石盐的力学性质

出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《制盐工业手册》第801页（3880字）

(一)石盐的应力／应变特征

1．W·德雷尔(1955)对石盐的研究表明，因不断增加的单向应力而造成的变形量见图3－3－8。

图3－3－8 应力增加的速率对施塔斯雷特石盐变形的影响

加压愈缓慢，产生的变形也愈大。当压力增加的速率为10kg·cm^－2·min^－1时，一定的应力σ所造成的变形ε，将比速率为100kg·cm^－2·min^－1时为大(图3－3－8)。压力增加的速率仅为1kg·cm^－2·min^－1时可造成更大的变形。后一曲线与准静压力曲线的差别并不很大。

所谓准静压力增加，是指增加速率极慢以致在单位时间内所造成的变形不再能量度的那种应力。

图3－3－9所示，即几种蒸发岩及一些别的沉积岩、火成岩的准静压力应力／应变曲线。图中几乎成直线的玄武岩曲线，代表极大的强度，压力加至80MPa时，几乎仍然保持弹性状态。闪长岩(2)、蛇纹石灰岩(4)和斑砂岩(3)对应力也具有很大的抵抗力；但全部蒸发岩当所受压力超过20MPa时，曲线几乎呈水平状。

图3－3－9 不同岩石类型的准静压力的应力／应变曲线(根据W．德雷尔，1955)

1－玄武岩 2－闪长岩 3－砂岩 4－石灰岩 5－石盐 6－石盐 7－石盐 8－钾石盐岩 9－硬盐 10－硬盐

图3－3－9中的曲线，精确地表明在岩盐中造成流变所需的应力。这些曲线也显示出蒸发岩与硅酸盐岩的硬性在地质上有着极重要的差异。

图3－3－10为蒸发岩、大理岩和石英砂岩的应力／应变曲线的对比(在单轴压力条件下)。相当于虎克定律的直线是那些具有完全弹性变形物质的特征线。

图3－3－10 蒸发岩超弹性变形和塑性变形的差异及破碎强度的单轴，应力／应变特征曲线

2．二轴应力岩盐的应变特征。在坑道开采岩盐时，其工作表面的应力为二轴应力向内部则逐渐变为三轴应力；但向内不超过1m的范围内仍然接近于二轴应力。

图3－3－11中的曲线是根据许多试样系列的研究作出的，可用来将二轴应力换算为相当的一轴值。两者之差随二轴应力增加而增大。增大侧向应力则强化盐岩，而使其变形的能力降低。

图3－3－11 表示一轴应力和二轴应力相当值的换算表

二轴应力值，随上覆地层压力值的增加而增加，表3－3－13为德雷尔和博歇特(1957)在美国施塔斯富特盐矿坑道开采的生产工作面和矿柱表面采样测试推算出来的数据。这些数据提供了开采盐矿中的有效压力的第一指标，为制定采矿工作的安全措施提供了依据。

表3－3－13 从不同矿山的矿柱中测得的二轴应力

图3－3－12表示石盐在一轴、二轴、三轴应力下的破碎强度范围。每一条曲线在开始时都是直线，服从虎克定律，即弹性变形。曲线的中部(B)为塑形变形区，这种变形伴有应变硬化(强化)。蒸发岩等塑性很大的岩石，变形相当快。C区是破碎区，由于破碎，物质的脆弱性增加。

图3－3－12 石盐在一轴(Ⅰ)、二轴(Ⅱ)和三轴(Ⅲ)应力下的破碎强度及作比较的大理石－轴破碎强度

A－虎克定律区 B－强大增大的变形区 C－强化的破裂变形区

(二)岩盐的流变(蠕变)特征

在恒定的荷载作用下，岩石变形随时间而增长的特性。

图3－3－13所示，从应力差16．2MPa起到18．28MPa时，岩盐的流动速度增加很快，超过21MPa时，增加更快。三轴压缩的流变速度比在单轴压缩中的流变速度小。

图3－3－13 岩盐流变曲线

为了预测地下孔洞周围随时间变化的位移，应采用以下公式表示：

ε_轴=Kσⁿt^m ε_轴=Kσⁿt^m (3－3－1)

式中 ε_轴——圆柱试样的轴向应变量(%)

σ——应力差(MPa)

t——时间(h)

K、m、n为常数

对于岩盐，K=1．87×10^－13，m=0．36，n=0．28

为准确计算，K、m、n可通过试验确定。

(三)围压力对石盐应力／应变曲线的影响

图3－3－14为所受压力不同的试样的应力／应变曲线。纵座标代表垂直应力(σ₁)和静水围压力(σ₃)之差。各方向的侧向压力都一样，故σ₂=σ₃。围压力越高，产生相等变形量所需的压力差也愈大。

图3－3－14 围压力(0，9．8，31．8，61．0，51．6MPa)对石盐应力／应变曲线的影响

一个埋藏于地下2700m深处的盐丘，所受的围压力可达61MPa。而没有施加围压力的实验结果表明，所有蒸发岩抵抗变形的阻力差别很小。随着深度增加而且有较高的围压力因而使蒸发岩刚性增加的效应，远较因温度随深度上升而使软流加强的效应小。

另一方面，蒸发岩的强度可随围压力的增加而增加。围压力等于零的地方，石盐受到20MPa以上的压力便破碎。但是高的围压能使弹性极限提高到40MPa。

(四)温度对石盐变形的影响

温度在控制石盐变形和软流中的效应极为显着。图3－3－15表明，温度对软流的影响远大于围压力。一个61MPa的围压力(相当于埋深2700m)，使一种岩石对软流和变形的阻力，仅略大于这种岩石处于围压为零的地表的阻力；但是在2700m的深度，温度几乎达到100℃(按每100m增加3℃的地温梯度计算)；软流的出现比在地表温度条件下至少容易10倍。盐丘这种变形构造也证明其流变性的程度。因此，深度超过3000m的岩盐，在钻进取芯时，经常出现被堵塞和卡住的现象，可说明盐岩的流变特性。

图3－3－15 温度对施塔斯富特石盐变形的影响

(五)岩盐的大规模变形

由于岩盐具有很强的塑性，当受到造山运动的影响，或者在生产中因采空区的形成而发生垂直压缩和侧向膨胀时，都可以使岩盐发生大规模变形。根据国外几个典型矿区的研究成果，可归纳为以下几点：

1．矿柱不会变成桶状。它们的横切面从顶至底几乎都稳定不变。

2．周围一经采空，矿柱很快开始变形，侧向膨胀的初速度可能达到每天1～2．5mm，变形延续几个月、甚至数年。据观测，直径6m、高8m的矿柱，其侧向膨胀速度，在8个月之后，每天仍可达0．2～0．5mm之多。在矿柱存在的最初250天中，实验的这种硬石膏－钾石盐－石盐矿柱的平均膨胀速度为每天0．5mm。

3．巷道边部的矿柱所承受的应力不比中央部分的矿柱大，因此边部矿柱的变形也不比中央部分的矿柱快。这与岩盐易于流变的特性相吻合。

4．因开采而导致的压力改变，仅在距工作面20～30m之内有明显的变化。

5．由于周围的蒸发岩倾向于向采空区“流动”也由于矿柱的垂直压缩和侧向膨胀，可导致底板上升和顶板沉降。

(六)岩盐的弹性模量

弹性范围内岩盐变形的难易程度，是通过测定得出的。开始弹性变形的模量，称初始弹性模量。试验证明，弹性变形和塑性变形的上限在20MPa以上，测得的初始弹性模量值在9300～15200MPa之间，见表3－3－14。

表3－3－14 不同类型岩石未应变试样的弹性模量和最大值