荷載作用下磷塊岩晶界裂紋產生擴展貫通破壞機理研究

《荷載作用下磷塊岩晶界裂紋產生擴展貫通破壞機理研究》是依託武漢工程大學，由張電吉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：荷載作用下磷塊岩晶界裂紋產生擴展貫通破壞機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張電吉
• 依託單位：武漢工程大學

項目摘要

白雲質條帶狀構造磷礦石是我國磷塊岩礦主體，在其地下開採過程中，采場頂板、邊幫及礦柱裂紋的產生擴展破壞，常引起采場的不穩定並導致災難性事故發生，而條帶狀磷塊岩中不同晶界起裂以及裂紋的擴展貫通是引起磷塊岩變形破壞的關鍵。選取具有代表性的磷塊岩，將磷塊岩中膠磷礦、白雲石以及含膠磷礦與白雲石接觸晶界的部位分別加工成試樣，藉助載入下實時觀測的 SEM實驗系統，對載荷作用下磷塊岩中不同類型晶界起裂及裂紋擴展規律進行室內實驗。根據試樣中裂紋的 SEM 圖像，藉助數字圖像處理的方法，分析研究晶界的開裂及裂紋傳播規律。通過對三種不同類型晶界在應力作用下的起裂破壞實驗研究及理論分析，從能量耗散及釋放的理論出發，確定出在應力作用下最先起裂的晶界類型，該晶界就是磷塊岩開裂破壞的最弱部位，以此為基礎，採用斷裂力學及損傷力學相關理論，建立在荷載作用下磷塊岩晶界裂紋產生擴展貫通破壞力學模型。

結題摘要

本項目緊密結合我國磷塊岩礦山的生產實際，通過調研，在礦山現場採取了具有代表性的磷塊岩，研究在荷載作用下磷塊岩中不同微觀結構及礦物成分對其強度影響規律，分析研究了磷塊岩微觀開裂與巨觀破壞關係。採用RXT-1000高溫高壓岩石三軸試驗儀及WAM-600微機控制電液伺服萬能試驗機，分別進行三軸載入及單軸載入破壞規律力學實驗。在岩石三軸儀連線前置放大器，在岩樣上設定6個聲發射探頭，以此實現聲發射震源的三維定位，用三維布設的感測器監測磷塊岩在載荷作用下的聲發射活動，實時採集磷塊岩在三軸應力作用下聲發射活動信息，觀測岩樣破碎活動。利用AEwin軟體對磷塊岩樣進行監測分析，得出三軸載入下磷塊岩樣聲發射變化過程圖。研究表明：在三維應力作用下，磷塊岩中的起裂點是在岩體內部的某個弱面或弱點處，而不是在試件的周邊。而現場磷塊岩破壞的發生主要是在開挖後的自由面附近。這說明約束力的重要性。 對磷塊岩樣進行SEM細觀試驗分析研究，觀察磷塊岩樣的晶體結構及壓裂試驗後晶界裂紋產生髮展情況，對巨觀破壞試樣斷面切片進行電鏡掃描和元素分析，觀察晶界裂紋破壞情況及發展趨勢。確定出在應力作用下磷塊岩開裂破壞的最弱部位。研究表明:磷塊岩的裂紋擴展特徵與材料非均質性密切相關，磷塊岩在載入條件下主要從其膠結物處開裂。岩體中大量矽質的存在，一方面提高了岩體的總體強度，另一方面提高岩石儲存彈性應變能的能力，使得圍岩體成為岩爆高儲能體，體現出較高岩爆傾向性。把室內試驗結果與磷塊岩礦床現場破壞情況對比，分析了磷塊岩微觀開裂與巨觀破壞之間的關係。 我國許多磷礦山出現岩爆等地質災害，本項目研究中的大量岩樣取自這些磷礦山，研究磷塊岩晶界裂紋產生、擴展貫通破壞機理，找出磷塊岩的開裂破壞規律，可為磷塊岩地下開採中地質災害預防和安全生產提供科學理論依據。研究成果已在宜昌部分礦山中得到套用。