三轴加载充填体围岩耦合体声发射特征研究

王志国，王 瑞，卢聚强，方博然

(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工程实验室，河北 唐山 063210)

充填采矿法作为绿色开采方式，在当今社会中受到高度重视，充填体与围岩的相互作用机理作为充填采矿法的理论支撑，近些年一些学者在充填体与围岩的作用机理、破裂规律方面做出了一定的研究。

修占国等[1]通过对充填体、围岩-充填体进行常规三轴试验，结合电镜、热差分析研究了剪切参数对拱效应理论模型的影响。结果表明，采用围岩-充填体界面参数进行采场竖向应力预估能有效克服Terzaghi理论的局限性。宋卫东等[2]对比三轴加载下全岩柱、岩柱-充填体、中空岩柱三种试件应力应变特征，证明了岩柱与充填体相互影响，共同参与支护，同时利用RFPA模拟验证了组合体作用机理。于世波等[3]基于监测数据和数值模拟探究了充填法中充填体对围岩变形的影响，结果表明，充填体具有承载能力，并抑制围岩的变形。

声发射作为监测岩石、类岩石材料破裂的重要手段，根据声发射参数的变化特点可以反映试件破裂演化过程，因此已被各学者广泛运用。

赵奎等[4]基于声发射对不同浓度的充填体进行单轴压缩试验，探究了充填体破裂过程AE振铃计数，AE累计撞击数和累计能量的比值等参数变化规律。研究表明，AE参数可为不同浓度的充填体稳定性监测、预测提供参考。ZHAO等[5]结合声发射对不同配比的充填体进行单轴压缩试验，揭示了加载过程充填体损伤规律及声发射特性关系。YANG 等[6]基于AE源定位对岩石进行单轴压缩试验，发现裂纹发展和应力演化具有离散的阶段性。董陇军等[7]开展花岗岩失稳破裂的声发射试验，分析声发射能级频次分布和波形频谱变化两类指标在岩石破坏过程中的阶段性特征，给出基于多元声发射指标的岩石失稳评价建议。实现了实验室尺度下岩体破坏阶段的有效辨识。王志国等[8]通过不同岩性围岩与充填体构成的组合体进行循环加卸载试验，结合声发射研究了组合体的破裂特征。程爱平等[9]结合声发射系统对充填体-围岩组合体进行单轴压缩试验。通过AE事件，振铃计数研究了组合体的损伤演化特征，同时建立组合体AE振铃计数与损伤本构方程之间的关系。王明旭等[10]设计充填体与围岩顶板复合体，通过研究单轴加载下复合体的AE定位点分布、振铃计数、AE能量变化特点，揭示了不同厚度顶板下充填体与围岩的作用机理。

基于以上学者研究发现，目前声发射技术在岩石、类岩石材料破裂方面应用相对成熟，主要集中在单一的岩石、类岩石材料。充填体与围岩的作用机理研究方面则主集中在圆柱状组合结构或者圆形采场模型，没有进一步考虑实际采场结构，故与实际采场结构相近的充填体围岩耦合体模型破裂过程的声发射特征研究具有重要意义，研究结果有望为充填体与围岩作用机理研究提供参考。

1 试验原理与试验设计

1.1 试验原理

某矿山采用阶段空场嗣后充填法对矿体进行开采，根据矿体不同厚度设置了18 m开采宽度，30 m、45 m、60 m开采段高。依据此结构参数设计30 mm×18 mm、45 mm×18 mm、60 mm×18 mm三种规格尺寸的矩形采场充填体围岩耦合体模型，其中围岩部分选择强度相近的红砂岩。根据矿山不同开采深度岩体所受水平应力，选取5、10、15 MPa三种侧向压力。

实际矿山中充填采场处于三向应力状态，因此设计拟真三轴加载装置[11]，结合双轴压力机对耦合体模型进行以轴向、侧向为主，第三轴向为辅的三轴加载。通过声发射系统对三轴加载过程的耦合体进行监测，获得耦合体声发射特征参数。拟真三轴装置将声发射传感器有序地排布在耦合体左右两侧加载垫块内，传感器布置图如图1。第三轴向端为固定的端，通过耦合体加载过程产生的膨胀变形对耦合体第三轴向进行被动加载。

图1 声发射传感器布置Fig.1 Arrangement of acoustic emission sensor

1.2 试验设计

1)模型制作

根据耦合体3种不同侧压、不同规格尺寸试验条件，设计9种不同条件的耦合体模型。为降低试验数据的偶然性，每种试验条件制作5个耦合体模型。共设计45块。

使用超高压水切割机在150 mm×150 mm×150 mm立方体红砂岩中心切割出30 mm×18 mm、45 mm×18 mm、60 mm×18 mm三种规格的长方体孔，分别模拟三种段高充填采场的围岩部分。

加工后的围岩模型采用配比1∶4、浓度65%的全尾砂和特制胶凝材料搅拌而成的充填体料浆进行充填。充填前将围岩模型一侧封堵，另一侧浇筑充填体料浆，待充填料初凝后，进行两端刮平。再置于标准恒温恒湿养护箱内，以温度20 ℃，湿度95%的养护环境养护28天。耦合体模型养护完成后如图2所示。

图2 耦合体模型Fig.2 Combination model

2)试验设备

为模拟充填体围岩三轴受力状态，本试验使用RLW-3000微机控制剪切蠕变试验机结合自制拟真三轴装置对耦合体进行三轴加载，其中轴向加载速率为0.3 mm/min。利用声发射监测系统对三轴加载过程中耦合体进行监测，试验设备布置情况如图3所示。

图3 试验设备布置图Fig.3 Layout of experiment equipment

试验中声发射系统门槛电压为45 dB，前置放大器型号为2/4/6，增益设定为 40 dB，频带范围为100 kHz ～400 kHz，采样频率为5 MSPS，PDT(峰值限定时间)、HDT(撞击限定时间)、HLT(撞击锁定时间)设定值分别为50、150、300 μs。

2 试验结果分析

声发射事件率可以反映单位时间内岩石局部破裂的剧烈程度、损伤程度。声发射能量可以反映每次破裂事件所释放的能量大小，进而反映了岩石内部损伤程度。根据耦合体的应力变化特点将其分为孔隙压密阶段Ⅰ、弹性变形阶段Ⅱ、塑性变形阶段Ⅲ、破坏失稳阶段Ⅳ。选择不同侧压、不同采场规格尺寸耦合体对整个加载过程中的AE事件率、AE能量进行分析，揭示耦合体破裂过程声发射参数特征。

2.1 耦合体声发射事件率特征

图4是采场规格尺寸60 mm×18 mm时三种不同侧压耦合体的应力-时间-AE事件率曲线图。图5与图4(a)是侧压5 MPa时三种不同采场规格尺寸耦合体的应力-时间-AE事件率曲线图。

图4 60 mm×18 mm规格尺寸时不同侧压耦合体应力-时间-AE事件率Fig.4 Stress-time-AE event rate of combination with different side pressures under size of 60 mm×18 mm

图5 5 MPa侧压时不同规格尺寸耦合体应力-时间-AE事件率Fig.5 Stress-time-AE event rate of combination with different sizes under 5 MPa side pressure

耦合体AE事件率具有相似的变化特点，以侧压5 MPa耦合体HSCS7-4为例进行分析。471 s前AE事件率的增长速率随着轴向应力逐渐降低。因为耦合体中充填体的强度低于围岩，Ⅰ(a)阶段充填体及附近围岩发生相对较大变形，同时耦合体内部原生孔隙在压缩过程中产生摩擦，造成AE事件率增加，随着轴向应力增加孔隙逐渐压缩密实，变形量减小，AE事件率增长速率降低；471 s后耦合体进入弹性变形阶段Ⅱ，弹性阶段耦合体未产生新的裂隙，故AE事件率进入“平静期”；779 s后耦合体进入塑性变形阶段Ⅲ，轴向应力超过弹性极限值，开始孕育新的裂隙，并且裂隙进一步扩展、连通、贯穿形成宏观裂隙，临近应力峰值一段时间内AE事件率发生突增，达到900次/s。塑性阶段前期属于裂隙稳定扩展阶段，耦合体以较低的速度产生新的微裂隙，部分微裂隙连通、贯穿形成宏观裂隙，所以AE事件率开始增加。塑性阶段后期属于裂隙非稳定扩展阶段，耦合体微裂隙随着轴向应力增加以更快的速度形成更多宏观裂隙，所以AE事件率出现多次突增现象。突增现象对耦合体应力峰值附近宏观破裂起到预警作用；轴向应力超过承载极限，发生宏观破裂，AE事件率突增至整个加载过程的最大值。应力峰后耦合体进入破坏失稳阶段Ⅳ，此阶段宏观裂隙进一步连通、贯穿形成滑移破裂面，破裂面随着轴向应力的增加发生滑移破坏，AE事件率再次出现突增现象。

对比分析表明：孔隙压密阶段Ⅰ随着侧压增加变形时长增加，AE事件率峰值、预警阶段的出现随着侧压增加发生延迟；孔隙压密阶段Ⅰ、AE事件率峰值、预警阶段则随着采场规格尺寸的增加呈现相反的规律，故耦合体随着侧压增加稳定性增强，随着规格尺寸增加稳定性降低。

由于耦合体的非均质性等因素，导致耦合体裂隙发育出现差异，进而每个阶段AE事件率略有一定的差异性。不同耦合体Ⅰ(b)阶段保持平稳或者缓慢降低趋势，不同耦合体弹性阶段保持平稳或者缓慢降低趋势，但是AE事件率整体趋势都有相似性。

2.2 耦合体声发射能量特征

AE能量的大小反映了耦合体破裂程度，为进一步了解耦合体破裂演化规律，对图6不同侧压耦合体的应力-时间-AE能量曲线、图7与图6(a)不同采场规格尺寸耦合体应力-时间-AE能量曲线进行分析。

图6 60 mm×18 mm规格尺寸时不同侧压耦合体应力-时间-AE能量Fig.6 Stress-time-AE energy of combination with different side pressures under size of 60 mm×18 mm

图7 5 MPa侧压时不同规格耦合体应力-时间-AE能量Fig.7 Stress-time-AE energy of combination with different sizes under 5 MPa side pressure

分析耦合体HSCS7-4及其Ⅵ区域放大图发现，AE能量在0～469 s表现出先增加后减小的趋势。孔隙压密阶段，耦合体内部的原生裂隙被压缩，变形量减小，AE能量逐渐减少；469 s耦合体进入弹性变形阶段Ⅱ，耦合体的孔隙进一步被压缩，未产生新裂隙，AE能量保持降低趋势；781 s后耦合体发生塑性变形，AE能量开始增加，并且在应力峰值前能量发生突增，最高达到35 000 aJ。整个塑性变形阶段前期裂隙稳定扩展，耦合体主要形成微裂隙，以及少量宏观裂隙，故AE能量开始增加。后期裂隙非稳定扩展，裂隙以较快的速度连通、贯穿形成大量宏观裂隙，AE能量出现突增现象，这种现象对应力峰值附近的宏观破裂具有一定预警作用；应力峰值过后，AE能量在第一次破裂滑移处突增至最大值39 800 aJ，而后几次滑移破裂处AE能量再次表现出突增现象，直至耦合体完全破坏。

耦合体HSCS1-4、HSCS4-3、HSCS8-5、HSCS9-2的AE能量变化特点与HSCS7-4相似。

对比分析表明：预警阶段的AE能量突增量随侧压的增加出现减少趋势，随着采场规格尺寸的增加逐渐增大；三种侧压耦合体出现AE能量峰值的时间依次是1 086、1 341、1 364 s，AE能量峰值的产生随着侧压增加发生推迟。AE能量峰值依次是39 800、97 100、115 100 aJ，AE能量峰值随着侧压增加出现增大趋势。破坏失稳阶段AE能量最大值随着侧压增加不断增大。耦合体稳定性随着侧压增加逐渐增强。

三种不同采场规格尺寸耦合体产生AE能量峰值的时间依次是1 344、1 168、1 086 s，AE能量峰值随着采场规格尺寸的增加前出现。AE能量峰值依次是67 900、66 400、39 800 aJ，应力峰值附近滑移破裂的剧烈程度随着规格尺寸增加逐渐减弱，AE能量峰值随着采场规格尺寸的增加逐渐减小，耦合体稳定性随着规格尺寸增加逐渐降低。

2.3 耦合体Kaiser效应

岩石在破裂过程中超过先前所受最大应力值时，声发射特征参数显著增加，这种现象称为Kaiser效应。通过Kaiser效应点可以测得岩石先前最大应力，对岩石进行损伤估计。Kaiser效应对岩石塑性阶段宏观破裂起到预警作用，具有一定研究价值。

选取AE事件率进行研究，在应力-时间-AE事件率曲线中发现AE事件率在某一时刻出现激增现象，激增点对应的应力值可以作为Kaiser效应点[12]。

耦合体在加载过程存在两种类型的AE事件率：一种是内部晶体颗粒摩擦导致的AE事件率，另一种是产生裂隙导致的AE事件率。在判断Kaiser效应点时要避免耦合体内部晶体颗粒、孔隙间摩擦造成的AE事件率的干扰[13]，摩擦造成的AE事件率突增点如图8(b)中的A点。

图8是耦合体HSCS7-4与HSCS9-5的Kaiser效应点图，整体上分析发现，Kaiser效应点发生在耦合体塑性变形阶段前期。耦合体在Kaiser效应点前AE事件率几乎处于“平静期”，没有发生较大的变化，Kaiser效应点后AE事件率开始快速增加。因为前期耦合体处于压密变形、弹性阶段，在轴向应力的作用下孔隙压密阶段耦合体原生孔隙被压缩，AE事件率没有突增现象。塑性阶段后，耦合体开始产生微裂隙，导致AE事件率开始增加。当应力超过先前应力时AE事件率出现突增，产生Kaiser效应点。

图8 声发射事件率Kaiser点Fig.8 Acoustic emission event rate Kaiser point

对于每种条件耦合体的Kaiser位置进行统计，如表1。根据统计数据，耦合体出现Kaiser效应点的位置在应力峰值的70%～85%，说明Kaiser效应有效且明显。通过Kaiser效应点得到耦合体先前应力，Kaiser效应点对耦合体塑性阶段宏观破裂具有一定预警作用。

表1 耦合体Kaiser效应点位置Table 1 Position of Kaiser effect point of combination

3 结论

1)AE事件率和AE能量在加载阶段前期处于“平静期”，临近应力峰值前出现突增现象，此现象可以作为耦合体应力峰值附近宏观破裂的预警；AE事件率和AE能量最大值出现在耦合体应力峰值附近的滑移断裂处而非应力峰值处。

2)AE事件率峰值和AE能量峰值随侧压增加推迟产生，耦合体随着侧压增加稳定性增强，AE事件率峰值和AE能量峰值随着采场规格尺寸的增加提前产生，耦合体随着规格尺寸增加稳定性降低。

3)AE能量峰值随着侧压增加逐渐增大，随着规格尺寸增加逐渐减小。预警阶段AE能量突增值随着侧压增加逐渐减小，随着规格尺寸增加逐渐增大。耦合体稳定性随着侧压增加逐渐增强，随着规格尺寸增加逐渐降低。

4)耦合体在应力峰值的70%～85%应力范围内出现明显Kaiser效应；Kaiser效应点对耦合体塑性阶段宏观破裂具有一定预警作用。