充填體與圍巖組合模型循環加卸載破裂聲發射特征研究

王志國 李柱營 顧乃滿 李躍龍

（1.華北理工大學礦業工程學院，河北唐山063210；2.河北省礦業開發與安全工程實驗室，河北唐山063210；3.中鋼石家莊工程設計研究院有限公司，河北石家莊050021）

當前充填采礦法在礦產資源的開采過程中已被廣泛應用，但由于大量的資源被不斷地采出，加上頻繁的爆破活動，地下洞室的開挖與支護，資源的采出與采空區的充填以及地質構造運動都不可避免地使充填體與圍巖處于循環加卸載過程中，對充填體與圍巖的穩定性造成一定的影響，甚至導致充填體與圍巖的失穩破壞。因此，研究充填體與圍巖在循環加卸過程中的破裂機理在理論上和工程實踐上都有積極的意義。

近年來國內外學者對巖石在循環荷載下的破裂失穩做了許多研究。國內劉建鋒等［1］對大理巖進行了單軸循環加卸載試驗，根據循環荷載下的應力—應變曲線的滯回環的面積大小分析了巖石的破裂程度；彭瑞東等［2］通過對不同圍壓下的煤巖體進行三軸循環加卸載試驗，得出了基于能量分析的損傷變量定義和演化規律，彌補了根據彈性模量定義損傷變量方法的不足，能夠更加真實地闡述試樣的損傷演化；蘇承東等［3］通過對煤樣的三軸循環加卸載試驗研究，發現煤樣在三軸循環加卸載過程中能夠表現出很好的記憶特征，并對比分析了其彈性模量在不同加卸載階段的變化規律；付斌等［4］研究了大理巖在2種不同循環應力路徑下的聲發射特性；國外Mario Camilo Torres-Suarez等［5］研究了循環加卸載和干濕循環對泥巖力學行為的影響；A.Momeni等［6］研究了循環加卸載對花崗巖力學性能的影響；S.L.Qiu等［7］基于增量循環加、卸載試驗對大理巖的峰前損傷行為進行了定量化分析。

巖石在發生形變、破壞時會伴隨著聲發射產生，根據聲發射信息，可以分析巖石的變形過程及破裂機制。張暉輝等［8］通過聲發射試驗中的巖石聲發射信息，能夠定位巖石內部損傷的位置、發生時間以及破壞強度，同時發現了巖石宏觀破裂時的前兆現象。夏冬等［9］分析了含水量大小對巖石的力學特性以及聲發射特征的影響。張黎明等［10］對不同圍壓條件下的大理石破壞過程中的聲發射特性進行了研究，通過分析巖石在變形破壞的各個階段中聲發射特性，發現巖石的聲發射特性信息代表了巖石的變形破壞程度。何俊等［11-12］通過聲發射特性揭示了煤樣在三軸循環加卸載作用下的內部破壞過程。楊永杰等［13］在巖石三軸壓縮損傷特征的研究中，基于聲發射的累計振鈴計數建立了巖石損傷演化模型。徐素超等［14］對矽卡巖在單軸循環加卸載條件下的強度變化特征與聲發射特性進行了研究。

當前循環加卸載作用下的巖石損傷破裂研究對象大多只是完整的巖石，對于充填條件下的巖石循環加卸載聲發射特征的研究還鮮有報道。對此，通過雙軸循環加卸載下的充填采場圍巖模型聲發射試驗，分析組合模型的損傷破裂的聲發射特征。研究成果可望對充填法開采的地質災害研究提供參考。

1 試驗設備與試驗方案

1.1 組合模型制備

實際采礦工程問題嚴格意義上為三維問題，充填采礦方法亦是如此，但在具體研究中，為了研究方便又不失一般性，可以將充填作為一種支護手段進行分析，采場以圓形形式模擬，Hoek和Brady提出了圓形開挖—支護力學模型［15］，并對充填體與圍巖之間作用機理進行了研究，據此設計了充填體與采場圍巖相互作用模型。根據充填采礦法的原理設計了如圖1所示組合模型，模型定為尺寸150 mm×150 mm×150 mm的立方體巖石試塊內部加充填體形式。充填體位于立方體試塊中心，其形狀為?50 mm×150 mm的圓柱體。圍巖采用大理巖、花崗巖、玄武巖3種巖石，充填體則選用濃度為70%、配比為1∶8的全尾砂加水泥膠結制作。將組合模型放在溫度為20℃、濕度為95%的條件下養護28 d后進行循環加卸載試驗。

1.2 實驗設備及裝置

本次試驗采用RLW-3000微機控制剪切蠕變試驗機進行加載，通過PCI-2型聲發射采集系統對試驗過程中的聲發射信號進行采集，如圖2所示。試驗過程中，設置的AE監測系統門檻電壓為45 dB，浮動門寬為6；頻帶設置在20～1 200 kHz范圍內，采樣頻率為 1 MHz，即 106次/s；峰值限定時間（PDT）為50 μs，撞擊限定時間（HDT）為150 μs，撞擊鎖定時間（HLT）為300 μs，最大持續時間為100 ms。

將試塊放置于壓力機上，固定好聲發射傳感器，聲發射傳感器的布置如圖2所示。為了使聲發射傳感器與組合模型表面緊密接觸，在聲發射傳感器與組合模型表面之間涂抹凡士林進行耦合，以盡可能降低聲發射信號的衰減。加卸載，直至試件達到峰值強度而破壞。

在實際工程中，充填體與圍巖總是處于一定壓應力狀態，因此每次卸載至抗壓強度的5%左右，軸向下限應力設為5 MPa。實驗開始時，待側向壓力達到預定值，法向壓力預加載至5 kN后，聲發射監測系統開始試驗。

2 實驗結果與分析

1.3 實驗內容及測試方法

本次試驗采用側向壓力為恒定荷載的雙軸加載方式。根據礦山應力條件選取5 MPa、10 MPa、15 MPa 3種側壓力；軸向采用位移控制方式進行逐級加卸載，加卸載速率為0.2 mm/min。初級加載峰值為20 MPa，以20 MPa步長逐級增大上限應力峰值進行

2.1 組合模型加卸載過程聲發射參數研究

通過研究聲發射活動能夠揭示巖石損傷破裂演化規律，本文利用AE事件率及AE事件能率對不同圍巖組合模型在不同側向壓力下循環加卸載下的聲發射特征及破裂特性進行了分析。

2.1.1 不同組合模型聲發射AE事件率參數特性

AE事件率（次/S）表征單位時間內發生的聲發射事件次數，即聲發射事件發生的頻率，其能夠反映巖石內部損傷裂隙發展的快慢程度，圖3為不同圍巖組合模型的應力、AE事件與時間曲線圖。

由圖3（a）、（b）、（c）可知：不同圍巖的組合模型在加載過程中所受荷載超過前期循環所受的最大荷載水平時，出現明顯的聲發射現象。在一個循環中當荷載由峰值逐漸遞減時聲發射現象不明顯，組合模型具有一定的受載記憶能力，即表現為明顯的Kaiser效應。對比每個循環的最大事件率可以發現，每個循環的事件率隨著荷載的增大而不斷增加。在前2個循環試樣所受荷載水平較低時，試樣處于壓密階段，內部已存在的原始裂隙及孔隙被壓密閉合，沒有新裂隙的產生，聲發射事件比較少。由圖3（d）可知：隨著循環次數的增加，荷載水平進一步增大，試樣經歷彈性階段進入塑性變形階段，內部強度較低的材料開始受壓屈服，試樣內部有新生裂隙的萌生、擴展、貫通，進入聲發射活躍期，AE事件率較高，最終試樣受壓破裂。故AE事件率的變化曲線可以很好地描述模型內部的損傷演化特征。試驗中模型的聲發射活躍期代表著宏觀裂隙的生成，AE事件率與時間的曲線中峰值較大時刻表征模型產生宏觀裂隙，峰值較小時刻表征模型產生微裂隙。因此，AE事件率與時間關系曲線可描述組合模型內部微裂隙的產生、發展與宏觀裂隙形成過程。

對比3種不同圍巖組合模型卸載過程的AE事件率可以發現：大理巖組合模型在卸載過程中幾乎沒有聲發射發生，聲發射活動步入“平靜期”；花崗巖和玄武巖組合模型在卸載過程中有聲發射現象，且隨著應力水平的增加，卸載時的聲發射現象更加明顯。分析原因認為：花崗巖和玄武巖損傷后，其內部微裂紋已經很發育，巖石內部局部可能出現類似塑性屈服的應力松弛，卸載時組合模型在自組織調整過程中形成新的局部應力集中，有新的微裂紋產生或促使已有裂紋擴展，從而表現出聲發射現象。在臨界破壞載荷時，巖石內部裂紋相互貫通形成宏觀裂紋，巖石累計損傷嚴重，裂紋不穩定擴展，在較小的載荷條件下巖石內部裂紋就得以發育，并且卸載導致內部微結構面的張開，從而在卸載階段出現較多聲發射，因此損傷越嚴重，卸載時的聲發射現象越明顯。

在逐級循環加卸載過程中，組合模型的破裂過程同樣經歷了原生裂紋的壓密，微裂紋的萌生、發育、擴展、交匯以及宏觀裂紋的形成過程。

2.1.2 組合模型聲發射AE事件能率參數特性

AE事件能率是指1 s內事件產生的能量值，與所觀測到的聲發射事件所在波形的幅度值的平方成正比，反映聲發射事件的強弱。聲發射能量反映了組合模型內部微裂隙產生擴展時釋放的彈性能，基于聲發射能率—時間的變化曲線，可認識彈性能釋放演變規律，進而分析聲發射事件發生的特征以及模型的破裂演化規律。圖4為不同條件下組合模型的應力、能率與時間曲線。

對比3種不同圍巖的能率峰值可以發現：玄武巖組合模型的最大能率值遠大于大理巖和花崗巖組合模型的最大能率值，成數量級的關系，這是因為AE能量表征試件內部微破裂（包括晶內斷裂、晶間斷裂、穿晶斷裂等）所釋放的彈性能，由于玄武巖相比其他2種巖石脆性更大，晶體間的作用力較大，壓密階段和裂隙發育階段晶體分離所釋放的彈性能也就越大，表現為較高的AE能率值。

由圖4還可以看出：隨著循環次數的增加，應力水平越高，每個循環的AE能率峰值也就越大，這是因為應力水平升高，組合模型進入塑性屈服階段，微裂隙逐漸擴展、貫通成宏觀大裂紋，此時釋放的彈性能相比之前微裂隙萌生、發育所釋放的彈性能要高得多。因此，AE事件能率的大幅度上升變化可以預示組合模型的破壞。

2.2 組合模型Felicity效應特征

巖石類材料在循環加卸載試驗中聲發射參數變化表現出記憶特性。若試樣所施加的荷載超過上次循環的最高荷載時才出現聲發射現象，稱為Kaiser效應；若試樣所施加荷載小于前次循環最大荷載時就出現明顯聲發射現象，則稱為Felicity效應。巖石材料記憶特性是否準確可以用Felicity比值來衡量，出現明顯聲發射現象時的應力值（σi+1）與前一循環的最大應力值（σmax）之比為Felicity比。Felicity比值越接近于1表示巖石材料的記憶特性越準確，Felicity比值大于1表示記憶特性滯后，Felicity比值小于1表示記憶特性超前。

當前對于根據Felicity比值大小判定明顯聲發射現象還沒有統一的標準。陳宇龍等研究表明只要合理地設置界定聲發射現象明顯出現的標準，則對于Felicity比的變化規律幾乎沒有影響［16］。本文在計算Felicity比時，采用聲發射事件率超過30次/s處所對應應力作為產生明顯聲發射荷載值。

圖5為不同種類圍巖組合模型在側壓5 MPa下的Felicity比隨循環次數的變化曲線。由圖可以看出，3種圍巖組合模型的聲發射Felicity比值變化規律基本一致，雖然Felicity比值有些波動，但是總體趨勢為下降。在低應力水平Felicity比值大于1或接近于1，此時組合模型處于壓密階段，聲發射主要來源于試樣內部原生裂隙的閉合，試樣表現出明顯的記憶能力，聲發射信號的恢復相對滯后。隨著循環次數的增加，應力水平提高，Felicity比值不斷降低，以XWXH-1-2為例，在第3次加卸載過程中，Felicity比值由1.06降為1.01，經過前2次的加卸載過程，組合模型內部的原生裂隙已經被壓密，此時處于彈性變形階段，此階段的聲發射記憶特征明顯，組合模型損傷較低，當組合模型所受荷載超過前期所受最大荷載時才有聲發射現象。隨著應力水平的進一步增大，在第5個循環和第6個循環中，組合模型進入屈服階段，組合模型內部有新的裂隙產生，呈穩定狀態發育，損傷不斷加劇，Felicity比值分別為0.85、0.73，Felicity效應成立，組合模型表現出記憶超前性能，組合模型損傷程度較高，內部損傷的不可逆程度逐步提高。

圖6為不同側壓下3種組合模型的Felicity比隨循環次數的變化曲線。由圖可以看出，不同側壓下的Felicity比變化趨勢均為下降，且同種圍巖組合模型循環次數相同的情況下，側壓越高，Felicity比值越高。以花崗巖組合模型在第4循環的Felicity比為例，5 MPa下為0.75，10 MPa下為0.99，15 MPa下為1.19。這是因為高側壓限制了試樣內部晶體顆粒的位移，組合模型的強度增大，表現出更好的記憶功能。

總體來說，不同圍巖的組合模型在不同側壓下的Felicity比隨循環次數的變化趨勢均為下降，分析原因認為：組合模型在加卸載過程中，隨著循環次數及應力水平的增加，組合模型進入塑性變形階段，卸載至下限應力后存在殘余應變。再次加載時，要使應變達到前一次加載過程中的最大應變值所需要的荷載小于前一次循環的上限應力，即組合模型的強度發生了弱化。繼續加載將導致組合模型內部微裂紋不斷發展，最終微裂紋擴展貫通，演化為宏觀裂紋。因此表現為應力記憶超前，Felicity比值不斷降低，Felicity效應表現顯著。

3 結論

（1）隨著循環次數的增加，應力水平逐漸提高，每個循環的AE事件率及能量峰值逐漸增大；卸載過程也有聲發射現象，已有損傷越嚴重，卸載時的聲發射現象越明顯。

（2）隨著荷載進一步增大，試樣內部新生裂隙的萌生、擴展、貫通直至破裂，聲發射進入活躍期，AE事件率不斷上升，AE事件率曲線能夠很好地體現組合模型內部損傷演化的特征，其峰值逐漸增大代表著組合模型裂隙不斷發育。

（3）組合模型在微裂隙逐漸擴展、貫通成宏觀大裂紋時所釋放的彈性能相較于微裂隙萌生、發育時要高得多。AE事件能量的大幅度上升變化可以預示組合模型的破壞。

（4）不同圍巖組合模型在加卸載初期均表現出Kaiser效應，隨著循環應力水平提高，Felicity比值不斷降低，Felicity效應表現顯著，表現出記憶超前性能。