钴结壳和基岩的特性与模拟研究

【摘要】：随着陆地矿产资源的日趋枯竭和人类对海洋认识的日益深化，许多国家越来越重视海洋资源的开发和利用，并把开发和利用海洋资源作为基本国策，二十一世纪将是“海洋经济时代”，大洋采矿是海洋资源开发的前沿。 深海富钴结壳是一种生长在水深500-3000m平坦海山山坡上，富含有钴、镍、银、铜、金、铂及稀土元素的多金属矿石，具有巨大的经济价值和重要的战略意义，是目前大洋矿产资源研究开发的热点。由于深海环境的复杂性，目前钴结壳采集模型机的实验研制主要采用地面模拟试验进行。地面模拟实验采用人工模拟钴结壳材料作为模型机的工作对象，按此评估和优化钴结壳采矿头的性能，模拟材料的研制在整个项目中占有相当重要的地位。本文从界面物理、化学、力学原理出发，利用有限扩散凝聚理论，分形岩石力学理论，较系统地研究了钴结壳在基岩界面的凝聚及其界面形态，结构特性，力学行为特性和模拟钴结壳材料研制中的一些基本问题并得到了如下结论。 (1)利用SEM、OM研究了钴结壳—基岩界面形态，钴结壳固—液界面形态，发现钴结壳固—液界面上存在许多排列呈准有序形态的山丘状凸起结构，具有非常明显的分形图案，且这种形态有遗传性。而钴结壳—基岩界面则因基岩类型不同而表现出不同的形态，结壳沿柱体生长方向实际上是垂直于柱状体的分层壳体叠加的结果，揭示了钴结壳特有的力学行为特性的微结构本质。 (2)利用应力波理论研究了钴结壳—基岩界面对应力波的响应特性，结果表明界而上将出现最大应力，钴结壳—基岩界面将是一个剥矿时的最弱界面，揭示了在应力波作用下结壳与致密基岩具有良好分离特性的物理本质，据此提出采掘头剥矿深度可小于结壳厚度以减少贫化及模拟料界面制作原则。 (3)利用实验的方法，得到了钴结壳基岩样品的物理力学性能参数，并从理论上证明在取样速度不大于10m／s时海水压力的变化对样品的力学性能影响不大。 (4)利用深海样品较系统地研究了钴结壳下伏基岩内部的裂隙形态，从已有样品结果可将基岩内部裂隙形态分为二类：(a)网状裂隙分形；(b)树枝状分岔分形，揭示了钴结壳下伏基岩力学特性的内在本质。 (5)利用Griffith理论和分形理论的思考方法，构造了岩石破裂理想分维模型，揭示了钴结壳、基岩强度尺寸效应的物理本质，并在此基础上提出了预测海底钴结壳、基岩可能的最高抗压强度的方法，并利用实验结果，推论海底钴结壳下伏基岩抗压强度不超过100MPa，钴结壳抗压强度不超过21MPa，并从其它方面引证了这个结果。 (6)根据钴结壳、基岩样品力学参数的随机特性，提出了用样本预测总体的频率设计方法，并根据实际特点，选用P(Ⅲ)曲线为理论特性曲线，利用已有的样本数据计算表明，海底钴结壳下伏基岩抗压强度高于81MPa的概率小于万分之一，钴结壳抗压强度高于22.3MPa的概率小于万分之一，并在以上工作基础上提出了模拟材料的制作准则。 (7)建立了模拟实验时模拟材料所必须满足的相似比尺及理论方程，从理论上阐明模拟实验时应同时满足的几个主要准则，建立了模型试验结果与原型之间的反演方程。 中南大学博士学位论文 (8)利用模拟材料进行了模拟实验，并利用模拟实验结果反演了原型机所必须的切割 功率，力矩等，获得了预期的效果。