考虑接触面倾角的充填体—围岩组合体能量特征分析

卢宏建 王奕仁 张友志 薛振林

(华北理工大学矿业工程学院,河北 唐山 063210)

充填采矿通常是由尾砂、水和胶凝剂搅拌形成充填料浆,通过泵送或重力输送至地下空区固结形成充填体,在固结过程中与采场围岩耦合,形成充填体—围岩组合体,为地下采场提供安全作业平台[1-4],其力学过程表现为充填体与围岩相互作用,共同平衡采场地压,即充填体—围岩组合体能量存储、耗散、释放的过程。因此研究充填体—围岩组合体的能量演化特征对认识充填采场稳定性十分重要。

目前分析岩体能量演化特征手段主要有声发射试验和能量理论分析。在声发射特征研究方面:宋卫东等[5]研究了充填体—围岩组合体侧限、三轴压缩试验及其声发射特征;王志国等[6]进行了充填体与围岩组合模型双轴加卸载力学试验及其声发射特征分析;Cao Shuai等[7]开展了尾砂—岩石胶结组合体的三轴压缩试验,分析了组合体受压破坏过程中应力—应变曲线和声发射特征,并基于FLAC3D对试验结果进行了验证。程爱平等[8]通过声发射系统对围岩—充填体组合体进行单轴压缩试验,并基于声发射特征参数分析了组合体在试验过程中的损伤演化特征,建立了累计声发射与损伤本构方程的耦合关系。在能量耗散理论应用方面:Liu X S等[9]通过2种典型岩石的单轴加卸载试验,运用能量耗散理论建立了损伤本构模型用来描述循环加载下岩石的力学行为;Jia Zheqiang等[10]开展了不同深度煤样试件的卸荷破坏试验,分析了随着深度煤试样力学性能的变化趋势,建立了不同深度煤试样峰前能量演化模型,同时使用能量耗散率的大小定义试件裂纹和破坏的发展程度;马德鹏等[11]开展了煤样试件常规三轴和不同卸围压速率的三轴卸压试验,研究了不同路径不同卸荷速率对煤样能量演化特征及规律的影响,建立了基于耗散能的煤样损伤演化模型,并分析了其损伤特征;宫凤强等[12]通过对多种类岩石不同应力水平下单轴压缩一次卸载,发现了岩石到达峰值应力前,存储在试件内部的弹性应变能随着输入试件的总能量呈线性增长的线性储能规律,建立了一种基于剩余弹性能指数的岩爆倾向性判据;刘志祥等[13]根据4种不同灰砂比的充填体力学试验,揭示了不同配比充填体三维损伤耗能规律,并探索了矿床开采过程中岩石三维能量释放规律,根据两者耦合作用的三维能量损耗特征,探讨了充填体与岩石的合理匹配。充填体—围岩组合体包括充填体、围岩、接触面三部分,特别是接触面受矿体赋存条件和开挖方法的限制,具有非线性和倾角特性。综上文献,目前考虑这两个因素的研究不多。

以空场嗣后充填采场为物理原型,将充填体与围岩系统考虑,概化出接触面非线性特性下不同接触面倾角的充填体—围岩组合体实验室尺度模型,基于单轴压缩试验数据对 7 个角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)、2 种灰砂比(1 ∶4、1 ∶8)充填体—围岩组合试件的声发射能量特征和能量耗散特性进行了系统分析,同时对组合体破裂前兆信息表征进行了初探,研究结论可为充填采场稳定性评价提供理论参考。

1 试验方案与分析方法

1.1 试验设备与组合体试块制作

(1)试块材料。试验所用尾砂和围岩采自河北某充填法开采地下矿山,胶结材料选用普通硅酸盐水泥(P.O.42.5),水选用城市自来水。根据文献[14]计算方法与三维激光扫描数据对比,确定地下矿山围岩表面粗糙度为分形维数1.2的界面曲线。对采集的围岩进行加工,将其预切割成a×b=50 mm×50 mm,h=100 mm的标准长方体,沿高度方向的中点切割出与加载方向成不同角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)分形维数1.2的非线性界面。

(2)试块制备。为了减小对充填挡墙的压力影响,采场底部一般采用高强度充填体[15]。根据矿山实际充填灰砂比进行室内试验设计,设计为底部充填体灰砂比1∶4,上部为1∶8,料浆浓度为70%。根据灰砂比和浓度要求称量水泥、尾砂和水,倒入搅拌机中充分搅拌10 min形成均匀料浆,注入预制试模内,沉降后刮平12 h后脱模,试件放入控制温度20±5℃、湿度(90±5)%的恒温恒湿养护箱内28 d。制成50 mm×50 mm×100 mm的充填体—围岩组合体试块。制作过程见图1。试块按灰砂比分为2组,每组中相同接触面倾角的试块数为3个,共需浇筑42个。根据《GB/T 50266—2013工程岩体试验标准》对试件打磨合格后进行单轴抗压强度试验。

图1 组合体试块制作过程Fig.1 Composite test blocks preparation process

(3)试验设备。组合体试块单轴压缩加载试验选用RLW-3000剪切蠕变双轴试验机。选用PAC PCI-2声发射监测系统对试验过程中的组合体试块进行声发射特征参数的采集。试验同步增加摄像机监测系统,分析组合体变形破坏过程与能量特征对应关系及其现象揭示。试验设备如图2所示。图中包括:Ⅰ压力机系统(Ⅰ-1控制主机、Ⅰ-2控制显示器、Ⅰ-3压力机、Ⅰ-4试验试块);Ⅱ摄像机监测系统(Ⅱ-1控制主机、Ⅱ-2控制显示器、Ⅱ-3摄像机、Ⅱ-4光源);Ⅲ声发射监测系统(Ⅲ-1控制主机、Ⅲ-2控制显示器、Ⅲ-3探头)。

图2 试验系统Fig.2 Testing experimental apparatus

1.2 试验数据分析方法

(1)声发射能量特征分析方法。声发射能量是声发射事件信号检波包络线下的面积,能够表征试块内部破裂发生的规模。通过声发射监测系统获得数据后,利用Matlab软件编程计算每秒内试块破坏产生的声发射能量之和——能率,并通过和应力应变曲线对比进行声发射能量特征分析[16]。

(2)能量耗散特性分析方法。根据能量守恒理论,充填体—围岩组合体试块变形破坏都与其自身能量耗散和释放有关,弹性能与耗散能关系曲线如图3所示[17]。

图3 弹性能与耗散能关系曲线Fig.3 Relation curve of elastic energy and dissipated energy

根据热力学第一定律,假定试验中所有外界施加在试块上的能量全部转移到组合体内部,压力机输入的总能量满足如下关系式[18]:

式中,U为轴向载荷对组合体试块做功的总能量,相当于图3中峰值前应力应变曲线的总面积,MJ/m3;Ue为试块储存的可逆弹性变形能,即图3中的阴影部分面积,MJ/m3;Ud为试块破坏过程中内部损伤和塑性变形不可逆的耗散能,MJ/m3。

单轴压缩过程中外界输入的总能量U、弹性能Ue、耗散能Ud[19]:

式中,σi为应力应变曲线上点i对应的应力,MPa;εi为点i对应的应变,初始值为0;Ei为卸荷弹性模量,通常采用初始弹性模量Et代替Ei[20]。

根据能量守恒原理,组合体试块在单轴压缩过程中伴随着非线性关系的能量积聚和耗散,为了定量分析组合体试件在单轴压缩过程中的外界输入总能量在弹性能和耗散能之间的转化关系,利用能量耗散率ω进行分析[21],表达式为

2 试验结果与分析

选取各组具有代表性的试块作为研究对象,在分析典型组合体试块破坏形式与应力应变曲线的基础上,运用试验数据分析方法,进行组合体声发射能量和能量耗散特性分析。

2.1 组合体应力应变曲线与破坏形式

图4为典型组合体试块应力应变曲线[22]。由图可知灰砂比1∶8接触面倾角90°(1∶8-3-90)组合体为脆性破坏,灰砂比1∶8接触面倾角15°(1∶8-3-15)和灰砂比1∶4接触面倾角90°(1∶4-1-90)组合体破坏为脆—延性破坏,其他组合体为延性破坏。脆性破坏应力应变曲线包括:初始压密、弹性、塑性屈服3个阶段。脆—延性破坏和延性破坏包括:初始压密、弹性、塑性屈服、峰后破坏阶段4个阶段。相同接触面倾角组合体,灰砂比1∶4组合体延性效应大于灰砂比1∶8 组合体。

图4 典型组合体试块应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of typical composite test blocks

图5为典型组合体试块破坏形式。灰砂比1∶8组合体表面裂纹多为平行于加载方向张拉裂纹。灰砂比1∶4组合体表面裂纹方向与加载方向多成一定夹角,表现出剪切破坏特征。组合体破坏形式随着接触面倾角的增大,由充填体剪切破坏逐渐过渡到张拉剪切组合破坏。接触面倾角0°、15°和30°时,不同灰砂比组合体破坏均发生在上部充填体部分。接触面倾角45°和60°时,组合体破坏发生在充填体与接触面处,发生沿接触面剪切滑移。接触面倾角达到75°和90°时,不同灰砂比组合体破坏沿两介质接触面扩展,在充填体部分发生破坏之外,围岩也会发生破坏。灰砂比1∶8时,组合体中充填体部分强度较低,容易发生塑性变形和膨胀剪切,萌生次生裂纹数量较灰砂比1∶4组合体少一些。不同灰砂比充填体影响组合体中岩石部分的破裂程度,灰砂比1∶8组合体围岩破坏程度较为严重。

图5 典型组合体试块破坏形式Fig.5 Failure modes of typical composite test blocks

2.2 组合体声发射能量特征

组合体在加载过程中声发射能率和累计能量主要表现为平静期、上升期、活跃期。根据文献[23],材料声发射源产生主要是由组合体孔隙、裂隙压密闭合和骨料之间相互摩擦,组合体内部裂纹萌生、演化和扩展、断裂,断裂面相对滑动等活动导致,不同接触面倾角不同灰砂比组合体表现出的阶段类型和顺序不同。 接触面倾角 0°、15°、30°、45°、60°组合体破坏区域主要发生在充填体和接触面区域,声发射能量幅值较小。在初始压密弹性阶段、塑性阶段、峰后破坏阶段,都有可能发生充填体内部裂隙压密闭合与尾砂颗粒间摩擦、裂纹发育扩展,破裂面滑移现象,造成能率幅值突增,导致组合体能量曲线阶梯性现象明显,同时平静期、上升期、活跃期阶段出现顺序不固定。接触面倾角75°和90°组合体破坏区域包括充填体、围岩、接触面,声发射能量幅值较大。能量曲线平滑,平静期、上升期、活跃期3个阶段依次顺序出现。

图6为接触面倾角0°、15°和30°组合体声发射能量数据图。组合体破坏发生在充填体部分,充填体与围岩接触面没有滑动现象,组合体破坏主要受充填体部分控制。整个过程声发射能率水平较低,整体表现为多点小幅度突增现象。接触面倾角0°组合体,声发射能率峰值出现在应力峰值之前,声发射能率峰值之前能率表现活跃,之后平静。接触面倾角15°和30°组合体,声发射能率峰值前后有多点小幅度能率突增现象。

图6 接触面倾角0°、15°和30°组合体声发射能量数据Fig.6 Composite acoustic emission energy data of contact interface dip angle 0°,15°and 30°

图7为接触面倾角45°和60°组合体声发射能量数据图。组合体破坏发生在充填体部分,充填体与围岩接触面有滑动现象,组合体破坏受充填体和接触面共同控制。整个过程声发射能率值与0°、15°和30°组合体相当,但小幅度突增点数增加明显,由于充填体在非线性接触面上的滑动作用,造成45°和60°组合体声发射能率小幅度突增点数增加明显,累计能量曲线平稳增加,体现了组合体延性破坏特征。

图7 接触面倾角45°和60°组合体声发射能量数据Fig.7 Composite acoustic emission energy data of contact interface dip angle 45°and 60°

图8为接触面倾角75°和90°组合体声发射能量数据图。组合体的充填体和岩石均有破坏,破坏过程的声发射能率整体上呈现为“多点突增—持续增大—激增”的变化趋势,前期表现为充填体破坏特征,后期表现为围岩破坏特征。在数量级上明显大于其他角度的组合体试块。

图8 接触面倾角75°和90°组合体声发射能量数据Fig.8 Composite acoustic emission energy data of contact interface dip angle 75°and 90°

声发射能率幅值大小代表组合体内部变形破坏活动,小幅值代表组合体内微裂纹产生或者破裂面滑动,大幅值代表裂纹贯通。由于组合体内充填体和接触面影响,接触面倾角 0°、15°、30°、45°、60°组合体声发射能率幅值水平较低,且整个过程中没有明显集中区域,很难预测组合体破坏特征。但累计能量曲线和应力应变曲线有很好的相关性,累计曲线的斜率变化代表着组合体应力应变曲线不同阶段,峰后破坏阶段斜率值大小与组合体破坏形式有对应关系。

2.3 组合体能量耗散特征

将实验所得相关数据按照式(2)～式(5)计算组合体破坏过程各能量特征数值,结合应力应变曲线得到不同倾角组合体的能量耗散特征,如图9～图11所示。

图9 接触面倾角0°、15°和30°组合体能量耗散特征数据Fig.9 Composite energy dissipation characteristic data of contact interface dip angle 0°,15°and 30°

图10 接触面倾角45°和60°组合体能量耗散特征数据Fig.10 Composite energy dissipation characteristic data of contact interface dip angle 45°and 60°

图11 接触面倾角75°和90°组合体能量耗散特征数据Fig.11 Composite energy dissipation characteristic data of contact interface dip angle 75°and 90°

随着轴向应变增加,外界输入总能量呈非线性增长趋势,弹性能、耗散能、能量耗散率指标随接触面倾角变化呈不同分配规律变化。结合组合体单轴压缩过程初始压密和弹性阶段(OA)、塑性屈服阶段(AB)、峰后破坏阶段(BC),分析不同接触面倾角对组合体能量耗散特征。

(1)弹性能和耗散能变化规律。不同接触面倾角组合体试块弹性能和耗散能曲线在应力峰值前变化规律一致,弹性能和耗散能呈非线性增加。不同接触面倾角组合体的弹性能和耗散能曲线斜率表现不同规律,弹性能曲线斜率变化不大,但是耗散能曲线斜率随着接触面倾角增加逐渐减小。峰后破坏阶段曲线变化规律与组合体破坏形式有关:延性破坏时弹性能和耗散能呈非线性增加规律,但是耗散能曲线斜率大于弹性能,在出现宏观破坏贯通主裂纹时,两曲线相交,之后耗散能大于弹性能(图9(a)、图9(b)、图9(d)～图9(f)、图10(a)～图 10(d)、图11(b));脆—延性破坏时弹性能呈先增加后减小规律,耗散能呈增大趋势(图9(c)、图11(a)、图11(d));脆性破坏时,弹性能陡降,耗散能陡升(图11(c))。

(2)能量耗散率变化规律。能量耗散率曲线总体呈“先增大,后减小”的变化规律。随着接触面倾角的变化,峰值个数和出现位置表现不同。总体表现为组合体破坏受充填控制时出现1个峰值,组合体破坏受充填体和接触面控制时出现2个峰值,组合体破坏受充填体、接触面和围岩控制时出现多个峰值。当组合体破坏受充填体和接触面控制时,充填体有很好的吸能作用,弹性能和耗散能变化平缓,能量耗散率曲线光滑性好。当组合体破坏受围岩控制时,围岩吸能效果差,弹性能和耗散能变化强烈,能量耗散率曲线锯齿状现象明显。①接触面倾角0°,15°和30°组合体,初始压密和弹性阶段(OA)组合体能量耗散系快速达到峰值,塑性屈服阶段(AB)快速下降,峰后破坏阶段(BC)缓慢下降;但是灰砂比1∶4倾角30°组合体初始压密和弹性阶段(OA)能量耗散率达到了第一个突增值,在塑性破屈服段(AB)中间位置才达到峰值,原因是接触面倾角 0°、15°和30°

组合体破坏主要是受充填体部分控制,但是随接触面角度的增加和灰砂比的增大,接触面倾角已经开始对组合体的能量耗散特产生影响。②接触面倾角45°和60°组合体,组合体破坏受充填体和接触面控制,能量耗散率曲线在达到应力峰值前出现2个峰值,最大峰值出现顺序不固定。③接触面倾角75°和90°组合体,组合体破坏受充填体、接触面和围岩控制,变形破坏过程复杂,在达到应力峰值前,能量耗散率峰值出现了3个以上,灰砂比1∶4组合体表现明显,组合体应力应变曲线在OA阶段中ab段出现的应力曲线的“反弯点”,是由充填体与围岩不协调变形导致的,其引起了能量耗散的变化,出现了能量耗散率峰值突点。

不同接触面倾角组合体能量耗散率变化规律与组合体的应力应变曲线有很好的对应关系,特别是曲线斜率变化可很好地表征弹性能和耗散能之间的转化程度,斜率上升代表组合体内部有裂隙发育扩展过程、曲线峰值代表裂纹贯通、斜率下降代表破坏裂缝滑移错动、耗散能率值小于1%代表组合体失去承载能力。

3 组合体破裂前兆信息表征

试验结果表明组合体变形破坏过程和破坏形式与声发射能量和能耗特征有着密切关系,特别是声发射累计能量和能量耗散率曲线可以很好地分析和预测组合体的破坏活动过程。接触面倾角0°～60°组合体初始压密和弹性阶段时间短,峰后破坏阶段时间长,且峰后有一定的承载能力,表现出很好的延性破坏特征。接触面倾角75°和90°组合体初始压密和弹性阶段时间长,峰后破坏阶段短,脆性破坏特征明显。限于篇幅,仅分析接触面倾角60°和90°

组合体声发射累计能量和能量耗散率与变形破坏过程对应关系,如图12所示。

图12 典型组合体能量特征与破坏演化过程Fig.12 Typical composite energy dissipation characteristic and failure process

(1)接触面倾角60°组合体能量特征与破坏演化过程。①初始压密和弹性阶段(OA),组合体充填体内部裂隙压密,胶结材料断裂,裂纹发育,导致声发射能量一直处在上升期,但是弹性能储存量远大于耗散能量,能量耗散率在此阶段达到峰值;对应破裂过程时间T1,在组合体右侧出现了裂缝a,T1时间前L1区域可以看出累计能量曲线斜率有突增现象。②塑性阶段(AB),原有裂纹a继续扩展,同时扩展新裂纹b(T2)和c(T3),声发射能量仍处在上升期,但此阶段曲线斜率变小;在裂纹b(T2)和c(T3)时间前可以发现累计能量曲线有斜率突增区域L2和L3;此阶段能量耗散率曲线斜率开始快速下降,T2和T3时间点斜率变化明显。③峰后破坏阶段(BC),峰后累计能量曲线有斜率突增区域L4明显大于其他阶段,在T4时间点出现了新的裂缝d、e、f,裂纹发育扩展完成;T4点后裂纹开始发展滑动破坏,导致L5区域累计能量曲线斜率出现小的突增现象,之后能量耗散率小于1%,组合体失去承载能力。

(2)接触面倾角90°组合体能量特征与破坏演化过程。①初始压密和弹性阶段(OA),接触面倾角90°组合体承载强度取决于围岩强度,因此初始压密和弹性阶段充填体内部破坏活动时,声发射能量值相对于整个阶段处于平静期。但是此阶段围岩和充填体储能效果好,能量耗散率达到峰值;不过充填体的破坏活动导致耗散能变化,引起能量耗散率曲线波动现象明显,对应L1和L2区域曲线峰值波动后,在破裂过程时间T1出现了裂缝a和b。②塑性阶段(AB),原有裂纹a沿组合体接触面向下扩展,充填体与围岩接触面剪切摩擦,声发射能量进行入上升期,剪切摩擦引起能量耗散率曲线发生波动区域L3和L4;能量耗散率整体呈快速下降趋势,此阶段有小区域充填体剥落发生(1、2、3),不影响能量曲线变化。③峰后破坏阶段(BC),原有裂缝a和b裂缝开始明显,同时围岩区域出现破坏裂缝c和d,破裂面滑移和围岩区域裂缝的发育导致声发射能量进行入活跃期;后期没有新裂缝发育,原有裂缝扩展直至组合体失去承载能力。

组合体承载能力受充填体和接触面控制时(接触面倾角0°～60°),声发射能量曲线斜率突增后平缓表征裂缝发生,突增值和区域大表征主裂缝发生,突增值和区域小表征次生裂缝发生。组合体承载能力受围岩控制时(接触面倾角75°和90°),声发射能量曲线斜率进入活跃期预示组合体将要失稳,平静期和上升期的能量耗散率曲线斜率峰值区域可以表征组合体裂缝产生的前兆信息。

4 结 论

(1)接触面倾角 0°、15°和30°组合体破坏发生在充填体区域。接触面倾角45°和60°组合体破坏发生在充填体和接触面区域,沿接触面有剪切滑移现象。接触面倾角75°和90°组合体的破坏沿着两介质接触面逐渐扩展,充填体区域发生破坏之外,围岩区域也发生破坏。组合体承载能力受充填体和接触面控制时,破坏多为延性破坏。组合体承载能力受充填体、接触面和围岩控制时,破坏多为脆—延性破坏。

(2)接触面倾角 0°、15°、30°、45°、60°组合体破坏过程声发射能率表现为多点小幅度突增现象,累计能量曲线阶梯性现象明显,平静期、上升期、活跃期阶段出现顺序不固定。接触面倾角75°和90°时表现为“多点突增—持续增大—激增”的变化趋势,幅值数量级高,累计能量曲线平滑,平静期、上升期、活跃期3个阶段依次顺序出现。

(3)不同接触面倾角组合体试块的弹性能和耗散能曲线在应力峰值前变化规律一致,呈非线性增加,耗散能曲线斜率随着接触面倾角增加逐渐减小。峰后破坏阶段曲线变化规律与组合体破坏形式有关。延性破坏时弹性能和耗散能呈非线性增加规律,耗散能曲线斜率大于弹性能,宏观破坏主裂纹贯通时,两曲线相交,之后耗散能大于弹性能。脆—延性破坏时弹性能呈先增加后减小规律,耗散能呈增大趋势。脆性破坏时,弹性能陡降,耗散能陡升。

(4)能量耗散率曲线呈“先增大,后减小”的变化规律。随着接触面倾角的变化,峰值个数和出现位置表现不同。组合体破坏受充填控制时出现1个峰值,组合体破坏受充填体和接触面控制时出现2个峰值,组合体破坏受充填体、接触面和围岩控制时出现多个峰值。组合体破坏受充填体和接触面控制值,能量耗散率曲线光滑性好。组合体破坏受围岩控制时,能量耗散率曲线锯齿状现象明显。

(5)组合体变形破坏过程和破坏形式与声发射能量和能耗特征相关性好。组合体承载能力受充填体和接触面控制时(接触面倾角0°～60°)声发射能率小幅值代表组合体内微裂纹产生或者破裂面滑动,大幅值代表裂纹贯通。声发射能量曲线斜率突增后平缓表征裂缝发生,突增值和区域大表征主裂缝发生,突增值和区域小表征次生裂缝发生。组合体承载能力受围岩控制时(接触面倾角75°和90°),斜率上升代表组合体内部裂隙发育扩展、曲线峰值代表裂纹贯通、斜率下降代表破坏裂缝滑移错动、耗散能率值小于1%代表组合体失去承载能力,声发射能量曲线斜率进入活跃期预示组合体将要失稳。