离子型稀土是我国战略矿产资源,富含中重稀土元素,是国防军事设备和工业生产重要原材料。离子型稀土先后经过池浸、堆浸和原地浸矿三代开采工艺,原地浸矿具有成本低、回收率高和污染小的特点,目前被广泛推荐使用。原地浸矿需要注入大量浸矿剂,矿体处在高度饱和、强化学反应、自重与附加应力叠加的复杂环境中,粒间结构性、粘聚力持续弱化,矿体抗剪强度不断降低,易诱发滑坡和泥石流等地质灾害。为了实现离子型稀土矿安全开采,保护矿区周边人民的人身财产安全,亟需开展浸矿作用对矿体的强度特性和稳定性影响相关研究,揭示化学-应力耦合作用对离子型稀土抗剪强度的影响规律。 通过在南方某离子型稀土矿区取样,采用三轴剪切试验、电镜扫描试验及数值模拟相结合的方法,研究在不同围压情况下,浸矿剂种类、硫酸镁浸矿剂浓度对矿体抗剪强度的影响规律。将三轴剪切后土样进行扫描电镜试验,分析颗粒孔隙结构微观图像,揭示不同围压下硫酸镁浓度对离子型稀土的微观孔隙结构的影响规律。基于渗流方程、化学反应方程、多孔介质溶质运移方程和固体力学方程,运用COMSOL多物理场耦合软件分析浸矿条件下不同围压对离子型稀土变形特性的影响。主要研究内容及结论如下: (1)采用硫酸铵、硫酸镁、硫酸铝溶液开展离子型稀土浸矿饱和试验,浓度均设置为6%,设置纯水工况为对照组,将试样饱和后进行三轴剪切试验。研究表明,在不同浸矿剂作用下,浸矿剂的种类对抗剪强度的影响显著,主要原因是化学成分和反应机制不同。相比纯水浸矿,在硫酸铵浸矿后,离子型稀土矿体的黏聚力明显提高,提高31.6%,但硫酸镁和硫酸铝浸矿后,矿体的黏聚力则表现为降低,分别降低了21.1%,33.2%;相比纯水浸泡,在硫酸铵浸矿后,矿体的内摩擦角显著降低,降低约21.1%,但硫酸镁和硫酸铝浸矿后,矿体的内摩擦角则表现为增大,分别增大了2.8%,1.9%。 (2)设置纯水、3%、6%、9%浓度硫酸镁溶液对离子型稀土进行浸矿饱和,利用GDS不同应力路径三轴仪开展三轴剪切试验。研究表明,随着硫酸镁浓度增加,矿体的黏聚力呈现下降趋势,内摩擦角则呈现逐渐增大趋势。当低浓度浸矿(3%)时,浸矿作用对抗剪强度的影响较小;当浓度达到6%时,浸矿剂开始显著作用于矿体的内部结构,随着硫酸镁浓度升高,抗剪强度逐步上升。 (3)通过分析不同浸矿溶液条件下的溶质吸力,探讨了应力-化学耦合作用下溶质吸力与矿体抗剪强度之间的关系。研究结果表明,溶质吸力的增加会导致抗剪强度增强,且溶质吸力较大时增幅更大,分析认为溶质吸力增加会使土体吸收更多水分,进而引发颗粒间的结构重组或有效应力增大,从而显著提升土体的抗剪强度。随着溶质吸力的增大,黏聚力呈现先缓慢下降后显著提升的趋势;随着溶质吸力增大,内摩擦角呈现出先缓慢增长后下降的趋势。 (4)通过电子显微镜开展离子型稀土微观结构测试,分析不同浓度硫酸镁作用下试样剪切破坏后孔隙形态、接触方式和孔隙数量、面积。研究发现,随着硫酸镁浓度的提高,更多的角状孔隙逐步演化成条状,且孔隙相连的数量增多,在高围压下规律更加明显。在低浓度硫酸镁工况下,矿样的孔隙数量和面积均呈现先增加后减小的趋势,在高浓度硫酸镁作用下,孔隙形状种类增多变得更加复杂,并且孔隙面积与孔隙数的变化表现出不同的规律。低浓度硫酸镁作用会使孔隙结构趋于复杂化,在较高浓度的硫酸镁下,孔隙的随机性降低,概率熵值变小,孔隙的分布有序性更好。 (5)通过对不同围压和硫酸镁浓度下离子型稀土土体的应力、塑性应变和体积应变进行数值模拟分析,揭示了应力-化学耦合作用下土体的强度和变形规律。结果表明,围压的增加显著提高了试样的最小应力和最大应力,在较高围压条件下,土体的应力值提升更加显著。随着围压升高,试样的塑性应变起始点推迟,所需的剪切值逐渐增大,土体颗粒间接触的紧密性增强。围压升高,试样体积应变逐渐表现为收缩性变形,且随着硫酸镁浓度的增加,体积收缩效应会进一步加强,综合浸矿剂浓度变化影响表明,围压对土体力学效应的影响强于浸矿剂浓度。