層理角度影響下油頁巖優勢沖擊破碎角度研究

甘 澤 李富平 楊 曦 甘德清

(1.華北理工大學礦業工程學院,河北 唐山 063210;2.河北省礦業開發與安全技術實驗室,河北 唐山 063210)

我國是能源消耗大國,同時也面臨著巨大的能源進口風險[1-2],其中石油資源對外的依存度達到72.05%[3]。我國油頁巖儲量豐富,探明儲量315.67億t,位居世界第四位[4-6]。作為重要的替代能源,油頁巖的開發利用對改善我國能源安全環境具有重要意義。

目前,油頁巖的開采利用仍主要以爆破—破碎—分選—干餾的傳統方式進行[7-11]。破碎是其開發利用的重要環節,對其破碎過程中涉及到的問題進行研究具有重要意義。礦石經過充分破碎后,有用組分與脈石組分的解離程度會得到提高。高鋒等[12-13]對磁鐵礦進行破碎試驗研究,發現磁鐵礦的破碎粒度達到0.3～0.5 mm 時,礦物顆粒的解離程度較為充分。在破碎產物中,此粒徑范圍內的磁鐵礦顆粒品位比二段磨礦產出的磁鐵礦顆粒的品位還高4.06 個百分點。在油頁巖的破碎過程中,隨著礦石的內部構造或礦石類型的改變,較為充分解離的粒徑范圍發生相應改變[14]。油頁巖由有機質和無機礦物組成,其中,有機黏土復合體是連續相基質,離散有機質和其他無機礦物隨機分布在基質中[15]。破碎過程中,無機礦物會逐漸從連續有機基質中剝離,在無機礦物被剝離后,剩余油頁巖顆粒中的有機質含量相對提高,含油率也相應提升。YU 等[16-17]研究發現,充分破碎后,油頁巖可以在一定粒級范圍內達到較為充分的解離,此粒徑范圍內的油頁巖顆粒含油率最高。因此,在破碎過程中提高相應粒徑范圍的顆粒含量十分重要。關于油頁巖破碎,相關專家學者也進行了相應的研究。王魯男等[18]對不同有機質含量的油頁巖進行單軸壓縮試驗,發現有機質對油頁巖的壓縮破碎有劣化作用,高有機質含量的油頁巖強度低,更容易被破碎。DONG 等[19]對油頁巖破碎過程中的斷裂特征進行了分析,發現隨著加載速率的增加,由于層理而引起的各向異性的影響逐漸減小,有利于油頁巖的破碎。譚平[20]探究了溫度對油頁巖破碎的影響,發現隨著溫度的提升,油頁巖的破碎程度不斷提高。以上研究從不同角度探究了有利于油頁巖破碎的方法,但是,除了上述影響因素外,油頁巖的層理結構也是影響其破碎的重要因素。朱穎[21]對不同層理角度的油頁巖開展力學試驗研究,發現油頁巖的層理角度不同,其破碎形式也不同。破碎形式不同,那么其破碎后的粒徑勢必也存在差異,其所包含的破碎解離較為充分的油頁巖顆粒含量也會發生變化。因此,急需開展層理角度影響下油頁巖破碎形式及其粒徑范圍的研究,明確不同層理角度下油頁巖破碎顆粒中解離較為充分顆粒的含量,進而確定優勢破碎角度。

基于此,本文首先開展油頁巖破碎篩分試驗,測定不同粒級油頁巖的含油率變化,明確油頁巖顆粒達到較為充分解離時的優勢粒徑范圍;通過電鏡掃描分析,確定油頁巖微觀層理結構;建立不同層理角度油頁巖沖擊破碎數值模型并開展數值模擬研究,確定油頁巖在不同層理角度下的破壞模式與破碎后的粒度特征,結合優勢粒徑范圍確定油頁巖優勢破碎層理角度;應用Weibull 分布函數模型對油頁巖破碎粒度進行定量分析。

1 油頁巖破碎篩分與含油率測定

對從某礦采集到的油頁巖原礦分別進行一次破碎和多次破碎,對破碎后的油頁巖進行篩分,并對篩分后不同粒級范圍內的油頁巖含油率進行測定,含油率測定分別根據《煤的工業分析方法》(GB/T 212—2008)和《油頁巖含油率測定法》(SH/T 050892)分析。一次破碎后進行篩分,并測定初始破碎后油頁巖顆粒的粒徑范圍為50～3 mm,其含油率結果如表1所示。從表1 可以看出:+50 mm 與6～3 mm 這2 個粒級物料產率相對較高,其余油頁巖粒度分布呈現相對均勻。油頁巖的含油率隨粒度減小整體呈降低趨勢,說明隨著解離過程的進行其無機礦物雜質被解離出來,造成無機礦物雜質含量增加,含油率降低。

表1 一次破碎后不同粒級油頁巖含油率Table 1 Oil content of different grain sizes of oil shale after primary crushing

經多次破碎后,將油頁巖顆粒粒徑破碎至3 mm以下,得到不同粒級油頁巖顆粒含油率,結果如表2所示。從表2 可以看出:3～1 mm、1～0.5 mm 以及-0.045 mm 這3 個粒級物料產率相對較高,其余油頁巖粒度分布產率相對均勻。油頁巖的含油率隨粒度減小呈降低趨勢,3～1 mm 油頁巖含油率較高,而隨著粒度減小,油頁巖的含油率逐漸降低,至粒度為-0.045 mm 時,其對應含油率為2.83%。油頁巖中無機礦物雜質與油頁巖呈共伴生形態存在,隨著破碎程度的不斷加深,油頁巖顆粒中的無機礦物雜質被解離出來,造成無機礦物雜質含量增加,含油率降低。從粒度分布及含油率分布角度考慮,油頁巖通過破碎解離可以使伴生于油頁巖礦石中的無機礦物雜質高效解離出來,達到無機礦物雜質與有機質的高效分離。因此,可以認為本次試驗油頁巖在3～1 mm 粒徑范圍的破碎解離較為充分,此范圍為其破碎的優勢粒徑范圍。

表2 多次破碎后不同粒級油頁巖含油率Table 2 Oil content of different grain sizes of oil shale after multiple crushing

2 油頁巖微觀層理結構分析

掃描電鏡技術是重要的微觀觀測手段,其原理是通過發射聚焦過的電子束轟擊要觀測的樣品表面,同步接收由此激發的被散射電子、二次電子和吸收電子等信號,將接收到的信號進行放大處理后,就可以得到樣品表面特征的掃描圖像。本文采用S-4800型掃描電子顯微鏡對油頁巖的微觀結構進行了觀測,結果如圖1所示。

圖1 油頁巖試樣掃描電鏡圖Fig.1 Scanning electron micrograph of oil shale specimen

由圖1 可知:油頁巖層理結構發育明顯,且包含一定量的孔隙。油頁巖層理呈疊層片狀形態分布,片狀形態礦物在平行于層理面的發育方向沒有明顯規律(圖1(a));孔隙夾雜在片層之間,孔隙分布雜亂無章,并沒有明顯的規律性,孔隙大小各異,差異性較大,片狀形態礦物在垂直于層理面的發育方向較為一致(圖1(b))。這種豐富的層理結構導致油頁巖明顯的各向異性,給油頁巖破碎帶來較大影響。

3 油頁巖沖擊破壞數值模擬分析

3.1 模型建立

采用中國科學院開發的GDEM 軟件中的Block-Dyna 模塊進行數值模擬分析。GDEM 在解決動態問題、非線性問題和大位移、大旋轉問題時,采用基于時程的動態松弛技術進行顯示迭代計算,優勢明顯。軟件中的塊體由一個或多個有限元單元組成,在塊體內部使用連續本構,塊體邊界使用非連續本構。每個有限元單位可以是由一個簡單的四面體、一個五面體或一個六面體單位組成,也可以是一個復雜的多面體單位組成。塊體與塊體之間通過彈簧連接,當發生裂紋、滑動等不連續變形時,主要是通過彈簧的斷裂來實現。

在破壞計算中,使用Mohr-Coulomb 準則,對涉及的彈簧力進行矯正,如式(3)所示,其中T表示抗拉強度,φ表示內摩擦角,C表示黏聚力。

前文中已經明確,油頁巖包含大量的層理結構,不同傾角的層理會對其破壞模式產生不同的影響,其破碎后的粒度也有較大區別,因此建立0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°層理傾角的模型。模擬油頁巖試件的大小為5 cm×5 cm,選用的模型為DP 模型,選用的材料參數如表3所示。為了確保不同層理角度破碎效果不受網格影響,在劃分網格時,盡量控制網格大小保持一致,不同層理角度模型劃分單元格數量相近,建立不同層理角度油頁巖模型如圖2所示。

表3 油頁巖模擬參數Table 3 Simulation parameters of oil shale

網格劃分完成后,在模擬試件底部設置剛性面,頂部設置錘頭,如圖3所示。通過錘頭沖擊破碎油頁巖試樣,設置的錘頭沖擊速度為3 m/s。模擬結束后輸出相應云圖與破碎粒度結果。

圖3 沖擊過程模擬Fig.3 Impact process simulation

3.2 油頁巖破壞形式分析

油頁巖包含大量層理結構,其破壞斷裂受層理結構影響較大。由模擬結果可知,油頁巖破碎形式可以分為5 種,即穿層劈裂破壞、穿層剪切破壞、剪切破壞、劈裂穿層破壞和劈裂型的剪切張拉破壞。

0°和10°層理角度的油頁巖破壞類型為穿層劈裂破壞。從模擬結果中提取層理角度為0°時的剪切應變云圖作為典型破壞過程進行分析,如圖4所示。破碎初始階段(圖4(a)),試件兩側準則破壞角度以下,出現較大變形。并沿著準則破壞角度不斷增大(圖4(b)),但是受到層理結構的影響,油頁巖并沒有沿著準則破壞角度破壞。而是產生穿層裂紋(圖4(c)),最終形成多條穿層裂紋,并在穿層裂紋的基礎上,沿著層理面發生張拉破壞而形成次級裂紋(圖4(d))。

圖4 0°層理破碎演化過程Fig.4 Evolutionary process of 0° laminar fragmentation

20°、30°和40°層理角度的油頁巖破壞類型為穿層剪切復合破壞。從模擬結果中提取層理角度為30°時的剪切應變云圖作為典型破壞過程進行分析,如圖5所示。在初始階段,油頁巖兩側變形較大,并產生了沿著層理面的裂紋(圖5(a))。但是,由于層理角度與準則破壞角度并不相同,所以,在進一步破碎過程中,沿著近似準則破壞角度形成了穿層裂紋,并在穿層裂紋形成后,沿著層理形成次級裂紋(圖5(a)、(b)),最終沿著層理面發生剪切破壞,沿準則破壞角度發生穿層破壞(圖5(d))。

圖5 30°層理破碎演化過程Fig.5 Evolutionary process of 30° laminar fragmentation

50°和60°層理角度的油頁巖破壞類型為剪切破壞。從模擬結果中提取層理角度為60°時的剪切應變云圖作為典型破壞過程進行分析,如圖6所示。在破碎的初始階段,油頁巖沿著層理方向產生了多條裂紋(圖6(a)),并沿著層理面發生滑移(圖6(b)、(c)),最終發生剪切破壞。但是,在剪切破壞的過程中,也會存在一定的穿層破壞現象(圖6(d))。

圖6 60°層理破碎演化過程Fig.6 Evolutionary process of 60° laminar fragmentation

70°和80°層理角度的油頁巖破壞類型為劈裂穿層復合破壞。從模擬結果中提取層理角度為80°時的剪切應變云圖作為典型破壞過程進行分析,如圖7所示。在破碎初始階段,油頁巖沿著層理方向產生了多條裂紋(圖7(a)),并沿著層理面發生劈裂破壞,不斷滑移(圖7(b)),在滑移過程中不斷發生穿層破壞(圖7(c)),最終形成劈裂穿層復合破壞(圖7(d))。

圖7 80°層理破碎演化過程Fig.7 Evolutionary process of 80° laminar fragmentation

90°層理角度的油頁巖破壞類型為劈裂型的剪切張拉破壞。從模擬結果中提取層理角度為90°時的剪切應變云圖作為典型破壞過程進行分析,如圖8所示。在破壞初始階段,油頁巖便沿著層理形成數條縱向裂紋(圖8(a)),雖然沿著準則破壞角度方向產生的變形較大,但是裂紋依舊沿著層理方向不斷擴展,并發生張拉破壞(圖8(b)、(c)),最終形成劈裂型的剪切張拉破壞(圖8(d))。

圖8 90°層理破碎演化過程Fig.8 Evolutionary process of 90° laminar fragmentation

3.3 油頁巖破碎粒度分析

油頁巖破壞形式的改變,會造成其破碎粒度的差異。不同層理角度油頁巖級配曲線如圖9所示。分析可知:隨著層理角度的增加,產品細顆粒含量先減小后增加。其中,70°、80°和90°層理角度時,產品級配曲線已經相差不大,80°層理角度時,破碎后顆粒尺寸基本在5 mm 以下。

圖9 不同層理角度油頁巖級配曲線Fig.9 Oil shale grading curves with different lamination angles

前文中已經明確油頁巖顆粒的優勢粒徑范圍為3～1 mm,提高這一范圍內的油頁巖顆粒含量,有助于提高后續的油頁巖分選與干餾效率。如表4所示,隨著層理角度的增大,優勢粒徑范圍內的油頁巖顆粒含量呈現波動上升的趨勢,在層理角度超過70°后,優勢粒徑范圍內的油頁巖顆粒含量顯著增加,均達到40%以上。層理角度為80°時,甚至達到50%以上。從優勢粒徑含量角度出發,以70°以上的層理角度進行定向破碎,可以大幅提高優勢粒徑含量,其中80°層理角度的效果最佳。

表4 不同層理角度下油頁巖優勢粒徑含量Table 4 Dominant grain size content of oil shale at different stratigraphic angles

圖10 為不同層理角度下油頁巖不均勻系數曲線。分析可知:隨著層理角度的增加,油頁巖破碎后的不均勻系數呈先增加后減小的趨勢。20°和30°層理角度下的不均勻系數較大;0°、10°、40°、50°、60°、70°和80°層理角度下的不均勻系數較小,且相差不大;90°層理角度下的不均勻系數最小。破碎后的粒度不均勻系數較大,則其破碎后的粒度不均勻,大顆粒和小顆粒的粒徑相差大,這會造成優勢粒徑范圍兩側顆粒粒徑相差大,不利于提升后續分選與干餾效率。從這一角度出發,層理角度為90°時破碎效果最優。

圖10 不同層理角度油頁巖不均勻系數曲線Fig.10 Oil shale inhomogeneity coefficient curves for different laminae angles

綜合考慮,以大于70°層理角度的方式進行定向破碎,可以有效提高油頁巖的分選與干餾效率。其中,以80°～90°范圍內的層理角度進行破碎,可以達到更好的效果。

3.4 油頁巖粒徑分布的定量分析

為準確預測油頁巖顆粒的級配特征,需要明確不同分布函數模型對其的適用性,找到適用于油頁巖的粒徑分布模型,為準確掌握破碎過程中油頁巖顆粒的粒徑分布情況提供準確方法。礦石破碎后的粒徑分布情況可以通過多種模型進行描述,不同模型的適用范圍并不相同,其準確度也存在差異。經過比較,本文選擇二參數Weibull分布函數和G-S分布函數對油頁巖破碎后的粒徑進行分析,確定更為適用油頁巖破碎粒徑分析的分布模型。

二參數Weibull 分布函數如下所示:

式中,m為破碎顆粒的均勻性系數;η為破碎顆粒的特征粒徑。

G-S 分布函數如下所示:

式中,x為破碎顆粒的粒徑;d為破碎顆粒的分布特征值;b為破碎顆粒的分布指數。

為方便對2 種擬合結果進行比較,對上述2 種函數模型進行線性化處理。對二參數Weibull 分布函數兩邊取對數可得:

令:

則可以得到:

同理,對于G-S 函數兩邊取對數后,可以得到:

其中,Y′=lnF(x),X=lnx。

應用上述分布模型,結合油頁巖破碎后的粒度信息,進行擬合分析,確定其準確度,結果如表5所示。由表5 可知:二參數Weibull 分布函數的準確性明顯高于G-S 分布函數,說明針對油頁巖破碎,可以采用二參數Weibull 分布函數對其破碎粒度進行描述。

表5 擬合效果統計Table 5 Fitting effect statistics

G-S 分布函數是二參數Weibull 分布函數退化后的形式,其本質上也是一種分形分布,是二參數Weibull 分布函數的簡單形式。說明粒度分布函數本質上是對破碎顆粒分形分布的描述。但是,二參數Weibull 分布函數模型在此基礎上可以更好地描述油頁巖的破碎級配情況。

4 結論

(1)破碎后的油頁巖顆粒粒徑存在優勢粒徑范圍,本試驗油頁巖顆粒的優勢粒徑范圍為3～1 mm,優勢粒徑范圍內油頁巖顆粒含油率高。

(2)油頁巖包含大量層理結構,層理角度的變化會使其破壞形式發生相應改變。通過數值模擬分析可知,其破碎形式可以分為5 種,即穿層劈裂破壞、穿層剪切破壞、剪切破壞、劈裂穿層破壞和劈裂型的剪切張拉破壞。隨著層理角度的增大,由穿層劈裂破壞向劈裂型的剪切張拉破壞逐漸演變。

(3)破壞形式的改變會造成油頁巖破碎粒度的差異。70°、80°和90°層理角度下,破碎后油頁巖的粒度較小,優勢粒徑含量均達到40%以上。其中80°層理角度優勢粒徑含量最高,90°層理角度油頁巖顆粒均勻性更好?？梢哉J為油頁巖的優勢沖擊破碎角度為80°～90°。

(4)粒度分布函數本質上是對破碎顆粒分形分布的描述。針對油頁巖破碎,二參數Weibull 分布函數的準確性明顯高于G-S 分布函數,可以采用二參數Weibull 分布函數對其破碎粒度進行描述。