2013, Vol. 4引用本文 |
| 岩石化学元素对其抗压强度影响灰色关联度分析 |  [PDF全文] |
b. 江西理工大学, 工程研究院, 江西 赣州 341000;
c. 江西理工大学, 钨资源高效开发及应用技术教育部工程研究中心, 江西 赣州 341000
b. Engineering Research Institute, Ganzhou 341000, China;
c. School of Resource and Environmental Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China
由于岩石的结构和力学特性十分复杂，影响岩石力学因素有很多.如岩石的组成成分、组构性质及其所受到的围压以及温度等.岩石的矿物成分和组构(结构和构造)是决定岩石力学性质的内在因素，对岩石力学特性影响较大[1-2].因此，分析岩石内部的主要化学元素成分，并通过关联度计算分析，找出岩石内部各化学元素对岩石抗压强度的影响有重要的意义.
关联度分析是在灰色系统的基础上，进行因素间时间序列的比较来确定哪些是影响大的主导因素.所谓关联度是对两个系统或系统中两个因素之间随时间(空间)而变化的关联性大小的量度.它定量地描述了系统发展过程中，因素之间相对变化的情况，即变化的大小、方向与速度等的相对性.在系统的发展过程中，如果两个因素的变化态势基本一致，即同步变化程度较高，则可以认为两者的关联度较大，反之，两者的关联度就小[3-4].
1 岩石化学元素成分测试 1.1 测试仪器及原理本次成分测试仪器为荷兰帕纳科公司(PANalytical B.V)(原飞利浦分析仪器部)生产的Magix Pro (PW2424) X荧光光谱仪.该光谱仪可用于测量岩石、矿物粉末等物质中各种元素的质量百分含量，其分析的元素范围为8号氧(O)~92号铀(U)间各种元素及化合物.
仪器的主要硬件配置有：陶瓷超尖锐长寿命X射线光管(SST)，流气探测器(FC)，闪烁探测器(SC)，直接光学定位系统(DOPS)，双路多道(512道)分析器(DMCA).X射线荧光光谱仪的测试原理是：用X射线照射试样时，试样被激发出各种波长的荧光X射线，把混合的X射线按波长分开，根据X射线的波长特征可以定性分析样品中的化学成分，同时测量不同波长X射线的强度可以定量分析各化学元素成分的质量百分含量[5].
1.2 样品制备岩石样品取自某铜矿北矿带破碎带处，共取得砂岩、煌斑岩、风化大理岩、白云质灰岩、含铜黄铁矿、风化煌斑岩、高岭土和大理岩8种.
为了避免水对仪器及测试结果的影响，故先将岩样放入电热恒温鼓风干燥箱进行烘干处理.然后用100 mm×60 mm颚式破碎机进行初碎，再用GM/F97密封式化验制样粉碎机粉碎至0.037~0.055 mm，以满足X荧光光谱仪测试粒度要求.
1.3 测试结果通过测试，统计出各岩样中主要化学元素成分及其质量百分含量，如表 1.
| 表1 各岩样主要化学元素成分及其质量百分含量/wt% |
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2 岩石强度试验
由于现场取得岩石样品不规则，因此试验采用45-D0550/D型液压点荷载仪，试验过程按照国际岩石力学学会(ISRM)推荐的RTH 325-89 Suggested Method for Determining Point Load Strength进行[6].
点荷载试验所获强度指标采用(index of strength)表示，其值等于[7]
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(1) |
根据点荷载所得值由
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(2) |
转换为单轴抗压强度值，抗压强度值如表 2.
| 表2 岩石抗压强度值/MPa |
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3 抗压强度影响灰色关联度分析
在上述分析与研究的基础上，进行灰色关联度分析，找出质量百分含量对岩石抗压强度影响最大的化学元素，并分析各化学元素对岩石抗压强度影响程度的差异.
各主要化学元素与岩石抗压强度关联度的分析计算过程如下：
（1）确定参考数列Y0，Y0=[Y0(1), Y0(2), …, Y0(k)].此处将各岩样抗压强度值从小到大进行重新排列，并将得到的抗压强度数列作为参考数列，即Y0=[19.71, 33.62, 49.67, 67.14, 82.39, 98.28, 114.52, 121.25].
（2）确定被比较数列Yi，Yi=[Yi(1), Yi(2), …, Yi(k)]，i=1, 2, …, I[8-9].根据测试各岩样主要化学成分的统计结果，各岩样中主要化学元素成分为O、Mg、Al、Si、P、S、K、Ca、Fe，故取这些元素在各岩样中的质量百分含量作为关联度计算的被比较数列，如表 3.
| 表3 各岩石化学元素质量百分含量与抗压强度数列表 |
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（3）均值化处理.对于单位不同或初值不同的数列作均值化处理，公式如下：
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(3) |
将各元素质量百分含量数列表按式(3)进行处理，得到其均值化数据如表 4.
| 表4 各化学元素质量百分含量均值化数据表 |
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（4）计算关联系数.其计算公式如下：
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(4) |
式（4）中：ξi(k)为X0(k)、Xi (k)的关联系数；ρ为分辨系数，其作用在于调整比较环境的大小，取值为0.5[10-15].
根据式（4），先求出各数据的∣X0(k)-Xi(k)∣，如表 5.同时分析得到
| 表5 ∣X0(k)-Xi(k)∣计算结果表 |
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由表(5)可知，
将结果代入式（4），计算得到关联系数，如表 6.
| 表6 各化学元素质量百分含量关联系数计算结果表 |
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（5）计算关联度.从关联系数的计算来看，若采用初值化变换计算得到各比较数列(各化学元素质量百分含量数列)与参考数列(岩石抗压强度指标数列)在各点的关联系数值结果较多，信息过于分散，不便比较，因此文中采用了平均值法计算各化学元素与岩石抗压强度的灰色关联度，如式（5），关联度计算结果如表 7.
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(5) |
| 表7 各化学元素与岩石抗压强度的关联度 |
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4 结论与展望
通过试验获得各岩石内部化学元素，找出了各类岩石内部都含有的几种相同主要元素，在结合点荷载试验所得岩石抗压强度值的基础上，采用了灰色关联度分析方法，对岩石内部化学元素与其抗压强度进行灰色关联度试验分析.研究希望通过岩石内部化学元素来定性判断岩石力学特性，从而为工程设计、安全评价等方面提供参考依据，也为岩石力学特性分析做进一步的研究.
从关联度计算结果可知，O元素的关联度指标值比其他元素大.但从各项关联度计算值来看，各项关联度值影响特征不显著，即岩石内部化学元素对其抗压强度影响特征不明显.
作者从岩石内部化学元素对其抗压强度影响分析，未能得到理想结果，因此在今后的试验分析中，可继续采用灰色关联度的分析方法，有望通过分析岩石内部化学成分（如SiO2、CaO等）对其抗压强度的影响，得到更为理想的结果.
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