不同品位晶質(zhì)石墨礦石劈裂拉伸力學(xué)行為研究

葉海旺 余夢(mèng)豪 雷 濤 王其洲 嚴(yán)立德 李興旺 李 寧 王炯輝 高玉文

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北武漢430070;2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430070;3.五礦勘查開發(fā)有限公司,北京 100044)

晶質(zhì)石墨是21世紀(jì)最具有開發(fā)前景的非金屬新礦產(chǎn)材料之一[1],其結(jié)構(gòu)一般呈鱗片狀或葉狀,尺寸一般為1～2mm×0.5～1mm,片厚0.02～0.05mm,鱗片越大,經(jīng)濟(jì)價(jià)值越高,有效避免鱗片被破壞是石墨礦山生產(chǎn)中的重中之重。巖石抗拉強(qiáng)度是表征其強(qiáng)度特性的重要參數(shù)之一,遠(yuǎn)小于巖石的抗壓強(qiáng)度。在開采過程中,巖石破壞主要取決于其抗拉強(qiáng)度。同時(shí),由于礦石品位不同,其礦物成分占比不盡相同,導(dǎo)致不同品位的礦石力學(xué)性質(zhì)有較大差異。因此,開展不同品位晶質(zhì)石墨礦石抗拉力學(xué)特性研究,對(duì)石墨礦山生產(chǎn)具有深遠(yuǎn)的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石在受拉作用下的力學(xué)性質(zhì)和破壞機(jī)制進(jìn)行了大量研究,并取得了顯著成果。在室內(nèi)試驗(yàn)過程中,主要通過直接拉伸和劈裂法測(cè)試巖石抗拉強(qiáng)度[2],直接拉伸法由于試驗(yàn)技術(shù)復(fù)雜且試件加工精度要求較高應(yīng)用不是很廣泛。而作為一種典型的間接拉伸測(cè)試方法,巴西劈裂法由于操作簡(jiǎn)單快速、試驗(yàn)成本低等特點(diǎn)被國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用。同時(shí),為了減小加載過程中試件端面應(yīng)力集中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,部分學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),如增設(shè)平臺(tái)[3]、增加圓孔[4-5]、增加平臺(tái)及圓孔[6]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同類型巖石進(jìn)行了抗拉特性研究。王啟智等[7]對(duì)大理巖進(jìn)行平臺(tái)巴西劈裂壓縮試驗(yàn),確定了大理巖的彈性模量、拉伸強(qiáng)度和張開型斷裂韌度。方新宇等[8]從損傷力學(xué)的角度出發(fā)對(duì)高溫處理后的花崗巖試樣進(jìn)行巴西圓盤劈裂試驗(yàn),研究花崗巖在拉伸破壞條件下的熱損傷特性并推導(dǎo)出與其相關(guān)的熱—力耦合本構(gòu)模型。Dan等[9]通過對(duì)具有各向異性的片麻巖進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn),研究了加載方向?qū)訝顜r體劈裂破壞特征的影響,指出加載方向?qū)υ嚰茐男问降挠绊懜黠@。宮鳳強(qiáng)等[10]對(duì)紅砂巖開展一次加卸載巴西劈裂試驗(yàn),從能量角度分析了巖石張拉破壞過程中的儲(chǔ)能和耗能規(guī)律。朱思?jí)m等[11]對(duì)干燥和飽水狀態(tài)下含不同層理角度的板巖進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn),研究其能量特征,得出峰值能率與抗拉強(qiáng)度和層理角度呈線性關(guān)系。楊志良等[12]對(duì)不同沉積年代的弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖進(jìn)行巴西圓盤劈裂試驗(yàn),研究其在加載過程中的聲發(fā)射特征、損傷變量演化以及拉伸力學(xué)特性。韓宇峰等[13]為提高厚煤層開采圍巖控制效果,研究了煤、泥巖、砂巖在受拉應(yīng)力環(huán)境中的力學(xué)行為特征。

從上述研究可知,學(xué)者們?cè)趲r石拉伸破壞方面已有較為深入的研究,但是這些研究幾乎從未涉及到礦石品位因素,而在實(shí)際采礦過程中,因品位變化而導(dǎo)致礦石力學(xué)行為差異卻是常見的[14]。本研究針對(duì)不同品位的晶質(zhì)石墨礦石開展室內(nèi)巴西劈裂試驗(yàn),重點(diǎn)分析不同品位的晶質(zhì)石墨礦石在拉應(yīng)力作用下的強(qiáng)度特征,能量吸收特征和破壞特征,可為石墨礦山針對(duì)品位變化采用更有效的采礦方法和支護(hù)方案提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用試樣均取自黑龍江省蘿北云山石墨礦。對(duì)其進(jìn)行巖性磨片鑒定分析,結(jié)果顯示礦石中主要礦物成分為石墨、石英、斜長(zhǎng)石、云母、金屬硫化物。其中石英平均含量30%～50%,最多達(dá)到80%。斜長(zhǎng)石平均含量30%～45%,定向或半定向分布在礦石中。巖樣采集后,按照國際巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程要求進(jìn)行鉆芯、切割、打磨、平整得到φ50 mm×25 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣,如圖1所示。加工完成后,取同一巖塊上隨機(jī)3個(gè)試件進(jìn)行破碎、研磨、酸浸、干燥等操作,測(cè)量其平均品位,見表1。

圖1 不同品位晶質(zhì)石墨礦石試樣Fig.1 Different grades samples of crystalline graphite ore

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)所采用的加載設(shè)備為TAW-2000高溫高壓巖石三軸壓力試驗(yàn)平臺(tái),最大試驗(yàn)力為2 000 kN,軸向變形范圍為0～5 mm,采用ISRM標(biāo)準(zhǔn)圓弧劈裂法將試件放置在加載圓弧半徑為37.5 mm的ISRM標(biāo)準(zhǔn)夾具中,負(fù)荷控制加載,加載速率為0.05 kN/s;同時(shí)在加載過程中采用高速攝像機(jī)記錄試樣破壞瞬時(shí)照片,高速攝影機(jī)為Photron Fastcam SA1.1,采樣頻率為2 000幀/s,最大分辨率為1 024 pixel×1 024 pixel。

為了有效合理地研究巴西劈裂試驗(yàn)中品位對(duì)晶質(zhì)石墨力學(xué)性質(zhì)的影響,本試驗(yàn)根據(jù)品位分級(jí)開展了4組試驗(yàn),平均品位分別為3.28%、8.24%、13.41%、19.11%。為了避免試驗(yàn)結(jié)果的偶然性,對(duì)試樣進(jìn)行縱波聲波測(cè)試,選取品位和波速相近的3個(gè)試件作為同一組。其物理參數(shù)見表1。

表1 不同品位晶質(zhì)石墨礦石力學(xué)參數(shù)及累計(jì)吸能Table 1 Mechanical parameters and cumulative energy absorption of crystalline graphite ore with different grade

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 品位對(duì)晶質(zhì)石墨礦石力學(xué)特性的影響

對(duì)4組晶質(zhì)石墨試樣分別進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn),記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),每組中選取具有代表性的一組繪制出垂直方向上的載荷—位移曲線如圖2所示。根據(jù)曲線可以將其加載過程分為4個(gè)階段:原生缺陷壓密階段、彈性階段、微裂隙發(fā)育階段、宏觀裂紋擴(kuò)展階段。初始加載階段試樣中原生缺陷如孔隙、微裂紋等被壓密,此時(shí)隨著載荷增大,變形相對(duì)快速增加,因此位移隨著載荷增大而非線性增加。原生缺陷閉合后,試樣進(jìn)入彈性階段,此時(shí)位移與載荷呈線性關(guān)系。繼續(xù)加載,試樣中產(chǎn)生新的微裂紋,隨著載荷增大,微裂紋不斷發(fā)育,此時(shí)曲線斜率減小,位移增長(zhǎng)速率變快。最后載荷增加到巖石強(qiáng)度極限,試件產(chǎn)生宏觀裂紋,曲線跌落。

圖2 不同品位晶質(zhì)石墨礦石豎向載荷與位移關(guān)系曲線Fig.2 Vertical load and displacement curves of crystalline graphite ore with different grade

從不同品位晶質(zhì)石墨礦石加載過程中的載荷—位移曲線可以看出,隨著品位的升高,初始?jí)好茈A段所產(chǎn)生的變形量逐漸減小,占整個(gè)加載過程的比例逐漸降低。這是由于脈石礦物和礦石礦物之間存在較多的孔隙等微缺陷。品位越高,脈石礦物含量越少,這些微缺陷相對(duì)減少,礦石越致密,在加載過程中壓密階段所占比例就會(huì)逐漸降低。

巖石在加載變形過程中,載荷峰值與其抗拉強(qiáng)度呈正比,峰值越大,其抗拉強(qiáng)度也越大。眾多學(xué)者對(duì)巴西劈裂試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行了修正,其中最普遍使用的計(jì)算方法如式(1)所示[15]。

式中,Rt為試樣抗拉強(qiáng)度,MPa;Pt為破壞載荷,N;D為圓盤試樣的直徑,mm;H為圓盤試樣的厚度,mm。

將表1中的峰值載荷視為破壞載荷,代入式(1)中分別計(jì)算各個(gè)品位的抗拉強(qiáng)度,并將其繪制于圖3,其擬合關(guān)系式為

圖3 不同品位晶質(zhì)石墨礦石抗拉強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Fig.3 Statistics of tensile strength of crystalline graphite ore with different grade

式中,x為晶質(zhì)石墨礦石品位,%。

式(2)相關(guān)系數(shù)R2為0.996 4,具有較強(qiáng)的相關(guān)性。其中,平均品位3.28%試樣的平均抗拉強(qiáng)度值最大為17.03 MPa,平均品位8.24%和13.41%次之,分別為12.14、7.44 MPa,平均品位19.11%的平均抗拉強(qiáng)度最小為4.69 MPa。可以看出,晶質(zhì)石墨的抗拉強(qiáng)度隨礦石品位的增大而逐漸減小。這是由于晶質(zhì)石墨礦石中含有石英、斜長(zhǎng)石等高強(qiáng)度脈石礦物。通過磨片分析,其中石英含量30%～50%,有的甚至高達(dá)80%左右,斜長(zhǎng)石含量30%～45%,礦石品位越低,其脈石礦物含量越高,抗拉強(qiáng)度也相對(duì)較大。

2.2 不同品位晶質(zhì)石墨礦石能量吸收特征分析

在加載過程中,試驗(yàn)機(jī)提供能量對(duì)試件做功,使其在單向壓縮情況下變形直至破壞。根據(jù)尤明慶等[16]的研究可知,試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣所做的功也就是巖石材料吸收的能量E(J)為試驗(yàn)過程記錄的載荷—位移曲線中加載段曲線與橫坐標(biāo)軸所圍成的面積,即

式中,F為試樣所受的載荷值,N;u為載荷值為F時(shí)所對(duì)應(yīng)的位移,mm;u2為加載至試樣破壞峰值載荷所對(duì)應(yīng)的豎向位移,mm。

為了分析不同品位晶質(zhì)石墨礦石吸收能量規(guī)律,采用單位體積試樣累計(jì)能量W(J/mm3)來衡量其能量吸收特征。

式中,V為試件體積,mm3。

不同品位晶質(zhì)石墨礦石總吸收能量及單位體積累計(jì)吸能見表1。圖4為晶質(zhì)石墨抗拉強(qiáng)度和單位體積吸收能的關(guān)系圖。

圖4 抗拉強(qiáng)度與單位體積累計(jì)吸收能關(guān)系Fig.4 Relationship between tensile strength and accumulated absorbed energy per unit volume

從圖4中可知晶質(zhì)石墨抗拉強(qiáng)度與單位體積累計(jì)吸收能呈正相關(guān)關(guān)系,其擬合曲線關(guān)系式為

R2為0.971 0,具有較好的相關(guān)性。隨著晶質(zhì)石墨礦石品位的增大,其單位體積累計(jì)吸收能不斷減小。這是因?yàn)殡S著礦石品位的增大,石英等脈石礦物的含量逐漸降低,晶質(zhì)石墨含量逐漸升高。石英主要化學(xué)成分SiO2為原子晶體,其通過共價(jià)鍵相互結(jié)合,破壞共價(jià)鍵需要較高的能量。而石墨的結(jié)晶格架為六邊形層狀結(jié)構(gòu),同層碳原子以sp2雜化形成共價(jià)鍵,但各層之間結(jié)合主要通過范德華力,當(dāng)其發(fā)生破壞時(shí),所需要的能量遠(yuǎn)小于共價(jià)鍵所需能量。所以隨著礦石中石英含量的增加,其吸收的能量也增大。

2.3 不同品位晶質(zhì)石墨礦石裂紋擴(kuò)展速度分析

裂紋擴(kuò)展速度受多種因素的影響,如加載速率、巖石組成成分、微裂紋發(fā)育情況、試件的尺寸和高徑比等。基于斷裂力學(xué)理論,裂紋擴(kuò)展過程根據(jù)速度不同主要分為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展(擴(kuò)展過程中認(rèn)為裂紋速度是一個(gè)常數(shù))與非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展(裂紋擴(kuò)展過程中速度存在變化),此處主要研究裂紋從起始到完全貫通試件的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展過程。從嚴(yán)格意義上講,在此過程中每一幀裂紋擴(kuò)展的方向和速度大小皆不相同,但考慮到試件尺寸相對(duì)較小和裂紋擴(kuò)展速度較快,因此以平均速度作為衡量其裂紋擴(kuò)展快慢的指標(biāo)。

試樣表面裂紋平均擴(kuò)展速度V(m/s)計(jì)算方法如式(6)所示。

式中,D為試件直徑;T為裂紋起始至完全上下貫通所用時(shí)間;P為高速攝影機(jī)采樣頻率;n為從裂紋起始至完全上下貫通高速攝影機(jī)所拍攝幀數(shù)。

將上述各試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(6),得到表面裂紋平均擴(kuò)展速度,見圖5～圖8,可知表面裂紋擴(kuò)展平均速度與礦石品位呈反比關(guān)系,隨著品位增大,平均速度逐漸減小,裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展越慢。當(dāng)?shù)V石平均品位為3.28%時(shí),擴(kuò)展速度最大為49.68 m/s,圓盤中心部分區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重破壞,有巖石碎塊飛出,并伴隨有較大斷裂聲響,內(nèi)部積聚的彈性勢(shì)能被快速釋放,一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y表面能,一部分則轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷芎退閴K動(dòng)能。當(dāng)平均品位為19.11%時(shí),擴(kuò)展速度最小為3.02m/s,破壞聲音較小,內(nèi)部積聚的彈性勢(shì)能被緩慢釋放,主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y表面能和破壞圓盤動(dòng)能,但動(dòng)能很小,可以忽略。

圖5 平均品位為3.28%的晶質(zhì)石墨礦石試件裂紋擴(kuò)展過程Fig.5 Crack propagation process of the crystalline graphite ore specimen with average grade of 3.28%

圖6 平均品位為8.24%的晶質(zhì)石墨礦石試件裂紋擴(kuò)展過程Fig.6 Crack propagation process of the crystalline graphite ore specimen with average grade of 8.24%

圖7 平均品位為13.41%的晶質(zhì)石墨礦石試件裂紋擴(kuò)展過程Fig.7 Crack propagation process of the crystalline graphite ore specimen with average grade of 13.41%

圖8 平均品位為19.11%的晶質(zhì)石墨礦石試件裂紋擴(kuò)展過程Fig.8 Crack propagation process of the crystalline graphite ore specimen with average grade of 19.11%

3 結(jié) 論

(1)晶質(zhì)石墨礦石巴西劈裂試驗(yàn)中的載荷—位移曲線可分為原生缺陷壓密階段、彈性階段、微裂隙發(fā)育階段和宏觀裂紋擴(kuò)展階段。隨著礦石品位的升高,原生缺陷壓密階段所產(chǎn)生的變形量逐漸降低。

(2)隨著礦石品位的增加,其抗拉強(qiáng)度和平均單位體積累計(jì)吸收能逐漸降低。其中平均品位為3.28%、8.24%、13.41%、19.11%的晶質(zhì)石墨礦石抗拉強(qiáng)度分別為17.03、12.14、7.44、4.69MPa;平均單位 體 積 累 計(jì) 吸 收 能 分 別 為 84.64、46.31、28.50、11.50 J/mm3。

(3)晶質(zhì)石墨礦石劈裂破壞過程中裂紋擴(kuò)展速度隨品位的升高呈下降趨勢(shì),其表面裂紋擴(kuò)展平均速度依次分別為 49.68、10.83、4.97、3.02 m/s。