吳鴻云，高宇清，陳 爭

(長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012)

0 引言

富鈷結(jié)殼，即生長在海底巖石或巖屑表面的皮殼狀鐵錳氧化物和氫氧化物，富含鈷、鎳、鋅、鉛、鈰、鉑等金屬，主要產(chǎn)在水深800～3000 m的海山和海臺頂部和斜面上，在太平洋天皇海嶺、中太平洋海山群、馬紹爾群島海嶺、夏威夷海嶺、麥哲倫海山、吉爾伯特海嶺、萊恩群島海嶺、馬克薩斯海臺等地都有發(fā)現(xiàn)。據(jù)估計，大約635萬km2的海底為富鈷結(jié)殼所覆蓋，鈷的推算總量約為10億t［1-2］。

近幾十年來，美、德、日、俄等發(fā)達國家在鈷結(jié)殼資源的勘查、開采、冶煉加工等技術(shù)研究上投入了巨資，中國、韓國等少數(shù)發(fā)展中國家近十年來也積極開展了鈷結(jié)殼開采技術(shù)等方面的研究工作，已取得較大進展［3-9］。2012年7月27日，中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會率先向國際海底管理局提交了一份請求核準“區(qū)域”內(nèi)富鈷結(jié)殼勘探工作計劃的申請書，所申請的礦區(qū)于2013年2月初步通過國際海底管理局法律技術(shù)委員會的審核，待2013年7月召開的國際海底管理局第19屆會議期間核準通過［10］。一旦核準通過，我國可在未來實施富鈷結(jié)殼的商業(yè)開采。因而，詳細了解大洋富鈷結(jié)殼礦床的賦存特性，掌握富鈷結(jié)殼抗剪強度等力學(xué)特性，對富鈷結(jié)殼采礦機設(shè)計具有重要意義。

本文通過對我國大洋航次調(diào)查獲取的富鈷結(jié)殼樣品進行室內(nèi)的抗剪試驗，獲取樣品的抗剪強度，建立其剪應(yīng)力和正應(yīng)力關(guān)系，推導(dǎo)內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，為富鈷結(jié)殼采礦機的采礦頭設(shè)計提供參數(shù)。

1 試驗樣品的抗剪試驗

1.1 抗剪強度試驗原理

巖石的剪切強度［11］是巖石抵抗剪應(yīng)力破壞的最大能力，巖石的抗剪斷強度與法向應(yīng)力近似服從于庫倫定律，即:

試驗采用變角板剪切法測定富鈷結(jié)殼試樣的剪切強度。變角板剪切法是利用壓力機施加垂直荷載，通過一套特制的夾具使試樣沿某一剪切面產(chǎn)生剪切破壞，然后通過靜力平衡條件解析剪切面上的法向壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，從而繪制法向壓應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ之間的關(guān)系曲線，求巖石的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ。

1.2 試驗儀器

試驗采用的試驗機為YAD－2000型微機控制電液伺服巖石壓力試驗機，采用的變角板夾具為可調(diào)角度夾具(見圖1)，α角一般取40°～70°，每10°為一個間隔，即每組試驗取的為 40°、50°、60°、70°。

1.3 試驗步驟

(1)制備標準巖塊。試樣尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的立方體，誤差小于5%，試樣各端面平行，見圖2。

(2)試驗尺寸測量。測量預(yù)定剪切面的邊長，求出剪切面積。

(3)安裝試樣。將變角板剪切夾具用繩子拴在壓力機承壓板剪，注意使夾具的中心與壓力機的中心線重合。

圖1 試驗機與夾具

圖2 試樣樣品

(4)加載。本次試驗采用的是位移控制，加載速率為0.1 mm/min，加載直至試驗破壞，記錄最大載荷P。

(5)重復(fù)試驗。本次試驗每組的變角為50°、60°、70°。

2 試驗數(shù)據(jù)整理

2.1 計算公式

試樣剪切面的剪應(yīng)力和正應(yīng)力按下式計算:

式中，τ為剪應(yīng)力，MPa;σ為正應(yīng)力，MPa;P為試樣破壞的載荷，N;A為試驗剪切面面積，mm2;α為試樣放置角度(變角板角度)，°;f為滾軸摩擦系數(shù)，f=1/nd，n為滾軸根數(shù)，d為滾軸直徑，mm，本次試驗f忽略不計。

2.2 試驗結(jié)果

求出每個試樣試驗的剪應(yīng)力和正應(yīng)力，以剪應(yīng)力為縱坐標，正應(yīng)力為橫坐標，將各組中每一個試樣的剪應(yīng)力和正應(yīng)力標在σ－τ坐標系中，按線性擬合，獲得試樣的內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ，如圖3所示。

圖3 τ—σ關(guān)系曲線

每組試樣的τ剪應(yīng)力、σ正應(yīng)力、內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ，見表1。

表1 抗剪實驗數(shù)據(jù)

圖4 試樣的τ—σ關(guān)系擬合曲線

富鈷結(jié)殼試樣的抗剪強度與法向應(yīng)力近似服從庫侖定律，如圖4所示，其經(jīng)驗公式為:

由式(3)得出富鈷結(jié)殼相關(guān)力學(xué)參數(shù)為:內(nèi)聚力 C 為0.275 MPa，內(nèi)摩擦系數(shù) tanφ 為 1.398，內(nèi)摩擦角 φ 為54.43°。

3 結(jié)論

(1)四塊富鈷結(jié)殼試樣的抗剪強度與法向應(yīng)力近視服從庫侖定律，可由τ=1.398σ+0.275表達，其內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為0.275 MPa和54.43°。

(2)本次試驗是以我國大洋航次調(diào)查富鈷結(jié)殼樣品為試樣，該樣品經(jīng)過長久的實驗室儲存和轉(zhuǎn)運，干燥無水，其力學(xué)性能較現(xiàn)場測試失真，受樣品數(shù)量限制，未作更多的測試，應(yīng)進行多次現(xiàn)場實測，取得大量數(shù)據(jù)，以修正和完善所提出的經(jīng)驗公式。

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［10］中國西太平洋富鈷結(jié)殼礦區(qū)勘探申請獲初步通過［EB/OL］.中央政府門戶網(wǎng)站.www.gov.cn.2013 年02 月09 日.

［11］ZHAO Ming－ hua.Siol mechanics andFoundation Engineering［M］.Wuhan:Press of Wuhan University of Technology，2000:91-92.