离子型稀土是我国重要的战略矿产资源,含有丰富的中重稀土元素,在国防科工和新材料等领域具有重要作用。在该类矿床中,稀土以水合阳离子或羟基水合阳离子吸附在粘土矿物上,无法采用常规的采选方法富集稀土,目前广泛应用原地溶浸开采方式。在溶浸作用下,矿体含水率显著提升,稀土离子与浸矿液阳离子发生化学交换反应,在应力、渗流和化学共同作用下,矿体抗剪强度随之降低,易导致矿山滑坡、塌陷等地质灾害,从而造成矿区人员伤亡及重大经济损失。为实现安全高效开采稀土资源,亟需开展不同溶浸作用下离子型稀土多场耦合作用机理研究,揭示不同溶浸作用下离子型稀土强度演化规律及微观结构变化特征。 本文以南方某矿区离子型稀土为研究对象,采用室内试验、理论分析及数值模拟相结合的方法,研究不同浸矿剂、浸矿剂浓度和围压对离子型稀土矿体强度及变形特性的影响。采用GDS应力路径三轴仪开展室内剪切试验,结合邓肯-张双曲线模型理论,得出土体非线性变化特征。基于多场耦合理论,运用COMSOL多物理场耦合软件分析不同溶浸作用对离子型稀土矿体强度及变形特性的影响。通过扫描电镜试验分析试样颗粒孔隙结构微观图像,得到在不同浸矿剂、浸矿剂浓度和围压条件下,离子型稀土矿体微观孔隙结构特征的演化规律。本文主要研究内容及结论如下: (1)采用GDS应力路径三轴仪,开展了不同浸矿剂、浸矿剂浓度和围压条件对离子型稀土矿体室内三轴试验。研究表明,随着围压的增大,土体抗剪强度呈现增长趋势,在高浓度(9%)硫酸铵和硫酸镁工况中尤为明显。硫酸铵在所有浓度条件下对土体抗剪强度的增强作用最为明显,在高围压条件下(150 k Pa),抗剪强度的增幅最大;硫酸镁的影响弱于硫酸铵,且在100 k Pa围压下表现出较复杂的变化趋势;硫酸铝的作用相对较小,但在高浓度(9%)硫酸铝溶液下,土体抗剪强度呈现递增趋势。分析认为,土体的非线性压缩性及孔隙水溶质吸力变化密切相关,高围压增强了土体的有效应力并减弱了土体的压缩性,从而提升了抗剪强度。 (2)基于室内三轴试验所得数据,结合邓肯-张双曲线模型理论,得到了不同溶浸作用下应力-应变曲线及抗剪强度参数,进而得出应力-应变关系的数学模型中参数b的变化规律。研究表明,本文采用邓肯-张双曲线模型拟合的相关系数均大于0.97,有较高的拟合度。随着围压的增加,土体的非线性程度逐渐减弱,b值显著下降,土体在高围压下的变形更加稳定,非线性特性减弱。不同浸矿剂对土体结构的影响具有差异性,硫酸铝溶液通过絮凝作用影响土体颗粒的排列结构,从而改变土体的变形特性;硫酸铵和硫酸镁中的阳离子会与土体颗粒的表面发生电荷交换,进而改变颗粒的吸附性、孔隙结构和黏聚力。 (3)基于COMSOL多物理场仿真软件,结合达西渗流理论、固体力学方程以及溶质运移方程,建立离子型稀土应力-渗流-化学耦合模型,对不同围压条件下稀土矿试样的应力和应变特性展开研究。研究表明,围压增加导致土体的应力增大,增强土体的压缩性,体积应变由膨胀转为收缩。在低围压下(50 k Pa和100 k Pa),土体容易发生膨胀和较大塑性变形;在高围压下(150 k Pa),围压通过抑制侧向变形,促进了塑性流动,增强了整体强度。硫酸铝浓度对土体力学性质的影响随围压变化而不同,在低围压下,高浓度硫酸铝增强土体刚性,减少塑性变形;在高围压下,硫酸铝通过增强颗粒间的胶结作用,提高土体的塑性变形能力,产生更明显的轴向位移和体积收缩。 (4)通过扫描电镜和PCAS软件对土体微观孔隙结构(孔隙尺度、孔隙分布、孔隙形状)进行分析。研究表明,随着围压的增加,纯水工况下孔隙数量增多、孔隙面积减小,且孔隙形状趋于规则。不同浓度硫酸铝溶液下,孔隙形态和分布发生显著变化,高围压条件下孔隙趋于更加均匀和碎散,尤其在高浓度硫酸铝下(9%),孔隙形态变得更为规律。孔隙分形分析表明,随着浸矿剂浓度和围压的增加,土体孔隙结构趋于更简单、均匀的分布。