GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2020/8844168 8844168 研究文章 分析的动态损害花岗岩石的孔隙度变化浸出采矿技术基于SHPB试验 https://orcid.org/0000 - 0002 - 3467 - 0585 苗族 一尘 1 2 https://orcid.org/0000 - 0002 - 0450 - 0040 刘 Changwu 2 3 他 倪志亮 1 2 4 马 Yuanjun 2 3 吴 Haikuan 2 3 王 丁 5 Iglauer Stefan 1 灾害管理和重建 四川大学香港理工大学 成都 中国 polyu.edu.hk 2 水力学与山区河流工程国家重点实验室 四川大学 成都 中国 scu.edu.cn 3 水资源与水电学院 四川大学 成都 中国 scu.edu.cn 4 学校的环境和资源 西南科技大学 绵阳 中国 swust.edu.cn 5 土木工程和建筑学院 西南科技大学 绵阳 中国 swust.edu.cn 2020年 9 9 2020年 2020年 16 7 2020年 25 7 2020年 27 8 2020年 9 9 2020年 2020年 版权©2020旗下苗族等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

原地浸出是一个非常重要的技术方法ion-adsorption稀土开采,因为它可以有效地避免地质灾害,保护环境,降低采矿成本。这种采矿技术的关键问题是提高渗透率的ion-adsorption稀土矿床。由于渗透率和孔隙度之间的密切关系,本文进行了几个实验发现花岗岩存款的动态特性和动态特性和孔隙度之间的关系。此外,SHPB试验系统装备进行动态测试,和高精度的超声波探测器是用来获得花岗岩的破坏因素。测试结果表明,动态加载和静态加载下的失效模式是近,她们都有分裂失败。除此之外,当循环之间的动态加载速度是5.8米/秒,8.4 m / s,标本不是一个失败,但它造成的破坏和改变了孔隙度。和动态阈值失败的压力和损伤压力被发现。最后,孔隙度之间的线性关系和破坏因素被发现,这将有助于分析和预测孔隙度的变化在不同的动态加载速度。

 四川大学 1。介绍

稀土元素(REE)是有价值的矿产资源,被广泛应用于先进的电子、照明、发电、和军事应用。稀土元素是首次发现的18世纪在瑞典( 1, 2]。直到现在,中国的稀土储量1800万吨,占全球储量的23%,占主导地位的稀土供应链的各个方面的国际市场 3- - - - - - 5]。中国和世界其它矿山生产的稀土图所示 1。

中国和世界其它矿山生产的稀土( 6]。这个数字是从沈et al .(2020)转载(Creative Commons归因执照/公共领域)。

1970年,ion-adsorption第一次被发现是在赣州稀土存款,中国。这些存款是由化学风化分解和溶解的花岗岩,含有丰富的稀土元素相对较高( 7]。Ion-adsorption稀土储量仅占总数的2.9%在中国稀土储备,他们分散在七相邻省份的中国南方,这是很少发现世界上其他任何地方都 8, 9]。最近,在原地浸出采矿是广泛用于ion-absorption稀土开采,因为较低的成本和更环保。开采的稀土矿床与电解质水溶液(硫酸铵((NH)4)2所以4))。高岭石和(NH之间的离子交换反应4)2所以4可以表示为化学( 10] (1) 2 高岭土 3 − 再保险 3 + + 3 NH 4 2 所以 4 ⟶ 2 高岭土 3 − NH 4 + 3 + 再保险 3 + 2 所以 4 2 − 3

许多学者已经做出了一些贡献原地浸出采矿技术。拉森总结了原地浸出采矿信息(在美国 11]。马德测试原地浸出采矿技术在澳大利亚,和他进行了研究化学和环境有关的问题( 12]。泰勒等人认为ISL的过程(原位leach)大大减少环境的影响比其他传统的挖掘技术( 13]。帕克和胸衣表明,能量回收的技术HDR(干热岩)应该适用于浸出采矿调查( 14]。Al-Harahsheh和金曼总结由微波辅助浸出采矿方法,微波技术的巨大潜力提高萃取效率( 15]。Xunzhong和毛南族介绍技术原位ion-absorbed稀土矿物的浸出过程,他们证明了这种类型的原地浸出有许多优点 16]。根据污染控制的原则,朱镕基等人提出了六个污染控制措施作为我的参考设计,污染管理和研究工作( 17]。李等人回顾了技术的发展,在开发过程中资源和环境的保护,并提出了一个ion-absorbed稀土矿业环境工程模型( 18]。次循环的影响,增加重复的行动影响负荷的时候,朱镕基等人表示,花岗岩的变形模量和屈服应力和屈服应变增加(减少 19]。循环压紧下,金等人建立了岩石损伤积累的演化模型,这就像s型生长曲线( 20.]。燕等人发现动态负载性质和孔隙度之间的关系基于弱风化花岗岩的动态负载测试,这可能有助于改善花岗岩石的渗透率 21, 22]。因此,花岗岩存款的磁导率是一个关键问题影响采矿成本和环境保护。

具有重要意义,研究花岗岩的动态力学性能ion-adsorption稀土矿床。寻找孔隙度的变化之间的关系和动态载荷应重点提高矿床的花岗岩石的渗透性。此外,建立量化损伤水平和孔隙度之间的联系大大浸出开采和环境保护。然而,目前的研究成果缺乏对上述问题的研究,特别是对于ion-adsorption稀土矿石的情况下原地浸出采矿。摘要分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统装备进行动态单轴加载测试。和岩石样本的纵波速度可以由超声波探测器记录,帮助减少岩石样本的色散和量化动态加载下花岗岩石的损伤程度。测试结果提供一个机会来分析花岗岩的动态行为和孔隙度属性在SHPB试验,这将有效改善花岗岩石的渗透率ion-adsorption稀土矿床。

 2。实验工作 2.1。花岗岩样品制备

这个实验用花岗岩在四川北部地区,中国。碧口群的地质地层由上覆震旦系和古生代沉积岩,还有更多的印度支那花岗岩碧口群。花岗岩是白色medium-fine-grained长石花岗岩,灰白色,与medium-fine-to-fine花岗岩结构和巨大的。的主要矿物成分是(1)石英,其他聚颗粒,内容大约22.9%;(2)斜长石、self-shaped柱状、内容53.9%;(3)钾长石、不规则板形状,含量17.6%;和(3)深色矿物,主要是黑云母,semi-self-flaky,多色,与角闪石含量5.6%,是罕见的。(4)次生矿物主要榍石、磷灰石、其次是锆石、榍石、磁铁矿。花岗岩的XRD衍射谱图所示 2。

XRD衍射光谱的花岗岩。

根据工程岩体试验方法标准,2013年(GB / T 50266 - 2013,中国),双面研磨机是用于精细处理,确保并行度误差小于0.05毫米,和标本的高度和直径误差不超过0.3毫米。这个实验有两个尺寸的标本。一个大小为单轴加载测试,直径50毫米和100毫米的高度,和另一个是动态加载测试,直径50毫米和50毫米的高度。

 2.2。分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统

常规SHPB试验系统采用岩石标本进行高应变率压缩测试。的SHPB系统是由空气枪,前锋酒吧,一桶,一个事件酒吧,传播酒吧的时候,塞,两个应变仪,应变放大器,和一台电脑,在图所示 3。本文使用的SHPB酒吧在这个实验中是40铬合金钢。密度为7.81克/厘米3,弹性波速度是5410米/秒,和酒吧的直径50毫米。事件栏和传播栏的长度是2米和1.5米,分别。该系统可以实现动态加载从0到500 MPa。示波器(DL850)是由日本横河电气有限公司,有限公司监控酒吧的应变变化,如图所示 4。

分离式霍普金森压杆系统的示意图。

(一)SHPB试验系统和(b)示波器。

下面的方程( 23, 24摘要],使用下列符号:(1)入射波( 我 ),(2)透射波( T ),(3)反射波( R ),(4)岩石标本( 年代 ),(5)条的密度( ρ 酒吧),(6)弹性模量( E ),(7)波的速度在酒吧( c ),(8)酒吧的横截面积( 一个 )、(9)标本的横截面积( 一个 年代 )和(10)标本的长度( l 0 )。如果标本变形均匀,应变率 ε ̇ 年代 计算如下(图 5): (2) ε ̇ 年代 = d ε 年代 d t = v 1 t − v 2 t l 0 。

符号描述事件的参数和酒吧和标本接口传输速度( 24]。

速度界面1 ( v 1 2)和接口( v 1 )可以写成: (3) v 1 t = c ε 我 t − ε R t , v 2 t = c ε T t 。

用这些接口速度方程( 2), (4) ε ̇ 年代 = c ε 我 t − ε R t − ε T t l 0 。

压力的标本 (5) σ 1 t = E 一个 一个 年代 ε 我 t + ε R t , σ 2 t = E 一个 一个 年代 ε T t 。

如果试样在动态应力平衡状态, (6) ε 我 t + ε R t = ε T t 。

然后,应力、应变速率和应变是由。 (7) σ 年代 t = σ 1 t + σ 2 t 2 = E 一个 一个 年代 ε 我 t + ε R t , ε ̇ 年代 t = − 2 c l 0 ε R t , ε 年代 = − 2 c l 0 ∫ ε R t d t 。

2.3。超声波探测器

探测器命名V-Meter第四可由无损检测公司。本文采用纵向纵波测量方法。使用传播的纵波速度计算旅行时间的声脉冲沿轴向方向的样品( 25]。实验装置包括一个波形发生器;两个压电换能器的共振频率540赫兹;和数字示波器板连接到电脑。恒压手工应用确保岩石标本和传感器之间的紧密联系。凡士林是用作偶联剂。进行检查以确保纵波速度测量的敏感性。通常,两个压电传感器误差测试,直接联系和错误从0到0.1 μ年代。此外,损伤因子可以计算如下: (8) D = 1 − v 1 v 2 2 , 在哪里 v 1 是岩石损伤和后超声波速度吗 v 2 是岩石破坏前的超声波波速。超声波探测器图所示 6。

超声波探测器。

 2.4。孔隙度的测试方法和装置

花岗岩石的孔隙度是由饱和称重法测量。这种测量方法的具体步骤如下:(1)干燥24小时在105°C的标本;(2)将试样在真空设备装满水和疏散4 h,真空压力为0.1 MPa;(3)把样品在水中24小时;和(4)权衡饱和标本。为了最小化误差的加权后的标本是饱和,电子秤校准的标准体重是500克之前每个重量。最后,孔隙度测试装置如图 7。

(一)干燥箱,真空饱和装置(b),和(c)电子规模。

 2.5。实验过程

首先,主要矿物成分进行了分析和XRD衍射光谱的花岗岩。其次,一些标本与直径50毫米和100毫米的高度被用于传统的单轴静态测试。得到了一些基本的机械性能在这个过程

基于SHPB试验系统,进行了广泛的动态自然花岗岩单轴压缩试验发现不同冲击速度下花岗岩的动态特性。和花岗岩标本有直径50毫米和50毫米的高度。然后,多个循环进行了动态加载测试找到导致花岗岩石的初始损伤的阈值在同等速度的影响

为花岗岩进行了循环动态加载测试。同时,花岗岩石的纵波速度通过使用超声波探测器。同时,花岗岩石的孔隙度是通过重饱和标本。前称重,标本需要吸尘和饱和4 h,然后被浸泡在水中24 h

3所示。结果和分析 3.1。花岗岩石的静态力学性能

静态压缩载荷试验对天然花岗岩石标本。和MTS 815.03测试系统被用来进行单轴压缩试验。花岗岩的力学性能如表所示 1。此外,轴向和侧向应力-应变曲线的花岗岩和花岗岩石的失败类型图所示 8。

花岗岩的力学性能。

密度(公斤/米3) 弹性模量(GPa) 静强度(MPa) 孔隙度(%)
2.59 15.73 89.12 0.91

(一)花岗岩石的单轴应力-应变曲线和(b)失败类型的花岗岩。

根据测试结果,花岗岩是分裂失败的故障模式,如图所示 8 (b),因为在轴向压力下,横向拉应力产生。然后,横向拉应力最终超过了花岗岩的抗拉极限,导致失败。中心附近的主要断裂是发起的标本和传播沿垂直的直径。而裂缝贯穿整个试样的高度,二次断裂附近出现加载板和一些新的裂隙形成的。

为了找出开裂压力( σ c 我 )和破坏性压力( σ c d ),横向应变响应(LSR)方法( 26- - - - - - 28]。方法可以概括如下,测试结果如图 9。

确定不稳定裂纹扩展的发作,体积应变发生逆转,总可以找到破坏性压力( σ c d )(图 9(一个))

确定线性横向应变参考线(图 9 (b))

找到变化( Δ LSR)侧线和线性参考线之间的横向应变曲线(图 9 (b))

画出轴向应力和横向应变的变化( Δ LSR)(图 9 (c))

确定最大横向应变的变化差异和相关的轴向压力,能找到破解的压力( σ c 我 )(图 9 (c))

例子的方法用于建立开裂压力( σ c 我 )使用横向应变响应(LSR)。

 3.2。花岗岩的动态力学性能

利用SHPB试验系统,有两个目的,需要实现。首先是获取不同加载速度下花岗岩的动态力学性能。第二是寻找阈值导致花岗岩石的初始伤害。在测试期间,压缩应变,透射波,被传播栏上的应变仪记录。这三个弹性应力脉冲事件和酒吧与应变仪记录和传播表示事件应变 ε 我 t 、反映应变 ε R t 和传播病毒 ε T t ,如图 10。压力和紧张的关系如图 11。和花岗岩的动态力学性能见表 2。

一些事件的例子,反映和传播应变信号在不同加载速度。

(一)应力应变变化下花岗岩的动态加载和(b)故障类型的花岗岩的冲击速度13米/秒,12米/秒,11米/秒,10 m / s,分别和9米/秒。

花岗岩的动态力学性能。

样品数量 长度直径比 初始波速度(米/秒) 前锋速度(米/秒) 强度(MPa) 应变率(1) 许多破碎的岩石
D33 1.021 3597年 12.8 91.59 74.99 10
D32 1.034 3543年 11.7 74.02 70.43 6
D57 1.016 3623年 10.6 71.63 64.19 4
D52 1.025 3649年 9.6 62.99 18.86 3
c15 1.031 3672年 9.0 60.49 18.86 2

许多动态加载测试进行了分析花岗岩的动态力学性能,结果如下:

本文的测试数据加载速度之间9 m / s和13 m / s选择进行处理和分析。在相同的加载速度、波形图与应力-应变曲线。同时,加载速度的范围内,样品被毁在一个动态的负载。这可以从图中找到 10加载速率越大,入射波的振幅越大,反射波和透射波

从图可以看出 11动态强度和应变率的大小取决于加载速度的大小。加载速率越大,动态强度越大,弹性模量和应变速率得到。同时,当加载速度增加,被释放的能量越高,和花岗岩碎片的数量增加。从花岗岩的故障形式,花岗岩的断裂表面主要是平行于加载方向,标本主要经历了分裂失败,并有多个分裂渗透岩石裂缝

根据大量的试验结果,当加载速度是8米/秒和9米/秒之间,需要反复加载岩石以同样的速度前一次或两次失败。此外,当加载速度是7 m / s - 8 m / s,花岗岩标本之前需要经过2到4动态加载测试失败。此外,当加载速度是6米/秒,7米/秒之间,花岗岩需要受到之前加载测试失败的4至6倍。然而,当加载速度低于5.8米/秒,超过30的循环加载试验后,样品不能被破坏甚至毁灭。循环动态加载测试结果如表所示 3。

常速循环动态加载测试。

样品数量 超声波速度饱和(米/秒) 平均加载速度(米/秒) 加载时间 极限强度(MPa)
D7 4524年 8.4 2 58.8
D10 4944年 7.2 4 57.4
D43 4665年 6.9 5 56.9
D40 4978年 5.8 13 55.5
D35 4653年 6.3 7 56.1
D50 4841年 5.5 30. 55.1

基于上述分析,的确是有一个花岗岩失败在最低压力阈值动态加载速度。显然,最低速度是9.0米/秒,为失败和压力阈值为60.49 MPa。然而,阈值下的开裂破坏循环动态加载需要更多的分析。梁等人表示,之间没有明显的相关性比初始应力和峰值强度和应变率的岩石标本( 29日]。基于梁等人的理论,下列方程可以预测动态加载下损伤的阈值: (9) σ c 我 d σ c d = α σ c 我 σ c , σ c d d σ c d = β σ c d σ c , 在哪里 σ c 我 d , σ c d d , σ c d 的开裂应力、损伤应力和极限强度在动态加载下,分别和 σ c 我 , σ c d , σ c 开裂应力、损伤应力和静力荷载作用下的极限强度。 α 和 β 相关系数。

由于不确定性的动态极限强度在不同应变率下,本文认为动态极限强度等于静态极限强度( σ c d = σ c )。因此,动态破裂压力 σ c 我 d 39.62 MPa,动态损伤压力 σ c d d 是55 MPa。基于表 3,当试样的动态极限强度接近动态破坏应力,样品需要多次失败的影响。因此,constant-cyclic动态载荷作用下,最低速度是5.8米/秒,失败和压力阈值为55.1 MPa,这是非常接近静载荷下的破坏压力。

 3.3。分析循环荷载下的花岗岩孔隙度和损伤程度

在前一节中提到的,当加载速度大于9 m / s,花岗岩会失败的一次加载测试。当加载速度小于5.8 m / s,没有明显的损伤和破坏发生后的样品超过30倍的加载测试。因此,本文主要致力于花岗岩石的破坏特征和孔隙度变化下的加载速度从5.8 m / s, 8.4 m / s。下图显示了波速度的变化下花岗岩的循环动态加载。

在图 12,加载速率为8.4 m / s, D7下降更快,超声波波速和损伤因子的增量也更高。和纵向穿透裂缝出现在样品的表面。这表明,损伤程度的样本是非常严重的,它是接近失败的临界条件。加载速度为7.2米/秒,D10的超声波速度逐渐降低,降低的幅度逐渐增加。加载速度为5.8米/秒,D40的波速降低缓慢,减少快过去三的影响。一般来说,加载速度越大,损失越大的样本。但当加载速度低于某个阈值,样品不会损坏。

关系动态加载时间和超声波速度。

在图 (13日)在加载速度为8.4米/秒,D7迅速增加的孔隙度单一加载后从0.94%降至1.41%。5.8 m / s,加载速度下12个循环荷载试验后,样品的孔隙度逐渐从0.98%上升到1.44%,增长率逐渐增加和周期的数量的增加,可以被视为一个指数级增长。

(一)动态加载时间和孔隙度之间的关系在不同加载速度和(b)的损害因素和孔隙度之间的关系。

来描述损伤因子和孔隙度之间的关系,人物 13 (b)分析这一现象。通过线性拟合,在某种程度上,有一个线性的损害因素和孔隙度之间的关系。也就是说,加载速度下从5.8 m / s, 8.4 m / s,孔隙度的变化可以预测的破坏因素。由于岩石标本的微裂缝的发展,孔隙度逐渐增加。和损伤因子量化指标,可以反映岩石中的微裂缝的发展。因此,在工程实践中,可以测量岩石的孔隙度间接的超声波探测器。

 4所示。结论

本文提出了基于SHPB花岗岩的动态力学性能测试系统和超声波探测器。单轴动态力学性能与不同加载速度和动态力学性能和孔隙度之间的关系进行分析如下:

基于许多测试,失效模式下花岗岩的静态单轴压缩荷载非常类似于动态单轴压缩载荷下的失效模式。花岗岩的断裂表面主要是平行于加载方向,和标本主要经历了分裂失败。此外,根据测试结果,当动态加载速度高于9 m / s,花岗岩标本失败在一个冲击载荷。当动态加载速度是5.8米/秒,8.4 m / s,花岗岩有不同程度的损害,而不是失败

根据测试结果,最低动态加载速度造成花岗岩失败是9米/秒,在这一动态强度为60.49 MPa。此外,根据循环动态加载,最低动态加载速度造成花岗岩失败是5.8 m / s,动态强度为55.5 MPa。基于梁等人的理论,根据循环动态加载,当动态强度接近静态破坏应力,花岗岩需要接受更多的循环加载失败发生之前。当花岗岩的动态强度非常接近静态破坏应力,它是几乎不可能造成任何损失或失败后的花岗岩30动态载荷。因此,根据测试结果,静态损伤应力可以用来预测初始伤害循环动态载荷作用下的动态阈值

孔隙度的变化依赖于加载速度和动态加载的数量。加载速度的8.4 m / s,孔隙度增长快,但花岗岩标本是容易失败;因此,很难控制孔隙度的变化在这种速度。加载速度的5.8 m / s,孔隙度增长缓慢。它可能需要更多的时间来控制孔隙度。因此,当之间的加载速度是5.8米/秒,8.4 m / s,它可以有效地控制花岗岩石的孔隙度。此外,本文发现和孔隙度的变化之间的线性关系的破坏因素,这将有助于量化和控制工程实践的孔隙度变化

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

作者感谢四川大学的财政支持。

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