王志國 李柱營 顧乃滿 李躍龍

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063210；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全工程實(shí)驗(yàn)室，河北唐山063210；3.中鋼石家莊工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北石家莊050021）

當(dāng)前充填采礦法在礦產(chǎn)資源的開采過程中已被廣泛應(yīng)用，但由于大量的資源被不斷地采出，加上頻繁的爆破活動(dòng)，地下洞室的開挖與支護(hù)，資源的采出與采空區(qū)的充填以及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)都不可避免地使充填體與圍巖處于循環(huán)加卸載過程中，對(duì)充填體與圍巖的穩(wěn)定性造成一定的影響，甚至導(dǎo)致充填體與圍巖的失穩(wěn)破壞。因此，研究充填體與圍巖在循環(huán)加卸過程中的破裂機(jī)理在理論上和工程實(shí)踐上都有積極的意義。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石在循環(huán)荷載下的破裂失穩(wěn)做了許多研究。國內(nèi)劉建鋒等［1］對(duì)大理巖進(jìn)行了單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，根據(jù)循環(huán)荷載下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的滯回環(huán)的面積大小分析了巖石的破裂程度；彭瑞東等［2］通過對(duì)不同圍壓下的煤巖體進(jìn)行三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，得出了基于能量分析的損傷變量定義和演化規(guī)律，彌補(bǔ)了根據(jù)彈性模量定義損傷變量方法的不足，能夠更加真實(shí)地闡述試樣的損傷演化；蘇承東等［3］通過對(duì)煤樣的三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)煤樣在三軸循環(huán)加卸載過程中能夠表現(xiàn)出很好的記憶特征，并對(duì)比分析了其彈性模量在不同加卸載階段的變化規(guī)律；付斌等［4］研究了大理巖在2種不同循環(huán)應(yīng)力路徑下的聲發(fā)射特性；國外Mario Camilo Torres-Suarez等［5］研究了循環(huán)加卸載和干濕循環(huán)對(duì)泥巖力學(xué)行為的影響；A.Momeni等［6］研究了循環(huán)加卸載對(duì)花崗巖力學(xué)性能的影響；S.L.Qiu等［7］基于增量循環(huán)加、卸載試驗(yàn)對(duì)大理巖的峰前損傷行為進(jìn)行了定量化分析。

巖石在發(fā)生形變、破壞時(shí)會(huì)伴隨著聲發(fā)射產(chǎn)生，根據(jù)聲發(fā)射信息，可以分析巖石的變形過程及破裂機(jī)制。張暉輝等［8］通過聲發(fā)射試驗(yàn)中的巖石聲發(fā)射信息，能夠定位巖石內(nèi)部損傷的位置、發(fā)生時(shí)間以及破壞強(qiáng)度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了巖石宏觀破裂時(shí)的前兆現(xiàn)象。夏冬等［9］分析了含水量大小對(duì)巖石的力學(xué)特性以及聲發(fā)射特征的影響。張黎明等［10］對(duì)不同圍壓條件下的大理石破壞過程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究，通過分析巖石在變形破壞的各個(gè)階段中聲發(fā)射特性，發(fā)現(xiàn)巖石的聲發(fā)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(fā)射特性揭示了煤樣在三軸循環(huán)加卸載作用下的內(nèi)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(fā)射的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)建立了巖石損傷演化模型。徐素超等［14］對(duì)矽卡巖在單軸循環(huán)加卸載條件下的強(qiáng)度變化特征與聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究。

當(dāng)前循環(huán)加卸載作用下的巖石損傷破裂研究對(duì)象大多只是完整的巖石，對(duì)于充填條件下的巖石循環(huán)加卸載聲發(fā)射特征的研究還鮮有報(bào)道。對(duì)此，通過雙軸循環(huán)加卸載下的充填采場(chǎng)圍巖模型聲發(fā)射試驗(yàn)，分析組合模型的損傷破裂的聲發(fā)射特征。研究成果可望對(duì)充填法開采的地質(zhì)災(zāi)害研究提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

1.1 組合模型制備

實(shí)際采礦工程問題嚴(yán)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(hù)手段進(jìn)行分析，采場(chǎng)以圓形形式模擬，Hoek和Brady提出了圓形開挖—支護(hù)力學(xué)模型［15］，并對(duì)充填體與圍巖之間作用機(jī)理進(jìn)行了研究，據(jù)此設(shè)計(jì)了充填體與采場(chǎng)圍巖相互作用模型。根據(jù)充填采礦法的原理設(shè)計(jì)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(nèi)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(jié)制作。將組合模型放在溫度為20℃、濕度為95%的條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行循環(huán)加卸載試驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置

本次試驗(yàn)采用RLW-3000微機(jī)控制剪切蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行加載，通過PCI-2型聲發(fā)射采集系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)過程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集，如圖2所示。試驗(yàn)過程中，設(shè)置的AE監(jiān)測(cè)系統(tǒng)門檻電壓為45 dB，浮動(dòng)門寬為6；頻帶設(shè)置在20～1 200 kHz范圍內(nèi)，采樣頻率為 1 MHz，即 106次/s；峰值限定時(shí)間（PDT）為50 μs，撞擊限定時(shí)間（HDT）為150 μs，撞擊鎖定時(shí)間（HLT）為300 μs，最大持續(xù)時(shí)間為100 ms。

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

在實(shí)際工程中，充填體與圍巖總是處于一定壓應(yīng)力狀態(tài)，因此每次卸載至抗壓強(qiáng)度的5%左右，軸向下限應(yīng)力設(shè)為5 MPa。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，待側(cè)向壓力達(dá)到預(yù)定值，法向壓力預(yù)加載至5 kN后，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開始試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)試方法

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

2.1 組合模型加卸載過程聲發(fā)射參數(shù)研究

通過研究聲發(fā)射活動(dòng)能夠揭示巖石損傷破裂演化規(guī)律，本文利用AE事件率及AE事件能率對(duì)不同圍巖組合模型在不同側(cè)向壓力下循環(huán)加卸載下的聲發(fā)射特征及破裂特性進(jìn)行了分析。

2.1.1 不同組合模型聲發(fā)射AE事件率參數(shù)特性

AE事件率（次/S）表征單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的聲發(fā)射事件次數(shù)，即聲發(fā)射事件發(fā)生的頻率，其能夠反映巖石內(nèi)部損傷裂隙發(fā)展的快慢程度，圖3為不同圍巖組合模型的應(yīng)力、AE事件與時(shí)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(huán)所受的最大荷載水平時(shí)，出現(xiàn)明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象。在一個(gè)循環(huán)中當(dāng)荷載由峰值逐漸遞減時(shí)聲發(fā)射現(xiàn)象不明顯，組合模型具有一定的受載記憶能力，即表現(xiàn)為明顯的Kaiser效應(yīng)。對(duì)比每個(gè)循環(huán)的最大事件率可以發(fā)現(xiàn)，每個(gè)循環(huán)的事件率隨著荷載的增大而不斷增加。在前2個(gè)循環(huán)試樣所受荷載水平較低時(shí)，試樣處于壓密階段，內(nèi)部已存在的原始裂隙及孔隙被壓密閉合，沒有新裂隙的產(chǎn)生，聲發(fā)射事件比較少。由圖3（d）可知：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，荷載水平進(jìn)一步增大，試樣經(jīng)歷彈性階段進(jìn)入塑性變形階段，內(nèi)部強(qiáng)度較低的材料開始受壓屈服，試樣內(nèi)部有新生裂隙的萌生、擴(kuò)展、貫通，進(jìn)入聲發(fā)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(nèi)部的損傷演化特征。試驗(yàn)中模型的聲發(fā)射活躍期代表著宏觀裂隙的生成，AE事件率與時(shí)間的曲線中峰值較大時(shí)刻表征模型產(chǎn)生宏觀裂隙，峰值較小時(shí)刻表征模型產(chǎn)生微裂隙。因此，AE事件率與時(shí)間關(guān)系曲線可描述組合模型內(nèi)部微裂隙的產(chǎn)生、發(fā)展與宏觀裂隙形成過程。

對(duì)比3種不同圍巖組合模型卸載過程的AE事件率可以發(fā)現(xiàn)：大理巖組合模型在卸載過程中幾乎沒有聲發(fā)射發(fā)生，聲發(fā)射活動(dòng)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(fā)射現(xiàn)象，且隨著應(yīng)力水平的增加，卸載時(shí)的聲發(fā)射現(xiàn)象更加明顯。分析原因認(rèn)為：花崗巖和玄武巖損傷后，其內(nèi)部微裂紋已經(jīng)很發(fā)育，巖石內(nèi)部局部可能出現(xiàn)類似塑性屈服的應(yīng)力松弛，卸載時(shí)組合模型在自組織調(diào)整過程中形成新的局部應(yīng)力集中，有新的微裂紋產(chǎn)生或促使已有裂紋擴(kuò)展，從而表現(xiàn)出聲發(fā)射現(xiàn)象。在臨界破壞載荷時(shí)，巖石內(nèi)部裂紋相互貫通形成宏觀裂紋，巖石累計(jì)損傷嚴(yán)重，裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展，在較小的載荷條件下巖石內(nèi)部裂紋就得以發(fā)育，并且卸載導(dǎo)致內(nèi)部微結(jié)構(gòu)面的張開，從而在卸載階段出現(xiàn)較多聲發(fā)射，因此損傷越嚴(yán)重，卸載時(shí)的聲發(fā)射現(xiàn)象越明顯。

在逐級(jí)循環(huán)加卸載過程中，組合模型的破裂過程同樣經(jīng)歷了原生裂紋的壓密，微裂紋的萌生、發(fā)育、擴(kuò)展、交匯以及宏觀裂紋的形成過程。

2.1.2 組合模型聲發(fā)射AE事件能率參數(shù)特性

AE事件能率是指1 s內(nèi)事件產(chǎn)生的能量值，與所觀測(cè)到的聲發(fā)射事件所在波形的幅度值的平方成正比，反映聲發(fā)射事件的強(qiáng)弱。聲發(fā)射能量反映了組合模型內(nèi)部微裂隙產(chǎn)生擴(kuò)展時(shí)釋放的彈性能，基于聲發(fā)射能率—時(shí)間的變化曲線，可認(rèn)識(shí)彈性能釋放演變規(guī)律，進(jìn)而分析聲發(fā)射事件發(fā)生的特征以及模型的破裂演化規(guī)律。圖4為不同條件下組合模型的應(yīng)力、能率與時(shí)間曲線。

對(duì)比3種不同圍巖的能率峰值可以發(fā)現(xiàn)：玄武巖組合模型的最大能率值遠(yuǎn)大于大理巖和花崗巖組合模型的最大能率值，成數(shù)量級(jí)的關(guān)系，這是因?yàn)锳E能量表征試件內(nèi)部微破裂（包括晶內(nèi)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(fā)育階段晶體分離所釋放的彈性能也就越大，表現(xiàn)為較高的AE能率值。

由圖4還可以看出：隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力水平越高，每個(gè)循環(huán)的AE能率峰值也就越大，這是因?yàn)閼?yīng)力水平升高，組合模型進(jìn)入塑性屈服階段，微裂隙逐漸擴(kuò)展、貫通成宏觀大裂紋，此時(shí)釋放的彈性能相比之前微裂隙萌生、發(fā)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(yù)示組合模型的破壞。

2.2 組合模型Felicity效應(yīng)特征

巖石類材料在循環(huán)加卸載試驗(yàn)中聲發(fā)射參數(shù)變化表現(xiàn)出記憶特性。若試樣所施加的荷載超過上次循環(huán)的最高荷載時(shí)才出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象，稱為Kaiser效應(yīng)；若試樣所施加荷載小于前次循環(huán)最大荷載時(shí)就出現(xiàn)明顯聲發(fā)射現(xiàn)象，則稱為Felicity效應(yīng)。巖石材料記憶特性是否準(zhǔn)確可以用Felicity比值來衡量，出現(xiàn)明顯聲發(fā)射現(xiàn)象時(shí)的應(yīng)力值（σi+1）與前一循環(huán)的最大應(yīng)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(zhǔn)確，F(xiàn)elicity比值大于1表示記憶特性滯后，F(xiàn)elicity比值小于1表示記憶特性超前。

當(dāng)前對(duì)于根據(jù)Felicity比值大小判定明顯聲發(fā)射現(xiàn)象還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。陳宇龍等研究表明只要合理地設(shè)置界定聲發(fā)射現(xiàn)象明顯出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)于Felicity比的變化規(guī)律幾乎沒有影響［16］。本文在計(jì)算Felicity比時(shí)，采用聲發(fā)射事件率超過30次/s處所對(duì)應(yīng)應(yīng)力作為產(chǎn)生明顯聲發(fā)射荷載值。

圖5為不同種類圍巖組合模型在側(cè)壓5 MPa下的Felicity比隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線。由圖可以看出，3種圍巖組合模型的聲發(fā)射Felicity比值變化規(guī)律基本一致，雖然Felicity比值有些波動(dòng)，但是總體趨勢(shì)為下降。在低應(yīng)力水平Felicity比值大于1或接近于1，此時(shí)組合模型處于壓密階段，聲發(fā)射主要來源于試樣內(nèi)部原生裂隙的閉合，試樣表現(xiàn)出明顯的記憶能力，聲發(fā)射信號(hào)的恢復(fù)相對(duì)滯后。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力水平提高，F(xiàn)elicity比值不斷降低，以XWXH-1-2為例，在第3次加卸載過程中，F(xiàn)elicity比值由1.06降為1.01，經(jīng)過前2次的加卸載過程，組合模型內(nèi)部的原生裂隙已經(jīng)被壓密，此時(shí)處于彈性變形階段，此階段的聲發(fā)射記憶特征明顯，組合模型損傷較低，當(dāng)組合模型所受荷載超過前期所受最大荷載時(shí)才有聲發(fā)射現(xiàn)象。隨著應(yīng)力水平的進(jìn)一步增大，在第5個(gè)循環(huán)和第6個(gè)循環(huán)中，組合模型進(jìn)入屈服階段，組合模型內(nèi)部有新的裂隙產(chǎn)生，呈穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)育，損傷不斷加劇，F(xiàn)elicity比值分別為0.85、0.73，F(xiàn)elicity效應(yīng)成立，組合模型表現(xiàn)出記憶超前性能，組合模型損傷程度較高，內(nèi)部損傷的不可逆程度逐步提高。

圖6為不同側(cè)壓下3種組合模型的Felicity比隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線。由圖可以看出，不同側(cè)壓下的Felicity比變化趨勢(shì)均為下降，且同種圍巖組合模型循環(huán)次數(shù)相同的情況下，側(cè)壓越高，F(xiàn)elicity比值越高。以花崗巖組合模型在第4循環(huán)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?yàn)楦邆?cè)壓限制了試樣內(nèi)部晶體顆粒的位移，組合模型的強(qiáng)度增大，表現(xiàn)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(cè)壓下的Felicity比隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì)均為下降，分析原因認(rèn)為：組合模型在加卸載過程中，隨著循環(huán)次數(shù)及應(yīng)力水平的增加，組合模型進(jìn)入塑性變形階段，卸載至下限應(yīng)力后存在殘余應(yīng)變。再次加載時(shí)，要使應(yīng)變達(dá)到前一次加載過程中的最大應(yīng)變值所需要的荷載小于前一次循環(huán)的上限應(yīng)力，即組合模型的強(qiáng)度發(fā)生了弱化。繼續(xù)加載將導(dǎo)致組合模型內(nèi)部微裂紋不斷發(fā)展，最終微裂紋擴(kuò)展貫通，演化為宏觀裂紋。因此表現(xiàn)為應(yīng)力記憶超前，F(xiàn)elicity比值不斷降低，F(xiàn)elicity效應(yīng)表現(xiàn)顯著。

3 結(jié)論

（1）隨著循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力水平逐漸提高，每個(gè)循環(huán)的AE事件率及能量峰值逐漸增大；卸載過程也有聲發(fā)射現(xiàn)象，已有損傷越嚴(yán)重，卸載時(shí)的聲發(fā)射現(xiàn)象越明顯。

（2）隨著荷載進(jìn)一步增大，試樣內(nèi)部新生裂隙的萌生、擴(kuò)展、貫通直至破裂，聲發(fā)射進(jìn)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(xiàn)組合模型內(nèi)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(fā)育。

（3）組合模型在微裂隙逐漸擴(kuò)展、貫通成宏觀大裂紋時(shí)所釋放的彈性能相較于微裂隙萌生、發(fā)育時(shí)要高得多。AE事件能量的大幅度上升變化可以預(yù)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(xiàn)出Kaiser效應(yīng)，隨著循環(huán)應(yīng)力水平提高，F(xiàn)elicity比值不斷降低，F(xiàn)elicity效應(yīng)表現(xiàn)顯著，表現(xiàn)出記憶超前性能。