葉海旺 余夢豪 雷 濤 王其洲 嚴立德 李興旺 李 寧 王炯輝 高玉文

(1.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院,湖北武漢430070;2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430070;3.五礦勘查開發(fā)有限公司,北京 100044)

晶質石墨是21世紀最具有開發(fā)前景的非金屬新礦產材料之一[1],其結構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,經濟價值越高,有效避免鱗片被破壞是石墨礦山生產中的重中之重。巖石抗拉強度是表征其強度特性的重要參數之一,遠小于巖石的抗壓強度。在開采過程中,巖石破壞主要取決于其抗拉強度。同時,由于礦石品位不同,其礦物成分占比不盡相同,導致不同品位的礦石力學性質有較大差異。因此,開展不同品位晶質石墨礦石抗拉力學特性研究,對石墨礦山生產具有深遠的理論意義和實用價值。

目前,國內外學者對巖石在受拉作用下的力學性質和破壞機制進行了大量研究,并取得了顯著成果。在室內試驗過程中,主要通過直接拉伸和劈裂法測試巖石抗拉強度[2],直接拉伸法由于試驗技術復雜且試件加工精度要求較高應用不是很廣泛。而作為一種典型的間接拉伸測試方法,巴西劈裂法由于操作簡單快速、試驗成本低等特點被國內外學者廣泛采用。同時,為了減小加載過程中試件端面應力集中對試驗結果的影響,部分學者對其進行了改進,如增設平臺[3]、增加圓孔[4-5]、增加平臺及圓孔[6]。國內外學者對不同類型巖石進行了抗拉特性研究。王啟智等[7]對大理巖進行平臺巴西劈裂壓縮試驗,確定了大理巖的彈性模量、拉伸強度和張開型斷裂韌度。方新宇等[8]從損傷力學的角度出發(fā)對高溫處理后的花崗巖試樣進行巴西圓盤劈裂試驗,研究花崗巖在拉伸破壞條件下的熱損傷特性并推導出與其相關的熱—力耦合本構模型。Dan等[9]通過對具有各向異性的片麻巖進行巴西劈裂試驗,研究了加載方向對層狀巖體劈裂破壞特征的影響,指出加載方向對試件破壞形式的影響更明顯。宮鳳強等[10]對紅砂巖開展一次加卸載巴西劈裂試驗,從能量角度分析了巖石張拉破壞過程中的儲能和耗能規(guī)律。朱思塵等[11]對干燥和飽水狀態(tài)下含不同層理角度的板巖進行巴西劈裂試驗,研究其能量特征,得出峰值能率與抗拉強度和層理角度呈線性關系。楊志良等[12]對不同沉積年代的弱膠結砂質泥巖進行巴西圓盤劈裂試驗,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、砂巖在受拉應力環(huán)境中的力學行為特征。

從上述研究可知,學者們在巖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,而在實際采礦過程中,因品位變化而導致礦石力學行為差異卻是常見的[14]。本研究針對不同品位的晶質石墨礦石開展室內巴西劈裂試驗,重點分析不同品位的晶質石墨礦石在拉應力作用下的強度特征,能量吸收特征和破壞特征,可為石墨礦山針對品位變化采用更有效的采礦方法和支護方案提供參考依據。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

試驗所用試樣均取自黑龍江省蘿北云山石墨礦。對其進行巖性磨片鑒定分析,結果顯示礦石中主要礦物成分為石墨、石英、斜長石、云母、金屬硫化物。其中石英平均含量30%～50%,最多達到80%。斜長石平均含量30%～45%,定向或半定向分布在礦石中。巖樣采集后,按照國際巖石力學試驗規(guī)程要求進行鉆芯、切割、打磨、平整得到φ50 mm×25 mm標準試樣,如圖1所示。加工完成后,取同一巖塊上隨機3個試件進行破碎、研磨、酸浸、干燥等操作,測量其平均品位,見表1。

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

1.2 試驗方案

本次試驗所采用的加載設備為TAW-2000高溫高壓巖石三軸壓力試驗平臺,最大試驗力為2 000 kN,軸向變形范圍為0～5 mm,采用ISRM標準圓弧劈裂法將試件放置在加載圓弧半徑為37.5 mm的ISRM標準夾具中,負荷控制加載,加載速率為0.05 kN/s;同時在加載過程中采用高速攝像機記錄試樣破壞瞬時照片,高速攝影機為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中品位對晶質石墨力學性質的影響,本試驗根據品位分級開展了4組試驗,平均品位分別為3.28%、8.24%、13.41%、19.11%。為了避免試驗結果的偶然性,對試樣進行縱波聲波測試,選取品位和波速相近的3個試件作為同一組。其物理參數見表1。

表1 不同品位晶質石墨礦石力學參數及累計吸能Table 1 Mechanical parameters and cumulative energy absorption of crystalline graphite ore with different grade

2 試驗結果與討論

2.1 品位對晶質石墨礦石力學特性的影響

對4組晶質石墨試樣分別進行巴西劈裂試驗,記錄實驗數據,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。根據曲線可以將其加載過程分為4個階段: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,此時隨著載荷增大,變形相對快速增加,因此位移隨著載荷增大而非線性增加。原生缺陷閉合后,試樣進入彈性階段,此時位移與載荷呈線性關系。繼續(xù)加載,試樣中產生新的微裂紋,隨著載荷增大,微裂紋不斷發(fā)育,此時曲線斜率減小,位移增長速率變快。最后載荷增加到巖石強度極限,試件產生宏觀裂紋,曲線跌落。

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

從不同品位晶質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,初始壓密階段所產生的變形量逐漸減小,占整個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,這些微缺陷相對減少,礦石越致密,在加載過程中壓密階段所占比例就會逐漸降低。

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

式中,Rt為試樣抗拉強度,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)中分別計算各個品位的抗拉強度,并將其繪制于圖3,其擬合關系式為

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

式中,x為晶質石墨礦石品位,%。

式(2)相關系數R2為0.996 4,具有較強的相關性。其中,平均品位3.28%試樣的平均抗拉強度值最大為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%的平均抗拉強度最小為4.69 MPa?？梢钥闯?晶質石墨的抗拉強度隨礦石品位的增大而逐漸減小。這是由于晶質石墨礦石中含有石英、斜長石等高強度脈石礦物。通過磨片分析,其中石英含量30%～50%,有的甚至高達80%左右,斜長石含量30%～45%,礦石品位越低,其脈石礦物含量越高,抗拉強度也相對較大。

2.2 不同品位晶質石墨礦石能量吸收特征分析

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

式中,F為試樣所受的載荷值,N;u為載荷值為F時所對應的位移,mm;u2為加載至試樣破壞峰值載荷所對應的豎向位移,mm。

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

式中,V為試件體積,mm3。

不同品位晶質石墨礦石總吸收能量及單位體積累計吸能見表1。圖4為晶質石墨抗拉強度和單位體積吸收能的關系圖。

圖4 抗拉強度與單位體積累計吸收能關系Fig.4 Relationship between tensile strength and accumulated absorbed energy per unit volume

從圖4中可知晶質石墨抗拉強度與單位體積累計吸收能呈正相關關系,其擬合曲線關系式為

R2為0.971 0,具有較好的相關性。隨著晶質石墨礦石品位的增大,其單位體積累計吸收能不斷減小。這是因為隨著礦石品位的增大,石英等脈石礦物的含量逐漸降低,晶質石墨含量逐漸升高。石英主要化學成分SiO2為原子晶體,其通過共價鍵相互結合,破壞共價鍵需要較高的能量。而石墨的結晶格架為六邊形層狀結構,同層碳原子以sp2雜化形成共價鍵,但各層之間結合主要通過范德華力,當其發(fā)生破壞時,所需要的能量遠小于共價鍵所需能量。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 不同品位晶質石墨礦石裂紋擴展速度分析

裂紋擴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。基于斷裂力學理論,裂紋擴展過程根據速度不同主要分為穩(wěn)態(tài)擴展(擴展過程中認為裂紋速度是一個常數)與非穩(wěn)態(tài)擴展(裂紋擴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)擴展過程。從嚴格意義上講,在此過程中每一幀裂紋擴展的方向和速度大小皆不相同,但考慮到試件尺寸相對較小和裂紋擴展速度較快,因此以平均速度作為衡量其裂紋擴展快慢的指標。

試樣表面裂紋平均擴展速度V(m/s)計算方法如式(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間;P為高速攝影機采樣頻率;n為從裂紋起始至完全上下貫通高速攝影機所拍攝幀數。

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

圖5 平均品位為3.28%的晶質石墨礦石試件裂紋擴展過程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%的晶質石墨礦石試件裂紋擴展過程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%的晶質石墨礦石試件裂紋擴展過程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%的晶質石墨礦石試件裂紋擴展過程Fig.8 Crack propagation process of the crystalline graphite ore specimen with average grade of 19.11%

3 結 論

(1)晶質石墨礦石巴西劈裂試驗中的載荷—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展階段。隨著礦石品位的升高,原生缺陷壓密階段所產生的變形量逐漸降低。

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

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