不同溶浸作用下离子型稀土持水特性与强度演化规律研究

离子型稀土作为我国重要的战略矿产资源,对于国防及工业发展具有显著意义,如何实现离子型稀土资源安全开采是一个重要课题。原地浸矿法由于生产工艺简单、环境污染小、生产成本低等优点,成为目前离子型稀土推荐的开发方式。在离子型稀土原地溶浸过 程中,浸矿液注入导致矿体含水率不断增加,加之赣南地区雨水丰富的气候特点,使得矿体长期处在高度饱和环境下,其抗剪强度不断弱化,进而诱发山体滑坡等地质灾害,威胁矿区人民生命财产安全。为了进一步实现安全高效开采稀土,亟需研究不同溶浸作用下离 子型稀土持水特性,揭示浸矿作用下离子型稀土强度弱化机理。 本文以江西省龙南足洞矿区离子型稀土为研究对象,采用理论与试验相结合的方法,研究离子型稀土在不同溶浸作用下的土水特性和强度特性。利用自制室内模拟浸矿装置开展溶浸试验,结合土-水特征曲线试验分析溶浸液种类、溶浸液浓度对离子型稀土持水特性和“滞回效应”的影响。开展直接剪切试验和无侧限抗压强度试验,研究溶浸液种类、溶浸液浓度、溶浸时长和干湿循环作用对饱和离子型稀土抗剪强度和无侧限抗压强度的影响。 本文主要研究结论如下: (1)借助压力板仪得到不同种类、不同浓度溶浸液作用后试样土-水特征曲线数据,采用三种典型模型(VanGenuchten模型、Fredlund&Xing三参数模型和Fredlund&Xing四参数模型)对离子型稀土的土-水特征曲线进行拟合。结果表明,三种模型对于离子型稀 土土-水特征曲线的拟合效果均较好,其中Fredlund&Xing四参数模型拟合效果最好。在不同种类溶浸液(纯水→3%硫酸镁→3%硫酸铵)与不同浓度溶浸液(0→2%硫酸铵→3%硫酸铵→5%硫酸铵)的浸矿作用下,土-水特征曲线模型参数的变化规律基本一致,其中参数a与进气值相关、参数n与减湿率相关、参数m与残余含水率相关。不同模型得到的参数值变化情况不同,VanGenuchten模型中参数a、n、m均逐渐增大,Fredlund&Xing三参数模型和Fredlund&Xing四参数模型中参数a、m均逐渐减小,n逐渐增大。 (2)通过分析不同种类溶浸液作用后试样的土-水特征曲线,发现采用纯水、3%硫酸镁、3%硫酸铵溶浸后的三种试样持水能力依次减弱。相比于纯水作用,使用3%硫酸镁和3%硫酸铵溶浸后的试样“滞回效应”显著程度下降。通过分析不同浓度溶浸液作用后试样的土-水特征曲线,发现随着溶浸液浓度的增大(0→2%硫酸铵→3%硫酸铵→5%硫酸铵),试样的持水能力逐渐下降,且“滞回效应”显著程度呈现指数函数减小的规律,溶浸液浓度从0增大到2%时,试样“滞回效应”显著程度下降最明显。 (3)开展不同溶浸作用后的离子型稀土试样直剪试验发现,试样的破坏类型属于塑性破坏。不同溶浸作用后饱和离子型稀土试样抗剪强度的弱化,主要通过降低黏聚力与内摩擦角来实现,其中黏聚力的影响更大。采用纯水、3%硫酸镁、3%硫酸铵溶浸后的三种试样,其黏聚力与内摩擦角呈线性递减的规律,其中黏聚力降幅更加显著。随着溶浸液浓度的增加,黏聚力与内摩擦角的变化符合单指数衰减函数的规律。对于不同溶浸时长的试样,黏聚力在24h之前下降最显著,在24h~48h之间变化相对平缓,内摩擦角随溶浸时长的变化不显著。经过不同次数干湿循环作用后的试样,其黏聚力与内摩擦角变化趋势基本一致,两者均在第1次干湿循环后显著下降,且在第3次干湿循环后基本稳定。 (4)开展不同溶浸作用后的离子型稀土试样无侧限抗压强度试验发现,不同种类、不同浓度溶浸液作用后的试样,随着轴向应变的增大,其轴向应力呈现先快速增大后趋于平缓,最后缓慢下降的规律,破坏类型属于塑性破坏。采用纯水、3%硫酸镁和3%硫酸铵溶浸后的三种试样,其无侧限抗压强度呈线性递减的规律,无侧限抗压强度与溶浸液浓度之间的关系更符合Holliday模型。在48h内,溶浸液浓度对无侧限抗压强度的影响显著大于溶浸时长的影响。试样经过干湿循环作用后,轴向应力达到峰值的速度显著大于未经历干湿循环的试样,且峰值更小,即试样更容易发生破坏。