考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6 N o ．2 F e b ．2 0 2 l 考虑应力水平和损伤的胶结充填体 蠕变特性及本构模型 程爱平1 ’2 ’3 ，戴顺意1 ⋯，舒鹏飞1 ”，付子祥1 ⋯，黄诗冰1 ’2 ，叶祖洋1 2 1 ．武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北武汉4 3 0 0 8 1 ；2 ．武汉科技大学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 4 3 0 0 8 l ；3 ．北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 摘要充填采矿法中胶结充填体处于长期荷载环境，其蠕变特性会对矿山安全开采产生重要影 响。基于此，制作胶结充填体的标准圆柱体试样，采用w D w 一1 0 0k N 型微机控制电子万能试验机 加载系统和D s 2 系列全信息声发射监测系统，进行了单轴压缩、分级蠕变和声发射监测试验，获取 了胶结充填体蠕变变形及振铃计数、能量和振幅等声发射特征参数。根据试验结果，探讨了不同应 力水平下胶结充填体蠕变变形特征和声发射特征；对比单轴压缩试验，从宏细观角度揭示了胶结充 填体蠕变破坏特征；考虑应力水平和损伤的影响，引入损伤变量、新的二次黏性元件和开关元件，构 建了能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律的改进B u r g e r s 模型，并通过试验结果进行验 证。研究结果表明①不同应力水平下，胶结充填体的蠕变3 阶段变形特征差异显著，据此将荷载 应力大小分为减速、等速和加速3 类应力水平；②不同应力水平下，胶结充填体声发射特征与各阶 段蠕变变形特征变化规律较一致减速蠕变阶段内，声发射事件较活跃；稳定蠕变阶段内，声发射活 动较少；加速蠕变阶段内，声发射事件最活跃；③对比单轴压缩破坏，胶结充填体蠕变破坏程度较 为平缓，主裂纹沿扩展方向发生明显偏转，完整性较好，以结构性失稳破坏为主；④构建的改进 B u r g e r s 蠕变模型能与各应力水平试验数据均有较高吻合度，较好的表征了不同应力水平下的胶结 充填体蠕变变形规律。 关键词胶结充填体；蠕变；声发射；损伤；改进B u r g e r s 模型 中图分类号T D 3 2 6文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 一0 4 3 9 1 1 C r e e pc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n s t i t u t i V em o d e lo fc e m e n t e db a c k f i U c o n s i d e r i n gs t r e s sa n dd a m a g e C H E N GA i p i n 9 1 2 ⋯，D A IS h u n y i l ”，S H UP e n 出i 1 一，F UZ i x i a n 9 1 ”，H U A N GS h i b i n 9 1 一，Y EZ u y a n 9 1 ’2 I ．5 矾。州可月邸o “r 钾n n dE n Ⅳ￡r o n m e n ￡酬邑，培m 舶n n g ，彤“ n nu n i 钾邢￡咿∥5 c i e n 删n n d7 叠c 肋z o g y ，彤u 口n 4 3 u 0 8l ，c ￡n n ；2 ．爿“抛￡J I 吖k 6 0 r d 幻，y ／o r 彰。 肛如眦矾；z 泌如n 口以A g g f o 脚m 如n 旷胁删“r g 如鼢o Ⅱr c 部，耽 n 凡№钾珊盼o ，＆i e 眦e 。n d ‰矗加妞y ，耽 o n4 3 0 0 8 l ，劬i n 口；3 研如6 0 m ￡D ，y ∥肘船 如吖驴尉M ∞￡i o 凡可吼i 凡n 扣rE ∥i c i e n ￡M 溉昭口凡ds 咖￡y 矿胁￡。fM i n 部，‰妇e 瑙i ￡y 旷 i e 儿c e 口n d 死如舢z p ∥ 讲凡g ，曰e 彬增l 0 0 0 8 3 ，醌n Ⅱ A b s t r a c t I nt h ef i l l i n gm i n i n gm e t h o d ，t h ec e m e n t e db a c k f i l lw i l lh a v ea ni m p o n a n ti m p a c to nt h es a f em i n i n go ft h e m i n ei nal o n g t e 瑚l o a d i n ge n V i r o n m e n t ．B a s e do nt h i s ，s t a n d a r dc y l i n d e rs a m p l e sw e r ep I | e p a r e df b ru n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t ，g r a d e dc r e e pt e s ta n dA E a c o u s t i ce m i s s i o n m o n i t o r i n gt e s t sb yt h es y s t e m so fW D w 1 0 0k Nm i c r o c o m - 收稿日期2 叭9 1 2 2 4修回日期2 0 2 0 0 3 2 7责任编辑钱小静D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j tc nk i j c c s ．2 0 1 9 ．1 7 8 6 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 6 0 4 1 9 5 ；湖北省自然科学基金资助项目 2 0 1 8 C F c 8 1 8 ；金属矿山高效开 采与安全教育部重点实验室开放基金资助项目 u s t b m s l a b 2 0 1 7 0 4 作者简介程爱平 1 9 8 6 一 ，男，湖北仙桃人，副教授，博士。E m a i l c h e “g a i p i n g w u s t ．e d u ．c n 引用格式程爱平，戴顺意，舒鹏飞，等．考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ， 4 6 2 4 3 9 4 4 9 ． C H E N GA i p i n g ，D A IS h u n y i ，S H uP e n d l e i ，e Ia 1 ．C r e e pc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n s t i t u t i v em o d e lo fc e m e n t e db a c k n l l c o n s i d e r i n gs t r e s sa n dd a m a g e [ J ] ．J o u ⅡI a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 2 l ，4 6 2 4 3 9 4 4 9 ． 移动阅读 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 p u t e 卜c o n t r o l l e de l e c t r o n i cu n i V e r s a lt e s t i n gm a c h i n ea n dD S 2s e r i e sa c o u s t i ce m i s s i o nm o n i t o r i n gm a c h i n e ，a n dc r e e p d e f o 珊a t i o na n dA Ep a r a m e t e r s ，s u c ha sr i n gc o u n t ，e n e r g ya n da m p l i t u d e ，w e r eo b t a i n e d ．B a s e do nt h er e s u l t s ，t h e c r e e pd e f o 彻a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dA Ec h a m c t e r i s t i c so fc e m e n t e db a c k f i l lu n d e rd i f k r e n ts t r e s sl e v e l sw e r ed i s c u s s e d ．C o m p a r e dw i t hu n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t s ，t h ec r e e pf a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fc e m e n t e db a c k “l lw e r er e v e a l e d f 而mam a c ma n dm e s op e r s p e c t i v e ．C o n s i d e r i n gt h ee f k c t so fs t r e s sl e v e l sa n dd a m a g e ，d a m a g eV a r i a b l e ，an e ws e c o n d a r yV i s c o u sb o d ya n ds w i t c h i n gc o m p o n e n tw e r ei m p o n e dt o c o n s t r u c ta ni m p r o V e dB u 唱e r sm o d e l ，w h i c hc o u l d c h a r a c t e r i z et h ec r e e pr u l eo fc e m e n t e db a c k f i Uu n d e rd i f b r e n ts t r e s s1 e v e l sa n dw a sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t a ld a t a ．T h e r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tQ U n d e rd i f k r e n ts t l ‘e s sl e v e l s ，t h et h r e e p h a s ec r e e pd e f b n n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc e m e n t e db a c k 6 Ua r es i g n i 6 c a n t l yd i f 佟r e n t ．B a s e do nt h i s ，t h el o a ds t r e s si sd i v i d e di n t ot h r e et y p e s d e c e l e r a t i o n ，c o n s t a n t v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o n ； ④U n d e rd i f k r e n ts t r e s sl e v e l s ，t h eA Ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec e m e n t e db a c k f i l la r ec o n s i s t e n t w i t ht h ec h a n g e si nt h ec r e e pd e f b 瑚a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa te a c hs t a g e d u r i n gt h ed e c e l e r a t i o nc r e e pp h a s e ，t h eA E e v e n t sa r em o r ea c t i v e ；d u r i n gt h es t e a d yc r e e pp h a s e ，t h e r ea r ef e w e rA Ea c t i v i t i e s ；d u r i n ga c c e l e m t e dc r e e pp h a s e ， A Ee v e n t sa r em o s ta c t i v e ；③C o m p a r e dw i t ht h ef a i l u r eo fs a m p l e su n d e rt h eu n i a x i a lc o m p r e s s i o n ，t h ec r e e pd a m a g e o fc e m e n t e db a c k f i l li sr e l a t i V e l yg e n t l e ．‘r h em a i nc r a c ki sd e n e e t e do b V i o u s l ya l o n gt h ep r o p a g a t i o nd i r e c t i o n ．S a m p l e p r e s e n t ss t l l l c t u r a li n s t a b i l i t yf a i l u r ew i t hi n t e g r i t yf a i l u r e ； 97 r h ei m p r 0 V e dB u r g e r sm o d e lc o n s t m c t e dc a nb ei n9 0 0 d a g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fv a r i o u ss t r e s s1 e v e l s ，a n di tc a nb e t t e rc h a r a c t e r i z et h ec r e e pd e f b r m a t i o n1 1 l l e o fc e m e n t e db a c k f i l lu n d e rd i f ．f e r e n ts t r e s sl e v e l s ． K e yw o r d s c e m e n t e db a c k f i U ；c r e e p ；a c o u s t i ce m i s s i o n ；d a m a g e ；i m p r o V e dB u r g e r sm o d e l 充填采矿法由于资源采出率高，能有效防止围岩 崩落和地表塌陷，符合绿色矿山建设要求，应用愈来 愈广泛。胶结充填体作为两步骤回采中的人工矿柱， 其稳定性对矿山正常生产起到至关重要的作用。作 为人工矿柱的胶结充填体的破坏并不是一开始就产 生，而是在回采过程中，由于应力重分布或工程地质 条件恶化而使充填体变形随时间推移逐步发展，最终 导致充填体由局部损伤发展至整体失稳。大量的工 程实践表明，充填体的破坏与失稳过程具有明显的时 间效应，其蠕变特性是导致这些工程充填体出现“时 滞性”破坏现象的一个主要原因。因此，开展胶结充 填体的蠕变特性研究具有重要的工程意义。 针对胶结充填体蠕变特性，孙春东等⋯采 用15 0 0m m 6 0 0m m 9 0 0m m 的大尺寸高水材料充 填体进行蠕变试验，认为充填体荷载不超过其强度的 7 0 ％～8 0 ％，充填体则能够保持在稳定蠕变阶段；林 卫星等旧1 对灰砂比为1 6 的充填体进行单轴压缩蠕 变试验，表明了充填体具有较好的蠕变特性；赵树果、 邹威等∞。o 通过对多种不同浓度和灰砂比的胶结充 填体进行单轴蠕变试验，表明充填体具有瞬时变形、 蠕变衰减阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段等行 为。上述研究验证了充填体通常具有减速、稳定和加 速蠕变等3 个阶段，且蠕变破坏仅发生于加速蠕变阶 段，然而其对胶结充填体的加速蠕变宏观细观破坏机 理揭示不清。 对于岩石及充填体材料，通常采用构建宏观蠕变 模型的方法来揭示其蠕变破坏机理。邓荣贵、曹树刚 等‘5 叫川在B u r g e r s 体、西原体、村山体和B i n g h a m 体等 模型的基础上进行改进，构建了适用于各类岩石材料 蠕变特性的本构模型；王军保等引考虑了不同应力 水平下，胶结充填体蠕变的非线性程度，并基于非线 性程度理论提出可描述盐岩非线性蠕变特性的 M B u 唱e r s 模型；范庆忠等卜1 6o 从损伤的角度出发，考 虑了岩石初始及蠕变过程等状态下的损伤，进而构建 蠕变全过程本构模型；周茜等Ⅲ。1 副将损伤变量引入 到B u r g e r s 模型来反映充填材料蠕变变形规律，主要 表征了减速蠕变阶段和稳定蠕变阶段，但无法表征加 速蠕变阶段，并且没有同时考虑应力水平和损伤的影 响，因此本文考虑从应力水平及损伤的角度构建能表 征胶结充填体加速蠕变阶段的本构模型。 声发射事件能较好反映材料内部的破裂情况，进 而从细观上揭示其破裂机理，因此声发射技术在岩石 和充填体等材料的力学试验研究中应用越来越广泛。 张国凯、高祥等弘驯对压缩试验下的花岗岩进行声发 射监测，研究了裂纹扩展不同阶段的声发射参数变化 规律，发现了应变率对岩石变形过程的声发射特征的 影响机制；L IH u i g u i 等嵋采用声发射系统研究了多种 试验状态下砂岩顶板，发现其声发射累计计数均可分 为缓慢增长一快速增长一喷发等3 个阶段，声发射信 号强度可作为破坏预警信号；Y u A NR u i f u 等旧2 1 采用 声发射技术监测拉伸试验下的2 种大理岩试件，发现 了声发射事件数量和能量与拉伸切线模量呈正关系； 万方数据 第2 期程爱、} ，- 等考虑应力水、F 和损伤的胶结允J ；； I } 体蠕变特一盹及木构模，艇 程爱平等。引。1 3 采用声发射监测技术，探究了胶结充填 体的裂纹演化规律，研究了应变率勺声发射特征响应 规律，并对胶结充填体的破裂进行预测。由此叮知，将 声发射技术应用于胶结充填体的蠕变试验中，能从细 观角度较好的反映胶结充填体蠕变过程中的破坏特 征，更好的揭示其加速蠕变破坏的细观机理 基于此，笔者拟开展胶结充填体单轴压缩、分级 蠕变和声发射监测试验，通过胶结允填体蠕变变形、 破坏等基本参数及振铃计数、能姑和振幅等声发射特 征参数，从宏细观角度开展了小同应力水平卜．蠕变变 形和破坏特征研究；着重考虑』、征力水平和损伤的影 响，引入损伤变f l { 、新的二次黏性y 已件和开关冗件，构 建能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律 的改进B Ⅲ’g s 模型，推导胶结允填体蠕变本构模型， 采用最小二乘法确定模型参数。 1 试验系统及方案 1 ．1 试样制作 本试验胶结允填体试样采川的骨料为程潮铁矿 尾砂、胶结剂为3 2 ．5 号复合硅酸盐水泥。为J ，提高 胶结充填体试样强度，将尾砂利用干筛法进行筛分 后，按设定的粒径分布 图1 进行配备。按l 4 的 灰砂比，7 2 ％的质} l } 分数制成混合料浆，采用标准圆 柱体模具进行浇筑，静置2 41 1 脱模后置于Y H 一4 0 B ，诅标准养护箱r { ，，湿度保持在9 6 ％以上，温度控制 在 2 0 0 ．5 ℃，养护2 8d 。 1 0l O Ol0 0 0 粒径／u m 4 0 3 0 芝 2 0 盎 上_ l O O 图l粒径分自j g ．11 ㈨’i l J L l f i o f l f - I K l 叽‘I Ps i z e 1 ．2 试验方案 主要选用6 个标准圆柱体试样进行试验和分析， 根据试验类型将试样命名为u l ，U 2 ，u A ，c l ， 2 和 c A 。其中，u 为该试样仅进行簟轴压缩试验 U 1 1 i a x i a l 州肌p r e s s i t mm s I ，u A 为该试样同时进行单轴压缩 试验和声发射试验 A ．0 u s t i m 赫i nt e ∽；c 为该试 样仪进行蠕变试验 c r e e pl e s l ， A 为该试样⋯付进 行分级蠕变试验和声发射试验。、 试验系统包括w D W 一1 0 0k N ，叫微机控制电子万 能试验机试验加载系统、D s 2 系列个信息声发射信号 分析仪卢发射监测系统 图2 。电子万能试验机最 大负荷为1 0 0k N ，精度为0 ．0 0 1k N ，位移测量精度为 0 ．0 0 l 一Ⅲ；通过该设备的程控模式能实现胶结充填 体的蠕变试验，试验的时间、荷载和位移等信息均叮 由配套的软件程序控制和采集。声发射监测系统具 有l o ～1 0 4k H z 的采样速率，声发射门槛值设为 4 3t 1 I j 。为了消除试验过程中试样‘jJ J | I 绒平台之问护 生的端部效应，在其接触位置涂抹儿I 林；为保证加 载‘j 声发射监测同步进行，要确保胁系统采集时间的 同步陀。 蚓2 试验系统 F 皤21 h g r a l l l0 ft e “1 1 9s y s ⋯1 l 为』，研究不同』、征力水平下胶结允填体蠕变特性， 蠕变试验采用分级加载方式，即存吲一个试样上，逐 级施加荷载在第一个应力水平下，Ⅵ1 试样的变形趋 于稳定后再施加荷载至下一级应力水、F ，重复上述步 骤A 至试样最终发q j 破坏。由于胶结充填体性能较 岩行类材料更弱，在较短的时问内即t 叮表现出蠕变性 能，故分级蠕变试验最终设定如下加载阶段速率为 0 ．0 5k N ／s ；恒定荷载阶段，各应力水平持续时问为 8l ，；、1 { 试样承载力f } J 现明显时，f i | J 表明试样已破坏， 试验停止。 分级蠕变试验的』、证变数据采』1 j 陈氏加载法进行 处理。陈氏法考虑到r 流变介质刈‘加载历史具有 定历史效应。该方法通过作图，将／f j 旧J 越力水平下得 到的蠕变曲线转换为真实变形过程的叠加关系。具 体处理方式如图3 所示。 2 试验结果 2 ．1 单轴压缩试验结果 胶结充填体t - 轴膻缩试验结果见表1 。F f l 农l 可知，n 试样的制作、养护等冈素影响下，胶结充填体 试样抗压强度存在一定的离敞。陀，主要分布在 一 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 O 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 O，】，f b 陈氏』、t 变处理 图3 陈氏法示意 F 喀3I j a g r a n l n l “ ‘s k P 川1 J fC 1 1 e 1 1 ’s 1 1 1 P m J I 8 ．8 5 ～1 0 ．0 4M P a 内，均值为9 ．4 3M P a 。 表1 单轴压缩试验信息 T a b l elI n f o r m a t i o no fu n i a x i a lc O m p r e s s i o nt e s t 2 ．2 分级蠕变试验结果 选取试样C l 和C A 的蠕变试验结果进行分析， 绘制其不同应力水平下蠕变曲线图 图4 。由图4 呵知由丁试样的制作及养护等因素，胶结充填体试 样本身存在一定的离散性，强度存在一定差异，导致 试样C 1 共经历4 个应力水平后发生破坏，试样c A 则经历了5 个应力水平／j ‘发生破坏；试样c A 在 8 ．9 lM P a 的应力水平下虽米发生破坏，似此时的蠕 变变形值已处于一个较高水半，故转至下一』、证力水平 后，试样经历r 约1 ．7h 后便完全破坏，该水平下最 终完全破坏时间约为试样C l 在最高廊力水平下完 全破坏的时间的一半 约3 ．7I ， 。 由图4 町以看出，试样的蠕变状态与应力水平有 关应力水平较高时，胶结充填体主要表现l 叶J 明显的 加速蠕变阶段；应力水平较低时，胶结充填体由减速 蠕变阶段转变为稳定蠕变阶段。而应力水平的不同， 导致稳定蠕变阶段也表现⋯2 种状态应力水平较低 2 o 『 一5 0 9 M P a №}．．，。／ 一翳麓； 2 1 - 2b 一”。．．．．一．．- 一- 莺。．s{i．．．．． 0 4 f 2 O 16 苫1 ．2 ≤ 髫o s O 4 0 一7 ．6 4 M P a v 89 1M P 8 r 一5 0 9 M P a6 ．3 7 M P a r 一- ．- - - ．_ ．■■- ■■- ●■●■- _ ■- ■ 2468 时间／h b 1 试样C A 图4 典喱4 试佯不l i ] 应／J J 水半F 螭变曲线 g ．4c l ’叫1 ‘⋯w ㈨f 帅幽1s d l n 吣、Hu 1 1 1 e l 1 i 雎l ’削m P s 时，试样蠕变曲线最终趋于水平直线；而应力水平相 对偏高时，试样蠕变曲线最终趋于倾斜直线。 3 胶结充填体蠕变特性 胶结充填体的蠕变特性主要包括蠕变变形特征 和蠕变破坏特征2 个方面。根据试样C A 的蠕变试 验结果，以蠕变速率为依据，确定不同应力水平下的 小同蠕变阶段，分析不同应力水平F 应变特征；结合 声发射特征参数，分析各蠕变阶段的内部裂纹演化规 律，阐明不同应力水平下蠕变声发射特征； 、J ’比分析 进行单轴压缩试验的试样u A 和进行分级蠕变试验 的试样c A 与 l 的表壁破坏形式和声发射峪测结 果，从宏细观角度探究胶结充填体的蠕变破坏特征。 3 ．1 蠕变变形特征 3 ．1 ．1 不同应／J 水平下应变特征 以试样C A 的蠕变试验结果为例进行分析。根 据c A 在不I 司腑力水平下的应变变化情况，绘制小同 』、证力水平下蠕变速率曲线 图5 。由图5 可以看出， 蠕变速率曲线特征明显前4 个应力水平下，蠕变速 率变化趋势几乎一致 图5 巾虚线框放大Ⅸ域 ，均 村陕速下降转为趋于稳定；而1 0 ．1 9M P a 应力水平下 的蠕变速率曲线则先略微下降，然后在一定范围保持 稳定，最后快速增长。由此可知，试样C A 存不同应 力水平下，存在明显的减速蠕变、稳定蠕变和加速蠕 变3 个阶段。、文中以蠕变速率的变化趋势来探讨各 蠕变阶段的应变特征。 万方数据 第2 期烈爱、I ‘等学虑应／J 水、} ，J 和损伤的胶结允且‘} 体蠕变特性及小构模J 魍 图5 小㈦心力水平p 试佯 。＼蠕变速率曲线 I 沁．5c I 。叩川P ‘L ⋯P s fs 川山【j AL I I e r d ㈨”1 1 Im ㈣ 由于前4 个J 、证力水平下胶结充填体蠕变变化规 律较为一致，文中以5 ．0 9M P a 应力水平为例进行分 析该应力水平F ，初始蠕变速率为0 ．1 8 0 ％／I ，1h 末蠕变速率降为0 ．0 1 5 ％／l ，，约下降至初始速率的 8 ．3 3 ％，0 ～lh 内试样蠕变速率下降明显，表现出明 显的减速蠕变特征；lh 之后，蠕变速率儿乎均处于 0 ．0 1 0 ％／h 以F ，8h 末最终蠕变速率约 为o ．0 0 26 ％／1 1 ，1 ～8h 内，蠕变速率虽仍有下降，但 整体下降幅度小人，曲线较为平稳，表现出明渺的稳 定蠕变特征。1 0 ．1 9M P a 应力水平下，0 ～0 ．2h 内， 蠕变速率虽然从o ．0 2 l ％／1 1 卜．降争0 ．0 1 9 ％／1 1 ．仇下 降幅度小且持续时问短，减速蠕变阶段不明娃；0 ．2 ～ 1 ．5h 内，试样的蠕变速率在0 ． 1 9 ％／h ～0 ．0 2 l ％／h 内波动，较为稳定，表现出明娃的稳定蠕变特征； 1 ．5 } 1 之后，蠕变速率近似旱“线I 升，最终约达到 2 ．7 l ％／1 1 ，表现J 【f ；f J 硅的加速蠕变特征 不同应力水平刈‘各阶段的蠕变速率也存红一定 影响。①随着心／J 水平的提f ‰蠕变速率I _ I _ | I 线下降 趋势趋于平缓，丽3 个应力水平05 ．0 9M P a 心力水 平相似，减速蠕变阶段和稳定蠕变阶段的转折点均为 ll 、未，但8 ．9 lM 1 a 应力水平下，减速蠕变阶段和稳 定蠕变阶段的转折点约为2h 末，减速蠕变阶段略微 增加。②8h 未，前4 个应力水、r 卜．的胶结充填体蠕 变速率分别为0 ．0 0 26 0 ％／1 1 ， ．0 0 6 4 0 ％／1 1 ， ．0 0 9 3 9 ％／h 和0 ．0 1 27 9 ％／1 1 。由隆l4 h 可知，5 ．0 9M l ’a 和6 ．3 7M P a 下的胶结充填体试样蠕变曲线趋j 水平 商线，稳定阶段蠕变速率最终趋近于0 ；7 ．6 4M l ’a 和 8 ．9 lM P a 下的胶结充填体试样蠕变曲线趋于倾斜商 线，蠕变速率最终趋近于非0 常数。 据上述分析和试验结果，得到试样c A 小川臆力 水平下各蠕变阶段蠕变增量分析表 表2 。，⋯表2 1 1 J ．知，随着应力水平的提高，总蠕变鲢和各蠕变阶段 蠕变增量均对应有I J _ j 显增加，减速蠕变阶段内的蠕变 增} 『’i 该应力水平卜总蠕变增量的比重逐渐增加。 这是| l j 于随着应力水平的提升，蠕变速率下降趋势趋 于、卜缓，导致减速蠕变阶段内蠕变} 建的积累相对史 大，从昕导致减速蠕变阶段蠕变增{ l { 比秉增加。 表2 不同应力水平下各蠕变阶段的蠕变增量 T a b I e2C r e e pi n c r e m e n to fd i f f e r e n tc r e e ps t a g eu n d e r d i f f e r e n ts t l ’e s s 3 ．1 ．2 不同应力水平下蠕变声发射特征 振铃计数、能摄和振幅是声发射特征参数中常用 的3 种，其变化特征能反映胶结充填体内部裂纹演化 规律 因此本文主要借助这3 个参数分析胶结充填 体小删J 藏力水平下各蠕变阶段的声发射特征。 根据试样c A 的试验结果，绘制其不同应力水平 下应变和声发射特征参数随时问变化曲线 图6 。 由罔6 玎知，不同应力水平下的声发射特征曲线均与 蠕变3 阶段变化规律相吻合①减速蠕变阶段刈‘于 前几个应力水平，一i 发射振铃累计计数和累积能越f 1 线的快速增长就发，} j 在该阶段，能率也主要集中在该 阶段，声发射事件较活跃；②稳定蠕变阶段声发射 振铃累计计数和累干j { 能量曲线均、r 稳【． 升，偶尔存在 “阶梯状”上升，整体，{ i 发射事件活跃度不高；③加速 蠕变阶段声发射振铃累计计数和累积能量曲线‘最指 数形式l 升，高能牢也主要集中在该阶段，声发射事 件棚j 活跃。 I ”于二前4 个应／『J 水平下胶结允填体蠕变变化规 律较为一致，冈此以5 ．0 9M P a 』、驴力水平 图6 a 代表f j l 『4 个应力水平，分别以5 ．0 9M P d 应力水平和 l o ．1 9M P a 应力水平 图6 e 为例进行具体分析 1 5 ．0 9M P a 成力水平下，0 ～1h 末为减速蠕 变阶段，l ～8h 末为稳定蠕变阶段。减速蠕变阶段 1 人J ，声发射振铃累计汁数达1 3 6 “‘汁匕约为4 8 ．4 ％，近 一半；累积能量约为2 2 2m V ．1 1 1 s ，r 1 汁匕约为5 9 ．4 ％， 超过一半；能率值最高的几处也均在减速蠕变阶段。 结果表明减速蠕变阶段内，试样内邴原有的微小裂隙 被压密并伴随大挝的摩擦信号产生，声发射事件较活 跃。j 稳定蠕变阶段内，后7h 内声发射振铃累计计数 为1 4 5 ，累积能量为1 5 3m V ．n ，s ，能率A 方图分布较 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 1 ．6 14 1 ．2 减速蠕变阶段稳定蠕变阶段 | 1 【| J ／h fa 15 ． 9 M P a 雏二 c 17 ．6 4 M P a 能率／ √一 ／ 捌 时间／h fe1l O1 9M P a 图6 小川心／J 水平Fi J i 样 A 声发射特a ⅢI 线 F j g ．6 l J l 、P sf fA E ‘h 矗| Ⅵ ’l f 、“s f 沁so fs a n l f J P A 零落。结果表明稳定蠕变阶段内，随着原有微小裂纹变阶段内，内部裂纹大量i l 集贯通，内部聚集的能量 被压密，有新裂纹产生并口．裂纹演化进展缓慢，声发急剧释放，造成试样承载力下降，发生破坏。 射事件不够活跃。由胶结充填体不同应力水i r 的蠕变状态卜应变 2 I o ．J 9M P a 应力水平，o ～1 ．5h 术为稳定蠕和声发射特征研究结果可知，试样c A 声发射特征参 变阶段，1 ．5 ～1 ．7h 为加速蠕变阶段。稳定蠕变阶段数变化规律与不同应力水平卜各蠕变阶段J 、征变规律 内，声发射振铃累计计数为2 5 7 ，占比约为2 4 ．8 ％；累棚吻合，较好的反映r 胶结充填体蠕变“3 阶段”变形 积能量约为3 5 8m V r n s ，f 1 汕匕约为3 3 ．5 ％；能率直特征。 方图分布较零落。结果表叨1 0 ．1 9M P a 应力水平下，3 ．2 蠕变破坏特征 虽然声发射事件仍然不活跃，但由于应力水平的提 3 ．2 ．1 宏观表蹙破坏特征 高，较低应力水平显得更活跃，该应力水平下的试样为了研究胶结充填体蠕变破坏特征，从单轴压缩 内部裂纹演化较前几个应力水平有了进一步发展。试验和蠕变试验中选取部分试样U A ，C A 和C l 的典 加速蠕变阶段内，蠕变时问仅持续了约1 2m i n ，但声，魁破坏面进行刈‘比分析，重新绘制其破坏形式图 图 发射振铃累计计数和累积能哇几乎均超过6 6 ％，能7 。 率直方图相当集中，目．数值均较高。结果表明加速蠕由图7 可知①单轴压缩试验下的胶结充填体 o【／彰i11}篱承骧 4 3 2 O o I ／制遐 ．斗 ，j 1 L 【II．王．三．01 万方数据 第2 期程爱平等考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型 主裂纹_ 次生裂纹 b 典型试样c A 表面破坏形式 _ 主裂纹_ 次牛裂纹 c 典型试样c 1 表面破坏形式 图72 种试验下典型试样灰斯破坏形式对比 F i g ．7C o l l l p a “s t 1 ’fs a n l p l e s ’ n I i h l l l en 1 l 1 su n t l e I ’ I i f l 0 I ’P 1 1 l 试样呈现出明显的剪切破坏特征，表壁破坏程度较为 剧烈。试样表面出现贯穿主裂纹，主裂纹上不同位置 延伸出多条次生裂纹。主裂纹与次生裂纹分叉和汇 集处伴随着多处局部剥落区，沿着主裂纹扩展方向出 现几处塌落区，试样部分以碎块形式掉落。总体而言 试样破坏程度较为剧烈。②分级蠕变试验下的胶结 充填体试样表面破坏程度则较为平缓。试样表面出 现主裂纹，主裂纹沿扩展方向发生明显偏转；沿着主 裂纹延伸方向和表面上零星分布微小次生裂纹，表面 无明显塌落区和剥落区；无论主裂纹还是次生裂纹， 其长度和宽度均远小于单轴压缩试验下的胶结充填 体试样的裂纹。总体而言试样破坏较平缓。 3 ．2 ．2 细观声发射特征 根据