尾矿水浸泡对砂岩结构及力学特性影响研究

科技 2024-11-13 15:11 湖南

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摘要

尾矿水长期浸泡会对岩石稳定性造成潜在影响,可能引发一系列危害。为研究尾矿水溶液的溶蚀作用对砂岩力学性能和微观结构的影响,采用自来水和尾矿水对砂岩进行90 d浸泡,随后进行离子浓度测定和单轴压缩试验。利用扫描电镜和能谱仪对砂岩试样的微观形貌以及表面元素进行分析,建立尾矿水对岩石溶解的数值模型。研究结果表明:与天然试样相比,自来水浸泡后试样的强度和弹性模量分别降低了16.38%和18.5%,而尾矿水浸泡后其强度和弹性模量分别降低了24.42%和25.42%。尾矿水呈弱碱性,与砂岩的主要成分石英钠长石(NaAlSi3O8)和钾长石(K(AlSi3O8))发生化学反应,生成大量的Na+和K+离子,溶液中离子浓度分别增加了40.17%和19.8%,导致砂岩表层微观结构破坏、孔隙和裂隙增大,从而使得弱化效果更加显著。研究成果为理解尾矿水对砂岩浸水弱化机理提供了有益参考,并为尾矿工程安全研究、分析、测评提供科学依据。

作者及单位

李铭，杨斌，胡军，夏治国，罗昌

辽宁科技大学土木工程学院

引用格式

李铭, 杨斌, 胡军等. 尾矿水浸泡对砂岩结构及力学特性影响研究[J]. 金属矿山, 2024, (6):31-37.

正文

尾矿库溃坝危害性极大,不仅造成人员伤亡,还严重污染环境,破坏地区生态。砂岩通常具有较高的孔隙度和渗透性,尾矿水长期浸泡会对其稳定性造成潜在影响,可能引发一系列危害。因此研究浸水作用对砂岩力学性质的影响就显得尤为重要。SEMEDS能够提供高分辨率的砂岩微观结构信息,包括颗粒大小、形状、颗粒间的空隙以及岩石中的微裂纹等,对理解砂岩的结构特征,以及在力学试验中岩石受力时的微观变化至关重要。可以更全面地了解砂岩的微观特征和成分,还能深入理解砂岩在受力时的行为和性能变化。

水岩物理作用主要是水溶液通过润滑、泥化、软化和干湿循环等方式对岩体的力学性能产生影响。由于含水率上升而造成的岩石力学性能退化的现象称为岩石的软化。CAI等通过对干燥和水饱和砂岩岩芯进行分离式霍普金森压杆的动态无侧限压缩试验,发现水的存在降低了岩石试样的动态峰值应力和耗散能量密度。冯夏庭等研究了不同含水率对灰岩和砂岩强度的影响,发现随着含水率的增大,其泊松比也增大,但峰值强度、弹性模量和黏聚力减小。宣以琼等对不同类型的岩石试样进行了试验,发现当一部分岩石的含水率恢复到原来的状态时,其力学性能也得到了一定程度的提高,认为含水率对其力学性能的影响是可以恢复的。DYKE等分析和研究了不同含水率对砂岩强度的影响,得出含水率高的砂岩强度相对较低。朱珍德等通过对不同含水率的泥岩进行了单轴压缩试验,发现随着含水率的增加,其峰值强度和弹性模量减小。宋勇军等对砂岩进行了多次干湿循环实验,发现其孔隙率随干湿循环次数的增大而增大,建立了砂岩与干湿循环次数的损伤模型,通过NMR分析发现,随着干湿循环次数的增多,岩样的T2图谱曲线明显地向右偏移。

水岩化学作用主要包括溶解、水解、酸碱侵蚀、氧化还原、离子交换等,关于水岩化学作用,许多学者针对这个问题做了大量的研究。FEUCHT等以水岩之间的化学作用为切入点,以砂岩为研究对象,研究了水的化学环境溶蚀对其摩擦性能的影响。ATKINSON等对酸性和碱性条件下的石英晶体裂纹扩展速度和强度因子等进行了分析。XIE等通过试验发现在石灰岩试样中,化学溶液可使其孔隙度增大,并使其黏附性、内摩擦力等发生变化。LI等通过在不同化学条件下对灰岩的宏观性能和微观结构进行试验观测,发现孔隙度的变化是导致其宏观性能下降的主要原因。YAO等就各pH值溶液对砂岩渗透性的影响进行分析,发现较低的pH值溶液对砂岩渗透性的影响更加显著。QIAO等通过分析不同pH值的水溶液对砂岩进行浸泡前后的孔隙变化,发现浸泡后的岩石样本孔隙率有所增加。孙治国等用不同浓度和不同pH值的Na2SO4溶液对红砂岩进行浸泡,并对浸泡后的试样开展单轴压缩以及分级加载蠕变试验,结果表明试样的损伤与溶液的浓度以及pH值密切相关,pH越小、浓度越大,岩石内部的孔隙率越大,波速越小。

综合以上研究结果,水岩之间的物理化学作用会对岩石的强度、变形和破坏都会产生影响,而且岩石经化学溶液浸泡后,其微观形貌和孔隙特征都会有不同程度的改变。不同的溶液对岩石的劣化程度也有所不同。目前研究人员主要关注的是岩样在自来水和化学溶液浸泡过程中的力学特性,关于砂岩受尾矿水浸泡弱化特征的研究鲜有文献报道。因此,通过砂岩力学试验与扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)相结合的方法,对尾矿水浸泡后砂岩力学性质的劣化机制进行分析。

1 试验准备及方案

1.1 试样制备

溶蚀作用是指水溶液与岩石等进行了物理、化学作用,溶解了岩石中的可溶解性矿物,导致岩石结构逐渐松散,进而使岩石的力学性质发生改变。本试验所采用的岩样为砂岩试样,把试样加工成直径为50 mm、高度为100 mm的标准砂岩试样,如图1所示。图2为砂岩X射线衍射分析图谱,利用Jade软件对图谱的矿物质类型进行了鉴别,结果表明,该砂岩试样的主要成分有石英(SiO2)、钠长石(NaAlSi3O8)、钾长石(KAlSi3O8)及少量钙长石(CaAlSi3O8)等。

图1 砂岩试样

图2 X射线衍射分析图谱

1.2 试验设备

单轴压缩试验在YAD-2000型单轴压力机上进行,试验仪器如图3所示。试验过程中使用的是位移控制加载方式,加载速率为0.2 mm/min。电镜扫描试验采用的是Sigma 500场发射扫描电子显微镜,见图4。其放大倍数为10～1 000 000,加速电压为0.02～30 kV(无需减速模式实现),低真空范围为2～133 Pa(Sigma 500 VP可用),基于Windows 7的Smart-SEM操作系统,可选鼠标、键盘、控制面板控制Sigma 500产品应用。

图3 YAD-2000型单轴压力机

图4 Sigma 500场发射扫描电镜

1.3 浸泡方案

尾矿通常需要通过水来处理,这可能包括冲洗、浸泡或浸出等过程,这导致尾矿与水混合,形成尾矿水。尾矿水通常富含有害物质,如重金属、酸性物质和有机污染物。本试验选用东鞍山烧结厂西果园尾矿库尾矿水进行浸泡,尾矿水的pH值为7.92,偏弱碱性,自来水来自城市用水。将砂岩试样在尾矿水和自来水中分别浸泡90 d,并选取天然状态下的砂岩试样作为对照组,共3组试样,每组3个,共计9个。在试样浸泡前检测尾矿水溶液的离子浓度,保证浸泡过程中处于密封状态,经过90 d的浸泡后,同样对浸泡溶液中K+、Na+、Ca2+、Al3+等离子的浓度进行检测。

2 水溶液对砂岩微观结构及破裂模式的影响

2.1 砂岩微观形貌分析

图5为砂岩试样的微观图像,天然状态下试样的微观形态溶蚀孔隙比较少,岩样表面较为平整光滑(图5(a))。在经过自来水的浸泡之后,岩样的表面出现了显著的孔隙和裂缝,岩样的表面平整度较差,并且岩样的部分区域被溶蚀(图5(b))。在经过尾矿水溶液的浸泡后,岩样的表层发生了较多的破损,存在着许多的溶蚀孔隙,表面布满了大量碎屑(图5(c))。与天然状态下的砂岩试样相比,经过水溶液浸泡后,岩样的微观结构形态发生了较大的改变,微观裂纹和溶蚀程度较为严重,其中以尾矿水浸泡后的砂岩试样的微观结构变化最大。在水岩作用的影响下,砂岩细观构造发生变化,裂缝和孔隙增大,导致其宏观的力学性质劣化。

图5 砂岩试样的微观图像

2.2 砂岩试样表面元素分析

在X射线谱图中,横轴表示X射线的能量(keV);纵轴为每电子伏特的计数率,即信号强度(cps/eV),是每秒计数次数除以每电子伏特的能量。谱图中最高峰的高度并不直接反映元素的含量,即谱图中的最高峰并非必然对应含量最高的元素。需要将检测到的信号强度与软件中存储的标准值进行比对,并进行软件ZAF校正处理,以得出相应的元素含量。

图6为天然状态、自来水浸泡和尾矿水浸泡后的砂岩试样表面的SEM-EDS分析结果。可以得出:在天然状态下,砂岩试样表面的O、Na、Si和K元素含量分别为51.34%、26.15%、17.08%和5.43%。砂岩试样在自来水中浸泡后,表面发生破损,出现大量裂纹和孔隙,试样O、Na、Si、K、Ca和Al表面元素含量分别为50.04%、23.63%、16.08%、4.43%、1.3%和4.5%。而在尾矿水溶液中浸泡后,试样表面溶蚀最严重,O、Na、Si、K、Ca和Al表面元素的含量分别为49.24%、22.45%,16.08%、2.34%、3.3%和6.5%。

图6 不同溶液浸泡下砂岩表面元素分析

比较3组试样的表面形貌照片(图5)和SEMEDS分析结果(图6),可以看出尾矿水溶液和自来水都会溶解砂岩,但尾矿水溶液对砂岩的溶蚀作用要强于自来水。此外,通过SEM-EDS的分析结果可观察到各个试验组的砂岩试样表面元素分布呈现明显的差异。在经过溶液浸泡后的砂岩试样表面,成功检测到Ca和Al元素的存在,而在天然试样的SEM-EDS分析中未观察到这2个元素的存在。天然试样中O、Na和Si的含量较高,其他元素的相对含量较低,而SEM-EDS在元素探测方面具有一定的下限,导致含量较低的元素可能无法被准确检测。前期研究指出,相较于其他矿物,长石更容易在水溶液中发生溶解反应。在水溶液浸泡过程中,砂岩试样中的钠长石和钾长石大量溶解于溶液中,导致Na+和K+的浓度显著上升,这一结果经离子浓度测试得到验证。另外,在试样浸泡后,含有Ca的矿物也发生溶解,因此在试样表面能够探测到Ca和Al元素的存在。总体而言,不同种类的矿物在水溶液中的溶解率存在显著差异,表明水溶液对长石的溶解表现出一定的选择性,尤其是富含Na和K元素的矿石更容易与水溶液发生明显的相互作用。

2.3 试样破裂模式分析

3组试样的典型破坏模式如图7所示,自来水浸泡、尾矿水浸泡和天然状态的试样都呈现出剪切破坏,自来水浸泡和尾矿水浸泡后的试样存在一些拉裂纹,但对破坏不起主导作用。岩样较为破碎,而经过尾矿水浸泡的岩样呈现出双剪切破坏。

图7 试样破坏

3 水溶液对砂岩的力学性质影响

3.1 溶液离子浓度测定

通过ICP-AES对浸泡前后溶液中的K+、Na+、Ca2+、Al3+等离子的浓度进行测定,测试结果如表1所示。由表1可知,浸泡前后的溶液离子浓度都有很大的变化,相比于自来水,尾矿水溶液浸泡前后离子浓度变化率更大,且在溶液浸泡前后,溶液中K+和Na+离子浓度增加较多。自来水浸泡时,浸泡前后K+离子浓度增加了14.7%,Na+离子浓度增加了30.9%。尾矿水浸泡时,浸泡前后K+离子浓度增加了19.8%,Na+离子浓度增加了40.17%。尾矿水的离子浓度含量明显高于自来水,表明尾矿水的溶蚀程度比自来水要高。由于尾矿水溶液的溶蚀,使得岩样中的矿物成分被溶解,岩石结构发生了变化,导致内部的孔隙度增大,从而使其力学性能劣化程度增大。

表1 浸泡液离子浓度测定

3.2 砂岩单轴压缩试验

图8为3种条件下砂岩的应力—应变曲线,砂岩在天然状态、自来水浸泡以及尾矿水浸泡条件下,其软化程度逐渐增大,变形逐渐增加,而强度则逐渐降低。与天然岩样相比,经过水溶液的浸泡之后,应力—应变曲线中的压密阶段明显延长,该阶段主要是岩样内部的微孔隙压密闭合,在浸水处理后使岩石受到水的软化作用,导致了压密阶段延长。天然状态、自来水浸泡和尾矿水浸泡的峰值强度也有明显的差别,天然状态下的砂岩峰值强度最大,其平均强度为77.63 MPa,尾矿水溶液浸泡后砂岩的峰值强度最小,其平均强度为58.67 MPa。

图8 单轴压缩应力—应变曲线

根据3组试样的单轴压缩试验结果,将3组试样的峰值强度和弹性模量汇总于表2。由表2可知,自然状态下的岩样的峰值强度是77.63 MPa,弹性模量是10.66 GPa,而经过自来水浸泡的岩样的峰值强度是64.91 MPa,弹性模量是8.68 GPa,与自然状态下的岩样相比,峰值强度下降了16.38%,弹性模量下降了18.5%。在经过尾矿水浸泡处理后,岩样的平均峰值强度是58.67 MPa,平均弹性模量是7.95 GPa,与自然状态下的岩样比较,岩样的峰值强度下降了24.42%,弹性模量下降了25.42%。说明水的浸泡会使岩石的物理力学性质发生劣化,并且与自来水相比较,尾矿水对砂岩造成的损伤更为严重。

表2 力学参数变化

3.3 水溶液对砂岩劣化机制分析

在前文对浸泡溶液中的离子浓度测量结果的分析基础上,并结合范钢伟等的试验,得出了尾矿水对岩石的溶解作用机理,如图9所示。

图9 溶蚀模型

Cs—砂岩内层固体表面溶液浓度;C(x,y,t)—t时刻外部尾矿水溶液不同位置的浓度;h—为边界层厚度;①②③—砂岩水解3个阶段

结合前面对砂岩试样进行XRD测定,本试验所采用的砂岩主要有长石和石英。在尾矿水溶液中,将岩石的水解划分成3个阶段:

(1)在阶段①中,在水溶液中通过原子或分子的扩散移动而到达岩样的表面。

(2)岩样内易溶性矿物质在尾矿水中溶解,并与溶液发生反应,生成K+、Ca2+、Na+等离子体(阶段②):

在碱性水环境下,同溶液中OH-发生反应:

(3)溶解的K+,Ca2+,Na+等离子通过扩散进入外部尾矿水溶液(阶段③)。

如图9所示,根据岩盐的溶蚀速率模型和菲克第一定律,对砂岩在尾矿水中的溶蚀速率进行分析。在外部环境不变条件下,砂岩固体表面附着层浓度Cs保持不变,扩散通量J(x)(mol/(m2·s))在固体表面位置x处的计算公式为

式中,D为扩散系数,m2/s,与温度有关;ΔC为砂岩内外离子浓度差。

对应的距离x处的溶蚀速率λ(x)计算公式为:

式中,λ(x)为单位时间内单位面积上砂岩体积溶蚀速率,×10-4cm/s;ρ为砂岩固体密度,g/cm3;M为砂岩的分子摩尔质量,g/mol。

根据前文试验结果,尾矿水溶液中K+、Na+、Ca2+、Al3+等离子的浓度高于自来水。当温度不变时,Cs保持恒定,在尾矿水中浸泡的砂岩内外离子浓度差ΔC比自来水更大,这导致溶解物质微粒从砂岩固体表面向外部水溶液的扩散通量J(x)增加,进而增加溶蚀速率λ(x),也就是促进尾矿水对岩石溶解的第2阶段反应,砂岩中的K、Ca、Na等元素通过反应变成K+、Ca2+、Na+等离子体,表现为尾矿水溶液中离子浓度增加,砂岩试样经过溶液腐蚀过后的孔隙结构也发生变化。化学损伤的累积导致力学性能劣化,具体表现在软化程度变大、变形增大和强度降低。因此,溶液中离子浓度变化越大,砂岩试样的强度和弹性模量降低得越多。

4 结论

(1)研究了尾矿水对砂岩的物理力学特性的影响,并利用扫描电镜和能谱仪对砂岩试样的微观形貌以及表面元素进行了分析。与天然试样相比,试样经自来水浸泡90 d后,其强度和弹性模量分别降低了16.38%和18.5%;试样经尾矿水浸泡90 d后,其强度和弹性模量分别降低了24.42%和25.42%;水溶液的浸泡导致岩石的力学性能劣化,而尾矿水溶液对岩石的损伤比自来水溶液更为严重。

(2)试样经自来水溶液浸泡90 d后,K+离子浓度增加了14.7%,溶液Na+离子浓度增加了30.9%,岩样的表面出现了显著的孔隙和裂缝,并且部分区域被溶蚀。试样经尾矿水浸泡90 d后,K+离子浓度增加了19.8%,溶液Na+离子浓度增加了40.17%,岩样的表层发生了更多的破损,相较于自来水浸泡,尾矿水浸泡存在着许多的溶蚀孔隙,表面布满了大量碎屑。经尾矿水浸泡后的试样表层破坏情况比较严重,表明在尾矿水溶液的溶蚀影响下,试样的微观裂隙不断扩大,进而导致力学性质的劣化。

(3)建立尾矿水对岩石溶解的溶解模型。溶解过程可分为3个阶段:在水溶液中通过原子或分子的扩散移动而到达岩样的表面、矿物质溶解并反应生成离子(K+、Ca2+、Na+)和离子扩散入外部水溶液。根据溶蚀模型,尾矿水中离子浓度较自来水更高,增加了砂岩溶蚀速率,导致其力学性质的劣化。这提供了水对砂岩溶蚀过程的清晰化学机制和反应动力学框架,深化了对岩石与水相互作用的理解。

参考文献（略）

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