富钴结壳抗剪强度试验研究

吴鸿云，高宇清，陈 争

(长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南长沙 410012)

0 引言

富钴结壳，即生长在海底岩石或岩屑表面的皮壳状铁锰氧化物和氢氧化物，富含钴、镍、锌、铅、铈、铂等金属，主要产在水深800～3000 m的海山和海台顶部和斜面上，在太平洋天皇海岭、中太平洋海山群、马绍尔群岛海岭、夏威夷海岭、麦哲伦海山、吉尔伯特海岭、莱恩群岛海岭、马克萨斯海台等地都有发现。据估计，大约635万km2的海底为富钴结壳所覆盖，钴的推算总量约为10亿t［1-2］。

近几十年来，美、德、日、俄等发达国家在钴结壳资源的勘查、开采、冶炼加工等技术研究上投入了巨资，中国、韩国等少数发展中国家近十年来也积极开展了钴结壳开采技术等方面的研究工作，已取得较大进展［3-9］。2012年7月27日，中国大洋矿产资源研究开发协会率先向国际海底管理局提交了一份请求核准“区域”内富钴结壳勘探工作计划的申请书，所申请的矿区于2013年2月初步通过国际海底管理局法律技术委员会的审核，待2013年7月召开的国际海底管理局第19届会议期间核准通过［10］。一旦核准通过，我国可在未来实施富钴结壳的商业开采。因而，详细了解大洋富钴结壳矿床的赋存特性，掌握富钴结壳抗剪强度等力学特性，对富钴结壳采矿机设计具有重要意义。

本文通过对我国大洋航次调查获取的富钴结壳样品进行室内的抗剪试验，获取样品的抗剪强度，建立其剪应力和正应力关系，推导内聚力和内摩擦角，为富钴结壳采矿机的采矿头设计提供参数。

1 试验样品的抗剪试验

1.1 抗剪强度试验原理

岩石的剪切强度［11］是岩石抵抗剪应力破坏的最大能力，岩石的抗剪断强度与法向应力近似服从于库伦定律，即:

试验采用变角板剪切法测定富钴结壳试样的剪切强度。变角板剪切法是利用压力机施加垂直荷载，通过一套特制的夹具使试样沿某一剪切面产生剪切破坏，然后通过静力平衡条件解析剪切面上的法向压应力和剪应力，从而绘制法向压应力σ和剪应力τ之间的关系曲线，求岩石的内聚力C和内摩擦角φ。

1.2 试验仪器

试验采用的试验机为YAD－2000型微机控制电液伺服岩石压力试验机，采用的变角板夹具为可调角度夹具(见图1)，α角一般取40°～70°，每10°为一个间隔，即每组试验取的为 40°、50°、60°、70°。

1.3 试验步骤

(1)制备标准岩块。试样尺寸为50 mm×50 mm×50 mm的立方体，误差小于5%，试样各端面平行，见图2。

(2)试验尺寸测量。测量预定剪切面的边长，求出剪切面积。

(3)安装试样。将变角板剪切夹具用绳子拴在压力机承压板剪，注意使夹具的中心与压力机的中心线重合。

图1 试验机与夹具

图2 试样样品

(4)加载。本次试验采用的是位移控制，加载速率为0.1 mm/min，加载直至试验破坏，记录最大载荷P。

(5)重复试验。本次试验每组的变角为50°、60°、70°。

2 试验数据整理

2.1 计算公式

试样剪切面的剪应力和正应力按下式计算:

式中，τ为剪应力，MPa;σ为正应力，MPa;P为试样破坏的载荷，N;A为试验剪切面面积，mm2;α为试样放置角度(变角板角度)，°;f为滚轴摩擦系数，f=1/nd，n为滚轴根数，d为滚轴直径，mm，本次试验f忽略不计。

2.2 试验结果

求出每个试样试验的剪应力和正应力，以剪应力为纵坐标，正应力为横坐标，将各组中每一个试样的剪应力和正应力标在σ－τ坐标系中，按线性拟合，获得试样的内聚力C和内摩擦角φ，如图3所示。

图3 τ—σ关系曲线

每组试样的τ剪应力、σ正应力、内聚力C和内摩擦角φ，见表1。

表1 抗剪实验数据

图4 试样的τ—σ关系拟合曲线

富钴结壳试样的抗剪强度与法向应力近似服从库仑定律，如图4所示，其经验公式为:

由式(3)得出富钴结壳相关力学参数为:内聚力 C 为0.275 MPa，内摩擦系数 tanφ 为 1.398，内摩擦角 φ 为54.43°。

3 结论

(1)四块富钴结壳试样的抗剪强度与法向应力近视服从库仑定律，可由τ=1.398σ+0.275表达，其内聚力和内摩擦角分别为0.275 MPa和54.43°。

(2)本次试验是以我国大洋航次调查富钴结壳样品为试样，该样品经过长久的实验室储存和转运，干燥无水，其力学性能较现场测试失真，受样品数量限制，未作更多的测试，应进行多次现场实测，取得大量数据，以修正和完善所提出的经验公式。

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［10］中国西太平洋富钴结壳矿区勘探申请获初步通过［EB/OL］.中央政府门户网站.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.