富鈷結殼抗剪強度試驗研究

吳鴻云，高宇清，陳 爭

(長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南長沙 410012)

0 引言

富鈷結殼，即生長在海底巖石或巖屑表面的皮殼狀鐵錳氧化物和氫氧化物，富含鈷、鎳、鋅、鉛、鈰、鉑等金屬，主要產在水深800～3000 m的海山和海臺頂部和斜面上，在太平洋天皇海嶺、中太平洋海山群、馬紹爾群島海嶺、夏威夷海嶺、麥哲倫海山、吉爾伯特海嶺、萊恩群島海嶺、馬克薩斯海臺等地都有發現。據估計，大約635萬km2的海底為富鈷結殼所覆蓋，鈷的推算總量約為10億t［1-2］。

近幾十年來，美、德、日、俄等發達國家在鈷結殼資源的勘查、開采、冶煉加工等技術研究上投入了巨資，中國、韓國等少數發展中國家近十年來也積極開展了鈷結殼開采技術等方面的研究工作，已取得較大進展［3-9］。2012年7月27日，中國大洋礦產資源研究開發協會率先向國際海底管理局提交了一份請求核準“區域”內富鈷結殼勘探工作計劃的申請書，所申請的礦區于2013年2月初步通過國際海底管理局法律技術委員會的審核，待2013年7月召開的國際海底管理局第19屆會議期間核準通過［10］。一旦核準通過，我國可在未來實施富鈷結殼的商業開采。因而，詳細了解大洋富鈷結殼礦床的賦存特性，掌握富鈷結殼抗剪強度等力學特性，對富鈷結殼采礦機設計具有重要意義。

本文通過對我國大洋航次調查獲取的富鈷結殼樣品進行室內的抗剪試驗，獲取樣品的抗剪強度，建立其剪應力和正應力關系，推導內聚力和內摩擦角，為富鈷結殼采礦機的采礦頭設計提供參數。

1 試驗樣品的抗剪試驗

1.1 抗剪強度試驗原理

巖石的剪切強度［11］是巖石抵抗剪應力破壞的最大能力，巖石的抗剪斷強度與法向應力近似服從于庫倫定律，即:

試驗采用變角板剪切法測定富鈷結殼試樣的剪切強度。變角板剪切法是利用壓力機施加垂直荷載，通過一套特制的夾具使試樣沿某一剪切面產生剪切破壞，然后通過靜力平衡條件解析剪切面上的法向壓應力和剪應力，從而繪制法向壓應力σ和剪應力τ之間的關系曲線，求巖石的內聚力C和內摩擦角φ。

1.2 試驗儀器

試驗采用的試驗機為YAD－2000型微機控制電液伺服巖石壓力試驗機，采用的變角板夾具為可調角度夾具(見圖1)，α角一般取40°～70°，每10°為一個間隔，即每組試驗取的為 40°、50°、60°、70°。

1.3 試驗步驟

(1)制備標準巖塊。試樣尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的立方體，誤差小于5%，試樣各端面平行，見圖2。

(2)試驗尺寸測量。測量預定剪切面的邊長，求出剪切面積。

(3)安裝試樣。將變角板剪切夾具用繩子拴在壓力機承壓板剪，注意使夾具的中心與壓力機的中心線重合。

圖1 試驗機與夾具

圖2 試樣樣品

(4)加載。本次試驗采用的是位移控制，加載速率為0.1 mm/min，加載直至試驗破壞，記錄最大載荷P。

(5)重復試驗。本次試驗每組的變角為50°、60°、70°。

2 試驗數據整理

2.1 計算公式

試樣剪切面的剪應力和正應力按下式計算:

式中，τ為剪應力，MPa;σ為正應力，MPa;P為試樣破壞的載荷，N;A為試驗剪切面面積，mm2;α為試樣放置角度(變角板角度)，°;f為滾軸摩擦系數，f=1/nd，n為滾軸根數，d為滾軸直徑，mm，本次試驗f忽略不計。

2.2 試驗結果

求出每個試樣試驗的剪應力和正應力，以剪應力為縱坐標，正應力為橫坐標，將各組中每一個試樣的剪應力和正應力標在σ－τ坐標系中，按線性擬合，獲得試樣的內聚力C和內摩擦角φ，如圖3所示。

圖3 τ—σ關系曲線

每組試樣的τ剪應力、σ正應力、內聚力C和內摩擦角φ，見表1。

表1 抗剪實驗數據

圖4 試樣的τ—σ關系擬合曲線

富鈷結殼試樣的抗剪強度與法向應力近似服從庫侖定律，如圖4所示，其經驗公式為:

由式(3)得出富鈷結殼相關力學參數為:內聚力 C 為0.275 MPa，內摩擦系數 tanφ 為 1.398，內摩擦角 φ 為54.43°。

3 結論

(1)四塊富鈷結殼試樣的抗剪強度與法向應力近視服從庫侖定律，可由τ=1.398σ+0.275表達，其內聚力和內摩擦角分別為0.275 MPa和54.43°。

(2)本次試驗是以我國大洋航次調查富鈷結殼樣品為試樣，該樣品經過長久的實驗室儲存和轉運，干燥無水，其力學性能較現場測試失真，受樣品數量限制，未作更多的測試，應進行多次現場實測，取得大量數據，以修正和完善所提出的經驗公式。

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［10］中國西太平洋富鈷結殼礦區勘探申請獲初步通過［EB/OL］.中央政府門戶網站.www.gov.cn.2013 年02 月09 日.

［11］ZHAO Ming－ hua.Siol mechanics andFoundation Engineering［M］.Wuhan:Press of Wuhan University of Technology，2000:91-92.