謝勇 ， 何文 ， 劉賢俊 ， 謝濤 ， 黃翔濤

（江西理工大學(xué)，a.建筑與測(cè)繪工程學(xué)院；b.資源與環(huán)境工程學(xué)院；c.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000）

0 引 言

隨著采礦技術(shù)的發(fā)展和礦山地下開(kāi)采深度逐步增加，下向膠結(jié)充填法已成為金屬礦山常用的一種采礦方法，然而其回采工作是在膠結(jié)充填體的人工假頂?shù)谋Ｗo(hù)下進(jìn)行作業(yè)，所以充填頂板的穩(wěn)定性是安全回采的關(guān)鍵所在，研究表明充填頂板的穩(wěn)定性很大程度上是受張拉破壞[1-2].許多學(xué)者對(duì)其頂板的穩(wěn)定性及預(yù)測(cè)做了大量的研究，如文獻(xiàn)[3]闡述了利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，研究了充填體頂板的破壞模式與變形特征.文獻(xiàn)[4]利用“簡(jiǎn)支梁”理論計(jì)算與數(shù)值模擬相結(jié)合，詳細(xì)分析了采場(chǎng)頂板的安全合理跨度，并提出了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段.文獻(xiàn)[5]通過(guò)利用RFPA數(shù)值模擬的方法，研究了工作面切眼頂板的冒頂因素，揭示了其冒頂機(jī)理，并建立了頂板冒頂?shù)陌踩O(jiān)測(cè)體系.鑒于此，本文將通過(guò)巴西劈裂試驗(yàn)并結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)對(duì)膠結(jié)充填體的抗拉破壞試驗(yàn)進(jìn)行探討.同時(shí)采用RFPA2D數(shù)值模擬軟件對(duì)膠結(jié)充填體拉伸破壞試驗(yàn)進(jìn)行模擬，了解其膠結(jié)充填體抗拉破壞時(shí)的損傷演化過(guò)程與聲發(fā)射特性.

1 室內(nèi)試驗(yàn)研究

充填頂板受張拉破壞的現(xiàn)象比較普遍，相關(guān)學(xué)者對(duì)充填體抗拉破壞的力學(xué)特性研究也相對(duì)較多[6-9]，但借用聲發(fā)射平臺(tái)來(lái)研究膠結(jié)充填體張拉破壞的過(guò)程較為鮮見(jiàn).根據(jù)其破壞原理及聲發(fā)射測(cè)試原理[10]，試件破壞時(shí)釋放能量的大小與產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)成比例關(guān)系，試件某部位產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)越多，預(yù)示著該部位損傷程度越大.故可試圖利用聲發(fā)射技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)充填體拉伸破壞，揭示其損傷演化規(guī)律.本次試驗(yàn)選用聲發(fā)射事件數(shù)進(jìn)行研究.

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)選用RMT-150C試驗(yàn)機(jī)，可利用軸向位移與橫向位移控制試樣的破壞過(guò)程，并可動(dòng)態(tài)跟蹤和繪制試驗(yàn)過(guò)程中的試樣的瞬時(shí)應(yīng)力、位移和應(yīng)變曲線等.聲發(fā)射系統(tǒng)采用SAEU2S型發(fā)射檢測(cè)儀，能同時(shí)采集上升時(shí)間、幅度、振鈴計(jì)數(shù)、能量等參數(shù).試驗(yàn)選用120 kHz主頻的探頭，設(shè)置采樣頻率為20～100 kHz，前置放大器增益為40 dB.

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

本次試驗(yàn)選用配合比為1∶4的標(biāo)號(hào)42.5#水泥膠結(jié)分級(jí)尾砂充填體，試件尺寸直徑為50 mm，高度為50 mm，試件的平整度控制在0.02 mm內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28 d，然后進(jìn)行單軸抗拉聲發(fā)射試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程采用位移加載方式，試驗(yàn)選用的加載速率為0.001 mm/s，試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)過(guò)程示意圖Fig.1 Schem atic diagram of test procedure

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由應(yīng)力、聲發(fā)射參數(shù)和時(shí)間關(guān)系曲線圖2～圖4表明，膠結(jié)充填體試件拉伸破壞時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)具有如下特征：①加載初期至應(yīng)力峰值的40%階段，發(fā)射事件數(shù)隨時(shí)間的變化增量極少，由表1統(tǒng)計(jì)表明1#、2#和3#試件在此階段的累計(jì)事件數(shù)分別占峰值點(diǎn)的3.4%、15.7%和1.6%，處于應(yīng)力初始階段，由于充填體內(nèi)部顆粒間存在孔隙，應(yīng)力作用下孔隙被擠壓密實(shí)，而試件內(nèi)部的微破裂極少，所以導(dǎo)致釋放的聲發(fā)射信號(hào)也極少，聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)的變化曲線斜率也幾乎為零，說(shuō)明試件損傷破壞程度很??；②應(yīng)力峰值的40%至應(yīng)力峰值階段，此階段，聲發(fā)射事件數(shù)隨時(shí)間快速增長(zhǎng)，圖2～圖4表明聲發(fā)射事件數(shù)隨時(shí)間的變化曲線存在一個(gè)很明顯的“拐點(diǎn)”，其斜率變化角度在60°～80°之間，隨后進(jìn)入一段較為平緩的“波動(dòng)變化期”，此時(shí)預(yù)示充填體即將破壞.臨近應(yīng)力峰值點(diǎn)時(shí)，事件數(shù)也達(dá)到最大值，而這階段的聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)隨時(shí)間的變化曲線斜率也達(dá)到最大值，表明充填體出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷破壞，而室內(nèi)試驗(yàn)也觀察到該階段充填體試件裂紋的擴(kuò)張，最后匯聚成宏觀的破裂帶貫穿整個(gè)試件而導(dǎo)致破壞；③應(yīng)力峰值后，充填體聲發(fā)射事件數(shù)快速降為零.觀察到試件是從沿著加載軸線方向由中間劈裂導(dǎo)致試件受拉破壞.

表1 充填體聲發(fā)射參數(shù)統(tǒng)計(jì)T able 1 Parameters of acoustic em ission statistics for back fill

圖2 充填體1#試件試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test resu lts of 1#back fill specim en

圖3 充填體2#試件試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results of 2#back fill specimen

圖4 充填體3#試件試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test resu lts of 3#back fill specim en

2 數(shù)值模擬試驗(yàn)

室內(nèi)拉伸試驗(yàn)揭示了試件宏觀的破壞，而為了進(jìn)一步探索試件的微觀損傷情況，再現(xiàn)其破壞過(guò)程，通過(guò)數(shù)值模擬軟件RFPA （Realistic Failure Process Analysis）有助于了解其內(nèi)部裂紋的孕育、擴(kuò)展直至破壞過(guò)程.RFPA是一個(gè)能夠模擬非均質(zhì)性材料漸進(jìn)破壞過(guò)程的數(shù)值模擬軟件.它包括應(yīng)力分析和破壞分析2方面的功能.應(yīng)力分析采用有限元法，而破壞分析則采用破壞準(zhǔn)則來(lái)判斷材料單元的破壞.利用剛度性退化和剛度重建的方法來(lái)處理單元的破壞.在數(shù)值模擬計(jì)算中，假定單元破壞損傷量與材料的聲發(fā)射之間、聲發(fā)射能量釋放率與損傷單元彈性應(yīng)變能的釋放存在正比關(guān)系，然后通過(guò)單元損傷量來(lái)研究分析材料的聲發(fā)射規(guī)律，并且可以根據(jù)材料破壞時(shí)的聲發(fā)射特性來(lái)模擬研究材料損傷演化過(guò)程[11-12].

2.1 模型建立

本次模擬利用RFPA2D軟件，模擬膠結(jié)充填體試樣尺寸直徑為50 mm.劃分單元格數(shù)為150×150，采用平面應(yīng)變及位移加載方式來(lái)模擬試件在巴西劈裂試驗(yàn)中的破壞過(guò)程及聲發(fā)射特征.每步加載量設(shè)置為0.000 25 mm，直到試件完全破壞為止.模擬中假定材料細(xì)觀單元的力學(xué)性質(zhì)滿足Weibull分布[13]，破壞準(zhǔn)則采用摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則[14].模擬試驗(yàn)中充填體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，其破壞準(zhǔn)則控制參數(shù)表3.

表2 充填體的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical param eters for back fill

表3 破壞準(zhǔn)則控制參數(shù)T able 3 Failure criterion control param eter

2.2 模擬結(jié)果及分析

2.2.1 模型破壞分析

圖5數(shù)值模擬結(jié)果表明：從加載初期至第25步，試件并未表現(xiàn)任何的宏觀損傷破壞，隨著荷載的增加，當(dāng)加載至第45步時(shí)，沿著加載方向的試件圓盤中心附近首先出現(xiàn)了微單元的破壞，荷載進(jìn)一步增加，微單元的破壞也逐漸增多，且隨機(jī)分布在加載軸附近，如圖5（c）所示.當(dāng)加載到第85步時(shí)，微單元的破壞開(kāi)始逐漸加快，且隨機(jī)、無(wú)序的分布在沿著加載部位的上下兩端不斷萌生和擴(kuò)展，隨后所有微單元的破壞進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為有序的匯聚與延伸.此時(shí)，試件圓盤上出現(xiàn)了宏觀的裂隙，直到加載至第105步時(shí)，試件圓盤上出現(xiàn)了一條沿著加載方向完整的裂隙帶，此時(shí)預(yù)示著充填體已經(jīng)失穩(wěn)破壞.對(duì)比圖6室內(nèi)充填體試件的抗拉破壞，兩者的破壞模式具有很好的一致性，表明數(shù)值模擬的結(jié)果能與室內(nèi)結(jié)果很好的吻合.通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)，揭露了充填體更為深層次的內(nèi)部損傷特征及拉伸破裂的基本規(guī)律裂.

圖5 拉伸破壞的數(shù)值模擬Fig.5 Num erical sim ulation of tensile failure

2.2.2 聲發(fā)射分布特征分析

圖6 拉伸破壞室內(nèi)試驗(yàn)示意圖Fig.6 Schem atic diagram of tensile laboratory test failure

1）試件拉伸破壞時(shí)不同加載步的數(shù)值模擬聲發(fā)射分布結(jié)果見(jiàn)圖7.每個(gè)圓圈代表當(dāng)前步及以前產(chǎn)生的全部聲發(fā)射活動(dòng)，其直徑大小代表聲發(fā)射所釋放的能量大小，其聲發(fā)射能量、頻度的統(tǒng)計(jì)可以判別試件的破壞程度.從圖7中可以看出，加載初期，試件并無(wú)聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，直到加載至第25步時(shí)，才開(kāi)始出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào).室內(nèi)聲發(fā)射試驗(yàn)亦是如此，加載初期并未有產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào).隨著荷載的增加，聲發(fā)射信號(hào)開(kāi)始無(wú)序的隨機(jī)分布在加載軸線附近，表明在該部位出現(xiàn)了損傷，激發(fā)了聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生.對(duì)比圖6（a）表明，加載至25步時(shí)并未看到任何的細(xì)觀裂隙，但圖7（b）卻顯示了一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)，說(shuō)明試件內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)了細(xì)微的損傷破壞.隨著荷載的進(jìn)一步增加，試件圓盤上的聲發(fā)射信號(hào)由無(wú)序開(kāi)始變?yōu)橛行虻难刂虞d軸線的方向集中分布，表明試件已經(jīng)出現(xiàn)了一定量的損傷破壞，直到加載至105步時(shí)，在試件的裂隙帶上布滿了大量的聲發(fā)射信號(hào)，此時(shí)，試件已經(jīng)破壞，然而觀察發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)集中地分布在加載軸線附近，其他部位極少出現(xiàn)，這說(shuō)明其他部位幾乎未損傷，仍有一定的承載力.

圖7 充填體拉伸破壞時(shí)聲發(fā)射數(shù)值模擬Fig.7 Num erical sim ulation for acoustic em ission w ith the back fill tensile failure

2）對(duì)比圖8室內(nèi)聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果與圖9數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果，存在局部的不同，比如室內(nèi)試驗(yàn)的聲發(fā)射事件數(shù)與時(shí)間的變化曲線出現(xiàn)階段性的拐點(diǎn)斜率大于數(shù)值模擬結(jié)果的曲線變化斜率，這可能是跟試件自身材料的均勻性有關(guān)，但總體上來(lái)說(shuō)，試件拉伸破壞過(guò)程中的聲發(fā)射事件數(shù)與時(shí)間的曲線變化規(guī)律是基本一致的，在加載初期階段，聲發(fā)射事件數(shù)極少，隨著應(yīng)力的增加，聲發(fā)射事件數(shù)也漸漸活躍，直到應(yīng)力峰值點(diǎn)，聲發(fā)射事件數(shù)迅速增加并達(dá)到最大值.

圖8 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Laboratory test results

圖9 數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Num erical sim ulation results

3 結(jié) 論

1）通過(guò)室內(nèi)充填體抗拉聲發(fā)射試驗(yàn)，得到了膠結(jié)充填體拉伸破壞過(guò)程的聲發(fā)射特性，加載初期，聲發(fā)射信號(hào)極少，隨著荷載加載至峰值荷載的40%時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)快速增長(zhǎng)，隨后進(jìn)入一段“平緩波動(dòng)期”當(dāng)加載至應(yīng)力峰值時(shí)，聲發(fā)射累計(jì)事件數(shù)也達(dá)到最大值，最后隨著充填體試件的破壞，聲發(fā)射事件數(shù)也降為零，同時(shí)與數(shù)值模擬試驗(yàn)的聲發(fā)射特性對(duì)比，具有很好的一致性.

2）由數(shù)值模擬試驗(yàn)再現(xiàn)了充填體試件的損傷破壞過(guò)程，試驗(yàn)表明，拉伸破壞首先是由微單元破壞的萌生，然后出現(xiàn)無(wú)序擴(kuò)展的裂紋，隨后轉(zhuǎn)變成有序延伸的裂紋，最終在試件圓盤加載軸線的中心處形成一條由中部沿至兩端的宏觀裂隙帶.

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