·160· 工程科学学报，第40卷，第2期 风化壳淋积型稀土矿是世界罕见的中重稀土 矿，其主要分布于我国南方地区-】.其稀土主要以 1实验 离子相吸附于黏土矿物)，常规的物理和化学选矿 1.1实验矿样 方法无法提取该稀土[，我国科研人员经过多年攻 矿样取自江西省龙南某矿，该类稀土矿是由花 关，自主研发出原地浸出开采稀土矿的新工艺，以实 岗岩和火山岩在湿热气候下经生物和化学风化作用 现风化壳淋积型稀土矿绿色高效开发[-].然而，在 形成，矿中大约质量分数75%~95%的稀土元素是 开采过程中，溶浸液在矿体内不断渗流并与稀土离 以水合阳离子或者羟基水合阳离子的形式被黏土矿 子发生化学反应，矿体内部的孔隙结构发生变化，易 物吸附，其余的稀土元素则以游离态的水溶相、胶态 导致风化壳淋积型稀土矿矿体及围岩力学性质的变 沉积相以及矿物相的形态存在.利用孔径+0.6mm 化，诱发山体失稳进而导致采场发生滑坡灾害，造成 的标准筛和顶击式振筛机对试样颗粒进行了重配 溶浸液污染水土以及稀土矿物资源损失[0-].因 比.重配比后的试样各粒级组成及含量见图1. 此，研究不同孔隙比下风化壳淋积型稀土矿的强度 特性对矿山安全生产具有实际指导意义 100 一取样线 近年来，国内外学者开展了许多相关研究，尹升 80 华等[]为探究矿石孔隙分布和喷淋强度对溶质运 60 移规律的影响规律，开展了一系列溶质运移室内管 柱实验，提出矿石孔隙比和喷淋强度能优化溶质运 40 移的观点.王洪丁等)基于土-水特征曲线试验， 20 得到矿体孔径分布和非饱和渗透系数，实验结果可 优化某矿区浸矿参数.祝学勇等1]采用常规三轴 0 仪对非饱和高塑性黏土进行不同试验，探究了非饱 和土的抗剪性状与强度的影响因子，揭示了非饱和 高塑性黏土强度作用机理.杨德欢等[)]分析粉质 粒径mm 黏土强度指标的水化学敏感性问题，采用重塑粉质 图1试验矿样粒级组成及含量比例 Fig.I Concentration of the sample size and content of the test sam- 黏土的液、塑限和固结慢速直剪试验，得到饱和粉质 ple 黏土存在负值黏聚力的结论.Mishra等[us]着眼于 粉质泥岩滑坡问题，探究了灌溉用水对黄土泥岩剪 为探索稀土矿抗剪强度与孔隙比的关系，其原 切强度的影响，可溶性盐降低了内摩擦角，也直接影 矿孔隙比测定结果为：e。=0.85.因此以孔隙比作 响着泥岩的强度特性，进而破坏土体稳定性.Li和 为实验控制变量，设定孔隙比的变化范围为0.6~ Cerato]为揭示天然膨胀土的微观尺度力学行为， 1.1.共制备6组试样，孔隙比分别为0.6、0.7、0.8、 对饱和以及不饱和试样进行了剪切试验，结果显示 0.9、1.0、1.1.计算出配制不同孔隙比的试样所需 毛细作用和水平应变对剪切强度有很大影响.不难 烘干矿样和水的质量，如表1. 看出，国内外对于饱和与非饱和黏性土体结构和强 将调配好的稀土矿样放人装样筒中，塞上带顶 度特征的研究，主要集中于单纯的剪切实验，亦或是 盖的木塞，再使用铁锤均匀的敲击垫板，使木塞缓慢 土体滑坡破坏等方面，针对风化壳淋积型稀土矿在 的压入装样筒内.当木塞完全进入装样筒后，停止 不同孔隙结构下，孔隙比是如何影响稀土矿体强度 敲击.取出木塞，将直径为61.8mm、高为40mm的 的作用规律的研究仍然匮乏. 取土环刀插入试样中，敲击环刀使其压入试样内. 针对以上实际问题，本研究选配了具有不同孔 拆卸装样筒，将环刀周围多余的矿样削除，测定环刀 隙比的6组试样，在控制含水率不变的条件下，进行 和试样的总质量，记录于表2. 了不同孔隙比试样直剪实验，探讨了孔隙演化对矿 1.2实验装置 体抗剪强度的作用规律，揭示了孔隙比对黏聚力和 为精确计算出配制矿样质量和其他预设参数， 内摩擦角的影响机制.建立了孔隙比与抗剪强度指 采用自制压样模具用于保证制样准确，自制压样模 标的关系模型.研究结果对于孔隙比如何影响矿体 具（如图2）由3部分构成：压样筒、塞子及托垫.压 强度的理论研究方面具有较好的指导作用. 样筒的内径61.8mm,高70mm:塞子高36mm,底垫工程科学学报,第 40 卷,第 2 期 风化壳淋积型稀土矿是世界罕见的中重稀土 矿,其主要分布于我国南方地区[1鄄鄄2] . 其稀土主要以 离子相吸附于黏土矿物[3] ,常规的物理和化学选矿 方法无法提取该稀土[4] ,我国科研人员经过多年攻 关,自主研发出原地浸出开采稀土矿的新工艺,以实 现风化壳淋积型稀土矿绿色高效开发[5鄄鄄9] . 然而,在 开采过程中,溶浸液在矿体内不断渗流并与稀土离 子发生化学反应,矿体内部的孔隙结构发生变化,易 导致风化壳淋积型稀土矿矿体及围岩力学性质的变 化,诱发山体失稳进而导致采场发生滑坡灾害,造成 溶浸液污染水土以及稀土矿物资源损失[10鄄鄄13] . 因 此,研究不同孔隙比下风化壳淋积型稀土矿的强度 特性对矿山安全生产具有实际指导意义. 近年来,国内外学者开展了许多相关研究,尹升 华等[14]为探究矿石孔隙分布和喷淋强度对溶质运 移规律的影响规律,开展了一系列溶质运移室内管 柱实验,提出矿石孔隙比和喷淋强度能优化溶质运 移的观点. 王洪丁等[15] 基于土鄄鄄 水特征曲线试验, 得到矿体孔径分布和非饱和渗透系数,实验结果可 优化某矿区浸矿参数. 祝学勇等[16] 采用常规三轴 仪对非饱和高塑性黏土进行不同试验,探究了非饱 和土的抗剪性状与强度的影响因子,揭示了非饱和 高塑性黏土强度作用机理. 杨德欢等[17] 分析粉质 黏土强度指标的水化学敏感性问题,采用重塑粉质 黏土的液、塑限和固结慢速直剪试验,得到饱和粉质 黏土存在负值黏聚力的结论. Mishra 等[18] 着眼于 粉质泥岩滑坡问题,探究了灌溉用水对黄土泥岩剪 切强度的影响,可溶性盐降低了内摩擦角,也直接影 响着泥岩的强度特性,进而破坏土体稳定性. Lin 和 Cerato [19] 为揭示天然膨胀土的微观尺度力学行为, 对饱和以及不饱和试样进行了剪切试验,结果显示 毛细作用和水平应变对剪切强度有很大影响. 不难 看出,国内外对于饱和与非饱和黏性土体结构和强 度特征的研究,主要集中于单纯的剪切实验,亦或是 土体滑坡破坏等方面,针对风化壳淋积型稀土矿在 不同孔隙结构下,孔隙比是如何影响稀土矿体强度 的作用规律的研究仍然匮乏. 针对以上实际问题,本研究选配了具有不同孔 隙比的 6 组试样,在控制含水率不变的条件下,进行 了不同孔隙比试样直剪实验,探讨了孔隙演化对矿 体抗剪强度的作用规律,揭示了孔隙比对黏聚力和 内摩擦角的影响机制. 建立了孔隙比与抗剪强度指 标的关系模型. 研究结果对于孔隙比如何影响矿体 强度的理论研究方面具有较好的指导作用. 1 实验 1郾 1 实验矿样 矿样取自江西省龙南某矿,该类稀土矿是由花 岗岩和火山岩在湿热气候下经生物和化学风化作用 形成,矿中大约质量分数 75% ~ 95% 的稀土元素是 以水合阳离子或者羟基水合阳离子的形式被黏土矿 物吸附,其余的稀土元素则以游离态的水溶相、胶态 沉积相以及矿物相的形态存在. 利用孔径 + 0郾 6 mm 的标准筛和顶击式振筛机对试样颗粒进行了重配 比. 重配比后的试样各粒级组成及含量见图 1. 图 1 试验矿样粒级组成及含量比例 Fig. 1 Concentration of the sample size and content of the test sam鄄 ple 为探索稀土矿抗剪强度与孔隙比的关系,其原 矿孔隙比测定结果为:e0 = 0郾 85. 因此以孔隙比作 为实验控制变量,设定孔隙比的变化范围为 0郾 6 ~ 1郾 1. 共制备 6 组试样,孔隙比分别为 0郾 6、0郾 7、0郾 8、 0郾 9、1郾 0、1郾 1. 计算出配制不同孔隙比的试样所需 烘干矿样和水的质量,如表 1. 将调配好的稀土矿样放入装样筒中,塞上带顶 盖的木塞,再使用铁锤均匀的敲击垫板,使木塞缓慢 的压入装样筒内. 当木塞完全进入装样筒后,停止 敲击. 取出木塞,将直径为 61郾 8 mm、高为 40 mm 的 取土环刀插入试样中,敲击环刀使其压入试样内. 拆卸装样筒,将环刀周围多余的矿样削除,测定环刀 和试样的总质量,记录于表 2. 1郾 2 实验装置 为精确计算出配制矿样质量和其他预设参数, 采用自制压样模具用于保证制样准确,自制压样模 具(如图 2)由 3 部分构成:压样筒、塞子及托垫. 圧 样筒的内径 61郾 8 mm,高 70 mm;塞子高 36 mm,底垫 ·160·