溶浸作用下钙芒硝盐岩蠕变特性研究

安俊理，陈 飞，刘金虎，穆景峰，鹿海洋，刘 超，刘 昊，刘彦雄

(1.山西晋能控股煤业集团 寺河矿，山西 晋城 048204；2.徐矿集团 庞庄煤矿芦家窑煤矿，山西 朔州 036800)

钙芒硝(Na2SO4·CaSO4)是一种由易溶于水的硫酸钠和微溶于水的硫酸钙以及一些杂质组成的典型可溶岩，是提取化工原料硫酸钠的主要对象之一，具有很大的工业价值。目前主要用水溶法对其矿床进行开采，由于该方法存在资源利用率低、劳动强度大、工作效率低、污染环境等缺点，一些学者提出了采用原位溶浸开采的方法对其矿床进行开采[1]。在开采过程中，其矿体由于受地应力地下水的长期作用，力学特性不断弱化，其固体骨架和上覆岩层在应力重新分配过程中产生变形，当变形累计达到一定程度时，容易引起地面沉陷等问题，显然这是一个与时间有关的在浓度、应力耦合作用下的蠕变问题。

针对盐岩蠕变特性的研究，国内王军保、李萍、高小平等[2-5]学者分别进行了不同加载路径下盐岩三轴蠕变、不同矿物成分的盐岩蠕变、不同温度作用下的盐岩蠕变等力学试验，发现当围压处于恒定状态时，盐岩的瞬时蠕变、蠕变应变以及蠕变速率将随轴压的增大而增大；研究了矿物成分和应力水平等对盐岩蠕变特性的影响；分析了不同温度对盐岩蠕变特性的影响。陈锋、梁卫国、徐素国等[6-7]等学者分别进行了溶解-传质-渗透耦合作用下钙芒硝蠕变、溶浸-应力耦合作用下盐岩三轴蠕变等力学试验，分析了不同溶解阶段钙芒硝的蠕变特性；研究分析了不同阶段钙芒硝盐岩蠕变特性的差异。国外Lux[8]和Hunsche[9]率先进行了盐岩的蠕变实验，随后Asanov、D.E.Munson等[10-11]学者在大量盐岩蠕变试验的基础上研究了盐岩的剪切蠕变特性。

上述研究主要针对盐岩的蠕变特性，而对于特殊复盐钙芒硝在浓度-应力耦合作用下蠕变特性的研究较为少见。

本文利用多场耦合三轴压力试验系统，研究了钙芒硝在不同浓度渗透液作用下的三轴蠕变特性。一方面，揭示了浓度-应力耦合作用下钙芒硝盐岩的三轴蠕变特性；另一方面，对盐类矿床开采过程中以及盐岩溶腔建造的稳定性分析提供一定的依据。

1 溶浸作用下钙芒硝蠕变试验

1.1 试验概况

试验设备为江苏华安科研有限公司研发的HADSZ-IV型多功能三轴伺服试验机，它主要由加压系统、压力控制系统、加温系统、数据采集系统以及反应釜等五部分组成，见图1。试样选取四川眉山地区埋深200 m的钙芒硝矿体为研究对象，沿垂直于层理方向统一钻取，根据国际岩石力学试验规定制成D50 mm×100 mm的标准试件。本文共取3个试件，编号分别为1号、2号、3号，作用于试件的轴压为5 MPa、围压为4 MPa、渗透压为3 MPa，分别选取淡水、半饱和氯化钠溶液、饱和氯化钠溶液为渗透液，温度为常温。在试验过程中先配制相应浓度的渗透液，然后对试件交替施加轴压与围压，达到预定值以后，稳压一段时间，最后在试件底部施加渗透压到预定值进行浓度-应力耦合作用下的蠕变试验。

图1 HADSZ-IV型三轴伺服试验机

1.2 试验结果分析

图2 1号、2号和3号试件蠕变曲线

由图3可知，在蠕变的初期，1号试件蠕变应变最大，2号试件次之，3号试件最小，而经历一段时间后，3号试件的蠕变应变值最大，2号试件次之，1号试件最小，这是因为1号试件的渗透液为淡水溶液，在蠕变初期由于上述介绍的浓度效应导致其对钙芒硝的溶解能力变强，从而钙芒硝固体骨架力学性能弱化程度高，导致在同等应力条件下其蠕变应变较大，同理2号试件次之，3号试件最小。但随着时间的持续，一方面，氯化钠溶液对钙芒硝中的杂质(伊利石、蒙脱石等)具有严重的侵蚀软化作用，降低了岩石的黏聚力和内摩擦角，从而降低其力学强度。另一方面，随着渗透液浓度的增大，渗透液中的Cl-浓度增大，Cl-会与CaSO4中的Ca2+发生Ca2++2Cl-=CaCl2化学反应，这一化学反应的程度随Cl-浓度的增大而增大，从而钙芒硝的强度弱化加快，力学性质减弱。

图3 1号、2号和3号试件67.5 h内的蠕变曲线

综上所述，虽然渗透液浓度越大渗透液对钙芒硝中氯化钠的溶解能力越弱，但是对钙芒硝中的杂质以及硫酸钙的侵蚀软化作用却越强，随着试件经历的蠕变时间延长，试件底部软化严重，在同等应力条件下蠕变应变越大，因此，蠕变后期3号试件蠕变应变最大，2号试件次之，1号试件最小。

表1为不同浓度下钙芒硝的蠕变应变，由表1可得，1号、2号、3号试件在经历67.2 h的蠕变后，其蠕变应变分别为0.04%、0.044%、0.067 5%，增加幅度分别为10%、53.4%，可以发现其蠕变应变值随渗透液浓度的增大而增大，其原因如上段所述。另外可以发现其溶通时间也随渗透液浓度的增大而增大，这是由之前所描述的钙芒硝溶解的浓度效应引起的。

表1 不同浓度下钙芒硝的蠕变应变

2 结 语

1) 钙芒硝的溶解具有显著的浓度效应，该效应对其蠕变变形有很重要的影响。在蠕变初期，渗透液对钙芒硝中氯化钠的溶解作用对钙芒硝蠕变变形起主要作用，随着渗透液浓度的增大钙芒硝蠕变应变逐渐减小。在蠕变后期，渗透液对钙芒硝中的杂质以及硫酸钙的侵蚀软化作用对钙芒硝蠕变变形起主要作用，随着渗透液浓度的增大，钙芒硝蠕变变形逐渐增大。

2) 试件溶通时间随渗透液浓度的增大而增大。当渗透液分别为饱和氯化钠溶液、半饱和氯化钠溶液、淡水时，钙芒硝分别经历336 h、101.7 h、67.2 h的蠕变后，其蠕变应变分别为0.133 5%、0.051%、0.04%，降幅分别为53.4%、10%。