文摘

利用改进的分离式霍普金森压杆(SHPB)试验设备,单轴、恒速循环,变速循环影响压缩测试进行了弱风化花岗岩样品。结合核磁共振(NMR)和三轴渗透试验,本研究调查了力学性能的变化规律,孔隙度演化,渗透系数的样品在循环的影响。结果表明,在恒速循环影响与冲击次数增加,变形模量降低,而孔隙度首先降低,然后增加。此外,动态峰值强度先增加然后减少而峰值应变不断增加之前失败的样品。变速循环的影响,随着冲击次数的增加,变形模量先增加然后减少损害发生后四个影响。压实过程减弱甚至消失与初始孔隙度增加。三种类型的毛孔被发现在循环荷载下的样品在多尺度变化。一般来说,小孔延伸到中型和大型的毛孔。经过三变速循环影响,样品的孔隙度大于初始孔隙率和渗透系数大于其初始值。结果表明,提高渗透率的目的,使矿体稳定可以通过开展三个变速循环对样品的影响。

1。介绍

原位浸出采矿具有众多的优势,因为它是一个相对简单的过程,低成本和环保的。它是一种方法,被广泛用于提取低品位矿体或恢复,如铀、铜、黄金、和ion-adsorbed稀土很难恢复使用传统的采矿方法(1]。然而,促进ion-adsorbed稀土原地浸出采矿矿石主要限于矿体的渗透率2]。由于许多突出矛盾与低渗透性的稀土矿床风化花岗岩在原地浸出采矿过程3],ion-adsorbed稀土矿石的开发和利用极大地限制。提出了通过引用渗透性增强方法原位浸出采矿低渗透性的油气田,煤层气(CBM)和砂岩型铀矿4- - - - - -8)的核心概念“与小剂量和精确控制爆破延时”提出了稀土矿体。在这个过程中,爆破应力波用于生成稀土矿体上的多个动态扰动,改变内部中构造,从而提高渗透率和维护矿体的稳定性。爆破和渗透性增强与低渗透性弱风化花岗岩有关的矿床是一个快速的、复杂的,持续的过程。本质是岩石内部损伤的积累下的多个干扰爆破应力波,所示的扩张和连接mesocracks macropermeability和增强。

张和赵(9)总结了岩石材料的动态测试技术,它提供了参考进行实验室检测blasting-induced渗透率的提高。损伤演化动态扰动下的岩石内部缺陷对其渗透性,具有重要意义,在这个领域有大量的理论成就。利用核磁共振(NMR)技术,周et al。10]研究微观损伤的演化过程下的岩石冻融循环和分析了冻融循环次数和孔隙度的影响在动态和静态力学性能。基于分离式霍普金森压杆(SHPB)试验,夏et al。11]研究微观结构变形特性和失效模式的影响,横档花岗岩(BG)。王等人。12,13]研究了煤样的力学性能和mesofracture演化与不同含水量下静态和动态加载和动态和静态加载相结合。龚et al。14,15)研究了一维下的岩石力学特性和三维动态和静态相结合的法律内部裂纹扩展。李等人。16]研究了负载下花岗岩的动态特性的影响,获得循环下的应力-应变曲线变化规律的影响。通过对花岗岩单轴循环冲击荷载SHPB,朱et al。17]显示多个爆破岩石的破坏法律和机制在工程建设质量。基于三轴渗透试验,刘等人。18研究在砂岩渗透率的演化和没有泥浆在不同加载条件下,分析了渗透率影响因素的变化。基于研究ion-adsorbed稀土矿石的渗透结合流体动力学,田et al。19)获得的孔隙度与渗透率呈正相关。因此具有重要意义调查blasting-induced渗透性增强获得进一步的了解孔隙结构、孔隙分布和弱风化花岗岩循环下损伤演化的影响。

本研究以弱风化花岗岩为研究对象,进行了单轴,恒速循环,变速循环使用改进的SHPB冲击压缩测试设备(20.]。孔隙的演化法则损害使用核磁共振技术研究了。此外,通过与GDS-VIS设备进行三轴渗透测试,测定前后渗透系数的影响。这提供了一种理论依据和工程指导正确理解爆破和渗透性增强机制与低渗透性弱风化花岗岩有关的矿床和科学设计最优爆破参数。

2。实验

2.1。样品制备

弱风化花岗岩样品取自弱风化层(埋深10米)在江西安源的稀土矿县(江西省南部,中国)。样本粗粒黑云母花岗岩形成于燕山期早期(从侏罗纪到白垩纪早期),由长石、石英、黑云母和少量的粘土矿物。根据国际岩石力学学会的指导方针(ISRM),空白的岩石样品在实验室进行模拟处理成圆柱样品直径50毫米。静态负载测试的样品(包括单轴压缩试验和间接拉伸试验),他们准备按照长径比是2和0.5。在单轴压缩试验的影响,样本准备用来生产出长度直径比为1。通过研究尺寸效应影响下的岩石等脆性材料负载,戴et al。21)发现,长径比介于0.5和2有轻微影响测试结果。周等进行的研究。22]表明,长径比0.5和1是可行的。在动态和静态加载测试,结束的不平行度和不垂直度的样本小于0.02毫米。图1显示了一些加工样品。为了避免水分对测试结果的影响,所有样本处理干24小时的101 - 1电热炉吹恒定的温度为108°C,然后放入烘干机冷却到室温。纵波速度 测试使用一个RSM-SY5智能声学探测器。


图1
弱风化花岗岩标本处理(23]。“图复制从燕等。23](下知识共享归属许可/公共领域)。”

基本力学性能测试进行了干的弱风化花岗岩样品使用rmt - 150 C测试机由江西省的采矿项目的重点实验室,中国。物理力学参数如表所示1。图2演示了岩石样品的失效模式在静载荷试验。Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG)脉冲序列进行了测试,和 计算后对样品进行干/湿真空饱和水处理使用NM-60核磁共振分析仪由上海Niumag电子科技有限公司制造,这是结合真空饱和设备。核磁共振的基本原理的核心测量可以从先前发表的研究(24,25]。

表1
弱风化花岗岩石的物理力学参数。
(一)
(一)
(b)
(b)
图2
失效模式的岩石试样在静态加载:(a) (b)的单轴压缩破坏间接拉伸断裂。
2.2。测试设备和原理
2.2.1。单轴压缩试验的影响

冲击试验是采用动态和静态相结合进行加载测试系统(20.在江西科技大学(赣州城市,中国)。图3显示了SHPB试验系统的直径50.00毫米。设备的前锋和酒吧的40铬合金钢密度为7810公斤/米3和纵波速度5400米/秒。弹性极限和波阻抗为800 MPa和42 TPa / s,分别。此外,这一事件的长度,传播,和吸收酒吧是2.0米,1.5米,0.5米,分别。pci锥形前锋就可以消除振动,从而实现恒应变率加载。这名前锋的直径和长度是50.00毫米和360.10毫米,分别为(26- - - - - -29日]。


图3
SHPB试验系统。

在影响的测试中,这一事件应变 ,反映应变 ,和传播病毒 可以间接计算测量电压的电阻应变计粘贴事件酒吧和酒吧传播。基于一维应力波理论,应变率 ,应变 ,和压力 脆,弱风化花岗岩是准确计算采用三波法(9,30.,31日]。显示的表达式 在哪里 和 表明样品的横截面积和长度。 和 代表了弹性模量和压杆的横截面积,分别。 表示的纵波速度酒吧和压力 ,在哪里 和 显示压力棒的材料密度和应力波的持续时间,分别。

2.2.2。三轴渗透试验

测试完成后使用GDS-VIS400kN HPTAS高压温度控制的三轴流变仪对岩石产生的GDS公司,联合王国。装备虚拟无限刚度加载框架(VIS) GDS公司开发的,该系统有一个GDS反馈控制系统和匹配GDSLAB软件。这个系统可以用来进行单轴和三轴压缩试验、岩石的流变测试,和seepage-stress耦合测试。轴向、封闭和渗流压力应用利用三个独立系统。电脑上的测试参数设置,通过手动操作控制器。最大轴向载荷是400 kN。围压的范围从0到32 MPa,和孔隙水压力变化从0到32 MPa。测试系统如图4。


图4
GDS-VIS三轴流变仪。

采用稳态法,渗透率测试进行弱风化花岗岩样品之前和之后的影响,也就是说,渗透压差形成两端的岩石样本,记录流入体积 的渗透水、侧围压和渗透压的区别。表达式[18,32] 在哪里 表示单位时间内液体的流动通过岩石(cm3/ s)。 代表流体流经岩石的截面积(cm2)。 显示了液体的粘度(1.0×10−3Pa·s 20°C)的水。 表示岩石的长度(厘米)。 和 演示前后压差的液体流经的岩石(MPa)和岩石的渗透系数,分别。

2.3。测试过程

测试过程如下:(1)岩石样本加工成标准气缸需要在测试,和每个样本的纵波速度进行测试,以减少不一致的风化的样本。进行了单轴压缩和间接拉伸试验的样本来获得基本的力学参数(2)NMR测试的样品进行了单轴压缩试验影响孔隙度测量和描述 频谱分布的孔隙结构。此外,样品被均匀地分为三组,即。,M group (single impact group at different impact velocities), N group (constant-speed cyclic impact to crack), and O group (variable-speed cyclic impact to crack)(3)影响测试进行M, N, O组。冲击试验前,压力平衡两端的岩石样本检查以确保获得测试数据的准确性(33]。由于样本的深度浅,轴向压力和围压的影响没有考虑实验结果。测试,样品和酒吧的接触表面均匀涂抹润滑油,减少摩擦的影响结束(21]。前锋的冲击速度控制通过调整压力和位置的影响发射腔的前锋。单一影响测试进行M组速度约为4.0,5.0,6.0,7.0,和8.0 M / s,确定循环影响负荷的阈值(16]。恒速循环的影响进行了测试速度的4.0,5.0,和6.0 m / s。变速测试是在4.1,5.3,6.3和7.0 m / s。在此基础上,孔隙演化规律弱风化花岗岩在多个影响负载下进行调查和有效孔隙度特征(4)本研究进行了三轴渗流测试样品的孔隙度从2%到5%不等O组的影响和在三个影响。渗透系数测定之前和之后的影响。根据孔隙水压力的参考价值在稀土矿的原地浸出采矿,进水口的孔隙水压力一直维持在0.6 MPa,同时,水出口是大气压力。此外,围压大于渗透压力,设置为2 MPa。渗透测试,埋藏深度对渗透系数的影响很大,因此不能被忽略,所以0.25 MPa的轴向载荷。特定操作的渗透测试给出文献[18,32),和安装的样品如图5


图5
安装示意图的岩石样本。

3所示。结果与讨论

3.1。确定阈值的循环冲击速度

弱风化花岗岩样品孔隙度从1.5%到7%被用来确定加载循环阈值的影响。的影响冲击速度的前锋和初始孔隙度动态峰值强度也决定(34]。依照一项研究[16),只有当动态峰值强度大于80%的单轴抗压强度能有效破坏生成的岩石。样品的孔隙度很小,是由低速度的影响。如果样品被损坏,可以推测的是样品,孔隙度也可以破坏冲击速度。如果样品的动态峰值强度低于单轴抗压强度的80%,最低冲击速度增加。样品有一个很大的孔隙度是影响速度。如果样品没有损坏,最大冲击速度加快。如果损坏,样品用最小孔隙度的影响。样品用最小孔隙度受损时,最大速度是影响降低。使用上面的方法,确定冲击速度的上限和下限,分为对照组单影响测试的速度根据常数梯度具有不同的影响。通过多种试验的影响,测试来确定阈值的循环影响负载进行了冲击速度是大约4米/秒~ 8 m / s。 The test results are displayed in Table2。岩石样本受到影响在大约4 ~ 6 m / s的速度显示没有明显的表面损伤,和动态峰值强度比单轴抗压强度的80%。此外,有效孔隙度变化显著,这表明有效的损害是内部生成的。冲击速度大约7米/秒的时候,小裂缝出现的样本事件酒吧附近的轴向方向,延伸到中间的样品没有连接,如图6(一)。当冲击速度大约是8米/秒,分裂失败是样品的轴向方向所示,显示在图6 (b)。因此,循环冲击速度造成有效的伤害范围从4到7米/秒。

表2
单一的影响在不同冲击速度。
(一)
(一)
(b)
(b)
图6
单一影响加载试样失效模式:(a) M4 (v =7 m / s)和(b) M5 (v= 8 m / s)。

图7显示样品的应力-应变曲线在不同速度的影响。结合表2,可以看出在允许值范围内的测试,当增加的 1 m / s,改变幅度 还不到0.5%,动态峰值强度控制的吗 ;当振幅的变化 大于0.5%,动态峰值强度主要是受 ;当增加的 大于1 m / s,动态峰值强度影响很大 。此外,应变速率略受孔隙度的影响,显示速度敏感性的影响。如图7,反弹后的应力-应变曲线峰强度减弱,但没有消失与冲击速度增加可能是解释如下。当样品没有完全压碎但只有在当地开裂缝,应力波仍然可以传播事件和传播之间的酒吧和岩石样本,通过样本有一定的承载力。每个岩石样品的应力-应变曲线在一个杠铃的形状基本相同,初始切线模量重叠。M3的偏差大,因为它的结构和内部初始缺陷的分布。M4、M5菌株与平等的动态峰值强度大于那些其他曲线。这表明,存在一个临界应变值(0.005)从塑性变形下的弱风化花岗岩宏观失败的影响。


图7
应力-应变曲线的标本在不同速度的影响。
3.2。恒速循环的影响

弱风化花岗岩的三组样品进行了恒速循环冲击荷载影响速度的4、5、6 m / s。对完整岩石孔隙度测量样品之前和之后的每一个影响使用核磁共振设备,和测试结果如表所示3。如表所示,这与冲击速度增加,影响时间样本形成宏观裂纹明显减少。平均应变率的影响与冲击速度增加,和动态峰值强度是分散的。这是受许多因素的影响包括冲击速度、初始缺陷,风化的程度。

表3
常速循环冲击试验数据。

研究弱风化花岗岩的动态特性在恒速循环影响,压力信号波形,应力-应变曲线,和N-1-2失效模式,N-2-1, N-3-3进行分析,显示在图8。


图8
动态响应下的弱风化花岗岩循环的影响近似恒定速度:(a)应变信号波形,应力-应变曲线(b)和(c)失效模式。

如图8(一),减少影响速度,应变信号波形的振幅降低。入射波在每个循环显示良好的再现性和一致的影响。随着冲击次数的增加,反射波的振幅增加,因为样品的孔隙数量增加后多个影响和叠加效应(35,36)多次反射产生的压力波。后循环影响,传播波的振幅降低,波形增加更明显。这是由于不可逆变形岩石中不断增加。换句话说,在一定的入射能量,反映能源和能源消耗的不可逆变形增加(37),同时传播能量也相应减少。存在不同程度的microelastic变形时塑性变形发生在样品。弹性应变能积累在卸载在脉冲的形式被释放,并对传播的影响酒吧造成突然跳的电波传播。

在图8(b),动态峰值强度降低和减少冲击速度,首先显示增加然后减少变化规律与倍增加的影响。峰值应变对应动态峰值强度增加,乘以总体上产生越来越大的影响。阶段的峰值压力减少部分样本将受损,被过去影响最小。在第一个对样品的影响,内部孔隙和裂缝逐渐压实(图9),提高岩石动态强度。在每个影响,发生不可逆变形的样品逐渐积累不断增加峰值应变。当塑性变形积累到一定水平时,裂缝在样例接受最后的快速连接产生宏观裂纹,降低机械性能的影响。在这种情况下,峰值强度可以达到在小变形和应力水平但不减少与增加应变为零,表明样品有一定的承载力。之前的样品被打破,应力-应变的弹性模能量曲线基本相同,变形模次逐渐减少而增加的影响。一些能量消耗是由于初始裂缝的扩张和新循环冲击荷载作用下裂缝的产生,这削弱了荷载传递能力的样品进一步导致减少变形(17]。样品的失效模式下循环的影响(图8(c))下不同于单一的影响(图6)。循环的影响下,小连接开放不是平行于加载方向的裂缝出现,显示小树枝。破坏循环动态扰动下的样本属于受损的失败,是一个渐进的过程。失效模式是密切相关的一代,内部裂缝的分布和扩张。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图9
有效孔隙度之间的关系和影响。

上面的分析发现,弱风化花岗岩的动态特性下恒速循环影响影响较大中构造和演化过程中构造可能是由孔隙度。图9显示了样品的孔隙度之间的关系受到的影响和不同的影响时间。

首先可以看出,孔隙度降低,然后增加的影响。在压实过程中孔隙度的下降是普遍小于孔隙度增量的增长过程。同时,初始孔隙度越大,所描述的更加明显的发生变化。与类似的样品后初始孔隙度进行了循环冲击荷载,每个样品的疏密度近似疲劳损伤发生时,影响乘以速度降低而增加的影响。通过结合这些数据与研究邓小平et al。(38),不可逆变形包括代小型毛孔和压实的大型毛孔发生在中构造弱风化花岗岩样品在经历的影响。在压实过程中,生成的小型气孔的体积小于大型的毛孔,这是显示为减少孔隙度。在经济增长过程中,小型毛孔进一步扩展,有核,连接,直到发生失败的样品。节3.3,进一步的分析是基于横向弛豫时间进行的 光谱。

3.3。变速循环的影响

根据部分3.1和3.2矿床相关,低渗透性弱风化花岗岩,循环冲击荷载更重要的破坏性影响,增加孔隙度的样品可以控制的循环时间。这样,样品没有完全损坏,增加孔隙度,显示一定的承载能力,确保稳定生产的矿体。使用爆破技术和精确控制延时,有限循环加载被应用于低渗透性影响矿体。当利用微差爆破技术,由于反射,在不同介质中爆炸波的传播,和迷信接口(39),冲击载荷作用于客观的矿体,都难以达到由于恒速循环影响的影响。机械性能和孔隙演化特征下的弱风化花岗岩应考虑变速循环的影响。图10显示了应力-应变曲线和横向弛豫时间 三种典型样本的光谱O组。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图10
应力-应变曲线和 弱风化花岗岩石的光谱。

在图10,最初的疏密度的三个样品的数量增加,内部mesocracks先后上升。如stress-stain曲线所示,动态峰值强度降低,峰值应变增加后第一个影响。当速度为每个样本的影响近似,内部裂缝越多,大裂缝的数量在加载过程中激活和扩展。这些变化相应地增加了变形的变形和能量耗散。同时,岩石的荷载传递能力减弱,从而减少动态峰值强度。四个影响下,每个样本的初始弹性模基本相同,变形模先增加,然后降低。曲线的影响不同于恒速循环的影响(峰值应变大于0.005),这是一样的失败下样品单曲线的影响。这表明,在这个过程中,样本突然损坏引起的,而不是逐渐累积损伤。

从核磁共振 光谱和图11压实过程可以发现,前两个影响。毛孔在岩石中显示正相关流体在毛孔的横向弛豫时间(40]。 频谱分布的弱风化花岗岩样品之前和之后的影响保持三个高峰值。毛孔样本大致分为三种类型,即。,small, medium, and large pores according to their sizes, corresponding to three wave peaks in 谱(从左到右)。每次冲击后,的分布 光谱改变,表明孔隙的比例每个大小的动态变化与干扰的影响循环的影响。这些多尺度的变化被发现,包括常数新一代的微孔隙和开发和扩展初始微孔隙中型和大型的毛孔。第三和第四的影响后,大中型毛孔改变最重要的(10]。整体的形状 频谱转移到右边,毛孔粗大和NMR信号的增强。这表明与冲击次数的增加,小孔是中型和大型的毛孔,直到发生宏观破坏(41]。


图11
有效孔隙度之间的关系和影响。

作为显示在图11初始孔隙度越大,程度越高的浓度样品的微裂隙。扰动下的循环影响,样本有一个很大的裂缝孔隙度扩展和连接速度,更大的程度。这表明,孔隙度和孔隙度损失的增长速度相对较大。同时,压实过程逐渐减弱,直到它消失与样品的初始孔隙度的增加。

3.4。孔隙变化与渗透系数之间的关系

节3.1无关的,只有一个裂纹生成的样品大约7米/秒速度产生影响,不可能达到理想的渗透性增强效果。节3.2所需时间,许多影响产生宏观损伤和压实过程相对较长的期间破坏矿体的围岩累积和整体稳定性降低。使用循环影响的计划随着速度增加,影响次压实过程可以有效地减少,避免损伤积累。第三个影响后,孔隙度大于初始孔隙度。第四的影响后,样品受损和承载力有显著减少,不能满足稳定性的要求。在测试中,合理的进行变速循环影响一式三份,这是在实践中比恒速循环的影响。然而,渗透率变化三个影响见面后是否应该考虑渗透率提高的要求。

三轴渗流进行了测试样本O组之前影响和之后三个变速循环的影响。图12显示了一些样品的孔隙度和渗透率变化系数O组前后三个影响。样本从小型到大型根据孔隙度编号。


图12
孔隙度和渗透率变化系数弱风化花岗岩之前和之后的影响。

作为显示在图12循环的影响后,孔隙度增量与初始孔隙度增加,这与部分3.3。初始渗透系数与孔隙度呈正相关(19),但这种关系并不总是正确的。这表明,岩石孔隙度渗透率的影响,和渗透系数依赖于岩石的渗流通道形成的内部缺陷和粘土矿物的含量18,42,43]。循环的影响后,渗透系数增加,增加上升与孔隙度的增加。然而,它并不总是遵循这个定律。首先确定渗透系数时,连接下的渗流通道形成岩石的孔隙水压力。第一次冲击后,样本中的渗流通道压缩或扩展,并成立新的微裂隙。一般来说,压实裂缝的体积大于生成的扩展和微裂隙。在最后两个影响,裂纹扩展和连接主要是显示在样本形成新的渗流通道。不同弱风化花岗岩的风化度小的差异反映了样品内部粘土矿物的内容。此外,能找到黏土的骨折损坏样品。由于粘土的存在堵塞渗流通道,矿井煤层的渗透率降低,表明一些样品的渗透系数大的孔隙度小于样品孔隙度小。 The structure and distribution of initial defects in the rocks determined the damage degree after cyclic impacts affecting the permeability coefficient. The test results showed that after three impacts, the effects of the above factors on permeability coefficient could be avoided. This forms sufficient seepage channels, achieving the goal of enhancing permeability of ore bodies.

4所示。结论

本研究进行了单轴、恒速循环和变速对弱风化花岗岩石循环冲击压缩测试使用一种改进的SHPB装置。通过结合NM-60 NMR分析和GDS-VIS三轴渗透试验,研究分析了岩石的孔隙演化和渗透系数的变化。这提供了理论参考和测试方法blasting-induced通透性增强的过程。根据测试结果的总结和分析,以下结论可以:(1)弱风化花岗岩单的影响下,循环冲击速度,能产生有效的损害范围从4到7米/秒。有一个临界应变值从岩石宏观失败的伤害。峰值应变大于0.005时,岩石受损(2)变速循环的影响下,随着冲击速度降低,影响导致骨折的循环时间增加,同时动态强度和峰值应变信号波形的振幅降低。冲击荷载循环次数的增加,变形模量减少,同时动态峰值强度先增加,然后降低。此外,峰值应变最小的影响下岩石破裂发生时。岩石破裂造成损害的积累是一个渐进的过程。孔隙度显示一个初始时间降低,然后增加而增加的影响(3)在变速循环影响,动态峰值强度和变形模量先增加,然后降低。有三个尺度上的毛孔在弱风化花岗岩和小孔延伸到中型和大型毛孔在循环的影响。四对样品的影响后,初始孔隙度越大,弱压实过程也消失了。第三个影响后,孔隙度是最大的(4)后变速循环影响一直在重复三次弱风化花岗岩,粘土矿物含量的影响,风化程度、初始孔隙结构和分布对渗透系数可以避免。因此,渗透系数增加,实现的目标blasting-induced渗透性增强,同时增加的关系渗透系数与孔隙度的增加并不适用于所有情况

此外,本研究进行了实验室测试blasting-induced渗透性增强ion-adsorbed花岗岩风化壳稀土矿石。爆破参数的设计需要进一步确定这些数据结合户外相似测试在未来。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突有关的出版。

确认

项目支持的工作是由中国国家自然科学基金资助(51404111和51404111),中国学术委员会(201708360023)、中国博士后科学基金资助的一个项目(2014 m562529xb),江西省教育部门的科研项目(GJJ160643)的计划清江优秀年轻人才,江西科技大学,中国。上述金融支持感激不尽。