基于声发射能量的尾砂胶结充填体损伤演化模型

钱永祥（昆明钢铁控股集团有限公司，云南 昆明 ）

0 前言

随着采矿向深部发展，充填采矿法能有效提高矿石回收率，降低矿石贫化率，因此充填采矿法被广泛应用[1]。但是充填体失稳事故也频繁发生，给井下安全生产活动带来了巨大的威胁，导致充填体失稳破坏甚至坍塌。正是因为充填体在长期应力损失过程中，内部损伤不断积累，最终导致失稳破坏。因此，研究回填土的损伤和失稳预测十分重要。李忠友等人[2-5]从能量的角度分析和描述了准脆性材料的变形和破坏行为，并取得了显著的成果。损伤形式多种多样，变化也不尽相同，但它们都有一个共同的特点，即都是需要消耗能量的不可逆过程。因此，从材料变形破坏过程中的能量耗散特性出发，研究损伤对宏观力学性能退化的影响，建立损伤本构模型是可行的。王传业等[6-7]选取脆性红砂岩进行声发射单轴试验，单参数环计数得到的损伤变量能很好地反映岩石损伤演化特征。基于威布尔分布的应力曲线与实测应力曲线的比较，曹安业的试验拟合方程能更好地反映岩石试样在单轴加载过程中，特别是在高加载速率下的损伤演化过程[8]。基于声发射事件累积次数与应力的关系，徐福伟推导了损伤演化模型，该模型能更好地反映材料在单轴压缩下的损伤演化规律[9]。张子正引入围压卸载系数来描述岩石力学性质的损伤演化特征[10]。宋会得到了不同应变率下循环压缩应力-应变曲线和超声波速度的实时演化结果，并提出了损伤演化模型[11]。王杰在建立岩体损伤演化模型和损伤本构模型时考虑了节理与荷载的相互作用[12]。

1 胶结尾矿充填体循环加载卸载声发射试验

1.1 试验材料

试验所用的级配尾矿均来自大红山矿区的垂直砂仓，其基本物理参数见表1，化学元素校正法结合X光衍射和扫描电镜进行化学成分分析和矿物成分分析的结果见表2。由于大红山矿区的分级尾矿比较细，机械振动筛分法会造成一些细粒组分的损失，所以试验中采用了水筛分法，粒度结果见表3。

1.2 试验过程

表1 尾砂的基本物理力学参数

表3 尾砂的粒径分布

该循环加载和卸载试验的加载模式是第一阶段加载至其单轴抗压强度的50%，加载和卸载以等幅循环进行三次。第二阶段加载至其单轴抗压强度的60%，相同的三个等幅循环卸载至其单轴抗压强度的20%。每个阶段增加10%的单轴抗压强度，并以相同的幅度循环三次，直到失效（见图1）。

图1 循环加载示意图

2 试验结果和分析

2.1 尾砂胶结充填体的损伤模型

经过大量的单调加载和循环加载卸载试验，尾矿胶结充填试样在单调加载条件下的破坏模式见图2。

图2 单调加载下填充试样的破坏模式

一些尾矿胶结充填试样在循环加载和卸载条件下的破坏模式见图3。

图3 循环加载和卸载下填充试样的破坏模式

从图2、3可看出，单调加载下，大部分填充试件表现为纵向劈裂破坏，循环加载和卸载下，大部分填充试件表现为Y形共轭斜剪破坏。结果表明，在循环加卸载条件下，剪应力对回填土的破坏起主导作用，破坏面上的剪应力超过其抗剪强度，导致回填土的破坏。

2.2 胶结尾矿充填体在循环加载和卸载下的声发射能量特征

在外力作用下，固体材料的内部缺陷或不均匀区域会产生应力集中，从而导致微裂纹的产生和扩展。同时，累积的应变能将以弹性波的形式迅速释放。应力波在能量释放的同时产生，这被称为声发射，声发射示意图见图4。

充填体的破坏是能量释放和耗散共同作用的结果。能量耗散使充填体劣化，力学性能下降，而能量释放导致充填体整体失稳破坏。能量是衡量充填体失稳破坏的重要指标。声发射能量是指声发射探头因损坏而接收的部分填充物释放的能量，可表示为图5中信号包络和阈值电压所包围的区域从试验中获得的应力时间能量计数的关系曲线。

图4 声发射示意图

图5 声发射信号的简化波形声发射能量图

从图6、7可看出，累积声发射能量随着时间逐步发展。当加载和卸载处于相同应力水平时，累积声发射能量几乎不变，也就是说，当一个循环加载和卸载的上限应力不大于前一个循环的上限应力时，声发射几乎不发生；从图中还可看出，当应力水平增加时，有明显的声发射现象，累积环数和累积能数上升了一个台阶，进一步证明了填料也具有Kaiser效应。此外，还发现声发射能量计数和环数在循环加载和卸载过程中都呈现出“剧烈平静剧烈”的趋势。从上图可以清楚地看出，当大多数填料接近失效时，存在一个声发射平静期。因此，回填土的破坏可以根据声发射的平静期来预测。

图6 应力-时间-声发射能量曲线

图7 应力-时间-累积声发射能量曲线

3 结论

通过对尾砂胶结充填体在循环加载和卸载条件下的声发射试验，通过对试验数据的处理，可以看出尾砂胶结充填体的声发射能量计数具有明显的阶段性，即当循环加载和卸载的上限应力不大于前一个循环的上限应力时，几乎不发生声发射；当应力水平增加时，有明显的声发射现象，累积能量计数上升一步，证明填料也有Kaiser效应。