充填体失稳破坏前兆识别及破坏形式演化规律研究

梁学健，孙光华，徐晓冬

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210)

0 引 言

充填体作为矿山充填采场的主体材料，在防止采空区塌陷、控制地压等方面具有显著作用，其稳定性决定着采矿作业能否安全生产[1]。因此，研究充填体失稳破坏机制，进而获得其失稳前兆信息，对地下采场的稳定性和矿山的安全生产均具有重要的现实意义。

国内外学者基于室内力学试验对充填体[2-6]开展了大量研究，并取得一系列研究成果。孙光华等[7]通过开展单轴加载试验，构建充填体损伤本构方程，揭示了胶结充填体失稳损伤演化机制；卢宏建等[8]通过单轴加载声发射试验，分析了试件破坏过程中声发射参数变化特征，揭示了充填体破坏裂纹演化机制；程爱平等[9]通过监测胶结充填体试件在单轴压缩过程中的应力、应变变化和声发射参数的时空演化，研究其破坏形式及损伤演化规律。以上研究主要揭示了充填体的承载及破坏机制，而忽略了对充填体失稳破坏的预测。

在充填体破坏机制研究方面，学者多基于声发射监测技术，进而分析其时域参数特征，技术手段较为单一。不少学者通过频谱分析技术[10-14]对岩石破裂过程中的声发射波形进行分析,进而探究其裂纹演化机制。张艳博等[15]通过开展花岗岩单轴压缩声发射试验，提取花岗岩破裂过程声发射信号的能量、主频和主频幅值，研究花岗岩破裂过程中不同破裂尺度对应的声发射信号演化规律。故可以借鉴岩石方面的研究技术，通过时频域结合的方法对充填体的破坏机制进行研究。

本文以不同灰砂比充填体试件为研究对象，通过开展单轴加载声发射试验，提取加载过程中声发射信号的主频值，分析不同加载阶段的主频分布特征以及声发射AF、RA特征值在加载过程中的分布情况，研究充填体失稳破坏前兆信息及破坏形式的演变过程。

1 试 验

1.1 试件制备

充填体骨料选用河北某铁矿全尾砂，胶结剂为冀东42.5号硅酸盐水泥，充填料浆质量分数为70%，灰砂比分别为1∶6，1∶10，1∶15，试件尺寸200 mm×200 mm×200 mm，每种灰砂比试件各制作3块，在养护箱内养护，28 d后开展试验。

1.2 试验装置

试验装置示意图如图1所示，采用TAW-3000三轴压力机开展单轴压缩试验，采用美国物理声学PCI-2型多功能声发射监测系统，对加载过程中不同灰砂比充填体试件声发射场的演化情况进行监测。

图1 试验装置示意图

1.3 试验过程

信号采集系统采用8个AE探头，可以更加准确地获取充填体内部声发射信号。探头布置在模型侧面中线位置，并在充填体和传感器接触部位涂抹凡士林作为耦合剂，用皮筋与胶带固定探头，使其与试件充分接触，如图2所示。将充填体试件置于加载装置并使加载轴线与试件轴线重合，加载方式采用等位移加载，速率为0.15 mm/min，保持声发射监测与加载过程同步进行，直至试验结束，采集加载全过程应力、应变及声发射参数等信息。

图2 声发射探头布置位置

2 结果与分析

2.1 充填体力学曲线及声发射时域参数分析

根据充填体的受力过程，破坏过程大致可分为4个阶段，即压密阶段、线弹性阶段、塑性变形阶段和峰后破坏阶段。限于篇幅，笔者从3组灰砂比试件中各选取1个试件图像进行分析，如图3所示。

(1)压密阶段(OA段)：压密过程历时较短，应力曲线呈“下凸状”，试件内部微裂隙被压密闭合，产生少量声发射信号。灰砂比1∶6和1∶10充填体试件振铃计数率在该阶段较低，1∶15充填体试件较高，原因是随着尾砂所占比例增加，内部初始孔隙随之增加，压密过程中产生较多的声发射信号。

(2)线弹性阶段(AB段)：应力-应变曲线近似线性增长，试件内部裂纹基本被压实并开始萌生新的微裂纹，释放弹性应变能，累计声发射能率快速增长。灰砂比1∶6和1∶10的充填体试件声发射振铃计数率显著增加，1∶15的充填体试件较前一阶段降低。

图3 不同配比充填体应力、声发射-时间曲线

(3)塑性变形阶段(BC段)：曲线呈“上凸状”，进入裂纹非稳定扩展阶段，3种灰砂比充填体试件声发射振铃计数率趋于稳定，累计声发射能率增速减慢。该阶段后期应力接近峰值时(600 s左右)，灰砂比1∶6充填体试件声发射振铃计数率发生“突变”，达到峰值，累计声发射能率出现阶跃式增长，试件累计应变能大量释放，反映内部裂纹快速汇集、贯通成核、形成宏观裂纹。

(4)峰后破坏阶段(C点之后)：峰值应力后，试件内部裂纹迅速扩展、贯通，最终导致充填体完全破坏。声发射振铃计数率降低，随后保持平稳，声发射能率以稳定的速率增长。该阶段后期，灰砂比1∶6的充填体试件声发射振铃计数率小幅增长，累积声发射能率变化加快，试件内储存的应变能几乎全部释放，试件完全失稳；灰砂比1∶10与1∶15的充填体试件声发射振铃计数率趋于稳定。

综上所述，峰值应力随灰砂比降低而随之降低，声发射信号参数变化与裂纹的萌生-扩展-贯通的演化规律呈现良好的一致性：初始压密阶段由于内部裂隙被压密闭合，空隙间颗粒相互摩擦引发少量声发射事件，累计声发射能率与振铃计数率显著增加；弹性变形阶段由于孔隙基本闭合，充填体试件发生弹性变形，裂纹稳定扩展，声发射振铃计数率变化明显，应力呈线性增长；塑性变形阶段，裂纹进入非稳定扩展阶段，声发射累积能率与振铃计数率变化明显，充填体试件在此阶段生成大量新裂纹；破坏阶段随充填体大破坏事件基本完成，充填体内部多元裂纹交错纵横，同时不断衍生细小裂纹，导致充填体介质传递声波性能减弱，故声发射参数值迅速减小。充填体破坏过程声发射信号的动态起伏变化与充填体裂纹的时空演化以及宏观裂纹演化过程(图4)基本契合，因此，利用声发射特征参数的阶段性变化可推得充填体内部裂纹的演化规律。

图4 裂纹演化过程

2.2 声发射主频特征分析

试验过程中声发射波形包含充填体试件破坏的丰富信息，其频域参数变化特征与试件裂纹类型有关，不同频率及频带分布对应着不同类型的微破裂，何满潮等[16]通过对花岗岩进行室内瞬时岩爆模拟试验，研究了不同破裂模式的声发射信号频带分布特征，不同频率的声发射信号代表不同的破裂形式；邓建辉等[17]对大理石分别开展拉伸试验及巴西劈裂试验，通过大理石破坏声发射双主频特征初步认为剪切破坏主要产生高频信号，拉伸破坏主要产生低频信号，主频带差异反映了岩石的破裂特征。因此，可通过充填体破坏过程中声发射信号频域变化特征来推演其内部破裂类型的演化规律。

声发射信号是一种非平稳信号，通过快速傅里叶变换(FFT)可以获取每个声发射信号的主频参数，将声发射波形从时域转换到频域，从而获得频率的分布特征，具体转换过程如图5所示。频谱图中最大幅值对应的频率即为主频值，由图5可知，该声发射波形信号的主频为34.688 kHz，主频幅值为0.549 mV。

声发射信号经过快速傅里叶转换后频率主要分布在0～150 kHz间，且同种灰砂比充填体试件声发射信号频带分布特征基本相同，故每种灰砂比充填体试件选取1块作为代表进行分析。结合充填体声发射信号在不同频带的分布特征，将频带Ⅰ、Ⅱ定为低频带，频带Ⅲ定为中频带，频带Ⅳ、Ⅴ定为高频带，3种频带对应的频率分别为0～60 kHz，60～90 kHz，90～150 kHz。充填体试件失稳破坏过程中不同频带所占比例变化趋势如图6～11所示。

通过观察3种不同灰砂比充填体试件声发射信号频带分布和占比(图7，图9，图11)发现，低频带信号所占比例最大，高频带信号次之，中频带信号占比最少；每种配比的充填体试件随加载的进行低频带信号所占比例呈下降趋势，中频带及高频带信号所占比例呈增长趋势。

灰砂比1∶6的充填体试件低频信号比例占70%～80%，中频信号占3%左右，高频信号占20%～30%；灰砂比1∶10的充填体试件低频信号比例占80%～90%，中频信号占5%左右，高频信号占10%～20%；灰砂比1∶15的充填体试件低频信号比例占80%～95%，中频信号占8%左右，高频信号占0～20%。通过比较发现，随着灰砂比的降低，低频带及中频带信号所占比例升高，高频带信号占比降低。基于此初步推测这种现象与充填体试件破坏过程中微裂纹产生类型及充填体破坏形式有关。3种不同灰砂比破坏过程中低频带信号占据主导地位，初步推测3种充填体试件破坏类型都以拉伸破坏为主；灰砂比从1∶6到1∶15低频带信号呈上升趋势，高频带信号呈现下降趋势，表明充填体试件破坏过程中拉伸型裂纹有所增加，剪切型裂纹有所减少。充填体试件破坏过程中不同频带声发射信号分布具有一定共性，结论的正确性还需进一步分析验证。

图5 声发射信号傅里叶转换示意图

图6 1∶6频带分布

图7 1∶6频带占比

图8 1∶10频带分布

1∶6充填体试件加载到峰值应力的90%时(约610 s)，低频信号占比骤减，中频信号及高频信号占比突增，与前文声发射时域特征参数在该时期的“突变”特征一致；1∶10充填体试件加载到峰值应力的90%时(约500 s)，低频信号占比大幅减少，中频信号及高频信号占比增加比较明显；1∶15充填体试件加载到峰值应力的80%时(约500 s)，低频信号占比同样出现减少趋势，中频信号及高频信号占比增加，综合以上3种不同灰砂比充填体试件在破坏前的频带异常变化特征，可将低频信号占比大幅减少、中高频信号占比增加这一显著特征作为充填体失稳破坏的前兆信息。

图9 1∶10频带占比

图10 1∶15频带分布

图11 1∶15频带占比

2.3 充填体破坏类型与声发射参数AF及RA特 征值分析

充填体的失稳破坏过程主要是由于内部微裂纹萌生、扩张和贯通的过程。充填体在外载荷的作用下，破坏类型主要有张拉破坏、剪切破坏，随着加载的进行两者出现和所占比例不断变化。不同类型的破裂产生不同的声发射信号，张拉型声发射信号以及剪切型声发射信号都是充填体破坏过程中弹性应变能释放而形成的弹性波，该弹性波携带着丰富的充填体破坏特征信息。

何满潮等[18]研究表明，通过声发射参数分析材料的破坏类型时，基本为剪切破坏和张拉破坏2种类型，这2种破坏类型可通过声发射参数RA及AF特征值来判别，RA值为声发射参数中的上升时间和最大振幅的比，平均频率AF为声发射计数和持续时间的比，计算式分别为

(1)

(2)

具有低RA值和高AF特征值的声发射信号意味着张拉裂纹的萌生或扩展贯通，具有高RA值和低AF特征值的声发射信号一般表示剪切裂纹的萌生或扩展贯通(图12)。因此，可以在结合分析充填体宏观破坏特征的基础上，分析不同水平应力下充填体裂纹演化过程。

图12 声发射AF、RA分布及常规裂纹分类

根据上述声发射参数RA、AF计算公式，计算充填体试件破坏过程中不同时刻的RA、AF值，绘制不同应力下声发射参数AF-RA值分布图(图13)。

灰砂比为1∶6的充填体试件在前300 s即压密和线弹性阶段，散点大部分为低RA高AF值，主要分布在张拉破坏区域，原因是充填体内部孔隙被压密闭合后开始形成少量微裂纹，裂纹在发育过程中主要以张拉破裂为主，仅存在极少量剪切破裂；300 s之后充填体试件进入塑性变形阶段，从图13可以看出，进入此阶段张拉破坏区的散点数量基本不变而剪切破坏区域的散点明显增加，表明第三阶段及第四阶段主要发生剪切破坏，原因是进入塑性阶段后充填体试件内部产生大量裂纹并迅速扩展交错贯通，整体破坏过程先张拉破坏再剪切破坏，两者所占比例相当。

灰砂比为1∶10的充填体试件在前30 s时较1∶6充填体试件出现较多低RA高AF值，表明充填体试件内部较早萌生张拉型裂纹；70 s后开始出现少量剪切型声发射信号，表明内部裂纹在压密闭合后出现少量剪切型裂纹；随着加载进行，张拉型声发射信号与剪切型声发射信号都有所增加，张拉型信号占据主导地位，综上所述，1∶10充填体试件压密阶段开始萌生张拉型裂纹，进入线弹性阶段出现少量剪切裂纹，试件以张拉破坏为主，伴随少量剪切破坏。

图13 不同配比充填体AF-RA值分布

灰砂比为1∶15的充填体在前30 s与1∶10的充填体试件裂纹演化模式相同，萌生张拉型裂纹，70 s时大部分仍为张拉型声发射信号，300 s之后出现极少量的剪切型声发射信号，随着加载进行，张拉型声发射信号仍占据绝对主导地位，表明该配比充填体试件破坏为张拉型破坏。

通过分析充填体失稳破坏过程中裂纹类型演化特征，结合前文声发射主频带分布特征，初步验证了上文推测的正确性，即低频带声发射信号主要由张拉型裂纹产生，高频带声发射信号主要由剪切型裂纹产生。灰砂比从1∶6到1∶10，低频带信号占比减少，高频带信号占比增加，对应裂纹类型由张拉型、剪切型裂纹比例相当，逐渐过渡到以张拉型裂纹为主导。出现这种现象主要由于充填体中水泥的含量不同。灰砂比为1∶6充填体试件中水泥含量相对较高，故其刚度和黏结力较高，其抗压强度高于抗拉强度和抗剪强度。单轴压缩下随载荷增加，试件内部张拉与剪切破坏越明显，进而使充填体试件整体出现非同步变形，最终在试件侧面出现宏观裂纹。随着水泥含量的减少，其内部细小颗粒间的黏结力降低，强度也随之降低。随顶部压力增大，充填体试件被逐渐压密，应力传递至充填体试件整体，其抗拉强度低于抗剪强度，水平方向的张拉力更易使试件出现贯穿破坏，试件最终出现张拉型破坏。

3 结 论

(1)不同灰砂比充填体失稳破坏过程中声发射信号频带分布有所差异：低频带所占比例最大，高频带次之，低频带最少。

(2)随着外载荷的增加，低频带信号比例下降，高频及中频信号比例增加：峰值应力前，低频信号的明显减少，中高频信号的明显增加可作为充填体失稳破坏的前兆信息。

(3)声发射参数AF和RA值在不同时刻的分布情况揭示了充填体失稳破坏过程中破坏形式演变过程，不同灰砂比充填体试件破坏形式不同：随着灰砂比的降低，张拉型破坏所占比例逐渐增加，剪切型破坏比例随之降低。