈服曲線上升，出現峰值后應力和密度達到穩態而不再變化。COSTT單軸測試法則是先將試樣裝入壁面光滑圓柱筒內，然后施加荷載制成密度為ρb的試件，并用 COSTT裝置[13?15]對試件加載直至破壞，從而測得抗壓強度qu。可以看出，COSTT單軸測試法檢測結塊特性無需求出流動函數，只需采用光滑圓柱筒代替復雜的Jenike裝置[13?14]，而兩者所得屈服曲線一致。

圖2 Jenike法原理圖Fig.2 Schematic diagram of Jenike method

1.2 單軸測試法的改進

COSTT測試法與 Jenike法實驗效果相當[13]，但前者簡單、易操作，故借鑒 COSTT測試法并加以改進，檢測硫化礦石結塊特性，所得屈服曲線見圖3。

基于 COSTT測試裝置，采用供氧條件充足、透氣性能良好的硬薄紙筒代替多孔聚乙烯圓柱筒，制成內徑為50 mm、高為100 mm的圓柱筒體。為了更接近礦山的溫度和濕度，將恒溫恒濕箱溫度設置為 45℃，濕度為90%。采用靈敏度高且易操作的單軸測試儀代替 COSTT測試裝置進行加載實驗，采用單軸測試儀的測力環變形值表示試件抗壓強度。測力環變形值越大，表明抗壓強度越高。

從圖3可以看出：改進的單軸測試法其屈服曲線與COSTT測試法的相比，試件密度ρb和屈服應力ρc略小。雖然裝置改進后測得的試件密度和屈服應力略小，但該裝置更為簡單有效，能夠達到快速測定的目的且可重復利用。

圖3 改進的單軸測試法與COSTT測試法的屈服曲線Fig.3 Yield locus of improved uniaxial caking test and COSST

1.3 用于檢測硫化礦石結塊性的優勢

單軸測試法多用于巖體力學、混凝土應變軟化及土力學等方面[16?17]，但在顆粒物等散體和密實程度低的材料中應用較少，尤其是對于硫化礦石結塊特性的研究更少。常規硫化礦石結塊特性實驗研究多采用添加防結塊劑法，稱質量與外觀觀察比較相結合，以結塊率表示結塊特性。單軸測試法從力學角度分析，以試件抗壓強度反映結塊程度。單軸測試法具有以下優點：

(1) 實驗數據更加精確可靠，不僅可以測定屈服強度，還可以測定工程上更為關心的材料極限強度、應變等力學參數；

(2) 與動力針刺法、聲波檢測法相比，更直觀精確，實驗結果易于解釋，實驗數據通用性強；(3) 裝置簡單，易操作，成本低，可以重復使用；(4) 對于散體等密實程度低的材料，采用單軸測試法所得結果更接近現場實際結果。

2 硫化礦石結塊性檢測

2.1 概況

冬瓜山銅礦是國內目前埋藏最深的特大型高硫銅礦，位于安徽省銅陵市，是銅陵有色控股公司的后續主力礦山。l# 礦體礦石儲量近1億t，占總儲量98%，銅儲量100萬t，儲存深度為?682～?1 000 m，礦體走向長1 810 m，水平投影寬204～882 m，礦體厚度30～50 m[18]。冬瓜山銅礦屬于典型高溫高硫礦，開采中的采場爆堆存在較高結塊性和危險性；因此，對采場礦石爆堆氧化結塊進行研究，保證冬瓜山銅礦正常生產安全，確保按時達產達標，及早開展冬瓜山銅礦采場爆堆結塊的關鍵特征參數及其控制技術，具有特別重要的現實意義。

2.2 檢測流程

礦石采樣是硫化礦石結塊特性檢測的重要環節，礦樣必須具有氧化性、易結塊性等特性。

采樣基本原則：采樣空間應便于氧化結塊危險性礦段的劃分；礦石類型具有代表性；礦石結構構造具有代表性；礦石含硫品位。本實驗共采集14個礦樣，用破碎機多次分級破碎至粒徑在1 mm以下，再手工破碎至粒徑在0.8 mm以下，將礦樣與水按質量比20:1混合均勻后進行實驗。實驗步驟如下：

(1) 制作好的礦樣裝入模具；

(2) 對每一裝入模具的礦樣施加初始荷載5.88 N，制成試件；

(3) 將試件分成5組，分別恒定加載0，2.94，5.88，8.82和11.76 N；

(4) 將各組恒定負載的試件置于恒溫恒濕箱中，按結塊時間1，2，3，4和5 d進行實驗過程控制；

(5) 在規定結塊時間內，將相應組試件取出，卸載、拆模，進行單軸測試實驗。

制作試件時施加特定初始荷載，使其密實并保持表面平整；負載后置于恒溫恒濕箱內，保證所有試件都處于等溫、等濕條件下，適宜的溫度和濕度是結塊的必要條件，同時也可縮短結塊周期。

2.3 實驗結果

實驗中試件破壞模式如圖4所示。從圖4可以看出：試件從端部開始破壞，裂隙沿斜面擴展，屬于剪切破壞中的斜面破壞，此類破壞模式緣于試件抗剪強度低于抗壓強度；當結塊時間相同時，結塊強度隨著荷載的變化而不同。用測力環變形值表征試件抗壓強度，實驗中讀數精確到1 μm。以下列出其中3個礦樣(分別為 A，B和 C)的測試結果(見表 1～3，表中數據均為多次測量的平均值)。

表1 A礦樣在不同結塊時間和不同荷載下測力環的變形值Table 1 Yield value of different loadings for different caking time of sample A mm

表2 B礦樣在不同結塊時間和不同荷載下測力環的變形值Table 2 Yield value of different loadings for different caking time of sample B mm

圖4 試件破壞模式Fig.4 Failure models of samples

表3 C礦樣在不同結塊時間和不同荷載下測力環的變形值Table 3 Yield value of different loadings for different caking time of sample C mm

2.4 結果分析

以結塊時間和荷載兩因素分析，橫向比較各礦樣的結塊特性，對實驗所得試件單軸極限變形值分類整理、統計，分別見圖5～10；以結塊時間為基準，縱向比較各礦樣的結塊難易程度，見圖11和圖12。

圖5 A礦樣在同一時間的變形值與荷載的關系Fig.5 Relationship between yield locus and loading of sample A at the same time

圖6 B礦樣在同一時間的變形值與荷載的關系Fig.6 Relationship between yield locus and loading of sample B at the same time

圖7 C礦樣在同一時間的變形值與荷載的關系Fig.7 Relationship between yield locus and loading of sample C at the same time

圖8 A礦樣在同一荷載下變形值與時間的關系Fig.8 Relationship between yield locus and time for the same loading of sample A

圖9 B礦樣在同一荷載下變形值與時間的關系Fig.9 Relationship between yield locus and time for the same loading of sample B

圖10 C礦樣在同一荷載下變形值與時間的關系Fig.10 Relationship between yield locus and time for the same loading of sample C

圖11 結塊2 d時3種礦樣的抗壓變形值Fig.11 Yield locus of three samples for 2 d

圖12 結塊5 d時3種礦樣的抗壓變形值Fig.12 Yield locus of three samples for 5 d

圖5～7分別所示為結塊時間相同時，荷載對A，B和C 3種礦樣結塊強度的影響規律。從圖5～7可見：在外部荷載作用下，礦樣晶粒變形，顆粒間的接觸面積增加，容易發生結塊，時間越長結塊程度和強度就會增加。以礦樣A為例，結塊1～2 d，測力環變形值隨恒定荷載的變化不大，3～4 d變化相近，第5 d結塊強度趨于穩定，受恒定荷載的影響波動較小。在相同的結塊時間內，對施加恒定荷載11.76 N的試件測試時，單軸測試儀的測力環變形值最大，恒定荷載為0 N時變形值最小。這表明結塊時間相同時，礦樣施加恒定荷載越大，測試時單軸測試儀的測力環變形值越大，即試件抗壓強度越高，3種礦樣的實驗結果均符合此規律，前4 d結塊強度遞增迅速，之后逐漸變緩，表明礦石結塊強度不會無限增加，在一定時間后趨于穩定。

圖8～10分別所示為荷載相同時，結塊時間對A，B和C 3種礦樣結塊強度的影響規律。以礦樣A為例，無論恒定荷載，結塊 1～2 d，測力環的變形值增幅較小，結塊5 d試件的抗壓強度最大；恒定荷載相同條件下，對結塊5 d的試件測試時，單軸測試儀的測力環變形值最大，結塊1 d的變形值最小。實驗數據和圖表都表明：荷載相同時，結塊時間越長，單軸測試儀的測力環變形值越大，即試件抗壓強度越高。在允許誤差范圍內各礦樣抗壓強度隨時間變化趨勢一致。

以結塊時間為尺度縱向比較各礦樣結塊特性。圖11和圖12所示分別以2 d和5 d比較3種礦樣結塊的難易程度，礦樣B最易結塊，礦樣C最不易結塊，礦樣A的結塊程度介于礦樣B和礦樣C的結塊程度之間。進一步比較礦樣A和礦樣C可見：隨著荷載的增加，圖11中的曲線遞增過程中二者存在交叉點，而圖12中則無。其原因可能有2點：一是礦樣物理化學性質不同，這是主要原因；二是實驗誤差間接影響了數據采集的準確性。總體看來，礦樣 A比礦樣 C更易結塊。

分析結果與礦樣采場實際情況相吻合，充分證明了改進的單軸測試法用于硫化礦石結塊特性檢測的可行性。

3 結論

(1) 單軸測試法適用于礦石結塊的單因素測定，如實驗中的壓力、時間、溫度、濕度等，還可對各因素進行耦合分析。用單軸測試儀測力環的變形值表征礦石結塊強度，可以橫向比較礦石結塊特性。

(2) 在供氧、溫度與濕度等不變情況下，對同一礦樣進行單軸加載測試，結果表明：施加荷載越大，礦樣密實程度越高，結塊強度越大，與實際情況相吻合。在高溫高濕環境下的礦山開采中，大量硫化礦堆放產生高壓作用，晶體被迫緊密接觸，熱量難以散失，加劇氧化反應進程，此時，硫化礦物溶解度隨壓力增加而升高，在接觸點處形成微量的高濃度溶液。高濃度溶液流到空隙處，當壓力和溶解度降低時，礦物質將會重新結晶析出，晶體粘結在一起而結塊。

(3) 研發適合密實程度低材料的測試儀，使其既具有高靈敏度，又可以連續輸出試件變形過程圖像。這將成為未來單軸結塊加載測試研究的重點。

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(編輯 楊幼平)

Caking properties detection of sulfide ores based on uniaxial test

LI Zi-jun, DENG Yan-xing, CHEN Zhan-feng, YANG Fu-qiang, LIU Hui

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Based on consumer oriented solid transport technology (COSST) uniaxial caking test, an improved uniaxial caking test was put forward to detect caking properties of sulfide ores. By setting contrasted groups, the experiment was made on sulfide ore samples from Dongguashan copper mine with different preliminary loads in a climatic chamber. The relationship among the caking properties, stress and time was gained, and compressive strength was also indicated by yield value of uniaxial test ring. The results show that during the same period of time, with higher preconsolidation loading, yield value of stress detected ring of uniaxial test increases, and compressive strength becomes larger, implying that caking intensity is at a higher pitch; under the same loading, with time being longer, yield locus is larger, and stress intensity is larger, displaying that caking intensity is more serious. The result is consistent with factual situation.Therefore, this improved caking test can be feasibly applied to characterize the caking properties of sulfide ores.

uniaxial test; sulfide ore; caking properties; stress; detection

TD985

A

1672?7207(2011)02?0427?07

2010?01?04；

2010?04?12

國家“十一五”科技支撐計劃項目(2006BAK04B03)；國家自然科學基金資助項目(51074181)

李孜軍(1967?)，男，湖南醴陵人，博士，副教授，從事安全與環保研究；電話：13787138619；E-mail：zijunli@mail.csu.edu.cn