不同浓度的尾砂胶结充填体破坏过程声发射特性试验研究∗

赵 奎 谢文健 曾 鹏 龚 囱 卓毓龙 於鑫佳 杨泽元 刘周超

(1 江西理工大学资源与环境工程学院 赣州 341000)

(2 江西理工大学 江西省矿业工程重点实验室 赣州 341000)

0 引言

尾砂胶结充填体常作为矿山地下开采的重要承载体，对维护矿山采场的稳定、预防大规模的地压活动具有重要作用，而对其进行稳定性的监测，也成为矿山的重点工作之一。声发射(Acoustic emission,AE)作为无损监测的一种重要手段，可为尾砂胶结充填体的破坏失稳监测提供重要的判别依据。

有关于尾砂胶结充填体方面的研究，近几年，国内外学者主要集中在力学特性[1]、强度确定[2]、损伤模型[3]及充填材料选择[4]等方面。随着声发射技术的发展，越来越多学者开始对充填体的声发射特性进行研究[5−6]。程爱平等[7]对灰砂比为1:4的胶结充填体进行单轴压缩声发射试验，研究了其受压破坏过程的时空演化规律，进而对充填体破裂进行预测。龚囱等[8]对灰砂比为1:4的胶结充填体进行单轴循环加卸载试验，研究了其加-卸载过程中声发射b值特征及破裂响应特征。谢勇等[9]对灰砂比1:8的胶结充填体进行单轴抗压声发射试验，研究充填体受压破坏过程中的声发射能率、b值、能率分形维数与时间的关系特征。孙光华等[10]对灰砂比为1:6的充填体进行单轴抗压声发射试验，建立了以声发射参数为损伤变量的损伤演化方程。这些研究成果，增进了人们对充填体受压破坏过程声发射特性的认识，同时建立了一定的损伤演化及失稳预测判别模型[11−12]，但大都集中在配比、养护龄期方面的研究，很少涉及对充填体浓度方面的研究。

实际充填采矿过程中，矿山地面充填站以一定浓度的料浆输送至地下采空区，但在采空区里经常出现料浆析水沉降现象，水的析出导致采空区上下部分料浆浓度不同，浓度越高其胶结性能越好，相应的充填体强度越高，从而也表现在不同浓度下的充填体受损产生的声发射信号不同[13−14]。因此，有必要对不同浓度的充填体力学特性与声发射特性进行研究。有鉴于此，本文对灰砂比1:4、质量浓度分别为68%、70%、72%的3种尾砂胶结充填体进行单轴压缩声发射试验，分析充填体破坏过程的声发射累计振铃计数、r值、声发射信号主频及相对高频信号激增响应系数特征，探究不同浓度的充填体损伤演化机制及破坏前兆声发射特征，为充填体稳定性声发射监测、预测提供理论依据。

1 试验简介

1.1 试件制备

尾砂骨料取自安徽某矿尾矿库，以P.O42.5硅酸盐水泥为胶结材料，制备灰砂比为1:4、质量浓度分别为68%、70%、72%的充填体试件。试件在模具中浇筑完成后进行脱模养护，在标准恒温、恒湿条件下养护14 天，得到3组浓度试件。其中，A1∼A3浓度为68%；B1∼B3浓度为70%；C1∼C3浓度为72%；试件规格为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。图1为制备好的充填体试件。

图1 充填体试件Fig.1 Test pieces of backfill

1.2 试验系统及设置

试验力学系统为中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT-150C岩石力学加载系统，采用位移加载模式，加载速率为0.002 mm/s。声发射系统采用美国物理声学公司(PAC)研制的PCI-II型声发射仪，声发射传感器为UT-1000型，前置放大器增益为40 dB，门槛值为40 dB，采样率为1 MSPS，采样长度为1000。

2 力学特性

单轴压缩下不同浓度充填体典型的应力-应变曲线见图2。以试件C3为例，充填体受压破坏过程可分为4个阶段：OA段为压密阶段，充填体处于加载初期，曲线呈下凹状，此时充填体内部微孔隙和微裂纹逐步被压实；AB段为弹性阶段，此阶段应力-应变曲线近似线性增长，随着充填体浓度的增加，弹性阶段表现更为明显；BC段为屈服阶段，曲线段呈上凸状，曲线斜率随应力增加逐渐减小为零，此阶段充填体发生塑性变形，并且充填体的浓度越大，屈服应力也越大；CD段为峰后破坏阶段，该曲线段斜率变为负值并持续减小，充填体承载能力逐渐减小，但仍具有一定的承载能力。

3种不同浓度的充填体试件力学参数见表1。A、B、C 三组试件平均峰值强度分别为1.654 MPa、1.890 MPa、2.680 MPa，平均弹性模量分别为0.152 GPa、0.180 GPa、0.274 GPa。说明质量浓度越大，充填体胶结性越好，微孔隙和微裂纹数量越少，峰值强度越大，弹性模量也越大。各试件峰值应变在0.014∼0.020之间。浓度越大，峰值应变整体呈减小趋势。

图2 不同浓度充填体典型的应力-应变曲线Fig.2 Typical stress-strain curve of backfill with different concentrations

表1 不同浓度充填体力学参数试验结果Table1 Test results of mechanical parameters of backfill with different concentrations

3 声发射基本参数特征

3.1 声发射振铃计数

声发射振铃计数反映信号强度与频度，用于破裂源的活动性评价[15]。以A3、B3与C3为例，得到试件峰值强度及峰值累计振铃计数随浓度关系，具体见图3。由图3可知，随着浓度的增加，充填体峰值强度及声发射累计振铃计数都呈增大趋势，说明质量浓度越大，骨料沉降速度降低，使其内部颗粒分布更均匀，结构更加致密，其峰值强度也越大；同时充填料浆离析减少，使试件内部颗粒组成数量相对更多，其颗粒胶结链接总数也越多，导致其破坏产生的微裂纹数量也越多，声发射峰值累计振铃计数也越多。

分析不同浓度试件在各阶段的声发射累计振铃计数变化关系，具体见图4。不同浓度充填体在压密、弹性与屈服阶段的声发射累计振铃计数的变化趋势基本一致。由于声发射振铃计数与加载过程中产生的微裂纹数量密切相关，在压密、弹性与屈服阶段，随着浓度增大，其累计振铃计数也越多，其中72%浓度试件的累计振铃计数最多，表明浓度越大的充填体受压破坏产生的微裂纹数量也越多。

图3 峰值强度、峰值累计振铃计数与浓度关系Fig.3 Relationship between peak intensity,peak cumulative ringing count and concentration

图4 不同浓度试件在各阶段的累计振铃计数Fig.4 Cumulative ringing count of different concentration samples in each stage

3.2 r值特征

图5为充填体典型试件r值、应力与时间关系曲线。分析可知，试件加载初期，r值曲线均呈上升趋势，并达到一个较大值，这表明各试件加载初期内部颗粒之间摩擦、滑移，损伤程度较小，产生了大量低能摩擦型的声发射信号；随着加载继续，r值快速下降到一个较低值；进入屈服阶段，r值持续减小并保持在变化较小的相对稳定阶段，此阶段微裂纹萌生、扩展贯通，损伤程度急剧增加，因此产生大量高能的声发射信号，意味着破裂的开始。随着外载荷的增加，进入缓慢升高阶段，峰值前均保持在该阶段。这一特征可为充填体的破裂失稳判别提供一定的依据。

图5 充填体典型试件应力、r值随时间变化曲线Fig.5 Stress and r value curve with time of typical backfill samples

4 声发射信号频率特征

4.1 声发射信号主频特征

主频为二维频谱图中最大幅值所对应的频率[18−19]。利用Matlab 进行快速傅里叶变换(Fast Fourier transformation,FFT)得到声发射信号主频。图6为尾砂胶结充填体典型试件(A3、B3、C3)破坏过程声发射信号主频和应力随时间变化规律。由图6可知，不同浓度充填体破坏过程声发射信号的主频分布在40∼280 kHz范围，且主要集中在100∼120 kHz频段。

初始压密阶段，试件声发射信号主频分布在80∼100 kHz、100∼120 kHz两个频段内，而72%浓度试件基本不出现100 kHz以下的声发射信号主频；弹性阶段，70%浓度试件声发射信号主频分布范围减小至90∼120 kHz，而68%与72%浓度试件声发射信号主频分布范围不变；屈服阶段，3种浓度试件均开始出现160∼180 kHz频段的声发射信号主频，即相对高频信号激增现象。表明各试件内部损伤以裂纹扩展、贯通成宏观主破裂带为主，预示主破裂即将发生。在主频段数量特征方面，68%浓度试件在屈服阶段的声发射信号主频呈2个频段分布，70%与72%浓度试件呈3个以上频段分布。从声发射信号数量上看，72%浓度试件比70%浓度试件有更多相对高频信号(160∼180 kHz、260∼280 kHz)出现，并且在屈服阶段出现低于60 kHz的声发射信号主频现象。

图6 不同浓度试件应力、主频与时间关系Fig.6 Relationship between stress,dominant frequency and time of samples with different concentrations

综合分析可知，充填体破坏过程中声发射信号的主频，由加载初期的1∼2个主频段(80∼100 kHz、100∼120 kHz)，在临界主破裂时增多到3∼5个主频段(60∼80 kHz、80∼100 kHz、100∼120 kHz、160∼180 kHz与260∼280 kHz)。随着浓度的增加，声发射信号主频频段分布越宽，主要原因是由于浓度与强度有直接关系，试件的浓度越大，则强度也越大，内部所积聚的能量也越大。

4.2 声发射相对高频信号激增响应系数特征

不同浓度充填体试件主破裂前均出现频段为160∼180 kHz的相对高频信号激增现象，分别统计各试件相对高频信号激增的前兆响应系数β[20]。其中，β值越大，代表相对高频信号激增响应时间越早，前兆识别能力更强，其计算公式为

式(1)中：ti为声发射相对高频信号激增出现时间；tj为充填体主破裂时间(峰值应力)。

各试件声发射相对高频信号激增响应系数与平均响应时间见表2。为充填体声发射相对高频信号激增平均响应系数。分析可知，对于峰值应力处破裂时间tj，68%浓度试件tj最大，70%浓度试件tj次之，72% 浓度试件tj最小。表明浓度越大，充填体延性越小，达到主破裂(峰值应力)时间越短。对于声发射相对高频信号激增平均响应系数值来说，68%浓度试件最大，70%浓度试件次之，72% 浓度试件平均值最小，呈递减趋势。充填体浓度越大，声发射相对高频信号(160∼180 kHz)激增响应能力越弱。

表2 声发射相对高频信号激增响应系数Table2 Surge response coefficient of acoustic emission relative high frequency signal

5 结论

(1)随着尾砂胶结充填体质量浓度的增大，充填体试件峰值强度与弹性模量呈增大趋势，峰值应变整体呈减小趋势。

(2)不同浓度充填体试件在压密、弹性与屈服阶段的声发射累计振铃计数变化趋势基本一致。随着浓度增加，产生的声发射振铃计数越多。

(3)声发射累计撞击数与声发射累计能量的比值r值均先升高再持续减小到一个较低值，随着外载荷的增加，进入缓慢升高阶段，峰值前均保持在该阶段。

(4)充填体破裂前兆信息在声发射信号主频分布中呈现主频段增多的现象，主要表现为由加载初期的1∼2个主频段，在临界主破裂时增多到3∼5个主频段。并且随着试件质量浓度的增加，声发射信号主频频段分布越宽，声发射相对高频信号(160∼180 kHz)的激增响应系数呈递减趋势。

上述特征为不同浓度的尾砂胶结充填体的破坏失稳监测预测提供了基础依据。