充填体单轴压缩峰后应力—应变曲线特征及声发射参数研究_刘艳章.pdf

充填体单轴压缩峰后应力应变曲线特征及 声发射参数研究 刘艳章 1， 2 李凯兵 1 李伟 1 郭赟林 1 程爱平 1， 2 曹华斌 3 （1. 武汉科技大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430081； 2. 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430081； 3 武钢资源集团程潮矿业有限公司， 湖北 鄂州 436000） 摘要低强度充填体在充填法开采中控制地压时可能处于峰后破坏阶段， 其峰后应力应变曲线特征及声 发射参数与地压控制关系密切。以程潮铁矿灰砂比为1 ∶ 6的全尾砂胶结充填体为研究对象， 开展了充填体单轴压 缩及声发射监测试验， 得到充填体单轴压缩下的应力应变曲线及声发射参数， 采用能率和声发射事件对峰后应 力应变曲线特征及破坏过程进行了分析。结果表明 充填体峰后应力应变曲线斜率为负值， 先逐渐减小， 后逐 渐增大， 最后基本保持不变， 根据峰后应力应变曲线斜率变化趋势可将其划分为AB段、 BC段及C以后段， 其中 AB段应力应变曲线逐渐变陡， 斜率逐渐减小， 呈上凸型， 充填体表面宏观裂纹不断增多， 强度劣化加速， 能率先 急剧减小后快速增大， 声发射事件定位点局部比较集中； BC段应力应变曲线变缓， 斜率逐渐增大， 呈上凹型， 剪 切裂纹扩展、 汇合形成宏观剪切面， 破坏过程变缓， 能率较高且逐渐下降， 声发射事件定位点聚集呈带状分布； C以 后段应力应变曲线斜率基本不变， 剪切面出现滑移， 充填体残余结构支撑外部荷载， 能率和声发射事件大幅下 降； 充填体峰后声发射参数能较好地反映其应力应变曲线特征及破坏过程。 关键词充填开采充填体单轴压缩应力应变曲线特征声发射参数 中图分类号TD853文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -03-062-06 DOI10.19614/ki.jsks.201903009 Study on Characteristics of Post-peak Stress-strain Curve and Acoustic Emission Parameters of Backfill under Uniaxial Compression Liu Yanzhang1， 2Li Kaibing1Li Wei1Guo Yunlin1Cheng Aiping1， 2Cao Huabin32 （1. School of Resource and Environmental Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China； 2. Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources， Wuhan 430081， China； 3. Chengchao Mining Co. Ltd.of Wuhan Resources Group， Ezhou 436000， China） AbstractLow-strength cemented tailings backfill（CTB）may be in the post-peak failure stage when controls ground pressure in backfill mining.The post-peak stress-strain curve characteristics and the acoustic emission（AE）parameters of CTB are closely related to the control of ground pressure.Therefore， uniaxial compression experiments and AE tests of CTB from unclassified tailings of Chengchao Iron Mine with cement-tailing ratio of 16 are conducted to obtain the stress-strain curve and the AE parameters.The post-peak stress-strain curve characteristics and failure process of CTB are analyzed based on AE energy rate and AE event.The result shows that the slope value of the post-peak stress-strain curve of CTB is negative， which decreases firstly， then increases and keeps a constant finally.The post-peak stress-strain curve could be divided into stage AB， stage BC and stage after C according to its slope variation.During stage AB， the stress-strain curve gradually becomes steeper and its slope value decreases with a convex sharp.The macroscopic cracks on the surface of the filling body increase gradually and the strength deterioration accelerates.The energy rate decreases dramatically， then increases rapidly and AE event location point concentrate partly.When the CTB enters the BC stage， the stress-strain curve becomes slow and its slope increase with a concave sharp.The macroscopic shear plain appears because of the expansion and convergence of shear cracks 收稿日期2019-01-10 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 41702291， 51604195） 。 作者简介刘艳章 （1969） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 513 期 2019 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 513 March 2019 62 ChaoXing and the failure process becomes slower. The energy rate is high and decreases with AE event location points gathering into a strip.At the stage after C， the slope of the stress-strain curve keeps a constant.The shear plain slips and external load is sup- ported by residual structure of CTB.Meanwhile， the energy rate and AE event reduce significantly.The post-peak AE parame- ters of CTB can well reflect its characteristics of stress-strain curve and the failure process. KeywordsFilling mining， Filling body， Uniaxial compression， Characteristics of stress-strain curve， Acoustic emission parameters 充填开采具有资源回收率高、 能够有效控制地 表沉降和限制围岩移动等特点， 是绿色矿山建设的 主要内容之一 ［1-3］。充填体强度一般远低于围岩， 在 采空区复杂的应力环境下， 充填体可能处于峰后破 坏阶段， 但充填体塑性较强， 峰后变形过程中仍具有 一定的承载能力， 因此， 充填体峰后应力应变曲线 特征及破坏过程会影响地压控制效果。充填体在峰 后破坏过程中， 其内部储存的应变能以弹性波的形 式释放出来， 这种现象被称为声发射。声发射是对 岩石等材料内部微破裂的捕捉与表征 ［4-5］， 也是研究 峰后应力应变曲线特征的重要手段。充填体破坏 过程与声发射参数具有密切联系。 近年来， 大量学者通过声发射手段研究了岩石 破坏过程中的声发射现象， 并基于声发射参数建立 了岩石的损伤本构模型 ［6-7］， 也有部分学者对岩石峰 后的声发射进行了分析。唐珺等 ［8］对比分析了石灰 岩、 砂岩及水泥砂浆单轴压缩峰后的声发射特性， 结 果表明， 硬岩峰后无明显的声发射现象， 软岩峰后声 发射事件出现间歇性激增。充填体在破坏过程中也 蕴含着丰富的声发射信息， 可以反映充填体的破坏 程度， 因此， 不少学者将声发射手段应用到充填体的 损伤破坏研究中。龚卤等 ［9］通过单轴加卸载试验， 研 究了尾砂胶结充填体在不同加卸载阶段声发射b值 的变化特征， 认为充填体内部的微破裂处于动态变 化中； 谢勇等 ［10］分析了单轴压缩下分级尾砂胶结充填 体的声发射能率、 声发射b值、 声发射能率分形维数 随时间的变化特征， 并以声发射累计能率为损伤变量 建立了充填体的损伤本构模型； 孙光华等 ［11］以声发射 累计事件率为损伤变量并引入有效损伤率建立了充 填体的损伤模型， 理论模型与试验曲线具有较好的一 致性。相关研究 ［8， 12］表明大部分岩石由于脆性较强， 在峰后破坏过程中应力应变曲线出现陡降， 声发射 参数也出现骤减。充填体塑性较强， 峰后应力应变 曲线下降比较缓慢， 其特征与岩石差别较大。上述分 析主要基于声发射参数对充填体峰前及岩石全过程 的损伤破坏特性进行研究， 充填体峰后应力应变曲 线特征及破坏过程的研究较为薄弱。 本研究通过对程潮铁矿灰砂比为1 ∶ 6的全尾砂 胶结充填体进行单轴压缩及声发射监测试验， 以能 率、 声发射事件为分析指标， 探究尾砂胶结充填体单 轴压缩峰后应力应变曲线特征及破坏过程， 为后 期复杂应力状态下充填体应力应变曲线特征及破 坏过程研究奠定基础。 1尾砂胶结充填体单轴压缩及声发射监测试 验 1. 1尾砂粒径分析及充填体试件制备 以程潮铁矿尾矿库全尾砂为骨料制备充填体试 件， 全尾砂经过烘干后采用XSB-88ϕ200顶击式振筛 机进行筛分， 得到该矿全尾砂粒径分布曲线如图1所 示。由图1可知 尾砂中值粒径d5029.93 μm， 属于细 粒级尾砂。 程潮铁矿在实际开采过程中主要采用灰砂比为 1 ∶ 6、 料浆浓度为70的全尾砂胶结充填体充填采空 区。本研究结合该矿充填体工程应用现状， 以325复 合硅酸盐水泥为胶结剂， 制备了5件全尾砂胶结充填 体标准圆柱试件。充填体试件尺寸为ϕ50 mm100 mm （直径高度） 。在标准养护条件下 （温度为 （20 2） ℃， 湿度不低于95） 养护28 d的充填体试件如图 2所示。 2019年第3期刘艳章等 充填体单轴压缩峰后应力应变曲线特征及声发射参数研究 63 ChaoXing 1. 2试验过程 对达到28 d龄期的充填体试件进行单轴压缩及 声发射监测试验。试验采用型号为WAW-300电液 伺服万能试验机， 加载过程采用位移加载控制方式， 加载速率为0.001 mm/s。声发射仪的采样频率为3 MHz， 即以每秒3 MHz的速率采集声发射信号。声发 射触发门限为20 mV， 前置放大器的放大倍数为40 dB。试验系统如图3所示。 加载初期首先对试件施加0.2 kN的预应力使压 头与充填体试件紧密接触， 然后同时开启单轴压缩 系统和声发射监测系统， 得到充填体的应力应变 曲线及声发射参数。分析发现， 5件充填体试件的应 力应变曲线及声发射特征参数变化趋势基本相 同。本研究对接近平均强度的充填体试件的试验结 果进行分析。 2峰后应力应变曲线特征及声发射参数分 析 2. 1峰后应力应变曲线特征及典型破坏形式 通过单轴压缩试验得到的充填体应力应变曲 线如图4所示。 由图4可知 充填体与大部分岩石峰前应力应 变曲线特征相似 ［6， 8］， 峰值点处强度远低于岩石， 由于 其塑性较强， 峰后破坏过程比较缓慢， 峰后应力应 变曲线呈渐进式下降； 岩石在峰后呈现出明显的脆 性破坏特征， 应力在峰后突然跌落， 应力应变曲线 出现陡降； 充填体峰后应力应变曲线斜率为负值， 先逐渐减小， 后逐渐增大， 最后基本保持不变； 根据 斜率变化趋势可将峰后应力应变曲线划分为AB 段、 BC段及C以后段。 充填体峰后各阶段结束点处的力学参数取值如 表1所示。 充填体峰后破坏过程中各阶段开始和结束点处 对应的典型破坏形式如图5所示。 由图4、 图5及表1可知 （1） AB段。应力应变曲线由峰值点处近似水 平逐渐变陡， 斜率逐渐减小。加载到B点时的应力水 平为64.0， 应力水平比A点下降了36， 下降幅度较 大， 轴向应变比A点增加了0.579， 增加速率为1.2 10-4/s。对比图5 （a） 、 图5 （b） 知， 该阶段充填体内部损 伤不断积累， 部分微裂纹在外力作用下闭合， 同时有 金属矿山2019年第3期总第513期 64 ChaoXing 大量新生微裂纹不断扩展、 汇合， 充填体试件表面出 现了宏观裂纹且不断增多。 （2） BC段。应力应变曲线逐渐变缓， 斜率逐渐 增大。到C点时应力水平为34.2， 应力水平比B点 下降了29.8， 下降幅度有所增大。轴向应变比B点 增加了0.503， 增加速率为4.610-4/s， 为AB段的3.8 倍， 轴向变形加快。对比图5 （b） 、 图5 （c） 可知， 由于充 填体为多相非均质材料， 同一承载面内材料强度不 等， 外荷载增加时， 强度低的部位首先屈服， 承载力下 降， 应力转移使未屈服区域应力集中， 剪切裂纹逐渐 汇合、 贯通形成宏观剪切面， 克服黏结力和内摩擦力 做功， 释放了大量的应变能， 充填体破坏加剧。 （c） C以后段。应力应变曲线斜率基本保持不 变。试验结束时应力水平为30.5， 应力水平比C点 下降了33.3， 下降幅度有所减小。轴向应变比C点 增加了0.237， 增加速率为2.3710-3/s， 为BC段的 5.2倍， 变形进一步加快。对比图5 （c） 、 图5 （d） 可知， 充填体宏观剪切面间距增大， 出现滑移， 部分破碎边 角出现脱落。 2. 2峰后声发射参数分析 外力作用下充填体破坏过程的实质是能量释放 与耗散的过程 ［13］。声发射能量是声发射信号波形包 络线下的面积， 由信号电压的平方积分得到， 能够反 映声发射事件的相对能量或强度 ［14］， 进而对充填体 的破坏程度进行相应评价。声发射能率是单位时间 内声发射事件的能量计数， 计算公式为 ER 1 R∫0 1U2tdt ，（1） 式中， ER为声发射能率，（103mV ms） ； R为声发射 采集仪的内阻值， Ωm； U （t） 为声发射信号电压， mV。统计后得到的能率随应变的变化特征如图4所 示。 累计能率是充填体峰后压缩破坏过程中声发射 能率的累加值， 计算公式为 AER∑ tti tj ER.（2） 式中， AER为累计能率，（103mV ms）；ti、 tj分别为累 计能率统计的起止时刻。充填体峰后各阶段累计能 率及其与峰后总能率的比值如表2所示。 利用多个声发射传感器确定的声发射事件能够 清晰地反映出充填体的受损区域及受损程度， 为定 量评价充填体的破坏程度奠定了基础 ［15］。试验过程 中利用声发射仪捕捉到的充填体峰后累计各阶段声 发射事件定位点如图6所示。统计得到的峰后各阶 段声发射事件数如表3所示。 根据图4、 图6、 表2及表3分析可知 （1） AB段。应力应变曲线变陡， 斜率逐渐减 小， 整体呈上凸型。图4中能率经过峰值点急剧下降 后快速上升， 由峰值强度时的15 000 mV ms急剧下 降至164 mV ms， 之后快速增大至8 024 mV ms， 累计 能率为20 500 mV ms， 占峰后总能率的19.9。图6 （a） 中声发射定位点局部比较集中， 且与图5 （b） 局部 区域宏观裂纹对应较好， 声发射事件数为151个， 占 峰后声发射事件总数的17.9， 声发射现象逐渐显 著。充填体在峰值点附近发生破坏时， 能量快速释 放， 之后充填体处于卸压状态， 能率出现急剧下降， 应 力应变曲线初期较为平缓。随着荷载增加， 充填体 试件内部能量在不断积聚， 到达临界状态时再次释 放， 能率快速上升， 声发射事件数增多且局部集中。 （2） BC段。应力应变曲线变平缓， 斜率逐渐增 大， 呈上凹型。图4中能率较高且整体逐渐下降， 累 计能率为81 200 mV ms， 占峰后总能率的78.7。图 6 （b） 中声发射事件定位点聚集呈带状， 与图5 （c） 中 2019年第3期刘艳章等 充填体单轴压缩峰后应力应变曲线特征及声发射参数研究 65 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ 充填体的宏观剪切面区域较为吻合， 声发射事件数 为623个， 占峰后声发射事件的74.0， 声发射现象比 较活跃。剪切裂纹逐步扩展、 汇合、 贯通， 克服颗粒 之间的黏结力和内摩擦力做功， 释放了大量的应变 能， 充填体破坏剧烈， 破坏过程比较缓慢。随着剪切 裂纹的扩展， 声发射信号传播路径受阻， 能率较高但 整体逐步下降， 声发射事件定位点聚集区域与宏观 剪切面较为吻合。 （3） C以后段。应力应变曲线斜率基本保持不 变。图4中能率大幅下降， 累计能率为1 500 mV ms， 占峰后总能率的1.4， 与BC段相比下降了93， 出 现了大幅下降。对比图6 （b） 、 图6 （c） 可知， 声发射定 位点比较分散， 声发射事件数为68个， 占峰后声发射 事件总数的8.1， 声发射活动十分微弱。充填体试 件宏观剪切面间距增大， 出现滑移， 充填体体积显著 膨胀， 部分破碎边角出现脱落， 此过程中释放的应变 能很少， 声发射现象很微弱， 残余的充填体骨架对外 荷载仍有一定的支撑作用。 上述分析进一步表明 声发射能率和声发射事 件数与充填体试件的应力应变曲线特征、 破坏过 程基本一致， 声发射定位点聚集区域与破坏过程中 裂纹的扩展演化吻合较好， 声发射参数能较好地体 现充填体峰后应力应变曲线特征及破坏过程。 3结 语 以程潮铁矿灰砂比为1 ∶ 6的全尾砂胶结充填体 为研究对象， 进行了单轴压缩及声发射监测试验， 得 到了充填体的应力应变曲线及声发射参数， 基于 声发射参数对充填体峰后应力应变曲线特征及破 坏过程进行了分析， 根据充填体峰后应力应变曲 线斜率的变化特征可将峰后应力应变曲线划分为 AB段、 BC段及C以后段。AB段应力应变曲线斜率 逐渐减小， 呈上凸型， 充填体部分裂纹闭合， 同时大 量新生裂纹扩展， 表面宏观裂纹增多， 强度劣化逐渐 加快， 能率由急剧下降向快速上升过渡， 累计能率占 峰后总能率的19.9， 声发射事件定位点出现局部集 中， 声发射事件占峰后声发射事件总数的17.9， 声 发射现象逐渐明显。BC段应力应变曲线斜率逐渐 增大， 呈上凹型， 充填体剪切裂纹扩展、 汇合形成宏 观剪切面， 强度进一步劣化， 破坏过程变慢， 能率较 高且整体逐渐减小， 累计能率占峰后总能率的 78.7， 声发射事件占峰后声发射事件总数的74.0， 声发射事件定位点聚集呈带状， 且与剪切面区域吻 合， 声发射比较活跃。C以后段应力应变曲线斜率 基本不变， 剪切面产生错动， 充填体残余结构支撑外 荷载， 累计能率占峰后总能率的1.4， 声发射事件数 占峰后声发射事件总数的8.1， 能率和声发射事件 大幅减少， 声发射活动十分微弱。综合研究认为 充 填体峰后声发射参数可较好地表征其应力应变曲 线特征及破坏过程。 参 考 文 献 于世波， 杨小聪， 董凯程， 等.空场嗣后充填法充填体对围岩移动 控制作用时空规律研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2014， 31 （3） 430-434. 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