不同固定碳含量石墨矿石单轴...力学行为及损伤本构关系研究_李兴旺.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-08-22基金项目“十三五”国家重点研发计划项目(编号:2020YFC1909602);“十四五”国家重点研发计划项目(编号:2021YFC2902901);湖北省重点研发计划项目(编号:2021BCA152)。作者简介 李兴旺(1997),男,硕士研究生。通信作者 叶海旺(1971),男,教授,博士,博士研究生导师。不同固定碳含量石墨矿石单轴压缩力学行为及损伤本构关系研究李兴旺1 叶海旺1,2 雷 涛1,2 李 宁1,2 王其洲1,2 王炯辉3 赵明生4(1.武汉理工大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430070;2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室,湖北 武汉 430070;3.五矿勘查开发有限公司,北京 100044;4.保利新联爆破工程集团有限公司,贵州 贵阳 550002)摘 要 不同固定碳含量石墨矿石力学性能和工业价值有所差异,研究石墨矿石力学性能与其固定碳含量之间的关系,对于深刻认识和科学利用石墨矿石具有重要意义。为此,综合运用石墨化学分析方法、岩石单轴压缩试验和岩石统计损伤理论,研究不同固定碳含量石墨矿石单轴压缩荷载作用下的力学响应特性,揭示固定碳含量对石墨矿石力学性质及损伤本构关系的影响。试验结果表明:石墨矿石试样单轴抗压强度随固定碳含量增加呈负指数型函数递减趋势、弹性模量呈线性函数递减趋势、峰值应变呈指数型函数递增趋势;随固定碳含量增加,石墨矿石试样破坏模式由张拉破坏过渡到拉剪混合破坏,最后向剪切破坏转变。引入与固定碳含量相关的损伤因子,建立了反映固定碳含量影响的石墨矿石统计强度型损伤本构模型,并将理论曲线与试验曲线进行对比,验证了所建立的损伤本构模型的有效性与合理性。关键词 石墨矿石 固定碳含量 力学特性 损伤本构关系 中图分类号TD315 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-022-08DOI 10.19614/ki.jsks.202302004Mechanical Behavior and Damage Constitutive Relationship of Graphite Ores with Different Fixed Carbon Content under Uniaxial CompressionLI Xingwang1 YE Haiwang1,2 LEI Tao1,2 LI Ning1,2 WANG Qizhou1,2WANG Jionghui3 ZHAO Mingsheng4(1.School of Resources and Environment Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;2.Hubei Key Laboratory of Mineral Resources Processing and Environment,Wuhan 430070,China;3.Minmetals Exploration and Development Co.,Ltd.,Beijing 100044,China;4.Poly Xinlian Blasting Engineering Group Co.,Ltd.,Guiyang 550002,China)Abstract The mechanical properties and industrial value of graphite ores with different fixed carbon content are differ-ent.The study on the relationship between mechanical properties of graphite ores and fixed carbon content is of great signifi-cance for deep understanding and scientific utilization of graphite ores.Therefore,the mechanical response characteristics of graphite ores with different fixed carbon content under uniaxial compression load were studied by using graphite chemical anal-ysis method,rock uniaxial compression test and statistical damage theory,and the influence of fixed carbon content on mechani-cal properties and damage constitutive relationship of graphite ore was revealed.The results show that the uniaxial compressive strength of graphite ore specimens decreases with the increase of fixed carbon content in a negative exponential function,the e-lastic modulus decreases with a linear function,and the peak strain increases with an exponential function.And,with the in-crease of fixed carbon content,the failure mode of graphite ore specimens changes from tensile failure to tension-shear mixed failure and finally to shear failure.On this basis,the damage factor related to fixed carbon content was introduced to establish the statistical strength damage constitutive model of graphite ore reflecting the influence of fixed carbon content.The theoretical curves were compared with the experimental curves,which verified the validity and rationality of the established damage consti-tutive model.22Keywords graphite ore,fixed carbon content,mechanical properties,damage constitutive relation 岩石是一种天然材料,由于赋存环境和成岩机理的差异,不同种类岩石材料的矿物组分和微细观结构特征具有显著差别。如何确定岩石力学性质参数与其矿物组分和微细观结构之间的定性、定量关系,对于深刻认识岩石力学性质变化规律和科学利用岩石材料具有重要意义1。诸多学者就岩石矿物组成和细观结构与其力学特性之间的关系进行了大量研究2-4,并指出岩石矿物组分及微细观结构特征是决定其物理力学性质的主要因素。通过对力学参数的定性和定量分析,左建平等5认为高强度矿物含量较低时对岩石整体力学性质的影响并不明显,只有含量超过某一阈值后才有较大影响;而软弱矿物含量的减少,则会导致玄武岩的宏观力学行为发生显著变化。陈江峰等6通过单轴压缩试验,研究了矿物组分对泥岩力学性质的影响,并发现随着石英含量增高,泥岩的单轴抗压强度和弹性模量均呈增大趋势;而随着黏土矿物含量的增加,其规律则相反。钟建华等7认为页岩中的鳞片状黏土矿物片理中存在的不规则碎屑颗粒和自生矿物,会降低软弱面的抗压和抗拉强度。孙彪等8在对页岩的脆性评价和影响因素分析中,认为随着方解石含量的增加,灰质泥岩杨氏模量减小,泊松比增加,脆性越来越弱。余坤等9也发现不同脆度的矿物在不同程度上控制着页岩的力学性质。Li Qian 等10在大量岩石样品矿物含量、矿物粒径、研磨性和硬度等测试结果的基础上,利用原始测试数据与反向传播人工神经网络(BP-ANN)建立预测函数,揭示了矿物含量和粒度对岩石研磨度和硬度的影响规律。上述研究针对各类岩石矿物组成和细观结构对其力学性质的影响而展开,取得了很多有益的成果。但目前针对岩石矿物组分对其损伤本构关系影响的研究还少见报道,针对石墨矿石本构关系的研究更是鲜少涉及。石墨作为我国重要的战略性矿产资源,在国防、航天、新材料等领域占有重要地位。随着现代科学技术和工业的发展,石墨的应用领域正不断拓展,已逐渐成为高科技领域中新型复合材料的重要原料,在国民经济中具有举足轻重的作用11。因此,实施科学合理精细的石墨资源开发利用策略,关乎国家传统工业和战略性新兴产业可持续发展大局。由于石墨矿石特殊的成岩环境和沉积过程形成了其独特的矿物组成规律和微观结构特征,不同固定碳含量的石墨矿石在岩石力学性质、工业价值以及开发利用难易程度等方面均有较大差异。因此,研究不同固定碳含量石墨矿石的力学性质及其损伤本构关系,一方面能为石墨资源精细化开采方案的设计与实施提供理论支撑,另一方面也是对岩石矿物组分与其损伤本构关系内在关联的有益探索,兼具重要的理论意义与实际价值。既然岩石矿物组分对其力学性质的影响可认为是不同强度矿物含量变化和矿物嵌布特征差异共同作用的结果。那么,是否可以将这种影响在岩石损伤本构关系的研究中加以考虑,以建立能反映岩石矿物组分影响的损伤本构模型呢?鉴于上述原因,本文以不同固定碳含量石墨矿石为研究对象,综合运用石墨化学分析方法、单轴压缩试验和岩石统计损伤理论,研究不同固定碳含量石墨矿石力学性质差异,并试图建立考虑固定碳含量影响的石墨矿石单轴压缩荷载作用下的损伤本构模型。1 石墨矿石固定碳含量测定与细观结构特征固定碳含量是评价石墨矿石品质好坏的重要指标,固定碳含量越高,石墨鳞片尺寸越大、数量越多,其经济价值也越高12。本文的试验矿样取自黑龙江萝北云山石墨矿,取样岩石主要为石墨片岩。矿石中的固定碳含量主要集中于 3%20%之间,脉石矿物由 30%50%石英,30%45%长石,5%10%云母和少量金属硫化物等组成,矿石中石墨呈晶质鳞片状,片径一般为 0.11.3 mm,最大可达 2 mm。不同固定碳含量石墨矿石矿物种类基本相同,随着固定碳含量增加,石墨矿石逐渐由灰白色向灰黑色转变,其相应伴生矿物含量也逐渐减少。图 1 为试验所取矿石原样,从每块矿石原样上随机钻取小块样,破碎研磨成粉后混合均匀,测定其固定碳含量。固定碳含量的测定参照JC/T 25722020 石墨矿固定碳含量测定方法进行13。固定碳含量的测定由黑龙江萝北云山石墨矿石墨化学分析试验室完成,具体实施过程如图 2 所示。固定碳含量用质量分数(CGD)表示,按式(1)式(3)13计算。图 1 石墨矿石原样Fig.1 Raw graphite ore32 李兴旺等:不同固定碳含量石墨矿石单轴压缩力学行为及损伤本构关系研究 2023 年第 2 期 V()=ms+m1-m2ms 100%,(1)A()=m3-m4ms 100%,(2)CGD()=100%-V()+A(),(3)式中,(CGD)为固定碳含量;(V)为挥发分含量;(A)为灰分含量;ms为试料质量;m1、m4为空坩埚质量;m2、m3为残渣加坩埚质量。