矸石胶结充填体损伤演化规律及裂纹扩展特征_赵兵朝.pdf

第 卷 第 期 年 月西安科技大学学报 .赵兵朝，翟迪，陈攀，等 矸石胶结充填体损伤演化规律及裂纹扩展特征 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）通信作者：赵兵朝，男，山西晋城人，教授，博士生导师，：矸石胶结充填体损伤演化规律及裂纹扩展特征赵兵朝，翟 迪，陈 攀，韦启蒙，王瑞峰（西安科技大学 能源学院，陕西 西安；西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安）摘 要：为研究巷柱式残采区不同承载能力煤柱旁矸石胶结充填体（）在单一荷载作用下的损伤演化规律，通过监测单轴压缩（）过程中声发射响应特征、充填体前后超声波波速变化及采用扫描电镜（）观测试样加载后的损伤裂纹断口微观形貌，研究了损伤裂纹由微观到宏观的能量演化规律及裂纹扩展机制。结果表明：胶结充填体强度随 掺量的增大而增大，完整试样的波速均大于破坏后的波速；压密阶段的声发射事件率可作为判定充填体密实胶结的依据，建立了基于声发射事件数的损伤变量 和基于事件点的空间单键群架构，损伤变量 和单键群架构子集尺度 呈现明显的负相关；通过对比分析，主裂纹损伤阈值能量随 掺量的增大而增大，分别为，试件由脆性破坏向延性破坏转变；裂纹演化主要由 种不同的裂纹形核引起。以上可为充填体在矿井充填设计中提供依据。关键词：矸石胶结充填体；单轴压缩；声发射；损伤变量；单键群方法中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，第 期赵兵朝，等：矸石胶结充填体损伤演化规律及裂纹扩展特征 ，：；引 言矸石胶结充填开采（）作为一种绿色开采方法，在降低地表及岩层开采损害的同时，可有效解决煤矸石大量堆积引起的环境污染等问题，尤其是针对西部生态脆弱区。充填体作为支撑采场稳定结构的单元，其承载能力对整个采场的稳定性有着重要作用。因此，研究荷载作用下充填体的损伤演化机制及断口形貌，对充填体的破坏机理认识有着重要意义。目前，学者对充填体的研究主要集中在骨料级配、配比与力学特性的研究。肖博等通过分析应变随级配系数的变化规律，得到 种变形最小的级配组合。冯国瑞等研究了固化初期受载矸石胶结充填体在 中的损伤演化规律，并建立损伤演化模型。李巍等对 种级配的矸石进行侧限压缩试验，建立矸石应力应变与 能量、事件等声发射参数之间的关系。郭育霞等通过分级加载的方式研究了充填体变形破坏特性，并分析了不同应力水平下充填体蠕变特性，建立蠕变本构模型。尹升华等对养护温度、骨料级配等因素对胶结充填体强度、变形及微观结构的影响进行研究。等研究了充填体在 下的损伤演化规律和时效机制，建立了基于声发射特征的充填体 损伤模型。以上研究表明，对于胶结充填体的力学性质及损伤演化已有一定研究，对不同强度下的裂纹形核产生及扩展却鲜有研究。论文通过对 组不同强度的矸石胶结充填体试件进行 试验，实时监测试件在受载过程中的声发射信号，利用声发射振铃、声发射事件点的空间演化表征不同强度矸石胶结充填体的损伤演化过程，建胶结充填体在单轴压缩下的损伤模型。并采用扫描电镜（）观测充填体的微观形貌，分析不同强度矸石胶结充填体的断口形貌及其破坏类型。试验设计 试验原材料及配比原材料为煤基固废（煤矸石、粉煤灰）、水和部分水泥，水泥为 （尧柏牌水泥），粉煤灰为锦界电厂二级浅灰粉煤灰，煤矸石取自陕西榆神府矿区采煤、分选过程中二次破碎产生的固体废物，粗骨料和胶凝材料配合比为 ，粗骨料采用 理论对 ，的连续级配进行矸石粒径分配，水来自西安自来水场，充填质量为。样品拌合后用尺寸为 的圆柱形塑料模具制作，并为每个试验方案准备了 个样品。试样脱模 后，置于恒温恒湿养护箱中进行标准养护（湿度：，温度：）。试验方案见表，矸石颗粒级配见表。表 试验方案 序号粗骨料矸石（）胶凝材料水泥（）粉煤灰（）质量浓度 试验方法文中采用了一系列试验方法对充填体的损伤 破坏进行了研究，首先通过单轴压缩试验测定胶结充填体的宏观力学特性，在试验前后对完整及破坏后充填体进行了超声波波速检测，确定充填体的完整度，进而通过分析整个破坏过程中的声发射事件空间演化规律及与损伤变量之间的关系，将平均能量作为主损伤裂纹产生的阈值，确定引起破坏的关键能量值，最后通过断口形貌分析其裂纹形核生成的原因，具体流程如图 所示。表 各粒径级配占比 序号粒径范围 占比 图 试验流程 单轴压缩试验（）在达到相应的固化时间后，样品按照国家标准 进行 测试。采用中机电子万能试验机进行测试。对 样品进行了 速度的位移加载。在整个荷载破坏过程中，记录每个回填样品的峰值应力和位移。所有测试重复 次，计算平均 值进行进一步分析。超声波检测超声波脉冲速度可用于检测和表征 厚的固体材料的不均匀性。探头产生的脉冲信号在一端传输，在另一端接收，波动信号经转换和放大后，计算出波速、幅度等参数。此外为消除充填体试件与探测器孔隙造成的杂波干扰，在样品端面涂抹凡士林作为耦合剂，并将试样上下表面的超声波探头固定起来进行测量。论文使用（）非金属声学探测（，武汉，中国）来测量充填体压裂前后的。声发射（）监测在进行 同时进行了声发射（）监测，声发射监测系统为 系列全信息声发射信号分析仪。传感器的频率为 。噪声阈值为 。共使用 个传感器来监测样品的声发射信号。监测系统如图 所示。断口形貌分析断裂是充填体受到外力（或应变）作用后的反应，其断口形貌反映了充填体的破坏面结构，通过扫描电镜（）观察、测量和分析断口表面的形貌，研究充填体在受压过程中的裂纹生长和扩展，进而找到充填体失效的原因。在 测试后，从断裂路径选取一小部分样本，使用无水乙醇终止水化，通过（）进行微观分析，确定其裂纹形核点及其扩展方式。试验结果与分析 力学特性不同 掺量的 单轴压缩应力应变曲线如图 所示，峰值强度随 掺量的增大而增大，变形破坏过程可分为 个阶段：孔隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服阶段和峰后破坏阶段。孔隙压密阶段：充填体原生孔隙体积随 掺量增大而增大，这是由于 水化作用程度不同导致 细观结构上的颗粒接触与胶结方式的差异性造成孔隙率不同，这一点与普通软弱岩石有一定相似性。弹性变形阶段：随着 掺量的增加，胶结物质的数量增加，胶凝性增强，裂纹产生需要一定的荷载，且曲线长度增加。屈服阶段：应力应变曲线均表现出非线性的特点，应力应变出现轻微软化，充填体表现为延性特征，非弹性体体积应变增加，应力增加导致充填体会沿平行微裂纹或界面过渡区产生一定量的滑移，出现体积膨胀，这与微裂隙在此阶段密集延伸、扩展以及交叉密切相关，随着 掺量的增加，延性特征减弱，充填体呈现延性向脆性转变的 西 安科技大学学报 年第 卷第 期赵兵朝，等：矸石胶结充填体损伤演化规律及裂纹扩展特征过程。应力下降阶段：该阶段应力稳定下降，应变迅速增加，形成宏观损伤，但充填体破坏后仍有一定的承载能力。图 充填体单轴压缩应力应变 超声波响应特征 试样超声波波速随破坏状态及强度的变化如图 所示，对经过 破坏前后的 试件超声波时域波形图经过快速傅里叶（）得到的频谱图，如图 所示。图 试件破坏前后波速 图 快速傅里叶（）频谱 （）由图 可知，试件超声波波速随 掺量的增加呈现非线性，波速先增长后降低，掺量 时，波速小幅度降低，这是由于 内胶结物质与矸石粗骨料在有限空间内已基本胶结密实，充填体此时已具备一定程度的承载能力，掺量时，过多的 颗粒参与水化反应，产生的气孔多于 掺量为 时，过多的气孔导致波速下降，但由于过多未水化完全的的 及 填充于孔隙、空洞中，增加了充填体的细骨料含量，使得充填体更为密实，强度更高。图 中，初始 与破坏后 试件对超声波不同频率衰减程度不同；完整试件主峰突出，振幅较大并且无多峰现象；破坏后主峰降低、对应的主频减小，主峰不再突出出现多峰现象，这是由于受压破坏后充填体产生裂纹并相互贯穿形成裂隙导致的；整个频谱图整体降低且出现向左偏移现象。声发射特征当 试样的破断信号幅度超过规定的阈值时，产生一个 振铃计数。图 给出了 种不同 掺量的 试件整个压缩变形破坏过程中压缩载荷、振铃计数和累积 振铃计数的实时曲线。如图 所示，在压密阶段（）监测到的 振铃活动非常少，因为初始孔隙、空洞的压密闭合不会导致显著的 活动。在弹性变形阶段（），随着孔隙、空洞周围由于轴向荷载增加导致的剪切 拉伸载荷增加，振铃计数和累积 振铃计数呈线性缓慢增加，说明裂纹的发展相对稳定，但范围和密度不足以形成宏观裂纹，相应的应变能储存在 试样中。点可能是裂缝损伤应力点，与样品的非线性剪切变形有关，同时检测到多个声发射信号。在弹塑性变形阶段（），试件的 事件点明显减少，此时裂纹扩展较小，试件由弹性变形向塑性变形过渡，出现不可逆损伤。进入屈服破坏阶段（），累积振铃计数在 突增，这意味着大量的裂纹萌生和扩展贯通，充填体达到峰值应力。此后，压力载荷变形曲线呈现出轻微的载荷波动，振铃计数与其密切对应，这意味着二次裂纹的突然萌生和不稳定扩展。振铃计数和累积 振铃计数急剧增加，由 试样整体失效引起，试件失去整体强度，但由于试件的摩擦损伤，阶段后的 振铃计数和累积 振铃计数仍高于前 个阶段。图 破坏过程中 振铃计数、累积 振铃计数 图 中观察到了声发射 效应，即曲线波动区域，此时 活动显著增加，弹性变形阶段的 效应是由于原生材料内部不均匀分布导致的裂隙损伤贯通导致的，由此可作为判断 西 安科技大学学报 年第 卷第 期赵兵朝，等：矸石胶结充填体损伤演化规律及裂纹扩展特征 具有大孔隙、空洞的依据。另外，图中 和为裂纹起裂应力和损伤应力，分别对应孔隙压密阶段后弹性变形阶段初始损伤累积时刻应力及塑性变形阶段开始发生不稳定开裂时的应力，这 个应力值是岩体中裂缝不稳定扩展的特征应力参数，可作为预测岩体结构状态的重要指标，对应于图 中的 和 这 点，种临界应力的结果可通过应力应变曲线相对应的值提取，见表。随着 掺量的增加，试件起裂应力 约为峰值应力 的 倍（）、倍（）、倍（）、倍（），与 效应相一致。同时，试件的裂纹损伤应力 约为峰值应力 的 倍（）、倍（）、倍（）、倍（），与 效应并不一致。表 单轴载荷作用下不同组试样的应力阈值 试件编号 损伤演化及裂纹扩展特性 损伤演化与 事件空间尺度相关性 事件点的产生可以反映 内部微裂纹损伤的空间演化规律，图 为 掺量的 试件 事件点空间分布，颜色图例为时间维度，球体大小为能量维度（球体随能量增大而增大）。表 为 组试件不同加载阶段的 事件总数与比例。由 至 掺量试件中声发射事件数分别为，和。可见，随着 掺量增大，强度较大的试件在 过程中表现的整体声发射事件数更多。不同加载阶段，试件中声发射事件数与总事件数的比值随着强度的增大呈现不同的变化规律。在初始压密阶段，该比值从 降到了 ，；在弹性及塑性破坏阶段，比值从 增加到.后又减小至；在峰后破坏阶段，相应比值分别为 ，和。可见，随着强度降低，试件在初始压密阶段声发射事件数与总事件数的比例更大，且能量更大，这是由于水泥水化反应导致原生孔隙、空洞偏多，掺量充填体初始压密阶段声发射事件数为，意味着在一定空间条件下，水化反应生成的浆液与矸石粗骨料之间胶结性最好，此阶段可作为 试件是否胶结密实的判据。图 胶结充填体 事件空间分布 表 不同加载阶段声发射事件数、能量与各阶段比例 ，阶段 能量（）能量（）能量（）能量（）总计 为进一步探究 事件点空间相关性与充填体损伤之间的关系，采用层次聚类中的单键群方 法（，）通过相似度概念将链路分为不同子类簇，子类簇的形成与充填体局部区域的损伤裂纹扩展有一定的相似性，且 子集尺度（事件 子集数）能体现 事件之间的关联程度。子集可以通过 编译器进行可视化实现，如图 所示，图中颜色代表 个 事件点释放的能量平均值。图 胶结充填体 事件 子集分布 损伤变量定义为式（）（）式中 为试件的初始横截面积，；为损伤面积，；为损伤变量（）。若 面完全破坏的 累积计数定义为，单位面积破坏的 计数定义为，与 可列为（）当破坏面积达到 时，区域破坏的 事件累计计数定义为 （）（）考虑试验过程中充填体不可能完全损伤，对损伤变量进行修正，修