礦巖復合體加載損傷破壞的三維定位及表征

王 明 旭

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢，430081；2.惠州市國土資源局，廣東 惠州，516003)

對于采用充填采礦法的礦山，當礦石全部采出并充填完畢后，由于圍巖與充填體的強度相差較大，存在充填體失效問題，故有必要進行充填體/圍巖復合體的承載能力及穩定性分析。另外，礦山地質情況復雜，礦石中多含有強度不等的巖體，因此由不同強度礦巖組成的復合體的力學變形特征也是一個重要的研究課題。巖石類材料在受載時，其內部微裂紋萌生、擴展、斷裂并以應力波的形式釋放能量，稱為聲發射(acoustic emission,AE)現象，應用聲發射監測設備探究巖石內部損傷破壞特點是目前較理想的技術手段之一。研究人員在不同形式的荷載作用下，進行了白云巖[1]、花崗巖[2]、鹽巖[3-4]、石灰巖[5]、白云巖[6]、鉛鋅礦巖[7]、煤巖[8-9]、大理巖[10]等破壞過程的聲發射試驗研究。另外，余樂興[11]研究了不同粒級充填體在單軸壓縮條件下的力學性能及聲發射特性；謝勇等[12]分析了充填體在整個壓縮破壞過程中的聲發射能率、聲發射b值、聲發射能率分形維數與時間的關系曲線；龔囪等[13]通過單軸循環加卸荷試驗研究了膠結充填體在加載、卸載過程中的聲發射b值特征。

上述大多是單獨針對礦巖或充填體的研究成果，而目前對充填體與圍巖或不同強度巖石組成的礦巖復合體力學變形特征的研究較少。為此，本文應用內部AE點可定位和可視化的三維成像聲發射儀，通過室內模擬試驗，進行不同強度組合的礦巖復合體在軸向加載作用下的聲發射監測，根據聲發射點、振鈴計數和能量值變化來定位復合體的內部損傷破壞。同時，為了形成更加全面的復合體損傷破壞表征體系，本文還借助軟塑料薄片對復合體接觸區域進行損傷破壞表征，并應用分形理論對復合體內部損傷破壞引起的表壁裂紋擴展特征進行評價。

1 試驗工況設計及試樣制備

考慮礦山實際情況，本文設計了3種復合體模型進行室內模擬試驗：

(1)工況一：上下兩分礦巖復合體(1#試樣)。對不同強度的礦巖進行鉆孔、切割并打磨成直徑D=50 mm、高度H=50 mm的圓柱體，然后將兩種巖樣粘貼在一起，其中，下部礦巖的強度約為上部礦巖的1.2倍。

(2)工況二：上中下三分礦巖復合體(2#試樣)，其中上下部分的礦巖相同，中間為強度較低的礦巖，上下礦巖的強度約為中間礦巖的2倍。上下礦巖打磨成直徑D=50 mm、高度H=40 mm的圓柱體，中間礦巖打磨成直徑D=50 mm、高度H=20 mm的圓柱體，將3部分粘貼在一起。

(3)工況三：上中下三分配比復合體(3#試樣)。根據相似原理用配比試樣模擬礦山現場的膠結充填體與圍巖的相互作用。上下部分模擬礦巖配比，中間部分模擬膠結充填體配比。3個部分的尺寸與連接方式與工況二相同。

室內模擬試驗應滿足的相似判據如下：

(1)

式中：Cσ為應力相似常數；Cl為幾何相似常數；Cγ為容重相似常數。

考慮到小型復合體配比試樣的邊界條件和加載尺度，此處主要滿足強度比相等。模擬礦巖采用水泥、礦粉配比為1∶6，其最大抗壓強度為10.751 MPa，模擬充填體采用水泥、河砂配比為1∶12，其最大抗壓強度為0.711 MPa，而現場礦巖最大抗壓強度為20.016 MPa，現場膠結充填體的最大抗壓強度為1.560 MPa，各相應強度比值近似為1，滿足相似原理。

2 試驗方法

通過WAW-300型微機控制電液伺服萬能試驗機施加荷載，待加載設備的找平裝置與試樣充分接觸后，以0.25 kN/s的速率勻速加載。每隔1 kN記錄一次聲發射點的分布情況，直到試樣破壞。聲發射監測設備選用DS2系列全信息聲發射信號分析儀。通過超聲波儀完成斷鉛測試后，在復合體試樣表壁緊密粘貼6個聲發射探頭進行相應測試。

為了更好地監測復合體礦巖接觸面的損傷破壞情況，將透明的PVC塑料薄片置于上下礦巖之間，加載試驗結束后借助放大倍數為100倍的電子顯微成像設備和JSM-6610型掃描電鏡分別對軟塑料薄片表壁和破損橫斷面進行觀察。

為了更加全面地評估復合體的損傷破壞，采用與試樣表壁面積相同的透明塑料薄片覆蓋加載破壞后的試樣表壁，進行裂紋線描畫，然后通過圖像處理軟件形成電子裂紋分布圖，再應用分形理論求出其分形維數。

3 試驗結果與分析

3.1 聲發射點和能量分布

(1)1#試樣：上下兩分礦巖復合體

這里主要研究兩種不同強度礦巖復合體在軸向加載作用下的聲發射情況。圖1為試樣的試驗力-位移曲線，圖2為試樣產生損傷時的實物照片，圖3為試樣加載過程中的AE點分布情況。

圖1 1#試樣的試驗力-位移曲線

圖2 1#試樣損傷時的實物照片

(a)44 kN (b)60 kN

(c)80 kN (d)破壞時

圖31#試樣加載過程中的AE點分布

Fig.3DistributionofAEpointsofSample1#duringtheloadingprocess

由圖3可以看出，AE點主要集中在兩處：①找平裝置與復合體上部接觸面，這是因為兩種巖體的強度差異和節理裂隙導致試樣在加載過程中發生了錯動；②復合體下部礦巖處，因為礦巖局部區域存在較多夾石，這里最先產生損傷破壞，造成AE點聚集。同時結合圖2可以看出，由于破壞裂紋直接貫通上下部的礦巖，造成兩種不同介質之間的接觸面和接觸帶附近AE點集中。

(2)2#試樣：上中下三分礦巖復合體

圖4為2#試樣的試驗力-位移曲線。從圖1和圖4可以看出，對于由兩種礦巖組成的復合體，無論是上下兩分還是上中下三分，其試驗力-位移曲線具有相似的變化規律。復合體加載前期，在試驗力緩慢增大的過程中，試樣位移迅速增加，當位移達到約0.75 mm后，兩種復合體均開始出現位移隨試驗力增加而近似線性增大的變化特點。當兩種復合體受到最大承載力發生較大破壞后，在位移繼續增大時，試驗力的變化并沒有出現單一巖石常見的脆性破壞現象，而是表現出較大的殘余位移能。

圖4 2#試樣的試驗力-位移曲線

圖5所示為不同試驗力作用下2#試樣的AE點分布情況。由圖5可見，在加載過程中，AE點首先發生在復合體上下兩端，隨著載荷的增大，上下兩端的AE點逐漸增多；當試驗力達到60 kN時，發生在復合體內部各處的AE點開始明顯增多，直至破壞前的80 kN時，復合體內AE點劇增， 試樣在載荷達到最大值而破壞時，其內部各處比較均勻地產生AE點。另外，在加載后期，礦巖上下接觸帶附近產生密集的AE點，表明非均勻接觸對復合體損傷破壞產生較大的影響。

(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)破壞時

圖5不同試驗力作用下2#試樣的AE點分布

Fig.5DistributionsofAEpointsofSample2#underdifferenttestforces

試驗過程中同時發現，AE點在試樣夾石區比較集中。圖6為2#試樣產生損傷時的實物照片及對應的AE點分布圖。由圖6可見，由于復合體上部礦巖存在傾斜狀的夾石區并發生破壞，相應出現了傾斜的AE點集中區域；下部區域因夾石不規則分布于礦巖中導致其發生較大破壞，相應形成AE點密集區域。

圖6 2#試樣損傷時的實物照片和對應的AE點分布

Fig.6PhotoandAEpointsdistributionofthedamagedSample2#

在2#試樣加載過程中，其應力、AE振鈴計數和AE能量隨時間的變化如圖7所示。由圖7(a)可見，試樣所受應力隨時間呈現3個變化調整階段。由圖7(b)可見，隨著加載的進行，AE振鈴計數在復合體加載初期和破壞時期較多。這是因為，根據礦巖地質情況來看，從礦山取樣的礦石中含有較多強度較低的硬石膏，在較小荷載作用下，硬石膏夾石處就開始發生破壞，產生較多AE振鈴數；當試樣的夾石區域全部破壞、形成沒有承載能力的微裂隙后，復合體主要靠礦巖承載；隨著加載的進行，AE振鈴數變化較平穩，直到最后復合體將要破壞時，AE振鈴數開始大量產生。由圖7(c)可見，加載過程中復合體的AE能量變化與AE振鈴計數的變化規律比較接近。

(a)應力-時間

(b)AE振鈴計數-時間

(c)AE能量-時間

圖72#試樣的應力、AE振鈴計數和AE能量隨時間的變化曲線

Fig.7Variationsofstress,AEringcountandAEenergyofSample2#withtime

(3)3#試樣：上中下三分配比復合體

在上中下三分配比復合體加載試驗中，通過其試驗力-位移曲線(見圖8)的變化可以看出，復合體在位移為1.0～1.5 mm期間有兩次應力動態調整過程。3#試樣破壞時的實物照片和對應的AE點分布如圖9所示。由圖9可見，隨著載荷的加大，AE點在充填體區域大量集中；從試樣的破壞情況來看，充填體區域出現傾斜狀的破壞裂紋。

圖8 3#試樣的試驗力-位移曲線

圖9 3#試樣破壞時的實物照片和對應的AE點分布

Fig.9PhotoandAEpointsdistributionofthebrokenSample3#

3#試樣加載過程中的應力-時間曲線如圖10所示，其AE振鈴計數和AE能量隨時間的變化如圖11所示。在加載前期，復合體配比試樣通過找平裝置調整的時間較長并且需要經歷壓密的過程，表現在應力-時間曲線上就是前500 s的應力值很低，相應的AE振鈴計數-時間變化曲線在前500 s時很稀疏(見圖11(a))，且數值較加載后期的振鈴計數值小。從AE能量的釋放特點來看，其在加載前期出現近10次突變釋放(見圖11(b))，之后能量釋放出現突變并維持在一定的水平。這是因為，對于充填體與礦巖組成的復合體，兩種介質的力學性能差異較大，在軸向荷載作用下(未達到礦巖的破壞強度時)，充填體首先發生內部破壞，形成多次能量的集中釋放，待荷載達到一定強度，主要由礦巖和具有殘余應力的充填體共同承載，相應的礦巖破壞較微弱，直到充填體完全破壞而試驗結束。在這一過程中，由礦巖破壞產生的能量大量釋放未能出現。

圖10 3#試樣的應力-時間曲線

(a)AE振鈴計數-時間

(b)AE能量-時間

3.2 復合體礦巖接觸面的損傷情況

通過電子顯微成像設備和掃描電鏡對置于礦巖之間的軟塑料薄片的加載破壞情況進行觀察和掃描分析，結果如圖12所示。由圖12(a)可見，由于傳遞至礦巖接觸面的載荷不均，軟塑料薄片局部出現了明顯的收縮折痕和損傷破壞，而在組裝復合體發生錯動破壞的部位，相應延伸到接觸帶區域的軟塑料薄片產生巨大的拉伸，導致其破壞分離(圖中橢圓標注處)。由圖12(b)可見，不同破壞區域的橫截面上出現局部材質分離、孔洞等現象。

(a)表壁顯微成像

(b)橫截面SEM照片

3.3 復合體表壁裂紋及分形維數

考慮到不同工況組裝復合體加載破壞之后的完整性，比較其中的上下兩分礦巖復合體(1#試樣)和上中下三分配比復合體(3#試樣)的表壁裂紋擴展情況，如圖13所示。應用分形理論，通過盒維數法計算試樣表壁裂紋的分形維數，結果如表1所示。

分形維數能夠較好地表征復合體表壁裂紋的擴展分布。對于相同類型試樣，表壁損傷破壞程度不一，裂紋擴展豐富程度不同，相應的分形維數值也不一樣，具有可比較的規律性。對于不同類型復合體試樣，分形維數主要從復合體各部分之間的比較來評判各部分的損傷破壞情況。由表1可見，對于上中下三分配比復合體(3#試樣)，與上部和下部礦巖相比，其中部充填體表壁裂紋的分形維數低得多，這是因為充填體的強度遠低于礦巖強度，在載荷作用下，充填體中的裂紋還沒有完全擴展充分時，就已經在充填體內部產生了較大的損傷破壞，形成大的深度裂紋，導致試樣發生破壞而終止試驗，而配比礦巖則實現了裂紋的較充分擴展，最后形成分形維數的差異；對于上下兩分礦巖復合體(1#試樣)，由于下部礦巖中的夾石相對較多，其破壞情況較上部礦巖要復雜，分形維數也比上部區域的分形維數略小。從兩種復合體試樣的表壁裂紋分形維數的對應情況來看，組裝復合體中各部分的強度相差越大，復合體的損傷破壞就越嚴重。

(a)1#試樣

(b)3#試樣

1#試樣區域巖性分形維數上部礦巖A0.9444中部——下部礦巖B0.94293#試樣區域巖性分形維數上部配比礦巖0.8699中部配比充填體0.5236下部配比礦巖0.8541

4 結論

(1)在加載初期。復合體中AE點較少，復合體將要發生破壞時AE點劇增，同時復合體內部的AE點集中區域存在較大的宏觀可見的破壞裂紋。AE點從發生到劇增體現了復合體內部裂紋萌生、擴展積累直至破壞的過程，因此聲發射監測是研究礦巖復合體損傷破壞的有效手段。

(2)由于復合體的礦巖中分布夾石，在載荷作用下夾石區率先發生屈服破壞，礦巖接觸面由加載前的充分接觸到加載后的非均勻接觸，導致接觸面的裂紋損傷破壞。

(3)借助顯微成像設備和電鏡掃描，通過軟塑料薄片表征兩種不同強度材料之間接觸面的相互作用是可行的，而對表壁裂紋的分析也有助于復合體損傷破壞的準確評估。