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(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 贛州 341000)

(2 江西理工大學(xué) 江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 贛州 341000)

0 引言

尾砂膠結(jié)充填體常作為礦山地下開(kāi)采的重要承載體，對(duì)維護(hù)礦山采場(chǎng)的穩(wěn)定、預(yù)防大規(guī)模的地壓活動(dòng)具有重要作用，而對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)，也成為礦山的重點(diǎn)工作之一。聲發(fā)射(Acoustic emission,AE)作為無(wú)損監(jiān)測(cè)的一種重要手段，可為尾砂膠結(jié)充填體的破壞失穩(wěn)監(jiān)測(cè)提供重要的判別依據(jù)。

有關(guān)于尾砂膠結(jié)充填體方面的研究，近幾年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要集中在力學(xué)特性[1]、強(qiáng)度確定[2]、損傷模型[3]及充填材料選擇[4]等方面。隨著聲發(fā)射技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多學(xué)者開(kāi)始對(duì)充填體的聲發(fā)射特性進(jìn)行研究[5?6]。程愛(ài)平等[7]對(duì)灰砂比為1:4的膠結(jié)充填體進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，研究了其受壓破壞過(guò)程的時(shí)空演化規(guī)律，進(jìn)而對(duì)充填體破裂進(jìn)行預(yù)測(cè)。龔囪等[8]對(duì)灰砂比為1:4的膠結(jié)充填體進(jìn)行單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，研究了其加-卸載過(guò)程中聲發(fā)射b值特征及破裂響應(yīng)特征。謝勇等[9]對(duì)灰砂比1:8的膠結(jié)充填體進(jìn)行單軸抗壓聲發(fā)射試驗(yàn)，研究充填體受壓破壞過(guò)程中的聲發(fā)射能率、b值、能率分形維數(shù)與時(shí)間的關(guān)系特征。孫光華等[10]對(duì)灰砂比為1:6的充填體進(jìn)行單軸抗壓聲發(fā)射試驗(yàn)，建立了以聲發(fā)射參數(shù)為損傷變量的損傷演化方程。這些研究成果，增進(jìn)了人們對(duì)充填體受壓破壞過(guò)程聲發(fā)射特性的認(rèn)識(shí)，同時(shí)建立了一定的損傷演化及失穩(wěn)預(yù)測(cè)判別模型[11?12]，但大都集中在配比、養(yǎng)護(hù)齡期方面的研究，很少涉及對(duì)充填體濃度方面的研究。

實(shí)際充填采礦過(guò)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(qū)，但在采空區(qū)里經(jīng)常出現(xiàn)料漿析水沉降現(xiàn)象，水的析出導(dǎo)致采空區(qū)上下部分料漿濃度不同，濃度越高其膠結(jié)性能越好，相應(yīng)的充填體強(qiáng)度越高，從而也表現(xiàn)在不同濃度下的充填體受損產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)不同[13?14]。因此，有必要對(duì)不同濃度的充填體力學(xué)特性與聲發(fā)射特性進(jìn)行研究。有鑒于此，本文對(duì)灰砂比1:4、質(zhì)量濃度分別為68%、70%、72%的3種尾砂膠結(jié)充填體進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，分析充填體破壞過(guò)程的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、r值、聲發(fā)射信號(hào)主頻及相對(duì)高頻信號(hào)激增響應(yīng)系數(shù)特征，探究不同濃度的充填體損傷演化機(jī)制及破壞前兆聲發(fā)射特征，為充填體穩(wěn)定性聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試件制備

尾砂骨料取自安徽某礦尾礦庫(kù)，以P.O42.5硅酸鹽水泥為膠結(jié)材料，制備灰砂比為1:4、質(zhì)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(jìn)行脫模養(yǎng)護(hù)，在標(biāo)準(zhǔn)恒溫、恒濕條件下養(yǎng)護(hù)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(guī)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(yàn)系統(tǒng)及設(shè)置

試驗(yàn)力學(xué)系統(tǒng)為中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT-150C巖石力學(xué)加載系統(tǒng)，采用位移加載模式，加載速率為0.002 mm/s。聲發(fā)射系統(tǒng)采用美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)研制的PCI-II型聲發(fā)射儀，聲發(fā)射傳感器為UT-1000型，前置放大器增益為40 dB，門(mén)檻值為40 dB，采樣率為1 MSPS，采樣長(zhǎng)度為1000。

2 力學(xué)特性

單軸壓縮下不同濃度充填體典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。以試件C3為例，充填體受壓破壞過(guò)程可分為4個(gè)階段：OA段為壓密階段，充填體處于加載初期，曲線(xiàn)呈下凹狀，此時(shí)充填體內(nèi)部微孔隙和微裂紋逐步被壓實(shí)；AB段為彈性階段，此階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)近似線(xiàn)性增長(zhǎng)，隨著充填體濃度的增加，彈性階段表現(xiàn)更為明顯；BC段為屈服階段，曲線(xiàn)段呈上凸?fàn)睿€(xiàn)斜率隨應(yīng)力增加逐漸減小為零，此階段充填體發(fā)生塑性變形，并且充填體的濃度越大，屈服應(yīng)力也越大；CD段為峰后破壞階段，該曲線(xiàn)段斜率變?yōu)樨?fù)值并持續(xù)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(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。A、B、C 三組試件平均峰值強(qiáng)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(shuō)明質(zhì)量濃度越大，充填體膠結(jié)性越好，微孔隙和微裂紋數(shù)量越少，峰值強(qiáng)度越大，彈性模量也越大。各試件峰值應(yīng)變?cè)?.014～0.020之間。濃度越大，峰值應(yīng)變整體呈減小趨勢(shì)。

圖2 不同濃度充填體典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.2 Typical stress-strain curve of backfill with different concentrations

表1 不同濃度充填體力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table1 Test results of mechanical parameters of backfill with different concentrations

3 聲發(fā)射基本參數(shù)特征

3.1 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)

聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)反映信號(hào)強(qiáng)度與頻度，用于破裂源的活動(dòng)性評(píng)價(jià)[15]。以A3、B3與C3為例，得到試件峰值強(qiáng)度及峰值累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)隨濃度關(guān)系，具體見(jiàn)圖3。由圖3可知，隨著濃度的增加，充填體峰值強(qiáng)度及聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)都呈增大趨勢(shì)，說(shuō)明質(zhì)量濃度越大，骨料沉降速度降低，使其內(nèi)部顆粒分布更均勻，結(jié)構(gòu)更加致密，其峰值強(qiáng)度也越大；同時(shí)充填料漿離析減少，使試件內(nèi)部顆粒組成數(shù)量相對(duì)更多，其顆粒膠結(jié)鏈接總數(shù)也越多，導(dǎo)致其破壞產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量也越多，聲發(fā)射峰值累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)也越多。

分析不同濃度試件在各階段的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)變化關(guān)系，具體見(jiàn)圖4。不同濃度充填體在壓密、彈性與屈服階段的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致。由于聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與加載過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量密切相關(guān)，在壓密、彈性與屈服階段，隨著濃度增大，其累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)也越多，其中72%濃度試件的累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)最多，表明濃度越大的充填體受壓破壞產(chǎn)生的微裂紋數(shù)量也越多。

圖3 峰值強(qiáng)度、峰值累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與濃度關(guān)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(jì)振鈴計(jì)數(shù)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(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)。分析可知，試件加載初期，r值曲線(xiàn)均呈上升趨勢(shì)，并達(dá)到一個(gè)較大值，這表明各試件加載初期內(nèi)部顆粒之間摩擦、滑移，損傷程度較小，產(chǎn)生了大量低能摩擦型的聲發(fā)射信號(hào)；隨著加載繼續(xù)，r值快速下降到一個(gè)較低值；進(jìn)入屈服階段，r值持續(xù)減小并保持在變化較小的相對(duì)穩(wěn)定階段，此階段微裂紋萌生、擴(kuò)展貫通，損傷程度急劇增加，因此產(chǎn)生大量高能的聲發(fā)射信號(hào)，意味著破裂的開(kāi)始。隨著外載荷的增加，進(jìn)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(wěn)判別提供一定的依據(jù)。

圖5 充填體典型試件應(yīng)力、r值隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.5 Stress and r value curve with time of typical backfill samples

4 聲發(fā)射信號(hào)頻率特征

4.1 聲發(fā)射信號(hào)主頻特征

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

初始?jí)好茈A段，試件聲發(fā)射信號(hào)主頻分布在80～100 kHz、100～120 kHz兩個(gè)頻段內(nèi)，而72%濃度試件基本不出現(xiàn)100 kHz以下的聲發(fā)射信號(hào)主頻；彈性階段，70%濃度試件聲發(fā)射信號(hào)主頻分布范圍減小至90～120 kHz，而68%與72%濃度試件聲發(fā)射信號(hào)主頻分布范圍不變；屈服階段，3種濃度試件均開(kāi)始出現(xiàn)160～180 kHz頻段的聲發(fā)射信號(hào)主頻，即相對(duì)高頻信號(hào)激增現(xiàn)象。表明各試件內(nèi)部損傷以裂紋擴(kuò)展、貫通成宏觀主破裂帶為主，預(yù)示主破裂即將發(fā)生。在主頻段數(shù)量特征方面，68%濃度試件在屈服階段的聲發(fā)射信號(hào)主頻呈2個(gè)頻段分布，70%與72%濃度試件呈3個(gè)以上頻段分布。從聲發(fā)射信號(hào)數(shù)量上看，72%濃度試件比70%濃度試件有更多相對(duì)高頻信號(hào)(160～180 kHz、260～280 kHz)出現(xiàn)，并且在屈服階段出現(xiàn)低于60 kHz的聲發(fā)射信號(hào)主頻現(xiàn)象。

圖6 不同濃度試件應(yīng)力、主頻與時(shí)間關(guān)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(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)的主頻，由加載初期的1～2個(gè)主頻段(80～100 kHz、100～120 kHz)，在臨界主破裂時(shí)增多到3～5個(gè)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(fā)射信號(hào)主頻頻段分布越寬，主要原因是由于濃度與強(qiáng)度有直接關(guān)系，試件的濃度越大，則強(qiáng)度也越大，內(nèi)部所積聚的能量也越大。

4.2 聲發(fā)射相對(duì)高頻信號(hào)激增響應(yīng)系數(shù)特征

不同濃度充填體試件主破裂前均出現(xiàn)頻段為160～180 kHz的相對(duì)高頻信號(hào)激增現(xiàn)象，分別統(tǒng)計(jì)各試件相對(duì)高頻信號(hào)激增的前兆響應(yīng)系數(shù)β[20]。其中，β值越大，代表相對(duì)高頻信號(hào)激增響應(yīng)時(shí)間越早，前兆識(shí)別能力更強(qiáng)，其計(jì)算公式為

式(1)中：ti為聲發(fā)射相對(duì)高頻信號(hào)激增出現(xiàn)時(shí)間；tj為充填體主破裂時(shí)間(峰值應(yīng)力)。

各試件聲發(fā)射相對(duì)高頻信號(hào)激增響應(yīng)系數(shù)與平均響應(yīng)時(shí)間見(jiàn)表2。為充填體聲發(fā)射相對(duì)高頻信號(hào)激增平均響應(yīng)系數(shù)。分析可知，對(duì)于峰值應(yīng)力處破裂時(shí)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(dá)到主破裂(峰值應(yīng)力)時(shí)間越短。對(duì)于聲發(fā)射相對(duì)高頻信號(hào)激增平均響應(yīng)系數(shù)值來(lái)說(shuō)，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(shì)。充填體濃度越大，聲發(fā)射相對(duì)高頻信號(hào)(160～180 kHz)激增響應(yīng)能力越弱。

表2 聲發(fā)射相對(duì)高頻信號(hào)激增響應(yīng)系數(shù)Table2 Surge response coefficient of acoustic emission relative high frequency signal

5 結(jié)論

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

(2)不同濃度充填體試件在壓密、彈性與屈服階段的聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)變化趨勢(shì)基本一致。隨著濃度增加，產(chǎn)生的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)越多。

(3)聲發(fā)射累計(jì)撞擊數(shù)與聲發(fā)射累計(jì)能量的比值r值均先升高再持續(xù)減小到一個(gè)較低值，隨著外載荷的增加，進(jìn)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(fā)射信號(hào)主頻分布中呈現(xiàn)主頻段增多的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為由加載初期的1～2個(gè)主頻段，在臨界主破裂時(shí)增多到3～5個(gè)主頻段。并且隨著試件質(zhì)量濃度的增加，聲發(fā)射信號(hào)主頻頻段分布越寬，聲發(fā)射相對(duì)高頻信號(hào)(160～180 kHz)的激增響應(yīng)系數(shù)呈遞減趨勢(shì)。

上述特征為不同濃度的尾砂膠結(jié)充填體的破壞失穩(wěn)監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)依據(jù)。