矿岩复合体加载损伤破坏的三维定位及表征

王 明 旭

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉，430081；2.惠州市国土资源局，广东 惠州，516003)

对于采用充填采矿法的矿山，当矿石全部采出并充填完毕后，由于围岩与充填体的强度相差较大，存在充填体失效问题，故有必要进行充填体/围岩复合体的承载能力及稳定性分析。另外，矿山地质情况复杂，矿石中多含有强度不等的岩体，因此由不同强度矿岩组成的复合体的力学变形特征也是一个重要的研究课题。岩石类材料在受载时，其内部微裂纹萌生、扩展、断裂并以应力波的形式释放能量，称为声发射(acoustic emission,AE)现象，应用声发射监测设备探究岩石内部损伤破坏特点是目前较理想的技术手段之一。研究人员在不同形式的荷载作用下，进行了白云岩[1]、花岗岩[2]、盐岩[3-4]、石灰岩[5]、白云岩[6]、铅锌矿岩[7]、煤岩[8-9]、大理岩[10]等破坏过程的声发射试验研究。另外，余乐兴[11]研究了不同粒级充填体在单轴压缩条件下的力学性能及声发射特性；谢勇等[12]分析了充填体在整个压缩破坏过程中的声发射能率、声发射b值、声发射能率分形维数与时间的关系曲线；龚囱等[13]通过单轴循环加卸荷试验研究了胶结充填体在加载、卸载过程中的声发射b值特征。

上述大多是单独针对矿岩或充填体的研究成果，而目前对充填体与围岩或不同强度岩石组成的矿岩复合体力学变形特征的研究较少。为此，本文应用内部AE点可定位和可视化的三维成像声发射仪，通过室内模拟试验，进行不同强度组合的矿岩复合体在轴向加载作用下的声发射监测，根据声发射点、振铃计数和能量值变化来定位复合体的内部损伤破坏。同时，为了形成更加全面的复合体损伤破坏表征体系，本文还借助软塑料薄片对复合体接触区域进行损伤破坏表征，并应用分形理论对复合体内部损伤破坏引起的表壁裂纹扩展特征进行评价。

1 试验工况设计及试样制备

考虑矿山实际情况，本文设计了3种复合体模型进行室内模拟试验：

(1)工况一：上下两分矿岩复合体(1#试样)。对不同强度的矿岩进行钻孔、切割并打磨成直径D=50 mm、高度H=50 mm的圆柱体，然后将两种岩样粘贴在一起，其中，下部矿岩的强度约为上部矿岩的1.2倍。

(2)工况二：上中下三分矿岩复合体(2#试样)，其中上下部分的矿岩相同，中间为强度较低的矿岩，上下矿岩的强度约为中间矿岩的2倍。上下矿岩打磨成直径D=50 mm、高度H=40 mm的圆柱体，中间矿岩打磨成直径D=50 mm、高度H=20 mm的圆柱体，将3部分粘贴在一起。

(3)工况三：上中下三分配比复合体(3#试样)。根据相似原理用配比试样模拟矿山现场的胶结充填体与围岩的相互作用。上下部分模拟矿岩配比，中间部分模拟胶结充填体配比。3个部分的尺寸与连接方式与工况二相同。

室内模拟试验应满足的相似判据如下：

(1)

式中：Cσ为应力相似常数；Cl为几何相似常数；Cγ为容重相似常数。

考虑到小型复合体配比试样的边界条件和加载尺度，此处主要满足强度比相等。模拟矿岩采用水泥、矿粉配比为1∶6，其最大抗压强度为10.751 MPa，模拟充填体采用水泥、河砂配比为1∶12，其最大抗压强度为0.711 MPa，而现场矿岩最大抗压强度为20.016 MPa，现场胶结充填体的最大抗压强度为1.560 MPa，各相应强度比值近似为1，满足相似原理。

2 试验方法

通过WAW-300型微机控制电液伺服万能试验机施加荷载，待加载设备的找平装置与试样充分接触后，以0.25 kN/s的速率匀速加载。每隔1 kN记录一次声发射点的分布情况，直到试样破坏。声发射监测设备选用DS2系列全信息声发射信号分析仪。通过超声波仪完成断铅测试后，在复合体试样表壁紧密粘贴6个声发射探头进行相应测试。

为了更好地监测复合体矿岩接触面的损伤破坏情况，将透明的PVC塑料薄片置于上下矿岩之间，加载试验结束后借助放大倍数为100倍的电子显微成像设备和JSM-6610型扫描电镜分别对软塑料薄片表壁和破损横断面进行观察。

为了更加全面地评估复合体的损伤破坏，采用与试样表壁面积相同的透明塑料薄片覆盖加载破坏后的试样表壁，进行裂纹线描画，然后通过图像处理软件形成电子裂纹分布图，再应用分形理论求出其分形维数。

3 试验结果与分析

3.1 声发射点和能量分布

(1)1#试样：上下两分矿岩复合体

这里主要研究两种不同强度矿岩复合体在轴向加载作用下的声发射情况。图1为试样的试验力-位移曲线，图2为试样产生损伤时的实物照片，图3为试样加载过程中的AE点分布情况。

图1 1#试样的试验力-位移曲线

图2 1#试样损伤时的实物照片

(a)44 kN (b)60 kN

(c)80 kN (d)破坏时

图31#试样加载过程中的AE点分布

Fig.3DistributionofAEpointsofSample1#duringtheloadingprocess

由图3可以看出，AE点主要集中在两处：①找平装置与复合体上部接触面，这是因为两种岩体的强度差异和节理裂隙导致试样在加载过程中发生了错动；②复合体下部矿岩处，因为矿岩局部区域存在较多夹石，这里最先产生损伤破坏，造成AE点聚集。同时结合图2可以看出，由于破坏裂纹直接贯通上下部的矿岩，造成两种不同介质之间的接触面和接触带附近AE点集中。

(2)2#试样：上中下三分矿岩复合体

图4为2#试样的试验力-位移曲线。从图1和图4可以看出，对于由两种矿岩组成的复合体，无论是上下两分还是上中下三分，其试验力-位移曲线具有相似的变化规律。复合体加载前期，在试验力缓慢增大的过程中，试样位移迅速增加，当位移达到约0.75 mm后，两种复合体均开始出现位移随试验力增加而近似线性增大的变化特点。当两种复合体受到最大承载力发生较大破坏后，在位移继续增大时，试验力的变化并没有出现单一岩石常见的脆性破坏现象，而是表现出较大的残余位移能。

图4 2#试样的试验力-位移曲线

图5所示为不同试验力作用下2#试样的AE点分布情况。由图5可见，在加载过程中，AE点首先发生在复合体上下两端，随着载荷的增大，上下两端的AE点逐渐增多；当试验力达到60 kN时，发生在复合体内部各处的AE点开始明显增多，直至破坏前的80 kN时，复合体内AE点剧增， 试样在载荷达到最大值而破坏时，其内部各处比较均匀地产生AE点。另外，在加载后期，矿岩上下接触带附近产生密集的AE点，表明非均匀接触对复合体损伤破坏产生较大的影响。

(a)1 kN (b)5 kN (c)10 kN (d)20 kN (e)30 kN

(f)50 kN (g)60 kN (h)70 kN (i)80 kN (j)破坏时

图5不同试验力作用下2#试样的AE点分布

Fig.5DistributionsofAEpointsofSample2#underdifferenttestforces

试验过程中同时发现，AE点在试样夹石区比较集中。图6为2#试样产生损伤时的实物照片及对应的AE点分布图。由图6可见，由于复合体上部矿岩存在倾斜状的夹石区并发生破坏，相应出现了倾斜的AE点集中区域；下部区域因夹石不规则分布于矿岩中导致其发生较大破坏，相应形成AE点密集区域。

图6 2#试样损伤时的实物照片和对应的AE点分布

Fig.6PhotoandAEpointsdistributionofthedamagedSample2#

在2#试样加载过程中，其应力、AE振铃计数和AE能量随时间的变化如图7所示。由图7(a)可见，试样所受应力随时间呈现3个变化调整阶段。由图7(b)可见，随着加载的进行，AE振铃计数在复合体加载初期和破坏时期较多。这是因为，根据矿岩地质情况来看，从矿山取样的矿石中含有较多强度较低的硬石膏，在较小荷载作用下，硬石膏夹石处就开始发生破坏，产生较多AE振铃数；当试样的夹石区域全部破坏、形成没有承载能力的微裂隙后，复合体主要靠矿岩承载；随着加载的进行，AE振铃数变化较平稳，直到最后复合体将要破坏时，AE振铃数开始大量产生。由图7(c)可见，加载过程中复合体的AE能量变化与AE振铃计数的变化规律比较接近。

(a)应力-时间

(b)AE振铃计数-时间

(c)AE能量-时间

图72#试样的应力、AE振铃计数和AE能量随时间的变化曲线

Fig.7Variationsofstress,AEringcountandAEenergyofSample2#withtime

(3)3#试样：上中下三分配比复合体

在上中下三分配比复合体加载试验中，通过其试验力-位移曲线(见图8)的变化可以看出，复合体在位移为1.0～1.5 mm期间有两次应力动态调整过程。3#试样破坏时的实物照片和对应的AE点分布如图9所示。由图9可见，随着载荷的加大，AE点在充填体区域大量集中；从试样的破坏情况来看，充填体区域出现倾斜状的破坏裂纹。

图8 3#试样的试验力-位移曲线

图9 3#试样破坏时的实物照片和对应的AE点分布

Fig.9PhotoandAEpointsdistributionofthebrokenSample3#

3#试样加载过程中的应力-时间曲线如图10所示，其AE振铃计数和AE能量随时间的变化如图11所示。在加载前期，复合体配比试样通过找平装置调整的时间较长并且需要经历压密的过程，表现在应力-时间曲线上就是前500 s的应力值很低，相应的AE振铃计数-时间变化曲线在前500 s时很稀疏(见图11(a))，且数值较加载后期的振铃计数值小。从AE能量的释放特点来看，其在加载前期出现近10次突变释放(见图11(b))，之后能量释放出现突变并维持在一定的水平。这是因为，对于充填体与矿岩组成的复合体，两种介质的力学性能差异较大，在轴向荷载作用下(未达到矿岩的破坏强度时)，充填体首先发生内部破坏，形成多次能量的集中释放，待荷载达到一定强度，主要由矿岩和具有残余应力的充填体共同承载，相应的矿岩破坏较微弱，直到充填体完全破坏而试验结束。在这一过程中，由矿岩破坏产生的能量大量释放未能出现。

图10 3#试样的应力-时间曲线

(a)AE振铃计数-时间

(b)AE能量-时间

3.2 复合体矿岩接触面的损伤情况

通过电子显微成像设备和扫描电镜对置于矿岩之间的软塑料薄片的加载破坏情况进行观察和扫描分析，结果如图12所示。由图12(a)可见，由于传递至矿岩接触面的载荷不均，软塑料薄片局部出现了明显的收缩折痕和损伤破坏，而在组装复合体发生错动破坏的部位，相应延伸到接触带区域的软塑料薄片产生巨大的拉伸，导致其破坏分离(图中椭圆标注处)。由图12(b)可见，不同破坏区域的横截面上出现局部材质分离、孔洞等现象。

(a)表壁显微成像

(b)横截面SEM照片

3.3 复合体表壁裂纹及分形维数

考虑到不同工况组装复合体加载破坏之后的完整性，比较其中的上下两分矿岩复合体(1#试样)和上中下三分配比复合体(3#试样)的表壁裂纹扩展情况，如图13所示。应用分形理论，通过盒维数法计算试样表壁裂纹的分形维数，结果如表1所示。

分形维数能够较好地表征复合体表壁裂纹的扩展分布。对于相同类型试样，表壁损伤破坏程度不一，裂纹扩展丰富程度不同，相应的分形维数值也不一样，具有可比较的规律性。对于不同类型复合体试样，分形维数主要从复合体各部分之间的比较来评判各部分的损伤破坏情况。由表1可见，对于上中下三分配比复合体(3#试样)，与上部和下部矿岩相比，其中部充填体表壁裂纹的分形维数低得多，这是因为充填体的强度远低于矿岩强度，在载荷作用下，充填体中的裂纹还没有完全扩展充分时，就已经在充填体内部产生了较大的损伤破坏，形成大的深度裂纹，导致试样发生破坏而终止试验，而配比矿岩则实现了裂纹的较充分扩展，最后形成分形维数的差异；对于上下两分矿岩复合体(1#试样)，由于下部矿岩中的夹石相对较多，其破坏情况较上部矿岩要复杂，分形维数也比上部区域的分形维数略小。从两种复合体试样的表壁裂纹分形维数的对应情况来看，组装复合体中各部分的强度相差越大，复合体的损伤破坏就越严重。

(a)1#试样

(b)3#试样

1#试样区域岩性分形维数上部矿岩A0.9444中部——下部矿岩B0.94293#试样区域岩性分形维数上部配比矿岩0.8699中部配比充填体0.5236下部配比矿岩0.8541

4 结论

(1)在加载初期。复合体中AE点较少，复合体将要发生破坏时AE点剧增，同时复合体内部的AE点集中区域存在较大的宏观可见的破坏裂纹。AE点从发生到剧增体现了复合体内部裂纹萌生、扩展积累直至破坏的过程，因此声发射监测是研究矿岩复合体损伤破坏的有效手段。

(2)由于复合体的矿岩中分布夹石，在载荷作用下夹石区率先发生屈服破坏，矿岩接触面由加载前的充分接触到加载后的非均匀接触，导致接触面的裂纹损伤破坏。

(3)借助显微成像设备和电镜扫描，通过软塑料薄片表征两种不同强度材料之间接触面的相互作用是可行的，而对表壁裂纹的分析也有助于复合体损伤破坏的准确评估。