不同濃度的尾砂膠結充填體破壞過程聲發射特性試驗研究?

趙 奎 謝文健 曾 鵬 龔 囪 卓毓龍 於鑫佳 楊澤元 劉周超

(1 江西理工大學資源與環境工程學院 贛州 341000)

(2 江西理工大學 江西省礦業工程重點實驗室 贛州 341000)

0 引言

尾砂膠結充填體常作為礦山地下開采的重要承載體，對維護礦山采場的穩定、預防大規模的地壓活動具有重要作用，而對其進行穩定性的監測，也成為礦山的重點工作之一。聲發射(Acoustic emission,AE)作為無損監測的一種重要手段，可為尾砂膠結充填體的破壞失穩監測提供重要的判別依據。

有關于尾砂膠結充填體方面的研究，近幾年，國內外學者主要集中在力學特性[1]、強度確定[2]、損傷模型[3]及充填材料選擇[4]等方面。隨著聲發射技術的發展，越來越多學者開始對充填體的聲發射特性進行研究[5?6]。程愛平等[7]對灰砂比為1:4的膠結充填體進行單軸壓縮聲發射試驗，研究了其受壓破壞過程的時空演化規律，進而對充填體破裂進行預測。龔囪等[8]對灰砂比為1:4的膠結充填體進行單軸循環加卸載試驗，研究了其加-卸載過程中聲發射b值特征及破裂響應特征。謝勇等[9]對灰砂比1:8的膠結充填體進行單軸抗壓聲發射試驗，研究充填體受壓破壞過程中的聲發射能率、b值、能率分形維數與時間的關系特征。孫光華等[10]對灰砂比為1:6的充填體進行單軸抗壓聲發射試驗，建立了以聲發射參數為損傷變量的損傷演化方程。這些研究成果，增進了人們對充填體受壓破壞過程聲發射特性的認識，同時建立了一定的損傷演化及失穩預測判別模型[11?12]，但大都集中在配比、養護齡期方面的研究，很少涉及對充填體濃度方面的研究。

實際充填采礦過程中，礦山地面充填站以一定濃度的料漿輸送至地下采空區，但在采空區里經常出現料漿析水沉降現象，水的析出導致采空區上下部分料漿濃度不同，濃度越高其膠結性能越好，相應的充填體強度越高，從而也表現在不同濃度下的充填體受損產生的聲發射信號不同[13?14]。因此，有必要對不同濃度的充填體力學特性與聲發射特性進行研究。有鑒于此，本文對灰砂比1:4、質量濃度分別為68%、70%、72%的3種尾砂膠結充填體進行單軸壓縮聲發射試驗，分析充填體破壞過程的聲發射累計振鈴計數、r值、聲發射信號主頻及相對高頻信號激增響應系數特征，探究不同濃度的充填體損傷演化機制及破壞前兆聲發射特征，為充填體穩定性聲發射監測、預測提供理論依據。

1 試驗簡介

1.1 試件制備

尾砂骨料取自安徽某礦尾礦庫，以P.O42.5硅酸鹽水泥為膠結材料，制備灰砂比為1:4、質量濃度分別為68%、70%、72%的充填體試件。試件在模具中澆筑完成后進行脫模養護，在標準恒溫、恒濕條件下養護14 天，得到3組濃度試件。其中，A1～A3濃度為68%；B1～B3濃度為70%；C1～C3濃度為72%；試件規格為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。圖1為制備好的充填體試件。

圖1 充填體試件Fig.1 Test pieces of backfill

1.2 試驗系統及設置

試驗力學系統為中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RMT-150C巖石力學加載系統，采用位移加載模式，加載速率為0.002 mm/s。聲發射系統采用美國物理聲學公司(PAC)研制的PCI-II型聲發射儀，聲發射傳感器為UT-1000型，前置放大器增益為40 dB，門檻值為40 dB，采樣率為1 MSPS，采樣長度為1000。

2 力學特性

單軸壓縮下不同濃度充填體典型的應力-應變曲線見圖2。以試件C3為例，充填體受壓破壞過程可分為4個階段：OA段為壓密階段，充填體處于加載初期，曲線呈下凹狀，此時充填體內部微孔隙和微裂紋逐步被壓實；AB段為彈性階段，此階段應力-應變曲線近似線性增長，隨著充填體濃度的增加，彈性階段表現更為明顯；BC段為屈服階段，曲線段呈上凸狀，曲線斜率隨應力增加逐漸減小為零，此階段充填體發生塑性變形，并且充填體的濃度越大，屈服應力也越大；CD段為峰后破壞階段，該曲線段斜率變為負值并持續減小，充填體承載能力逐漸減小，但仍具有一定的承載能力。

3種不同濃度的充填體試件力學參數見表1。A、B、C 三組試件平均峰值強度分別為1.654 MPa、1.890 MPa、2.680 MPa，平均彈性模量分別為0.152 GPa、0.180 GPa、0.274 GPa。說明質量濃度越大，充填體膠結性越好，微孔隙和微裂紋數量越少，峰值強度越大，彈性模量也越大。各試件峰值應變在0.014～0.020之間。濃度越大，峰值應變整體呈減小趨勢。

圖2 不同濃度充填體典型的應力-應變曲線Fig.2 Typical stress-strain curve of backfill with different concentrations

表1 不同濃度充填體力學參數試驗結果Table1 Test results of mechanical parameters of backfill with different concentrations

3 聲發射基本參數特征

3.1 聲發射振鈴計數

聲發射振鈴計數反映信號強度與頻度，用于破裂源的活動性評價[15]。以A3、B3與C3為例，得到試件峰值強度及峰值累計振鈴計數隨濃度關系，具體見圖3。由圖3可知，隨著濃度的增加，充填體峰值強度及聲發射累計振鈴計數都呈增大趨勢，說明質量濃度越大，骨料沉降速度降低，使其內部顆粒分布更均勻，結構更加致密，其峰值強度也越大；同時充填料漿離析減少，使試件內部顆粒組成數量相對更多，其顆粒膠結鏈接總數也越多，導致其破壞產生的微裂紋數量也越多，聲發射峰值累計振鈴計數也越多。

分析不同濃度試件在各階段的聲發射累計振鈴計數變化關系，具體見圖4。不同濃度充填體在壓密、彈性與屈服階段的聲發射累計振鈴計數的變化趨勢基本一致。由于聲發射振鈴計數與加載過程中產生的微裂紋數量密切相關，在壓密、彈性與屈服階段，隨著濃度增大，其累計振鈴計數也越多，其中72%濃度試件的累計振鈴計數最多，表明濃度越大的充填體受壓破壞產生的微裂紋數量也越多。

圖3 峰值強度、峰值累計振鈴計數與濃度關系Fig.3 Relationship between peak intensity,peak cumulative ringing count and concentration

圖4 不同濃度試件在各階段的累計振鈴計數Fig.4 Cumulative ringing count of different concentration samples in each stage

3.2 r值特征

圖5為充填體典型試件r值、應力與時間關系曲線。分析可知，試件加載初期，r值曲線均呈上升趨勢，并達到一個較大值，這表明各試件加載初期內部顆粒之間摩擦、滑移，損傷程度較小，產生了大量低能摩擦型的聲發射信號；隨著加載繼續，r值快速下降到一個較低值；進入屈服階段，r值持續減小并保持在變化較小的相對穩定階段，此階段微裂紋萌生、擴展貫通，損傷程度急劇增加，因此產生大量高能的聲發射信號，意味著破裂的開始。隨著外載荷的增加，進入緩慢升高階段，峰值前均保持在該階段。這一特征可為充填體的破裂失穩判別提供一定的依據。

圖5 充填體典型試件應力、r值隨時間變化曲線Fig.5 Stress and r value curve with time of typical backfill samples

4 聲發射信號頻率特征

4.1 聲發射信號主頻特征

主頻為二維頻譜圖中最大幅值所對應的頻率[18?19]。利用Matlab 進行快速傅里葉變換(Fast Fourier transformation,FFT)得到聲發射信號主頻。圖6為尾砂膠結充填體典型試件(A3、B3、C3)破壞過程聲發射信號主頻和應力隨時間變化規律。由圖6可知，不同濃度充填體破壞過程聲發射信號的主頻分布在40～280 kHz范圍，且主要集中在100～120 kHz頻段。

初始壓密階段，試件聲發射信號主頻分布在80～100 kHz、100～120 kHz兩個頻段內，而72%濃度試件基本不出現100 kHz以下的聲發射信號主頻；彈性階段，70%濃度試件聲發射信號主頻分布范圍減小至90～120 kHz，而68%與72%濃度試件聲發射信號主頻分布范圍不變；屈服階段，3種濃度試件均開始出現160～180 kHz頻段的聲發射信號主頻，即相對高頻信號激增現象。表明各試件內部損傷以裂紋擴展、貫通成宏觀主破裂帶為主，預示主破裂即將發生。在主頻段數量特征方面，68%濃度試件在屈服階段的聲發射信號主頻呈2個頻段分布，70%與72%濃度試件呈3個以上頻段分布。從聲發射信號數量上看，72%濃度試件比70%濃度試件有更多相對高頻信號(160～180 kHz、260～280 kHz)出現，并且在屈服階段出現低于60 kHz的聲發射信號主頻現象。

圖6 不同濃度試件應力、主頻與時間關系Fig.6 Relationship between stress,dominant frequency and time of samples with different concentrations

綜合分析可知，充填體破壞過程中聲發射信號的主頻，由加載初期的1～2個主頻段(80～100 kHz、100～120 kHz)，在臨界主破裂時增多到3～5個主頻段(60～80 kHz、80～100 kHz、100～120 kHz、160～180 kHz與260～280 kHz)。隨著濃度的增加，聲發射信號主頻頻段分布越寬，主要原因是由于濃度與強度有直接關系，試件的濃度越大，則強度也越大，內部所積聚的能量也越大。

4.2 聲發射相對高頻信號激增響應系數特征

不同濃度充填體試件主破裂前均出現頻段為160～180 kHz的相對高頻信號激增現象，分別統計各試件相對高頻信號激增的前兆響應系數β[20]。其中，β值越大，代表相對高頻信號激增響應時間越早，前兆識別能力更強，其計算公式為

式(1)中：ti為聲發射相對高頻信號激增出現時間；tj為充填體主破裂時間(峰值應力)。

各試件聲發射相對高頻信號激增響應系數與平均響應時間見表2。為充填體聲發射相對高頻信號激增平均響應系數。分析可知，對于峰值應力處破裂時間tj，68%濃度試件tj最大，70%濃度試件tj次之，72% 濃度試件tj最小。表明濃度越大，充填體延性越小，達到主破裂(峰值應力)時間越短。對于聲發射相對高頻信號激增平均響應系數值來說，68%濃度試件最大，70%濃度試件次之，72% 濃度試件平均值最小，呈遞減趨勢。充填體濃度越大，聲發射相對高頻信號(160～180 kHz)激增響應能力越弱。

表2 聲發射相對高頻信號激增響應系數Table2 Surge response coefficient of acoustic emission relative high frequency signal

5 結論

(1)隨著尾砂膠結充填體質量濃度的增大，充填體試件峰值強度與彈性模量呈增大趨勢，峰值應變整體呈減小趨勢。

(2)不同濃度充填體試件在壓密、彈性與屈服階段的聲發射累計振鈴計數變化趨勢基本一致。隨著濃度增加，產生的聲發射振鈴計數越多。

(3)聲發射累計撞擊數與聲發射累計能量的比值r值均先升高再持續減小到一個較低值，隨著外載荷的增加，進入緩慢升高階段，峰值前均保持在該階段。

(4)充填體破裂前兆信息在聲發射信號主頻分布中呈現主頻段增多的現象，主要表現為由加載初期的1～2個主頻段，在臨界主破裂時增多到3～5個主頻段。并且隨著試件質量濃度的增加，聲發射信號主頻頻段分布越寬，聲發射相對高頻信號(160～180 kHz)的激增響應系數呈遞減趨勢。

上述特征為不同濃度的尾砂膠結充填體的破壞失穩監測預測提供了基礎依據。