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        不同耦合狀態(tài)下破碎礦體的波速影響因素研究

        2019-12-26 09:24:14馬肖彤馬占武何妍亭
        世界有色金屬 2019年20期

        陸 華,馬肖彤,馬占武,何妍亭

        (北方民族大學土木工程學院,寧夏 銀川 750021)

        破碎礦體不是單一連續(xù)的介質(zhì),在不同礦體中存在著孔隙、裂隙、氣體及液體等,因此在實際工程中,應將礦石作為耦合體進行研究,大量存在于破碎礦體中的液飽和礦石為地質(zhì)礦物中的一種主要耦合形式的礦體,必須考慮液體對礦石的物理參數(shù)和彈性波特性的影響。國內(nèi)外眾多學者對礦體波速的影響關系進行了研究。

        Tosaya等[1]就以不同孔隙率和黏土含量的破碎礦物樣品為研究對象,研究了縱波波速與其的相互關系。Khaksar等[2]研究了礦體的橫波、縱波速度與孔隙度之間的相關關系。劉新榮等人[3]對總結了前人研究成果,得到了含水率與礦石強度之間的關系,無論是抗壓強度還是抗拉強度均與含水率呈負相關關系。還有學者研究得到有些礦石的強度與實驗條件相關,如在物理變化條件下礦石的強度一般可以恢復,而在化學過程中時礦石的強度的一般是不可逆的[3-6]。張玲[7]等研究了泥巖孔隙度與縱橫波速度等參數(shù)的變化規(guī)律。一些學者開展了礦藏工程方面的地質(zhì)力學問題研究[8-12],取得了一些成果。

        因此本文利用RSM-SY5超聲波測試儀對耦合前后的破碎礦體進行聲波測試,探討不同耦合狀態(tài)(氣固、水固)下的礦體的聲波影響因素,為在井下能源開采、可燃氣體抽放等工程領域提供一定的參考依據(jù)。

        1 地質(zhì)礦物試樣的選取和制作

        本次試驗采用孔隙率較大的破碎礦物,礦物樣本取自某開挖工程的施工現(xiàn)場,由于礦石自身的離散型,我們對大塊紅破碎礦體樣本后,用取芯鉆機在外觀較相對完整均質(zhì)的地方取芯,直徑50mm,經(jīng)切割、端面打磨制成長度L=100mm,直徑的標準試件,根據(jù)實驗規(guī)定[13]測定礦物樣品的孔隙率,考慮到礦石自身的離散型較大,因此我們將外形完整,孔隙率相近的礦石作為一組進行耦合試樣的制作,分別制成氣固體礦石、流固體礦石,并在加工前測試試件的縱波波速。為得到較為準確的飽水狀態(tài)下的砂巖試件,我們對礦石進行了反復的飽水和曬干實驗,直至前后重量差不超過0.05g為止,流固耦合加工方法與水固相同,只是耦合介質(zhì)為流體,由于流固礦石達到飽和狀態(tài)的時間比水飽和狀態(tài)要長,約需一個月,為了保證礦石的飽和狀態(tài),在試件加工完成后,我們將樣品浸泡在耦合介質(zhì)中直至進行SHPB撞擊試驗的時候。

        2 實驗方法簡介

        采用RSM-SY5超聲波測試儀,對耦合破碎礦體進行聲波測試,其工作原理為用人工測試手段從礦物結構及多孔礦物介質(zhì)中激發(fā)限制頻率的彈性波,彈性波呈現(xiàn)出的波形信號通過礦物介質(zhì)傳播,超聲波測試儀將進行測試,將得出測試結果進行記錄,分析破碎礦體超聲速度、損傷情況、破壞程度之間的關系,進而確定礦體的動態(tài)損傷程度。

        3 破碎礦體波速影響因素分析研究

        3.1 孔隙率(礦物密度)對縱波波速的影響研究

        本文對氣固狀態(tài)下不同孔隙率和密度的紅砂巖進行了超聲波檢測,部分試件結果如下:

        圖1和圖2分別為孔隙率和密度與波速的關系圖。

        圖1 孔隙率與波速關系圖

        圖2 密度與波速關系圖

        從破碎礦體孔隙率與波速關系圖可以看出,破碎礦體的縱波速度主要受孔隙率的影響,孔隙率增大聲波波速值增加,呈正比例關系,但從圖1中我們可以發(fā)現(xiàn)零星的離散點,導致這一情況發(fā)生的根本原因為所測試的破碎礦體樣本的內(nèi)部存在大的裂隙,文獻14通過實驗分析得出破碎礦體內(nèi)部受風化情況與裂隙程度有一定關聯(lián),受孔隙率的影響較少,礦物密度與縱波波速呈正比例關系,從圖1可以分析出,孔隙率大于百分之九時,縱波波速出現(xiàn)下降趨勢。

        從密度與波速關系圖可以看出,礦物密度與縱波波速呈正相關性。

        從圖2可以得出,礦石密度越大,縱波波速越高,當?shù)V石密度小于1.85g/cm3時,破碎礦體的縱波波速呈集聚下降趨勢,測試的礦物樣品孔隙率達到百分之八以上,當?shù)V石密度超過1.85g/cm3時,破碎礦體的縱波波速趨于平緩,從實驗結果分析得出大孔隙破碎礦物的孔隙超出極限值時,破碎礦體的縱波波速受孔隙、裂隙的影響較大,破碎礦內(nèi)部損傷嚴重。

        3.2 耦合介質(zhì)對礦石波速的影響研究

        非均勻性是礦石主要特征,大量的細微裂隙與孔隙存在礦體之中,在工程施工中,耦合介質(zhì)多賦存在礦層之中,多為多孔飽和的流體混合物。礦石在堆浸飽和狀態(tài)下,礦井水浸入微裂隙與孔隙中,破碎礦體的力學特征被改變。此次研究通過破碎礦體在不同介質(zhì)環(huán)境下,超聲波波速的變化對比情況來分析礦物力學性質(zhì)所受影響。礦石的超聲波波速比對可用下式計算:

        式中VaP為氣固狀態(tài)下破碎礦體縱波波速,Vp為水或油耦合后破碎礦體試件的縱波速度。表1為不同孔隙率破碎礦體分別在不同飽和介質(zhì)中的縱波波速。

        表1 耦合前后破碎礦物縱波波速的對比

        由上表可以看出,水對破碎礦體縱波波速的影響不是很大,部分試件波速稍有下降,但幅度不大,并且本次試驗中波速升降與孔隙率的變化無明顯的規(guī)律性。

        而對于油固介質(zhì)狀態(tài)的礦體,從試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),油對試樣縱波波速的影響是比較大的,最大增幅為46.3%,平均增幅為33%。

        出現(xiàn)這種情況主要與波的傳播有關,彈性波在礦體中傳播時,遇到裂隙,則視填充物而異。若裂隙中充填物為孔隙,則彈性波不能通過,而是繞過裂隙斷點傳播。在裂隙充水的情況下,彈性波有5%可以通過,若充填物為其他液體或固體物質(zhì),則彈性波可部分或完全通過。因此對于油固介質(zhì)飽和的破碎礦體而言,彈性波基本處于連續(xù)傳播狀態(tài),因此波速大于氣固和水固狀態(tài)下的礦體,并且隨著孔隙率的增大其增幅也呈增大的趨勢。

        4 結論

        利用超聲波儀對試件做了測試,研究了孔隙率和密度、耦合介質(zhì)對破碎礦體試樣的影響分析,結果如下:

        (1)孔隙率與縱波波速呈負相關關系,但是當孔隙率大于9%,波速下降較為明顯。同時縱波波速與密度呈正相關關系。

        (2)油性介質(zhì)的可壓縮性造成對礦體波速的影響遠大于水對礦體波速的影響,油固耦合紅砂巖的縱波波速與孔隙率基本呈正相關關系。

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