不同侧帮高度空区顶板破坏声发射特性研究_张泉.pdf

铜业工程 COPPER ENGINEERINGTotal 179No.1 2023总第179期2023年第1期引文格式引文格式：张泉,王磊,罗鼎,熊浩凯,刘俊伟,季金一.不同侧帮高度空区顶板破坏声发射特性研究J.铜业工程,2023(1):86-90.不同侧帮高度空区顶板破坏声发射特性研究张泉，王磊，罗鼎，熊浩凯，刘俊伟，季金一（辽宁科技大学矿业工程学院，辽宁 鞍山 114051）摘要：当地下空区采用充填处理时，由于充填很难接顶，最终仍会破坏地下空区顶板并导致地表沉陷。通过配制空区的相似模拟材料和制作不同侧帮高度的空区试件，在单轴压力试验机上运用纵向均匀加载的方式对空区顶板进行破坏，同时基于声发射技术了解空区顶板变形破坏过程。研究表明：不同侧帮高度的空区顶板从加载到完全破坏都分别经历了微裂纹压密阶段、弹塑性压缩阶段、塑形变形阶段、完全破坏阶段和破坏后阶段；空区模型侧帮高度越低，空区顶板达到破坏所需的应力峰值越大，所对应的纵向位移量越大，空区顶板越不容易被破坏；空区顶板受纵向加载作用时，最易破坏的部位为中心部位。关键词：地下空区；相似模拟；充填率；声发射；破坏过程doi：10.3969/j.issn.1009-3842.2023.01.010中图分类号：TD325 文献标识码：A 文章编号：1009-3842（2023）01-0086-051 引 言充填开采是一种通过充填材料置换出矿产资源的绿色开采工艺，有助于减少地表移动、保护地表建筑物和矿区生态环境1-3。由于充填很难接顶，易形成不同侧帮高度的空区，尤其是大型空区。此外，顶板暴露面积过大，易发生失稳、坍塌，甚至造成地表沉陷或更严重的情况。因此，在矿山资源开采中，研究不同侧帮高度空区顶板破坏规律是十分重要的，不仅能有效减少灾害发生率，还能最大限度地节约充填成本。相似材料模拟实验常被用于研究充填开采过程中围岩变形破坏、应力分布及地表移动情况分析。如戴兵等4从不同倾角与裂纹数量的角度研究了岩石的强度及裂纹扩展规律；余学义等5从不同分层、不同采高、不同采煤方法的角度研究了下覆岩导水裂隙带高度发育规律和覆岩移动破坏规律；何详等6根据不同推进速度情况下的相似模拟验证了基于覆岩损伤度设计高强度开采参数的合理性；张贵银等7通过对其他采区实测数据进行回归分析，得出岩移参数计算公式以适应本采区矿柱二次条带开采。虽然相似材料模拟实验具有投入少、便于实施的优点，但很难重现最真实应力环境的采空区，且研究角度较为单一。声发射作为一种无损检测手段，被广泛应用于岩石变形破坏研究领域。从每一个岩石声发射信号中，都蕴含着其内部结构变化的丰富信息。研究人员8-10在单轴加载下进行声发射试验，得出了岩石失稳破坏前兆特征可由岩石破坏前的声发射相对平静期进行判断。王春来等11-12进行了大量声发射试验，发现岩石在失稳破坏前声发射会经历一段相对平静期。上述研究主要是通过声发射技术定性描述岩石内部裂纹扩展过程，从而得到岩石破坏前兆信息。然而，定量寻找岩石破坏临界点研究较少。因此，开展加载作用下空区顶板声发射试验，分析空区顶板内部裂纹扩展随声发射参数的变化特征，定量探寻空区顶板发生破坏的前兆信息非常有必要。2 相似模拟实验2.1实验概述本文以地下形成的急倾斜空区作为研究对象，依照某矿山的岩性赋存情况确定了本次实验模型所需的各种数据后，制作了空区相似物理模型，并对不同侧帮高度空区顶板进行均匀加载。同时，采集了空区顶板内部损伤演化整个过程的声收稿日期：2022-09-01；修订日期：2022-10-18基金项目：国家自然科学基金项目（51174110）资助作者简介：张泉（1996），男，河南郑州人，硕士，研究方向：金属矿山开采，E-mail：发射信号，分析了探测内部裂纹的产生、扩展及贯通行为，得到不同侧帮高度空区顶板破坏规律，为其安全治理工作的开展提供了参考依据。2.2实验设备及条件试件在辽宁科技大学矿业工程学院实验室YAD-2000KN 单轴压力试验机上进行，其工作原理如图1所示。该仪器与计算机连接，主机可以精确记录试验数据并同步绘制位移载荷曲线。监测仪器为某公司生产的DS2系列全信息声发射信号分析仪，采用8个通道采集信息，将声发射传感器分别设置在顶板的四个侧面（正面3个，背面3个，两侧各1个），以实现整个实验过程中的信号采集。2.3模型制作用C20混凝土制作三个不同侧帮高度试件，试件外形为长方体，顶部及底部长38 cm，宽28 cm，顶板厚度为6 cm，其内部形成采空区，侧帮厚度为5 cm，侧帮高度分别为45、35和20 cm。材料规格配比如表1所示，试件如图2所示。2.4实验步骤（1）根据实验相似材料所对应的配比，分别称出每层所需的混合材料的各种配料，将各种配料均匀混合后，再加入对应的实验用水，均匀搅拌制成最终所需的混合材料。（2）组装木制模具固定放置于平整的地板上，并在模具上涂抹润滑油，将搅拌好的材料倒入其中，置于振动台中充分振动。侧帮高度分别为45、35 和20 cm的试件每组分别制作三个。（3）在室温下养护24 h后脱模，并检查脱模后试件的完整性。（4）将完好的试件在其侧面标记日期并编号，放置养护箱养护28 d后取出，然后放置通风处静置3 d后加载。（5）在YAD-2000KN单轴压力试验机上进行均匀加载试验，加载系统与声发射检测系统同时启动，保证所采集的数据能够根据时间同步对应。通过加载系统及计算机记录空区顶板受载变形过程中的应力应变等参数变化；声发射监测系统监测空区顶板受载变形过程中的声发射活动，并记录声发射参数变化。实验全过程加载速率为0.05 mm/min，通过控制定额位移量完成。实验前需将试样顶板及底部利用砂纸打磨，确保其拥有较高的平整度并符合要求。均布加载铁块布置图如图3所示。3 结果与讨论根据实验结果，发现破坏规律大体一致，因此在各组试件中选用其中一个模型进行试验结果分析。图4为不同侧帮高度空区顶板在纵向加载作用图1声发射分析仪工作原理图Fig.1Acoustic emission analyzer working principle diagram表1材料规格配比Table 1Material specification ratio图2空区物理模型Fig.2Physical model of goaf图3均布加载铁块布置图Fig.3Uniform loading iron block layout86张泉等 不同侧帮高度空区顶板破坏声发射特性研究2023年第1期发射信号，分析了探测内部裂纹的产生、扩展及贯通行为，得到不同侧帮高度空区顶板破坏规律，为其安全治理工作的开展提供了参考依据。2.2实验设备及条件试件在辽宁科技大学矿业工程学院实验室YAD-2000KN 单轴压力试验机上进行，其工作原理如图1所示。该仪器与计算机连接，主机可以精确记录试验数据并同步绘制位移载荷曲线。监测仪器为某公司生产的DS2系列全信息声发射信号分析仪，采用8个通道采集信息，将声发射传感器分别设置在顶板的四个侧面（正面3个，背面3个，两侧各1个），以实现整个实验过程中的信号采集。2.3模型制作用C20混凝土制作三个不同侧帮高度试件，试件外形为长方体，顶部及底部长38 cm，宽28 cm，顶板厚度为6 cm，其内部形成采空区，侧帮厚度为5 cm，侧帮高度分别为45、35和20 cm。材料规格配比如表1所示，试件如图2所示。2.4实验步骤（1）根据实验相似材料所对应的配比，分别称出每层所需的混合材料的各种配料，将各种配料均匀混合后，再加入对应的实验用水，均匀搅拌制成最终所需的混合材料。（2）组装木制模具固定放置于平整的地板上，并在模具上涂抹润滑油，将搅拌好的材料倒入其中，置于振动台中充分振动。侧帮高度分别为45、35 和20 cm的试件每组分别制作三个。（3）在室温下养护24 h后脱模，并检查脱模后试件的完整性。（4）将完好的试件在其侧面标记日期并编号，放置养护箱养护28 d后取出，然后放置通风处静置3 d后加载。（5）在YAD-2000KN单轴压力试验机上进行均匀加载试验，加载系统与声发射检测系统同时启动，保证所采集的数据能够根据时间同步对应。通过加载系统及计算机记录空区顶板受载变形过程中的应力应变等参数变化；声发射监测系统监测空区顶板受载变形过程中的声发射活动，并记录声发射参数变化。实验全过程加载速率为0.05 mm/min，通过控制定额位移量完成。实验前需将试样顶板及底部利用砂纸打磨，确保其拥有较高的平整度并符合要求。均布加载铁块布置图如图3所示。3 结果与讨论根据实验结果，发现破坏规律大体一致，因此在各组试件中选用其中一个模型进行试验结果分析。图4为不同侧帮高度空区顶板在纵向加载作用图1声发射分析仪工作原理图Fig.1Acoustic emission analyzer working principle diagram表1材料规格配比Table 1Material specification ratio规格/强度等级配比32.5 MPa水泥1中砂1.028碎石2.175水0.550图2空区物理模型Fig.2Physical model of goaf图3均布加载铁块布置图Fig.3Uniform loading iron block layout87总第179期铜业工程Total 179下其应力和声发射振铃计数与位移的关系图。由图4可知，侧帮高度分别为45、35和20 cm的空区物理模型其顶板在均匀加载条件下所能承受的应力峰值分别约为4.5、4.9和6.1 MPa，顶板达到应力峰值时所对应纵向位移量分别约为 0.30、0.63 和2.00 mm。顶板分别经历了微裂纹压密阶段、弹塑性压缩阶段、塑性变形阶段、完全破坏阶段和破坏后 阶段。（1）阶段I为微裂纹压密阶段。加载初期，在外载荷作用下，空区顶板内部少量的原始微裂纹逐渐闭合，只有极少数的声发射信号产生，声发射活动较弱，空区顶板表面基本没有裂纹扩展；声发射事件数随着应力增加也显现增加趋势，在I阶段末尾处有突增，空区顶板内部孔隙逐渐被压密。（2）阶段II和III为弹塑性压缩阶段。在此阶段内，空区顶板内部裂纹逐渐萌生、贯通，但尚未能够使空区顶板达到破裂状态，振铃计数出现了突增，声发射活动活跃，出现多个极值点，声发射能量波动增长，对应的振铃计数阶段性增长，呈现出“台阶式”变化。阶段III最后一个极值点空区顶板塑性变形阶段的起始点对应的应力-位移曲线也出现应力波动，该点定义的正确性也很好地得到了验证。（3）阶段 IV为塑形变形阶段。空区顶板裂纹继续扩展，裂纹发育较为完全且顶板内部也出现较多裂隙，导致声发射事件数明显上升，此过程持续时间较短，在此阶段内，空区顶板发生显著的脆性破坏。（4）阶段V为完全破坏阶段。此阶段内空区顶板出现大面积贯通裂纹，形成主破裂带；声发射活动十分活跃，出现多个振铃计数极值点，此阶段时间较短，振铃计数出现突增变化。（5）阶段 V 之后的阶段。应力达到峰值后骤降，在此阶段裂纹进一步扩展。由于空区顶板内部裂隙闭合，导致应力再次上升，在达到另一峰值后，声发射事件发生次数较多且振铃计数较大；随后应力逐渐缓慢下降，最终急速下降，空区顶板完全失稳破坏。对比3个试件声发射事件定位图的实验结果，发现得到的破坏规律大体一致，因此选用其中一个模型进行试验结果分析。图5为侧帮高度为35 cm图4不同侧帮高度空区顶板应力、振铃计数-位移曲线Fig.4Stress and ringing count-displacement curves of goaf roof at different sidewall heights（a）45 cm；（b）35 cm；（c）20 cm88张泉等 不同侧帮高度空区顶板破坏声发射特性研究2023年第1期时空区声发射事件定位图，按照时间，将加载全过程分为四个阶段。由图5可知，随着纵向载荷的匀速增加，在顶板所产生的声发射撞击事件开始增多，中心区域尤为明显，裂隙由此区域开始出现，荷载继续增加，顶板周围也开始出现撞击事件，但顶板边界并不产生，后逐