矸石充填体受压裂纹扩展规律及声发射特性研究

程立朝，李文贵，李新旺，秦义岭，郭翔宇，屈正一

(1.河北工程大学 矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038；2.河北工程大学 河北省高校煤炭资源开发与建设应用技术研发中心，河北 邯郸 056038)

随着绿色矿山理念的推广，矸石回填[1]在煤矿开采中得到了广泛应用。矸石回填一方面消耗了煤矸石和粉煤灰的储存量，另一方面有效控制了地表下沉量、缓解了顶板周期压力。矸石作为充填的主要材料，合理的级配直接关系到充填体的强度[3-5]，粉煤灰、水泥等辅料也对矸石充填体的力学性能发挥重要影响[6-8]。钱志等[9]对连续级配矸石进行压缩力学试验，得出原生矸石粒径与矸石充填体应力-应变的关系；Kwon YH[10]从材料性能方面描述了硅灰对充填材料强度作用，进而探讨了硅灰与矿渣的胶体充填效应；程爱平[11]对直径集中在1mm以下的尾砂进行胶结材料的单轴压缩试验，分析了胶结充填体的声发射特性与时空演化规律。这些成果大多都研究了材料特性对大颗粒矸石的力学影响，而对以充填矸骨料水泥等其他胶凝材料对散体矸石的力学性能分析却鲜有研究。

除力学性能之外，充填体的裂隙演化和内部结构变化也影响着充填体的裂纹演化机理。邱继生等[12]在冻融环境下对矸石混凝土的力学损伤特性进行研究得出煤矸石混凝土的损伤定量分析；GUAN X[13]基于超声波技术分析了循环荷载下矸石材料的声发射特性；在裂纹研究方面程立朝等[14]研究了岩石在剪切作用下的裂纹扩展与贯通机制，得出了剪切作用下裂纹演化与岩土破坏的时间、空间关系；成小雨等[15]对岩体预制裂纹破坏细观机理进行阐述；尹晓萌等[16]从三相围压和细观特征对岩石的裂纹发育和扩散进行了研究总结。可见，矸石、岩石、类岩石等材料的声发射与类岩石裂纹发育方面的研究结果颇多，但将矸石作为粗集料回填并研究强度特性、Hit数、裂纹演化与发展机理等方面的研究却较为缺乏。

本文对不同水灰比、胶凝材料条件下矸石充填体抗压破坏时的强度、Hit数与裂纹演化机理等特征进行了实验室试验研究，研究结果对于人们认识矸石充填受压破坏机理具有一定的参考价值。

1 实验装置及方法

1.1 试验装置

试验采用山东济南刚性岩石全自动压力试验机，加载速率为0.01mm/s；索尼相机记录矸石在单轴压缩条件下裂纹演化的全过程图。加载系统如图1所示；美国声学物理公司PAC生产的PCI-2型声发射测试分析系统采集煤矸石试块在抗压过程中的矸石声发射信号数据。声发射监测系统由前置放大器、传感器、信号采集分析装置等几个部分组成，设置声发射仪的采样频率为1MHz，即以每1MHz的频率采集声发射信号，其前置放大器的放大倍数为40dB。

图1 加载系统以及宏观监测设备

1.2 试块成型

试验选用河北省邢台煤矿的煤矸石，矸石为页岩，主要成分为SiO2，经过破碎后通过混凝土标准筛分筛为5～10mm、10～20mm、20～30mm。试件尺寸为100mm×100mm×100mm。试验配比以大孔混凝土配合比作为依据调整。试件成型过程中，室温控制在20±2℃，湿度在95%以上。由不同粒径的煤矸石、水和胶凝材料(硅灰、粉煤灰、水泥)按照一定质量比搅拌均匀，浇筑成型。其质量比见表1。

表1 试件材料配比

1.3 试验过程

试块由不同胶凝材料与矸石颗粒搅拌成型、拆模养护后，选取试件发育较为完整且光滑的两面作为试验的观测面和声发射探头接触面。观测记录后进行抗压试验，抗压试验、声发监测仪与索尼相机三个设备同时进行对矸石充填体的受压过程数据进行收集。

将试件放在试验机载物台上，固定好试块位置，在试验正式开始前，为了减弱加载台对试件造成的端部效应的影响，保证声发射监测系统接收信号正常，在探头与试件接触面涂黄油和双面胶等耦合剂，并且进行声发射信号试采试验。试验正式开始后，需要保证声发射监测系统与裂纹监测系统分别与单轴压缩试验同步进行，同时启动声发射控制台与相机并记录时间为t1，接着启动压力试验机的开始并记录时间t2，用t2-t1为整个试验过程完整的时间，直到试样破坏时视为试验结束。

2 矸石充填体力学与声发射特性分析

2.1 强度特性分析

试件3d应力应变曲线、时间与Hit数关系的变化如图2所示，其中a、b、c与表1中编号a、b、c一一对应。从图2中可以得出：不同条件下，试件3天抗压强度均在3.6MPa左右，基本满足充填体的初期强度要求。试件在抗压破坏过程中Hit率与应力-应变的关系曲线变化趋势比较一致。初始应力至应力曲线斜率突变阶段，a、b、c三类试件的Hit率均维持在较低的水平，到应力达到最大值附近才出现骤增；峰后随着应力的下降，Hit率也相应减少，反映了水灰比、胶凝材料的不同对试件受压破坏过程中的Hit率演化影响并不大，但水灰比、胶凝材料均不同程度地在应力变化中影响着Hit率值的大小，这有益于监控充填体损伤累积的大小。

图2 试块3d强度变形曲线与Hit数

试块a早期强度上升较快，是由于水灰比较小导致泥浆与矸石颗粒之间没有很好的粘结，导致浆体与矸石之间握裹力差而使得试件内部孔隙大，压缩过程中颗粒快速碰撞导致弹塑性阶段应力曲线斜率增大；试件整体Hit较低，原因是水与硅灰、水泥等胶凝材料没有完全进行水化反应。试块b的应力变化随应变增加缓慢上升，强度变化不明显，Hit数也基本没有产生，应力最大值附近Hit数突然棸增随后下降，试件随后进入屈服破坏阶段持续时间也较短，这是因为胶凝材料的水化反应虽然与矸石颗粒产生了握裹力，但水泥颗粒太粗，硅灰太细，但颗粒之间没有很好的粘聚力。试块c粉煤灰的加入增强了硅灰与水泥之间的和易性，水灰比的增加，说明了粉煤灰的掺入增强了矸石颗粒与胶凝材料之间的密实性，矸石颗粒与胶凝材料之间产生了良好的粘聚力。

2.2 声发射特性研究

矸石试块的时间应力关系与Hit数变化曲线如图3所示，从图3(a)—(c)中可以看出，试件在孔隙裂隙压密阶段和弹性变形阶段，随着应力的增加，Hit数发生次数和数值较小，表明在这两个阶段内几乎没有裂纹的萌生或扩展，累积损伤较小，胶凝材料的性能在此阶段作用不明显，活性特征不突出；随着应力的进一步增加，试件处于线性变形阶段，试件表面的原生裂纹开始逐渐形成与扩展，Hit数值逐渐增多且频率增加，表明矸石试件内部累积损伤不断增加，破坏程度不断加剧，在应力值最大之前，矸石内部的裂纹迅速扩展，累积损伤急剧增加，体现在Hit数相应骤增并在应力最大值之后测得最高Hit值，是由于声发射信号通过探头传递给信号采集器需要一定的传输时间；当应力应变曲线进入屈服破坏阶段，试件表面裂纹演化基本完成，Hit数变化却有所增加，是由于试件开始破坏，颗粒间的摩擦增大，损伤加剧。图3(d)各试件累计Hit数的变化，AE活动主要发生在试件的弹塑性、塑性屈服破坏阶段。

图3 试块时间-应力与Hit数曲线图

Hit数最早发生在c类试件，说明粉煤灰的掺入增加了试件内部的颗粒之间的活性，使得胶凝材料与骨料摩擦增大；弹性阶段内，均有Hit数产生，是因为试件内部孔隙基本密实，Hit数主要由颗粒之间的错动、摩擦、碰撞呈现出来，Hit值数量级变化主要因数是粉煤灰活性的激发与水灰比的增加；应力值后Hit数值达到最大，后试件进入破坏变形阶段，试件内部微观变化转变为表面宏观裂纹的扩展。其中图3(c)在弹性变化以及弹塑性变化阶段内声发射活动都较为频繁，原因是粉煤灰中含有大量活性物质SiO2及Al2O3，在搅拌及养护中与Ca(OH)2等碱性物质发生化学反应，生成C-S-H、C-Al-H等胶凝物质，对矸石充填体起到增强作用和堵塞充填体中的毛细组织，提高充填体的活性能力。

图3(d)中表明试块Hit数出现时间间隔分别为13s、6s。且b类试件累计Hit数的斜率最小，a类试件次之，c类试件斜率最大，斜率的变化反映了Hit数随时间增加的变化程度。这是由于水灰比的增加，矸石试件内部颗粒之间的水岩作用增强，水对颗粒的软化作用增强，矸石内聚力增加，Hit数也相应增加；其次，矸石试件裂纹演化和破坏时所需要的轴向应力依次减小，即矸石试块从加载开始直至破坏时所需要的时间相应要提前一些，对应AE声发射率剧增点也提前。

3 矸石充填体受压裂纹演化规律分析

3.1 裂纹宏观演化规律

矸石试块(表1中c)裂纹演化过程与时间应力、Hit率关系如图4所示。

图4 裂纹宏观演化图

从图4中可知：裂纹起裂于孔隙直径较小的位置，表明该处内部结构为胶凝材料胶凝，养护过程中需水不足，矸石与胶凝材料握裹力不足，小孔径多是泥浆气泡形成，与矸石接触面最薄弱的部分；应力的增加，孔隙周围衍生出多条细裂纹连通裂纹逐渐演变成主裂纹，伴随着翼型次生裂纹的出现与扩展，峰后主裂纹贯通形成断面导致试件表面裂纹剥落，主导试件的破坏程度；大孔隙附近裂纹沿孔隙周边延伸主要形成次级裂纹，小孔隙直穿孔径上下贯通多形成主裂纹。

上述可将试件裂纹分为：闭合压密阶段、线弹性阶段、不稳定延伸阶段、峰后变形阶段。图中0A为闭合压密阶段，仅有1号细微裂隙，是由于压密阶段内裂纹对试件的压力发展起支持作用；AB段为线弹性阶段，试件密实后承压能力提高，试件内部裂纹相互挤压体现为2、3、4号裂纹的出现。BE阶段，应力曲线斜率开始变小，裂纹对应力的发展有阻碍作用，3、5号裂纹贯通演化为主裂纹，周围衍生许多次生翼型裂纹，处于不稳定延伸阶段。EF阶段试件表面主裂纹出现，但并没有完全贯通，是由于试件内部颗粒之间还有残余应力支撑作用。

图4(b)中1号裂纹形成于早期的裂纹萌生阶段，位于应力曲线上A点，并在B点逐渐形成1条张拉裂纹，局部受力为张拉受力；随着应力的增加，B点衍生3条裂纹如图4(c)，试件右上方2号张拉裂纹倾斜扩展有与1号裂纹相交的趋势，在应力峰值D点前3号裂纹竖直向下扩展，4号裂纹出现在试件的右下方向上下方演化；5、6号裂纹形成于应力曲线上的C点；应力曲线上D、E两点没有裂纹发生，此阶段内1、3、4、5号裂纹都形成了上下贯通，7、8号裂纹形成于峰后F点。图4中所形成的裂纹1—6号宏观裂纹均在出现在裂纹贯通之前，都为张拉裂纹；7、8号为直通裂纹，发生在最后的贯通之前。

3.2 宏观裂纹贯通机理分析

基于图4(g)图裂纹贯通过程，截取左右两侧断面(图5所示)对裂纹宏观分析如下：裂纹起始的位置均在试件的端部出现，贯通机理从下部裂纹的底端和上裂纹的下端向试件中心延伸，过程中伴随着细观分叉裂纹的形成，分叉的形成导致矸石破裂面局部损伤和剥落，使得矸石破坏面最终呈现出凹凸不平的锯齿形状；受压过程中，试件观测面涵盖了许多原生裂纹、孔隙、初始裂纹形状、直径并未发生明显变化，在试件破坏过程中不占主导作用，对各类试件的Hit数、应力曲线、裂纹贯通影响不大。

图5 c试件裂纹贯通过程图

图6中1—6号裂纹均为贯通之前形成的独立宏观裂纹，其中1、4、5主裂纹与翼型次生裂纹构成了岩桥，左侧4号裂纹的延伸和扩展形成一个闭环，周围的次生裂纹最为复杂，在峰后破坏时试件体积膨胀，试件表面颗粒脱离、剥离；右侧3号裂纹贯通于试件的上下两端；2号裂纹处于应力集中区，沿斜向发展形成裂缝与3号裂纹汇合；7号裂纹是贯通后新出现的裂纹，呈雁列排列与3号裂纹平行，在裂纹的上端与3号相交，下部扩展至试件的中心，裂纹面均呈现张开状态，为张拉裂纹。

图6 矸石宏观破坏图

试件内部孕含着多尺度多层次的微宏观裂隙，在试件表面形成翼型、雁行排列，对翼型、雁行裂纹分布产生的机制，作者阐述如下：试块是由不同尺寸的矸石和胶凝材料搅拌形成的类岩石材料，当没有加载或力很小时，其细微观裂纹沿试件的各个面均匀分布(即岩石的各向同性特性)；随着应力的逐渐上升，与加载方向一致的竖向或靠近竖向方向上的细微观裂纹先起裂和延伸，这是由于试件的抗压强度(剪切破坏)远大于抗拉能力(张拉破坏)，相同的加载方式，张拉裂纹最易形成和扩展；加载过程中，与加载方向一致的细微裂纹尖端所受张拉应力最大，因此，最容易发生张拉开裂和扩展，扩展方向大体上与原裂纹产生共点扩展；随着应力的进一步增大，观测面的原生裂纹及附近与原裂纹相平行或共点的裂纹相继扩展，最终可能贯通成同一条裂纹，部分裂纹可能受相邻裂纹影响而停止发育，形成几条宏观、间断分布、方向近似一致的雁行排列、翼型排列裂纹。

3.3 宏观形态破坏分析

矸石试件宏观破坏如图6所示，图6中体现：水灰比与材料成分不一并不试件的破坏形式，单轴压缩下类岩石材料多裂纹体的扩展具有很强的边界效应，表现为左右边界裂纹率先发育扩展。贯通模式都是由应力集中区向试件中心靠拢，形成整个观测面的宏观破坏，这是由于试件的端部受到轴向压力使得压头与试件顶底部产生摩擦发生位移变形，试件受力从中心向两侧扩散，两侧没有约束力促使体积膨胀裂纹产生。

图6中红色标记为岩桥代表，岩桥靠近节理面处会产生裂纹并向试件内部扩展，导致力学性质弱化。岩桥力学性质的弱化，实质是岩桥内部微裂纹在外部荷载作用下产生破坏，试件表面，微裂隙开始逐步连通直至破坏。图中岩桥可大致分为三种类型：相互挤压型(b)、错位拉伸(a)、复合型(c)。相互挤压型为试件试验过程中上下受压，裂纹沿力学性质弱化面发育，遇到阻力无法继续扩展而形成的一种岩桥，多呈现在试件的中间位置；错位拉伸型岩桥表现为两条平行的裂纹张拉受力过程中，有贯通趋势但延伸方向不一致所形成的岩桥，发生在试件的两侧多呈滑移扩展；有些裂纹既承载剪切又张拉，此时形成的岩桥为复合型岩桥。

4 结 论

1)通过对矸石试件声发射信号的监测可知，应力达到最大值时，随后Hit数值与表面裂纹演化也达到相应最大值，但粉煤灰的掺入能丰富Hit数，是因为粉煤灰中SiO2、Al2O3与矸石中的Ca(OH)2产生水化反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质，对矸石充填体起到增强作用和堵塞充填体中的毛细组织，提高充填体的活性能力。

2)单轴受压条件下，裂纹起裂于试件端部经应力集中区上下发育，裂纹之间排列呈雁行排列，从受力方式来看多为张拉裂纹；弹性变形阶段内，每条裂纹是独立宏观裂纹，随着应力的增加，在与主裂纹共点的面上出现许多翼型裂纹，其扩展方向多与主应力方向一致，雁行、翼型裂纹相互连通扩散，进入峰后，裂纹相互挤压、贯通、胀裂形成裂缝，主裂纹与次生裂纹交错贯通导致试件表面剥落，破坏形式为张拉破坏。

3)矸石试件裂纹演化分为：闭合压密阶段、线弹性阶段、不稳定延伸阶段、峰后变形阶段。闭合压密阶段与线弹性变形阶段内，试件AE信号较弱；不稳定阶段矸石试件AE信号活动剧烈，内部颗粒碰撞明显；峰后变形量大，AE活动骤减。