楊曉琴,于艷梅,張傳達(dá),梁衛(wèi)國(guó),徐素國(guó),趙陽(yáng)升

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西太原 030024;2.太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030024)

溫度－濃度耦合作用下可溶巖鈣芒硝溶浸細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化

楊曉琴1,2,于艷梅1,2,張傳達(dá)1,2,梁衛(wèi)國(guó)1,2,徐素國(guó)1,2,趙陽(yáng)升1,2

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西太原 030024;2.太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030024)

巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)通常隨外部環(huán)境變化而逐漸發(fā)展演化,為了研究不同溶浸條件下鈣芒硝細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化的規(guī)律。通過(guò)對(duì)特殊的鈣芒硝可溶巖在不同溫度與濃度溶液中溶蝕過(guò)程進(jìn)行顯微CT觀測(cè),以孔隙率為表征參數(shù),研究了不同溫度、不同濃度鹽溶液中,4 mm×4 mm×9 mm長(zhǎng)方體試樣同一截面的孔隙結(jié)構(gòu)演化特征。試驗(yàn)結(jié)果表明,各種條件下鈣芒硝均由表及里進(jìn)行溶解,孔隙發(fā)展具有明顯的漸進(jìn)過(guò)程;3種濃度條件下,鈣芒硝在淡水中的溶浸速度及細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化最快,孔隙率隨時(shí)間呈線性規(guī)律急速增大。在常溫淡水溶液中溶浸48 h后,鈣芒硝的孔隙率較初始孔隙率增大近10倍,而在半飽和與飽和鹽溶液中僅增大1～2倍。不同溫度條件下,95℃溶液比常溫溶液作用下鈣芒硝孔隙率演化速率提高了4～5倍。溶浸作用下鈣芒硝可溶巖孔隙率演化存在顯著溫度與濃度效應(yīng)。

鈣芒硝;溶浸開(kāi)采;顯微CT;細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化;孔隙率

資源開(kāi)發(fā)工程、土木工程、環(huán)境工程中普遍存在溫度(Thermal)、流體(Hydrodynamic)、力學(xué)(Mechanical)、化學(xué)(Chemical)、相互耦合作用問(wèn)題[1－2],簡(jiǎn)稱(chēng)THMC耦合作用。工程問(wèn)題不同,在THMC耦合中起主導(dǎo)作用的因素也不相同。如在水利水電工程與地質(zhì)環(huán)境工程中,地下水滲流是決定流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)鍵因素[3－7];在核廢料處置工程中,巖體中由于輻射產(chǎn)生的溫度場(chǎng)是決定應(yīng)力場(chǎng)、圍巖變形破壞及廢物擴(kuò)散運(yùn)移的關(guān)鍵因素[8－11];而在利用溶浸法或驅(qū)替法進(jìn)行地下礦物或氣體開(kāi)采的資源開(kāi)發(fā)工程中,礦體孔隙結(jié)構(gòu)是決定溶浸液運(yùn)移、溶質(zhì)擴(kuò)散及固體應(yīng)力場(chǎng)改變的主要因素,而其中溶浸液的溫度對(duì)溶質(zhì)擴(kuò)散及固體變形也有重要影響[12－16]。因此,在不同的工程問(wèn)題中,THMC多場(chǎng)耦合作用研究必須抓住關(guān)鍵因素進(jìn)行分析。

對(duì)上述工程問(wèn)題中的THMC耦合研究,一般均從試驗(yàn)出發(fā),首先對(duì)應(yīng)力場(chǎng)－滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)－應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)－濃度場(chǎng)等兩場(chǎng)之間相互作用特性或規(guī)律進(jìn)行研究,獲得兩場(chǎng)間相互耦合作用的特征系數(shù);然后,采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行某一工程條件下的多物理場(chǎng)耦合作用分析。某2個(gè)物理場(chǎng)之間相互作用的機(jī)理、特性與規(guī)律對(duì)整個(gè)工程問(wèn)題的多場(chǎng)耦合作用分析至關(guān)重要。

以鈣芒硝為代表的部分可溶巖是地下地質(zhì)體中常見(jiàn)巖體,無(wú)論是采用溶浸法進(jìn)行地下礦產(chǎn)資源的開(kāi)采,還是地質(zhì)工程中地下水對(duì)可溶巖的浸蝕,均會(huì)不同程度引起巖體內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)改變,進(jìn)而影響其力學(xué)強(qiáng)度與變形特性。對(duì)于普通巖體在水或化學(xué)溶液溶浸作用下的物理力學(xué)特性變化已經(jīng)有過(guò)一些研究,如Bresser等[17]對(duì)Carrara大理巖研究表明,水能引起水力破裂,增進(jìn)其沿晶體晶界間的擴(kuò)散,還可能通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生不同于原始組成的新礦物,從而產(chǎn)生強(qiáng)度弱化。Masuda等[18]研究指出流體通過(guò)兩個(gè)效應(yīng)影響巖石強(qiáng)度,即力學(xué)效應(yīng)與物理化學(xué)效應(yīng),有效應(yīng)力降低會(huì)降低水力裂縫的強(qiáng)度,物理化學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致強(qiáng)度的時(shí)間依賴(lài)性。Nara等[19]對(duì)巖漿巖中次臨界裂紋增長(zhǎng)的濕度與溫度效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn),在相同溫度條件下,裂紋擴(kuò)展速度隨相對(duì)濕度的增大而明顯增大,微小裂紋尖端的毛細(xì)冷凝水蒸氣影響著裂紋的擴(kuò)展速率。Schenk等[20]研究指出,流體對(duì)石英、長(zhǎng)石、離子鹽、斜輝石等許多礦物的力學(xué)特性及微結(jié)構(gòu)演化有重要影響,主要通過(guò)影響點(diǎn)缺陷密度及其擴(kuò)散速率,從而改變其位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)。馮夏庭等[21]在自行研制的應(yīng)力－水流－化學(xué)耦合下巖石破裂全過(guò)程的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)上,對(duì)在NaCl溶液浸泡作用下的預(yù)制多裂紋灰?guī)r單軸壓縮過(guò)程中裂紋的起裂、發(fā)展及貫通破壞過(guò)程進(jìn)行了分析研究,發(fā)現(xiàn)由于化學(xué)溶液對(duì)試件產(chǎn)生的腐蝕及軟化作用,使得其強(qiáng)度降低。湯連生等[22]研究指出水化學(xué)損傷導(dǎo)致巖石的微觀成分的改變和原有微觀結(jié)構(gòu)的破壞,從而改變了巖石的應(yīng)力狀態(tài)和力學(xué)性質(zhì)。周翠英等[23]對(duì)華南地區(qū)粉沙質(zhì)泥巖與泥質(zhì)粉砂巖水軟化特性進(jìn)行了研究,并分析了其力學(xué)特性軟化微觀機(jī)制。上述研究成果均揭示了水或化學(xué)溶液對(duì)不同巖體強(qiáng)度的弱化特性。

在結(jié)構(gòu)演化導(dǎo)致力學(xué)損傷與特性弱化機(jī)制及模型研究方面,喬麗萍等[24]從微細(xì)觀層次上對(duì)砂巖水物理化學(xué)損傷機(jī)制進(jìn)行了研究。周輝等[25]由細(xì)觀統(tǒng)計(jì)滲流模型,得到巖石宏觀滲透系數(shù)。朱萬(wàn)成等[26]建立了巖石損傷過(guò)程中熱－流－力(THM)的耦合模型。陳益峰等[27]采用細(xì)觀力學(xué)方法,建立了熱－水－力(THM)耦合條件下低滲飽水結(jié)晶巖的各向異性損傷模型。

而針對(duì)代表性可溶巖鈣芒硝溶解特性方面,徐素國(guó)等[28－29]對(duì)鈣芒硝在不同PH的化學(xué)溶液中的溶解進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)鈣芒硝是一種強(qiáng)酸弱堿鹽,在NaOH溶液中溶解較快,而在HCl中基本不溶;對(duì)鈣芒硝巖鹽溶解的溫度效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn),鈣芒硝溶解速率隨溫度升高而減緩。但對(duì)于可溶巖鈣芒硝在溫度(T)與濃度(C)耦合溶浸作用下的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化,國(guó)內(nèi)外研究還較少。本文以鹽類(lèi)地質(zhì)礦床中常見(jiàn)的可溶性鈣芒硝礦為巖樣,借助先進(jìn)的顯微CT技術(shù),研究了3種不同溫度(18,65,95℃)與濃度(淡水、半飽和、飽和鹽溶液)組合條件下,其細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化的規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主要設(shè)備為μCT225kVFCB型高精度(μm級(jí))CT試驗(yàn)分析系統(tǒng)。CT試驗(yàn)分析系統(tǒng)主要由數(shù)字平板探測(cè)器、微焦點(diǎn)X光機(jī)、高精度的工作轉(zhuǎn)臺(tái)及夾具、采集分析系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)部分組成,如圖1所示。

該顯微CT試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)微焦點(diǎn)X光機(jī),采用微弱電流(僅0.01～3.00 mA),向掃描試件發(fā)出小錐束X光,進(jìn)行透射掃描,將透射掃描圖像投射至數(shù)字平板探測(cè)器顯示。微焦點(diǎn)X光機(jī)最小焦點(diǎn)尺寸為3 μm,焦距4.5 mm,最大功率為320 W。進(jìn)行小試件高倍數(shù)放大測(cè)試時(shí),僅采用20～30 W的小功率,以保證小焦點(diǎn)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種金屬及非金屬材料的三維CT掃描分析,放大倍數(shù)為1～400倍,巖石試件尺寸為?1～50 mm,掃描單元分辨率為0.194 mm/放大倍數(shù)。對(duì)放大400倍的試件而言,其掃描單元的尺寸為0.5 μm,即可以分辨0.5 μm的孔隙和裂隙。CT掃描的基本原理是X光穿透物質(zhì)的能力,掃描獲得CT圖片上,暗色表示物質(zhì)密度較低,亮色表示物質(zhì)密度較高;灰度片上,由黑到白變化,表示物質(zhì)密度由低到高變化。通過(guò)各個(gè)方向的掃描切片與單元分析,可以清楚看到巖石顆粒的形態(tài)分布以及孔隙裂隙的分布與連通情況。

圖1 μCT225kVFCB顯微CT試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Micro-CT experimental system μCT225KVFCB

1.2 試件及試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)所選巖樣為部分可溶的鈣芒硝礦,其主要成分為Na2SO4·CaSO4(75%),其余成分為伊利石(6%)、綠泥石(5%)、石英(4%)、云母(4%)、蒙脫石(2%)。為觀測(cè)其細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化,將其加工成小尺寸(4 mm×4 mm×9 mm)試件,根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行不同環(huán)境溶液不等時(shí)的溶浸,觀測(cè)并比較不同條件下該可溶巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征與規(guī)律。

試驗(yàn)時(shí),先對(duì)自然狀態(tài)下的試樣進(jìn)行CT掃描。然后將其完全溶浸于18,65,95℃三種不同溫度淡水、半飽和與飽和鹽溶液中。智能控制的水浴恒溫裝置保障試件溶浸的溫度環(huán)境。根據(jù)不同溶浸環(huán)境下試件外觀的發(fā)展變化,每隔一定時(shí)間通過(guò)顯微CT試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的掃描,掃描放大倍數(shù)為61倍。為保障試件掃描前后結(jié)果的可比性,選擇試樣中部同一部位進(jìn)行定位掃描,并對(duì)其細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行分析對(duì)比。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化顯微CT分析

圖2,3為在18℃與95℃兩個(gè)溫度條件下,3種不同濃度溶液中鈣芒硝細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化顯微CT圖。

圖2 18℃不同溶液中鈣芒硝細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化顯微CT圖Fig.2 The micro-structure of glauberite dissolved in different solution at 18℃

圖3 95℃不同溶液中鈣芒硝細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化顯微CT圖Fig.3 The microstructure of glauberite dissolved in different solution at 95℃

由圖2,3可見(jiàn),在不同濃度溶液中,鈣芒硝細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化有著顯著差別。在淡水溶液中,不論溫度多高,鈣芒硝都能夠由表及里逐漸溶解,孔隙發(fā)展存在明顯的漸進(jìn)過(guò)程,其機(jī)理即為已知的溶解－滲透互進(jìn)作用機(jī)理。在18℃條件下,經(jīng)過(guò)48 h溶浸作用,鈣芒硝試件由表及里全部溶蝕連通;而在95℃的淡水溶液中,相同尺寸的鈣芒硝試件表里溶通僅花費(fèi)10 h。

在半飽和與飽和鹽溶液中,由表及里溶解滲透交互作用過(guò)程相同,但其溶浸速度及細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化過(guò)程均變得十分緩慢。以至于部分試件由于溶浸時(shí)間過(guò)長(zhǎng),黏聚力散失而致局部脫落,如圖2(b),(c),3(b)所示。在溶液溫度為95℃條件下,在半飽和與飽和鹽溶液中,即使溶浸速度緩慢,但由于溫度作用,試件內(nèi)部出現(xiàn)顯著的熱破裂裂隙(圖3(b),(c)),該裂隙為內(nèi)部鈣芒硝溶浸提供了通道。

2.2 孔隙率與等效孔隙直徑

孔隙率是指多孔介質(zhì)橫斷面內(nèi)的微小空隙的總面積與該斷面的總面積的比值。本文利用自編的CT圖像分析軟件,對(duì)測(cè)試鈣芒硝試件的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化灰度圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,獲得不同條件下的孔隙率統(tǒng)計(jì)值與孔隙直徑。

表1為不同溶浸條件下,鈣芒硝孔隙率及等效孔隙直徑隨溶浸時(shí)間演化結(jié)果。

表1 不同條件下鈣芒硝孔隙率與孔隙直徑Table 1 The porosity andpore diameter of glauberite

由表1可見(jiàn),在不同溫度與濃度條件下,鈣芒硝在溶液溶浸作用下的孔隙率存在顯著差異。以常溫(18℃)條件為例,在孔隙率均為1.1%～1.8%的初始條件下,淡水溶液中溶浸48 h,孔隙率達(dá)到16.62%,較初始孔隙率增大近10倍;而在半飽和與飽和鹽溶液中,孔隙率僅為3.21%和1.85%,較初始孔隙率增大僅1～2倍。突出表現(xiàn)為溶液濃度對(duì)鈣芒硝孔隙演化的抑制作用,濃度越高抑制作用越明顯。

由表1結(jié)果可見(jiàn),在相同的淡水溶液中,常溫下鈣芒硝孔隙率達(dá)到16.62%需要48 h;當(dāng)溫度升至65℃時(shí),23 h溶浸鈣芒硝孔隙率則達(dá)17.89%;而繼續(xù)升溫至95℃,溶浸10 h鈣芒硝孔隙率即達(dá)18.09%?？梢?jiàn),溫度對(duì)鈣芒硝溶解及孔隙結(jié)構(gòu)演化起重要促進(jìn)作用,提高溫度可大大縮短鈣芒硝的有效溶解時(shí)間。

在孔隙率隨溶液溫度與濃度變化的同時(shí),表征孔隙結(jié)構(gòu)特征的孔隙直徑也發(fā)生相應(yīng)變化。如在18℃淡水溶液中,鈣芒硝原生孔隙等效直徑約為0.078 49 mm,此時(shí)相應(yīng)孔隙率僅為1.86%;而在溶浸48 h后,等效孔隙直徑增大至0.223 78 mm,孔隙率增大至16.62%。在95℃淡水溶液中,溶浸10 h后,鈣芒硝等效孔隙直徑由初始0.071 59 mm增至0.231 90 mm,增大2.2倍。由溶解所致的孔隙直徑增大直接導(dǎo)致了鈣芒硝孔隙率的增大?？梢?jiàn),孔隙率演化與孔隙結(jié)構(gòu)(孔徑表征)演化密切相關(guān)。

2.3 溶液濃度對(duì)孔隙演化影響

圖4為3種不同溫度溶液環(huán)境中,鈣芒硝孔隙率隨溶浸時(shí)間變化趨勢(shì)線。每一溫度條件下,均有3組不同濃度條件下的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可見(jiàn),無(wú)論在何種溫度條件下,溶液濃度對(duì)鈣芒硝孔隙發(fā)展演化的影響均有一致性,在淡水溶液中,鈣芒硝孔隙發(fā)展很快,孔隙率隨時(shí)間呈近似線性規(guī)律。而在半飽和與飽和鹽溶液中,孔隙率增長(zhǎng)則比較緩慢。溶浸相同時(shí)間,淡水溶液中鈣芒硝的孔隙率為半飽和與飽和鹽溶液中鈣芒硝孔隙率的5～10倍以上。不同溶浸液中,鈣芒硝孔隙增長(zhǎng)速率存在數(shù)量級(jí)差別,在淡水溶液中,鈣芒硝孔隙率增長(zhǎng)速率在0.3%/h～1.8%/h;而在半飽和溶液中,僅為0.01%/h～0.1%/h;在飽和鹽溶液中,低至0.003%/h～0.03%/h。

2.4 溶液溫度對(duì)孔隙演化影響

圖5為3種不同濃度鹽溶液中,鈣芒硝孔隙率隨溶浸時(shí)間變化曲線。由圖可見(jiàn),在不同濃度的鹽溶液中,溫度對(duì)鈣芒硝孔隙率演化的影響不同,主要體現(xiàn)在不同溫度條件下孔隙率演化趨勢(shì)線斜率不同。在淡水與飽和鹽溶液中,孔隙率演化趨勢(shì)線斜率均隨溫度升高而增長(zhǎng);但在半飽鹽溶液中,65℃條件下鈣芒硝孔隙率演化速度低于常溫條件。此結(jié)果體現(xiàn)了溫度與濃度耦合作用下,鈣芒硝溶浸過(guò)程中孔隙結(jié)構(gòu)演化的差異性。溫度升高加速礦物溶解的同時(shí),還可能產(chǎn)生礦物結(jié)構(gòu)熱破裂,而濃度增加則抑制礦物的快速溶解。因此,溫度與濃度耦合作用并不一定總是促進(jìn)孔隙結(jié)構(gòu)演化,取決于耦合條件。這一點(diǎn)還有待深入研究。

圖4 不同溫度溶液中鈣芒硝孔隙率隨溶浸時(shí)間變化曲線Fig.4 The rule porosity of galuberite changing with time at different temperature

圖5 不同濃度溶液中鈣芒硝孔隙率隨溶浸時(shí)間變化曲線Fig.5 The rule porosity of galuberite dissolved in different concentration changing with time

為便于規(guī)律分析,本文對(duì)有限試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了近似擬合分析。表2為本次試驗(yàn)3種濃度環(huán)境中,18, 65與95℃三種不同溫度作用下鈣芒硝孔隙率隨時(shí)間演化線性近似方程。

表2 不同條件下鈣芒硝孔隙率隨時(shí)間演化擬合方程Table 2 Regressed equations of glauberite porosity with time under different situations

由表2可見(jiàn),在每一種濃度環(huán)境中,3種溫度條件下,鈣芒硝孔隙率演化擬合線性方程的斜率相差高達(dá)數(shù)倍。與常溫條件相比,65℃下曲線斜率提高約1倍,95℃下提高4～5倍。這意味著,在95℃條件下孔隙率演化速率是常溫條件下的5～6倍,溫度對(duì)鈣芒硝孔隙演化有顯著影響。由于試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)有限,本線性擬合方程僅用于本試驗(yàn)條件下結(jié)果分析。

3 分析與討論

不同于普通巖體在水溶液溶浸作用下,礦物顆粒聯(lián)結(jié)被削弱或礦物晶格被腐蝕等水弱化機(jī)理[22],可溶巖在水溶液或化學(xué)溶液作用下,礦物顆粒的化學(xué)反應(yīng)溶解導(dǎo)致的孔隙度增大及長(zhǎng)時(shí)間浸泡的內(nèi)聚力降低是可溶巖強(qiáng)度弱化的主要機(jī)理。這一溶解作用,在導(dǎo)致巖石微觀成分改變的同時(shí),也改變了其原有的微觀結(jié)構(gòu),當(dāng)然微觀結(jié)構(gòu)的改變與礦物組成成分及膠結(jié)物成分有密切關(guān)系[23]。另外,喬麗萍等[24]對(duì)砂巖的研究指出,巖石在水化學(xué)溶液溶浸作用下的物理化學(xué)損傷還受溶液特性的重要影響,如溶液成分、離子濃度、PH值等。

對(duì)于非可溶巖,在溫度與濕度耦合作用下,溫度的作用主要是產(chǎn)生熱破裂,或影響點(diǎn)缺陷密度的擴(kuò)散速率[21]。但在可溶巖體中,如圖3所示,除產(chǎn)生熱破裂外,溫度還會(huì)影響可溶礦物的溶解速率與溶解礦物的結(jié)晶析出,從而改變孔裂隙的發(fā)展演化速率。

在地下水長(zhǎng)期溶浸作用下,地質(zhì)系統(tǒng)中可溶巖層必然被溶蝕而發(fā)生物理力學(xué)特性的改變,如孔裂隙發(fā)育程度增大,地層滲透率提高,地下水流通過(guò)能力增強(qiáng)。不論與淺部地表水系或深部地下水系貫通,均會(huì)改變地下水系礦物質(zhì)成分。當(dāng)與地下污染源連通時(shí),會(huì)加大污染物的擴(kuò)散傳輸范圍,造成地下地質(zhì)環(huán)境污染。因此,從地下地質(zhì)環(huán)境保護(hù)角度出發(fā),應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水或化學(xué)溶浸液在地下運(yùn)移的控制。

本試驗(yàn)主要研究了在熱液(淡水、半飽和鹽溶液、飽和鹽溶液)溶浸作用下,鈣芒硝細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征與規(guī)律,揭示了鈣芒硝可溶性巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化及滲透性改變的溶液溫度與濃度效應(yīng),對(duì)地下一定深度可溶性巖層的地下水或鹽溶液浸蝕作用下的物理變化有了初步認(rèn)識(shí)。另外,課題組對(duì)鈣芒硝在含不同濃度Na+,Cl－及Ca2+的鈣性鹵水中的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)溶解進(jìn)行了研究[30]。由于鈣芒硝中Na2SO4易溶,主要對(duì)溶液中Na2SO4濃度進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,Na2SO4濃度變化與Cl－濃度成反比。

需要說(shuō)明的是,由于本次試驗(yàn)尺度小(mm級(jí)),取樣時(shí)盡量避開(kāi)了泥質(zhì)部分,所以本試驗(yàn)結(jié)果更多體現(xiàn)出鈣芒硝晶體的溶解特征。其次,進(jìn)行地質(zhì)系統(tǒng)中可溶巖礦在溶浸作用下的物理力學(xué)特性變化試驗(yàn)時(shí),還需要研制專(zhuān)門(mén)儀器設(shè)備,研究其THMC四場(chǎng)耦合作用。

4 結(jié) 論

(1)在不同溶液溶浸作用下,鈣芒硝可溶巖由表及里逐漸溶解,孔隙發(fā)展存在明顯的漸進(jìn)過(guò)程。但細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特征表明在不同溶液中這一漸進(jìn)過(guò)程存在明顯差別。相比較于淡水溶液中的快速演化,在半飽和與飽和鹽溶液中,其溶浸速度及細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化均十分緩慢,以至于表層局部失去黏結(jié)力而脫落。

(2)在溶浸作用下,可溶巖孔隙率存在顯著溫度與濃度效應(yīng)。在常溫淡水溶液中,48 h溶浸孔隙率可達(dá)16.62%,較初始孔隙率增大近10倍;而在半飽和與飽和鹽溶液中,孔隙率僅為3.21%和1.85%,較初始孔隙率僅增大1～2倍。與常溫條件相比,95℃條件下可溶巖孔隙率演化速率可提高4～5倍。

(3)物理上的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化是材料宏觀力學(xué)特性變化的根本原因所在,要揭示材料在不同環(huán)境條件下的力學(xué)特性變化趨勢(shì)與規(guī)律,必須借助先進(jìn)的CT等顯微技術(shù),進(jìn)行材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化研究,從而為減少工程材料強(qiáng)度損傷與提高工程安全穩(wěn)定性提供細(xì)致而堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

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Micro-structural development of glauberite under temperature and concentration coupling effect

YANG Xiao-qin1,2,YU Yan-mei1,2,ZHANG Chuan-da1,2,LIANG Wei-guo1,2,XU Su-guo1,2,ZHAO Yang-sheng1,2

(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Key Laboratory of In-situ Property-improving Mining of Ministry of Education,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

Rock micro-structure always developed with changing of external circumstances.To investigate the microstructure the micro-structure development of glauberite under different solutions,serried of experiments were performed with cuboid glauberite specimens in size of 4 mm×4 mm×9 mm,the micro-structure development of the specimens were tested and recorded through a micro-CT system μCT225kVFCB.Through statistic analysis,some characteristics of porosity and pore diameter of glauberite were discovered with concentration and temperature changing of the solutions.The results show that the mineral dissolution of the specimens develops slowly from the outside to the inside,and it is the typical mutual acceleration of dissolution and seepage process.After 48 hours,the porosity of glauberite dissolved in fresh water at RT is almost as tenfold as that of original specimen.However,the porosity of glauberite dissolved in half-saturated and saturated saline solutions only increases one to two times as the original.With solution temperature increasing,the porosity increase rate of glauberite in 95℃solution is improved by 4 to 5 times than room temperature.Temperature and concentration play a significant role on the porosity development of glauberite.

glauberite;solution mining;micro-CT;micro-structure development;porosity

TD315

A

0253－9993(2014)03－0460－07

楊曉琴,于艷梅,張傳達(dá),等.溫度－濃度耦合作用下可溶巖鈣芒硝溶浸細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(3):460－466.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1881

Yang Xiaoqin,Yu Yanmei,Zhang Chuanda,et al.Micro-structural development of glauberite under temperature and concentration coupling effect[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):460－466.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1881

2013－02－21 責(zé)任編輯:常 琛

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51225404);全國(guó)優(yōu)秀博士論文專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(200959);太原理工大學(xué)引進(jìn)人才基金項(xiàng)目(tyut－rc201336a)

楊曉琴(1978—),女,甘肅會(huì)寧人,講師,博士研究生。E－mail:yangxiaoqin@tyut.edu.cn。通訊作者:梁衛(wèi)國(guó)(1972—),男,山西盂縣人,教授,博士生導(dǎo)師。E－mail:liangweiguo@tyut.edu.cn