潘 登 ，夏元友 ，張電吉 ，羅惠華 ，吝曼卿 ，柴修偉

1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070；

2.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

華南磷塊巖地質(zhì)構(gòu)造及其力學(xué)性能的對比研究

潘 登1，2，夏元友1*，張電吉2*，羅惠華2，吝曼卿2，柴修偉2

1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070；

2.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

為掌握不同地域的磷塊巖蘊藏地層的構(gòu)造特點、高品位富礦分布、脈石結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性質(zhì)之間的相互作用機理.文章對我國中南湖北磷礦和西南貴州磷礦進(jìn)行對比研究.根據(jù)兩礦區(qū)的地勘資料，同時結(jié)合電鏡掃描、聲波透射試驗、破碎篩分等檢測途徑，從磷塊巖的地層分布、構(gòu)造類型、礦石結(jié)構(gòu)、完整性及破碎后的顆粒級配等方面逐一分析，結(jié)果顯示：首先西南片區(qū)磷塊巖的震旦紀(jì)臨海地理位置導(dǎo)致該區(qū)域礦體P2O5平均含量高，富礦儲量大且共生礦物種類多，但巖體更為破碎.其次宏觀上巖體內(nèi)部裂隙等弱面控制著磷塊巖巖體的穩(wěn)定性，而在細(xì)觀層面，晶間結(jié)合力是礦石力學(xué)性質(zhì)的控制因素.

礦區(qū)地質(zhì)；礦石結(jié)構(gòu)；力學(xué)性質(zhì)；瓦屋礦段；馬路坪礦段

我國南部各磷塊巖礦區(qū)遠(yuǎn)古時期的地理位置及成礦環(huán)境及后期的地質(zhì)運動導(dǎo)致了磷礦蘊藏、分布、品位、力學(xué)性質(zhì)等方面各具特點.目前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)同淺海古生物繁衍消亡沉積的成礦模式.認(rèn)為磷塊巖分布、礦石強度等巖石學(xué)特征受到了來自藻類等生物有機質(zhì)的聚磷作用、生物富集和環(huán)境變化的影響［1-2］；部分學(xué)者還從生物化學(xué)反應(yīng)的角度揭示了磷灰石化合物形成、礦化結(jié)晶原理與過程［3-4］.所以對于磷礦的形成因素及分類已有了較全面的探討，但各地域的磷塊巖分布、構(gòu)造特點以及力學(xué)性質(zhì)存在明顯差異，導(dǎo)致其巷道掘進(jìn)、采場支護(hù)、礦石粉碎分級等方面不盡相同，應(yīng)該深入研究其中的作用機理.

1 研究方案

為了掌握不同區(qū)不同類型域磷塊與其力學(xué)性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，文章選取我國中南湖北高嵐鎮(zhèn)瓦屋礦段和西南貴州金鐘鎮(zhèn)馬路坪礦段作為研究對象.方案如下：（1）依據(jù)兩地震旦紀(jì)時期的古地理位置和地質(zhì)構(gòu)造信息，分析磷礦富集成巖的過程及后期地質(zhì)運動導(dǎo)致礦體蘊藏環(huán)境的改變.（2）采用電子顯微鏡SEM測定各類磷塊巖晶體嵌布粒度及方式、裂面破碎形貌.（3）通過應(yīng)力-應(yīng)變試驗、波速測試和礦物粉碎級配試驗，探討分析不同地區(qū)磷塊巖受力變形規(guī)律、完整性及晶間結(jié)合力的強度機理.

2 礦區(qū)地質(zhì)

2.1 礦區(qū)遠(yuǎn)古地形

通過中國古地理圖集查詢所選礦段的對應(yīng)成礦時期的空間位置.圖1為中國華南地區(qū)早震旦紀(jì)古地理圖.

圖1 中國華南地區(qū)早震旦紀(jì)古地理圖Fig.1 The paleogeographic map of South China in early sinian period

通過圖1得知，在距今8億年～15億年前的元古代震旦紀(jì)時期，我國大部分地區(qū)還處于海平面以下，其中包括現(xiàn)今的中南湖北和西南貴州地區(qū).中南湖北礦區(qū)位于由大別古陸、江南古陸和上揚子古陸合圍的淺海中心地帶［5］，如圖1中字母H的位置，屬內(nèi)陸淺海，水動力條件較差，外部極端天氣較難對其形成影響，適合條帶型礦石的沉積礦化；西南貴州礦區(qū)位于上揚子古陸大陸架南部，通過鄂黔淺海地區(qū)與中南湖北礦區(qū)相連，如圖1中字母G的位置，在其西南部的織金和東北部的開陽均賦存大型磷塊巖礦產(chǎn)，其礦床的平面分布與沿上揚子古陸東南沿岸淺海走向相吻合.作為沿海地區(qū)直接面對古特提斯海（古特提斯海是該時期我國古大陸南方的大洋）.由洋流搬運作用而連續(xù)供應(yīng)的藻類養(yǎng)分，在此大規(guī)模富集［6］，從而為含磷生物的繁衍生息提供穩(wěn)定的食物基礎(chǔ)，長時期生物遺體沉積、集聚、礦化形成磷塊巖.同時期古生物通過鄂黔淺海向內(nèi)陸遷徙擴展到礦物養(yǎng)分稍低中南地區(qū)，這就揭示了以瓦屋礦段為代表的中南湖北磷塊巖儲量及品位較低的原因.但毫無屏障的地理位置使震旦紀(jì)的西南貴州地區(qū)更易遭受超強風(fēng)暴潮等海洋性極端天氣的襲擊，巨浪及裹挾的砂石對淺海海床上巖化不久的礦石形成了強烈沖擊，沖擊作用破壞了脆弱的沉積巖，使其開裂、?；?，混合.沖擊強度由上至下逐漸降低，使礦巖顆粒粒徑不一.貴州礦石表現(xiàn)陸表海泥砂質(zhì)組合和海陸交互含磷灰質(zhì)粗碎屑組合結(jié)構(gòu)形式.

2.2 磷塊巖地層分布

根據(jù)出露地表的巖層剖面及探礦資料所顯示的新形象，將兩地區(qū)磷塊巖地層按由近至遠(yuǎn)的順序整理形成磷塊巖地層信息表，如表1所示.

表1 磷塊巖地層信息Tab.1 Stratum information of phosphorite

以上含磷地層信息比較顯示，位于我國中南和西南地區(qū)磷礦床的底層分布順序幾乎完全吻合，主要及高品位磷礦層的地質(zhì)年代均為震旦系陡山沱組，且都以碳酸鹽礦物為頂板巖體，硅酸鹽礦物為底板巖體.成礦年代距今6億～8億年，當(dāng)時中國大陸處于向上抬升的穩(wěn)定期，符合學(xué)者們對于古生物類型聚磷的推理.但中南礦區(qū)成礦過程更長，橫跨震旦系上統(tǒng)燈影組，持續(xù)至寒武系下統(tǒng)水井沱組，應(yīng)有其它途徑的藻類微生物食物來源作為聚磷的基礎(chǔ)條件，且礦巖的條帶狀層理普片而清晰，所以該地區(qū)磷礦集聚沉積條件簡單而富有規(guī)律.西南礦區(qū)礦床的各分層呈現(xiàn)多樣化，首先含磷巖層厚度大，品位更高，見動物胚胎化石，推測該地區(qū)優(yōu)越的濱海地形促進(jìn)生物繁衍進(jìn)化過程，以及更早期的含磷礦物的規(guī)模性富集.另一方面，遠(yuǎn)古巖層中的巖溶遺跡和特殊的球形磷塊巖構(gòu)造，呈現(xiàn)了該地區(qū)成礦后期海平面反復(fù)漲退和強力沖刷的極端外力侵蝕結(jié)果.

2.3 礦巖構(gòu)造比較分析

通過對選取礦段周邊地貌的實地踏勘，采集巖石標(biāo)本和向礦山所屬地質(zhì)調(diào)查部門取得的地理資料等途徑，匯總形成礦段地質(zhì)構(gòu)造對比表，如表2所示.

表2 礦段地質(zhì)構(gòu)造對比Tab.2 Contrast of geological structure of ore block area

兩礦段地形均為海拔較高的山區(qū)，礦層分布受斷層影響，都存在斷層與褶皺，是受長時期板塊運動擠壓的影響所致，但各具特點.我國中南部含磷礦層埋藏較深，水平走向較穩(wěn)定，大型起伏少見，礦體及圍巖主要受豎直方向應(yīng)力作用，固結(jié)巖化程度高，巖體完整性更好.更多的斷層數(shù)量出現(xiàn)在西南地域的礦區(qū)，且該地域巖層水平不連續(xù)，走向不完全一致，斷距和傾角明顯增多，局部礦層直立反轉(zhuǎn)，且高低落差是中南礦區(qū)的1.5倍，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜多變.所以，雖然同形成于震旦紀(jì)的華南磷礦區(qū)，但西南礦區(qū)成礦后，由板塊運動擠壓造成的橫向應(yīng)力水平更高，這會導(dǎo)致巖層中的礦石形成較多的結(jié)構(gòu)缺陷.

3 礦物結(jié)構(gòu)微觀分析

磷塊巖在強大地應(yīng)力的長期壓密作用過程中礦化形成了晶體構(gòu)造，不同強度壓密作用和礦物組成導(dǎo)致晶格生長方式及細(xì)觀結(jié)構(gòu)各異，其細(xì)微觀結(jié)構(gòu)對于礦石構(gòu)造乃至巖體的力學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要.選取兩礦段的主要礦物磷灰石，通過電子顯微設(shè)備呈現(xiàn)其各自裂面的微觀形貌，觀測結(jié)果如圖2所示.

圖2是湖北瓦屋與貴州馬路坪磷灰石電鏡掃描SEM結(jié)果，圖2（a）顯示了湖北地區(qū)磷灰石斷裂面微觀晶體排列形貌，晶團(tuán)粒度較為均勻，排列整齊、緊湊.晶體間無明顯空隙裂縫存在，具有較規(guī)則的六方晶系特征；而圖2（b）顯示的是貴州馬路坪礦段磷灰石斷面，圖2（b）左下部分膠磷礦顆粒屬于大粒徑晶格，具有規(guī)則微晶形貌，磷灰石晶體表面經(jīng)常夾雜有石英、長石、黏土類脈石礦物晶體及碳酸鹽類礦物等小粒徑脈石，多種礦物晶體相互無序混合鑲嵌，使磷灰石晶格的衍生種類增多，空間晶體間的結(jié)合鍵能，復(fù)雜多變，低能級晶界構(gòu)成的弱面網(wǎng)大幅降低了礦石的強度和巖體的穩(wěn)定性.

圖2 磷塊巖SEM示意圖（a）瓦屋磷灰石（b）馬路坪磷灰石Fig.2 SEM images of phosphorite

4 礦石力學(xué)性能測試分析

4.1 應(yīng)力-應(yīng)變試驗

巖石的應(yīng)力-應(yīng)變試驗就是通過材料試驗機在對標(biāo)準(zhǔn)圓柱體巖石試件進(jìn)行軸向壓縮時記錄巖石在該受力方向上的應(yīng)變值，模擬巖體的的受力變形過程，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線求得礦石的變形模量.為掌握礦層走向與其力學(xué)性能的關(guān)系，試驗前在礦層3個空間方向鉆取磷塊巖芯樣（將與礦層走向定為X方向，礦層傾向定為Y方向，豎直向定為Z方向），后加工成直徑50 mm，高度100 mm圓柱體試件.試驗結(jié)果如圖3所示.

應(yīng)力-應(yīng)變測試結(jié)果顯示，瓦屋礦段磷塊巖試件的極限抗壓強度均值為174.6 MPa，其承載能力是馬路坪礦段磷塊巖的2.2倍，如圖3（a）所示.由測試曲線彈性階段的斜率計算得到的磷塊巖變形模量均值，瓦屋磷塊巖為84.3 GPa，馬路坪礦段磷塊巖為29.4 GPa，如圖3（b）所示.可知同等荷載作用下西南礦區(qū)的磷塊巖變形值是中南礦區(qū)的2.8倍，表現(xiàn)出更高的塑性.

圖3 磷塊巖應(yīng)力應(yīng)變曲線（a）瓦屋磷塊巖（b）馬路坪磷塊巖Fig.3 Strss-strain curves of phosphorite（a）Phosphorus in Wawu；（b）Phosphorus in Maluping

礦層空間走向與其強度的對應(yīng)關(guān)系：瓦屋磷塊巖測試結(jié)果顯示，兩個水平方向的強度都接近150 MPa，但豎直方向的極值達(dá)到了224.1 MPa，反映出作為近乎水平分布的中南地區(qū)磷塊巖礦層，豎直方向的重力為其控制應(yīng)力，水平向應(yīng)力較低，礦體在長期穩(wěn)定的巨大重力下固結(jié)、巖化、結(jié)晶程度高，晶體排列整齊而緊密，雖其中磷灰石條帶存在地震作用產(chǎn)生的平行裂縫，但方向都與重力方向重合，且都被白云石條帶阻斷隔離，形成了水平向約束，削弱了豎向裂縫對于該方向承載力的影響.馬路坪磷塊巖3個方向的極限強度都較接近，體現(xiàn)出因板塊運動擠壓造成的大角度傾斜礦層的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境.這導(dǎo)致在最大主應(yīng)力方向和最小主應(yīng)力方向上，都存在角度30°～60°間的礦層接觸面，其中結(jié)合程度最低的就形成了滑裂面，加上遠(yuǎn)古時期該地區(qū)的地層因外力作用而破碎，各種礦物顆粒的無序混雜，都嚴(yán)重降低了以上兩個方向磷塊巖的強度.

4.2 波速試驗

巖體在具有明顯動載作用的工況下，超出了理想狀態(tài)下推定的靜力學(xué)原理和方程的適用范圍［13］.比如在礦山法掘進(jìn)中的爆破沖擊以及地震作用等情況下，需要采取巖體動力學(xué)方法研究.巖體彈性力學(xué)的拉梅運動方程，準(zhǔn)確描述了巖石密度、縱橫波速度、動彈性模量和動泊松比之間的定量關(guān)系.且我國現(xiàn)行的《工程巖體質(zhì)量分級》、《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》、《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》等國家現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都以巖石縱波波速作為評定巖體完整性的重要依據(jù)［14-16］.所以采用波速試驗對湖北和貴州地區(qū)磷塊巖的完整性進(jìn)行比較研究.

聲波儀型號RSM-SY5、平面換能器的頻率為100 kHz，測試分為室內(nèi)巖塊波速和現(xiàn)場巖體波速兩種情況進(jìn)行，試件編號中“H”代表中南湖北地區(qū)試件，“G”代表西南貴州地區(qū)試件，“K”代表巖塊，“T”代表巖體.完整性系數(shù)等于巖體波速的平方除以巖塊波速的平方.磷塊聲波測試結(jié)果如表3所示.

表3 磷塊巖聲波測試結(jié)果Tab.3 Acoustic wave test of phosphorite

波的傳播理論中最重要的一條是：機械波在均質(zhì)同相的介質(zhì)里傳播速度是恒定的，但測試結(jié)果顯示同一采樣點的同種類磷塊巖的巖塊波速明顯高于巖體波速，這是因為在巖塊中極少存在阻擋機械波傳播的裂隙等力學(xué)缺陷，其傳遞路徑幾乎是直線的，相反在巖體中機械波發(fā)射點與接收點之間的直線路徑上存在較多裂隙，波得繞開這些裂隙向前傳遞，其路線是非直線型的，也就是說波速計算中雖然用相同的外部測點間距作為分子，但巖體中機械波路徑更長，其分母即傳遞時間更多，所以波速相對減小.也就是巖體中裂隙等內(nèi)部弱面的數(shù)量是決定其完整性的重要因素.據(jù)此，表3所反映的測試結(jié)果顯示，湖北地區(qū)磷塊巖波速為貴州地區(qū)1.3倍，完整性系數(shù)為1.5倍.證明，作為影響磷塊巖巖體力學(xué)性質(zhì)的內(nèi)部裂隙，西南地區(qū)礦體更多，更為發(fā)育.

4.3 礦物晶體結(jié)合力——粒度分布

破碎是磷礦選礦的第一道工序.礦石礦物的晶間結(jié)合能直接關(guān)系到該工藝能源機械消耗.文章采取相同破碎條件下磷塊巖各礦物晶團(tuán)的粒徑分布與變化，建立能耗與礦物晶體間結(jié)合力強度等級之間的聯(lián)系.測試分兩個部分：1）確定關(guān)鍵粒徑破碎前后各礦物組分變化，如表4所示；2）不同地區(qū)磷塊巖破碎后顆粒級配，其測試結(jié)果如表5所示.

首先取300 g經(jīng)初碎后中間粒徑為2 cm混合磷塊巖作為試樣，放入高速萬能粉碎機進(jìn)行定時粉碎45 s，用孔徑為0.08 mm標(biāo)準(zhǔn)篩對碎后磷塊巖粉末進(jìn)行機械篩分，通過全化學(xué)分析方法測定破碎前后原礦和篩上物礦物的組分種類及質(zhì)量占比.構(gòu)成巖石的礦物在同等破碎能的做功下，因為分子間結(jié)合力的不同，而產(chǎn)生的解離效果亦各不相同.

從表4可以看出，礦物中的重要組分P2O5占比從25.01%增加到40.06%，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比明顯降低的為硅質(zhì)白云巖等脈石礦物，說明同等破碎耗能條件下，磷酸鹽礦物比硅酸鹽礦物更難破碎，其晶體尺寸和晶間結(jié)合力更大，也就是條帶型磷塊巖中的磷灰石組分強度高.

表4 破碎篩分前后礦物組分變化Tab.4 The mineral composition changes before and after the crushing sieve %

表5 粉碎后顆粒級配Tab.5 Grain composition after crushing g

第二步，為比較不同結(jié)構(gòu)礦石的晶間結(jié)合力大小，分別抽取瓦屋和馬路坪礦段工業(yè)品位為28%的富礦礦石各200 g進(jìn)行45 s破碎試驗，之后分別稱取每級孔徑標(biāo)準(zhǔn)篩篩上物的質(zhì)量進(jìn)行粒徑分析，結(jié)果如表5所示.

由表5兩地礦石樣品破碎后的級配結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，測試數(shù)據(jù)顯示孔徑小于2.5 mm的各級粒徑礦石的累計質(zhì)量西南馬路坪礦段礦石都較大，特別在0.15 mm～1.25 mm的小粒徑區(qū)段，其各級質(zhì)量達(dá)到瓦屋礦段的1.5到2倍.說明相同等級破碎強度，相同破碎耗時，西南地區(qū)磷塊巖?；耆?，也就是說要達(dá)到相同粉碎粒徑級別，該地區(qū)礦石的耗能要減少50%，可以推測其磷灰石與其它礦物晶體間的晶間結(jié)合力較小、磷塊巖巖石的強度較低.

5 結(jié) 語

綜上所述，得出以下結(jié)論：

1）地質(zhì)資料對比分析結(jié)果明確顯示，湖北片區(qū)磷塊巖埋藏地層相對穩(wěn)定，斷層和褶皺等地質(zhì)構(gòu)造較少，條帶型沉積界限明顯而均勻，礦石結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)是震旦紀(jì)較為封閉的成礦環(huán)境所致，也就是說遠(yuǎn)古時期的湖北中西部地區(qū)屬三面環(huán)山的內(nèi)海淺灘地形，使其中的沉積物免于遭受同時期貴州濱海地形來至遠(yuǎn)古海洋強烈風(fēng)暴潮沖刷和搬運作用，從而經(jīng)過數(shù)億年的持續(xù)堆積靜態(tài)沉積固結(jié)，所以含磷礦物石化程度更高.

2）應(yīng)力-應(yīng)變測試結(jié)果顯示西南地區(qū)磷塊巖受力后變形較大，承載力低，應(yīng)是其內(nèi)存在較多空間弱面所致.破碎篩分試驗結(jié)果顯示磷灰石晶間結(jié)合力明顯強于其主要脈石礦物白云石，是指在完整密實的條件下，磷灰石的硬度高于白云石等脈石礦物.從礦石品位角度看，貴州地區(qū)磷塊巖P2O5含量高于湖北地區(qū)，理論上強度應(yīng)更高.但達(dá)到同等粉碎粒徑耗能總體低于湖北磷塊巖，且力學(xué)性質(zhì)隨礦石種類不同而各異，所以礦物晶間結(jié)合力及品位并不是決定磷塊巖強度的唯一因素.聲波試驗結(jié)果說明，我國西南片區(qū)的磷塊巖中裂隙節(jié)理程度較高，完整性低，導(dǎo)致巖體強度降低的力學(xué)缺陷更多.總之宏觀上裂隙等力學(xué)缺陷是影響磷塊巖巖體強度及穩(wěn)定性的主要因素，例如錨桿錨固段應(yīng)主要設(shè)置于白云巖內(nèi)；細(xì)觀來看，晶間結(jié)合力的控制作用更強，磷灰石具有更大的晶格.比如磨礦，同等條件磷灰石耗能更多，據(jù)此機械選礦中通過試驗確定最優(yōu)粒徑，進(jìn)行破碎篩分，達(dá)到降能增效的目的.

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Comparative Study on Geological Structure and Mechanical Feature of Phosphorite in South China

PAN Deng1，2，XIA Yuanyou1*，ZHANG Dianji2*，LUO Huihua2，LIN Manqing2，CHAI Xiuwei2
1.Civil Engineering and Architecture Institute，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；
2.Resources and Civil Engineering Institute，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

To grasp the interaction mechanism of the structural characteristics of phosphorus block in different regions,a comparative study on distribution of high-grade ore,gangue structure and mechanical properties for different phosphate ores from Hubei and Guizhou was carried out.According to geological survey data of two mining areas,the stratigraphic distribution,tectonic type,ore structure,integrity and granular gradation of phosphate rock were analyzed systematically by the electron microscopy,the acoustic transmission test and the crushing screening.As the results shown,the sepecial coastal geography in Sinian Period results in the phosphate ore with a large reserves in the southwest area containing a high content of P2O5,although it contains many kinds of paragenic ores so as to be easily broken.Furthermore,the stability of the rock is controlled by the internal fissure at macro-level,but the inter crystal force is the controlling factor for the mineral mechanical property at micro-level.

ore deposit geology；ore structure;ore composition；Hubei phosphate ore；Guizhou phosphate ore

1674-2869（2017）06-0622-07

P554

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2017.06.017

2017-08-05

國家自然科學(xué)基金（51474159，51504167）

潘 登，博士研究生.E-mail：179813945@qq.com

*通信作者：夏元友，博士，教授.E-mail：447233146@qq.com

張電吉，博士，教授.E-mail：dianjizhang@wit.edu.cn

潘登，夏元友，張電吉，等.華南磷塊巖地質(zhì)構(gòu)造及其力學(xué)性能的對比研究［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報，2017，39（6）：622-628.

PAN D，XIA Y Y，ZHANG D J，et al.Comparative study on geological structure and mechanical feature of phosphorite in south China［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（6）：622-628.

陳小平