充填体与围岩组合模型循环加卸载破裂声发射特征研究

时间：2024-07-28

王志国李柱营顾乃满李跃龙

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063210；2.河北省矿业开发与安全工程实验室，河北唐山063210；3.中钢石家庄工程设计研究院有限公司，河北石家庄050021）

当前充填采矿法在矿产资源的开采过程中已被广泛应用，但由于大量的资源被不断地采出，加上频繁的爆破活动，地下洞室的开挖与支护，资源的采出与采空区的充填以及地质构造运动都不可避免地使充填体与围岩处于循环加卸载过程中，对充填体与围岩的稳定性造成一定的影响，甚至导致充填体与围岩的失稳破坏。因此，研究充填体与围岩在循环加卸过程中的破裂机理在理论上和工程实践上都有积极的意义。

近年来国内外学者对岩石在循环荷载下的破裂失稳做了许多研究。国内刘建锋等［1］对大理岩进行了单轴循环加卸载试验，根据循环荷载下的应力—应变曲线的滞回环的面积大小分析了岩石的破裂程度；彭瑞东等［2］通过对不同围压下的煤岩体进行三轴循环加卸载试验，得出了基于能量分析的损伤变量定义和演化规律，弥补了根据弹性模量定义损伤变量方法的不足，能够更加真实地阐述试样的损伤演化；苏承东等［3］通过对煤样的三轴循环加卸载试验研究，发现煤样在三轴循环加卸载过程中能够表现出很好的记忆特征，并对比分析了其弹性模量在不同加卸载阶段的变化规律；付斌等［4］研究了大理岩在2种不同循环应力路径下的声发射特性；国外Mario Camilo Torres-Suarez等［5］研究了循环加卸载和干湿循环对泥岩力学行为的影响；A.Momeni等［6］研究了循环加卸载对花岗岩力学性能的影响；S.L.Qiu等［7］基于增量循环加、卸载试验对大理岩的峰前损伤行为进行了定量化分析。

岩石在发生形变、破坏时会伴随着声发射产生，根据声发射信息，可以分析岩石的变形过程及破裂机制。张晖辉等［8］通过声发射试验中的岩石声发射信息，能够定位岩石内部损伤的位置、发生时间以及破坏强度，同时发现了岩石宏观破裂时的前兆现象。夏冬等［9］分析了含水量大小对岩石的力学特性以及声发射特征的影响。张黎明等［10］对不同围压条件下的大理石破坏过程中的声发射特性进行了研究，通过分析岩石在变形破坏的各个阶段中声发射特性，发现岩石的声发射特性信息代表了岩石的变形破坏程度。何俊等［11-12］通过声发射特性揭示了煤样在三轴循环加卸载作用下的内部破坏过程。杨永杰等［13］在岩石三轴压缩损伤特征的研究中，基于声发射的累计振铃计数建立了岩石损伤演化模型。徐素超等［14］对矽卡岩在单轴循环加卸载条件下的强度变化特征与声发射特性进行了研究。

当前循环加卸载作用下的岩石损伤破裂研究对象大多只是完整的岩石，对于充填条件下的岩石循环加卸载声发射特征的研究还鲜有报道。对此，通过双轴循环加卸载下的充填采场围岩模型声发射试验，分析组合模型的损伤破裂的声发射特征。研究成果可望对充填法开采的地质灾害研究提供参考。

1 试验设备与试验方案

1.1 组合模型制备

实际采矿工程问题严格意义上为三维问题，充填采矿方法亦是如此，但在具体研究中，为了研究方便又不失一般性，可以将充填作为一种支护手段进行分析，采场以圆形形式模拟，Hoek和Brady提出了圆形开挖—支护力学模型［15］，并对充填体与围岩之间作用机理进行了研究，据此设计了充填体与采场围岩相互作用模型。根据充填采矿法的原理设计了如图1所示组合模型，模型定为尺寸150 mm×150 mm×150 mm的立方体岩石试块内部加充填体形式。充填体位于立方体试块中心，其形状为ϕ50 mm×150 mm的圆柱体。围岩采用大理岩、花岗岩、玄武岩3种岩石，充填体则选用浓度为70%、配比为1∶8的全尾砂加水泥胶结制作。将组合模型放在温度为20℃、湿度为95%的条件下养护28 d后进行循环加卸载试验。

1.2 实验设备及装置

本次试验采用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机进行加载，通过PCI-2型声发射采集系统对试验过程中的声发射信号进行采集，如图2所示。试验过程中，设置的AE监测系统门槛电压为45 dB，浮动门宽为6；频带设置在20～1 200 kHz范围内，采样频率为 1 MHz，即 106次/s；峰值限定时间（PDT）为50 μs，撞击限定时间（HDT）为150 μs，撞击锁定时间（HLT）为300 μs，最大持续时间为100 ms。

将试块放置于压力机上，固定好声发射传感器，声发射传感器的布置如图2所示。为了使声发射传感器与组合模型表面紧密接触，在声发射传感器与组合模型表面之间涂抹凡士林进行耦合，以尽可能降低声发射信号的衰减。加卸载，直至试件达到峰值强度而破坏。

在实际工程中，充填体与围岩总是处于一定压应力状态，因此每次卸载至抗压强度的5%左右，轴向下限应力设为5 MPa。实验开始时，待侧向压力达到预定值，法向压力预加载至5 kN后，声发射监测系统开始试验。

2 实验结果与分析

1.3 实验内容及测试方法

本次试验采用侧向压力为恒定荷载的双轴加载方式。根据矿山应力条件选取5 MPa、10 MPa、15 MPa 3种侧压力；轴向采用位移控制方式进行逐级加卸载，加卸载速率为0.2 mm/min。初级加载峰值为20 MPa，以20 MPa步长逐级增大上限应力峰值进行

2.1 组合模型加卸载过程声发射参数研究

通过研究声发射活动能够揭示岩石损伤破裂演化规律，本文利用AE事件率及AE事件能率对不同围岩组合模型在不同侧向压力下循环加卸载下的声发射特征及破裂特性进行了分析。

2.1.1 不同组合模型声发射AE事件率参数特性

AE事件率（次/S）表征单位时间内发生的声发射事件次数，即声发射事件发生的频率，其能够反映岩石内部损伤裂隙发展的快慢程度，图3为不同围岩组合模型的应力、AE事件与时间曲线图。

由图3（a）、（b）、（c）可知：不同围岩的组合模型在加载过程中所受荷载超过前期循环所受的最大荷载水平时，出现明显的声发射现象。在一个循环中当荷载由峰值逐渐递减时声发射现象不明显，组合模型具有一定的受载记忆能力，即表现为明显的Kaiser效应。对比每个循环的最大事件率可以发现，每个循环的事件率随着荷载的增大而不断增加。在前2个循环试样所受荷载水平较低时，试样处于压密阶段，内部已存在的原始裂隙及孔隙被压密闭合，没有新裂隙的产生，声发射事件比较少。由图3（d）可知：随着循环次数的增加，荷载水平进一步增大，试样经历弹性阶段进入塑性变形阶段，内部强度较低的材料开始受压屈服，试样内部有新生裂隙的萌生、扩展、贯通，进入声发射活跃期，AE事件率较高，最终试样受压破裂。故AE事件率的变化曲线可以很好地描述模型内部的损伤演化特征。试验中模型的声发射活跃期代表着宏观裂隙的生成，AE事件率与时间的曲线中峰值较大时刻表征模型产生宏观裂隙，峰值较小时刻表征模型产生微裂隙。因此，AE事件率与时间关系曲线可描述组合模型内部微裂隙的产生、发展与宏观裂隙形成过程。

对比3种不同围岩组合模型卸载过程的AE事件率可以发现：大理岩组合模型在卸载过程中几乎没有声发射发生，声发射活动步入“平静期”；花岗岩和玄武岩组合模型在卸载过程中有声发射现象，且随着应力水平的增加，卸载时的声发射现象更加明显。分析原因认为：花岗岩和玄武岩损伤后，其内部微裂纹已经很发育，岩石内部局部可能出现类似塑性屈服的应力松弛，卸载时组合模型在自组织调整过程中形成新的局部应力集中，有新的微裂纹产生或促使已有裂纹扩展，从而表现出声发射现象。在临界破坏载荷时，岩石内部裂纹相互贯通形成宏观裂纹，岩石累计损伤严重，裂纹不稳定扩展，在较小的载荷条件下岩石内部裂纹就得以发育，并且卸载导致内部微结构面的张开，从而在卸载阶段出现较多声发射，因此损伤越严重，卸载时的声发射现象越明显。

在逐级循环加卸载过程中，组合模型的破裂过程同样经历了原生裂纹的压密，微裂纹的萌生、发育、扩展、交汇以及宏观裂纹的形成过程。

2.1.2 组合模型声发射AE事件能率参数特性

AE事件能率是指1 s内事件产生的能量值，与所观测到的声发射事件所在波形的幅度值的平方成正比，反映声发射事件的强弱。声发射能量反映了组合模型内部微裂隙产生扩展时释放的弹性能，基于声发射能率—时间的变化曲线，可认识弹性能释放演变规律，进而分析声发射事件发生的特征以及模型的破裂演化规律。图4为不同条件下组合模型的应力、能率与时间曲线。

对比3种不同围岩的能率峰值可以发现：玄武岩组合模型的最大能率值远大于大理岩和花岗岩组合模型的最大能率值，成数量级的关系，这是因为AE能量表征试件内部微破裂（包括晶内断裂、晶间断裂、穿晶断裂等）所释放的弹性能，由于玄武岩相比其他2种岩石脆性更大，晶体间的作用力较大，压密阶段和裂隙发育阶段晶体分离所释放的弹性能也就越大，表现为较高的AE能率值。

由图4还可以看出：随着循环次数的增加，应力水平越高，每个循环的AE能率峰值也就越大，这是因为应力水平升高，组合模型进入塑性屈服阶段，微裂隙逐渐扩展、贯通成宏观大裂纹，此时释放的弹性能相比之前微裂隙萌生、发育所释放的弹性能要高得多。因此，AE事件能率的大幅度上升变化可以预示组合模型的破坏。

2.2 组合模型Felicity效应特征

岩石类材料在循环加卸载试验中声发射参数变化表现出记忆特性。若试样所施加的荷载超过上次循环的最高荷载时才出现声发射现象，称为Kaiser效应；若试样所施加荷载小于前次循环最大荷载时就出现明显声发射现象，则称为Felicity效应。岩石材料记忆特性是否准确可以用Felicity比值来衡量，出现明显声发射现象时的应力值（σi+1）与前一循环的最大应力值（σmax）之比为Felicity比。Felicity比值越接近于1表示岩石材料的记忆特性越准确，Felicity比值大于1表示记忆特性滞后，Felicity比值小于1表示记忆特性超前。

当前对于根据Felicity比值大小判定明显声发射现象还没有统一的标准。陈宇龙等研究表明只要合理地设置界定声发射现象明显出现的标准，则对于Felicity比的变化规律几乎没有影响［16］。本文在计算Felicity比时，采用声发射事件率超过30次/s处所对应应力作为产生明显声发射荷载值。

图5为不同种类围岩组合模型在侧压5 MPa下的Felicity比随循环次数的变化曲线。由图可以看出，3种围岩组合模型的声发射Felicity比值变化规律基本一致，虽然Felicity比值有些波动，但是总体趋势为下降。在低应力水平Felicity比值大于1或接近于1，此时组合模型处于压密阶段，声发射主要来源于试样内部原生裂隙的闭合，试样表现出明显的记忆能力，声发射信号的恢复相对滞后。随着循环次数的增加，应力水平提高，Felicity比值不断降低，以XWXH-1-2为例，在第3次加卸载过程中，Felicity比值由1.06降为1.01，经过前2次的加卸载过程，组合模型内部的原生裂隙已经被压密，此时处于弹性变形阶段，此阶段的声发射记忆特征明显，组合模型损伤较低，当组合模型所受荷载超过前期所受最大荷载时才有声发射现象。随着应力水平的进一步增大，在第5个循环和第6个循环中，组合模型进入屈服阶段，组合模型内部有新的裂隙产生，呈稳定状态发育，损伤不断加剧，Felicity比值分别为0.85、0.73，Felicity效应成立，组合模型表现出记忆超前性能，组合模型损伤程度较高，内部损伤的不可逆程度逐步提高。

图6为不同侧压下3种组合模型的Felicity比随循环次数的变化曲线。由图可以看出，不同侧压下的Felicity比变化趋势均为下降，且同种围岩组合模型循环次数相同的情况下，侧压越高，Felicity比值越高。以花岗岩组合模型在第4循环的Felicity比为例，5 MPa下为0.75，10 MPa下为0.99，15 MPa下为1.19。这是因为高侧压限制了试样内部晶体颗粒的位移，组合模型的强度增大，表现出更好的记忆功能。

总体来说，不同围岩的组合模型在不同侧压下的Felicity比随循环次数的变化趋势均为下降，分析原因认为：组合模型在加卸载过程中，随着循环次数及应力水平的增加，组合模型进入塑性变形阶段，卸载至下限应力后存在残余应变。再次加载时，要使应变达到前一次加载过程中的最大应变值所需要的荷载小于前一次循环的上限应力，即组合模型的强度发生了弱化。继续加载将导致组合模型内部微裂纹不断发展，最终微裂纹扩展贯通，演化为宏观裂纹。因此表现为应力记忆超前，Felicity比值不断降低，Felicity效应表现显著。