循環荷載尾砂膠結充填體聲發射特征

摘 要：為了研究循環荷載作用下廢石尾砂膠結充填體的力學特性與損傷規律，制備了4種不同廢石含量的尾砂膠結充填體，開展了2種加載路徑下單軸循環加卸載試驗，并借助聲發射監測系統，獲取了不同加載路徑下所釋放的聲信號，研究充填體損傷演化規律。結果表明：充填體力學強度隨廢石含量的增加呈現先增大后減小趨勢，廢石含量10%的充填體力學強度達到最大，在恒定下限循環加卸載和等幅循環加卸載路徑下的強度分別為3.94 MPa和3.63 MPa，且充填體在等幅循環加卸載下的強度普遍高于恒定下限循環加卸載；恒定下限循環加卸載過程中，滯回環面積同循環次數呈二次函數關系，隨循環次數的增多而增大，Felicity比值隨循環次數增多而減小，充填體損傷程度不斷加深；恒定下限循環加卸載和等幅循環加卸載過程中，充填體的聲發射信號均呈“峰谷”現象，累計振鈴計數和累計能量呈“階梯式”上升趨勢。研究可為礦山儲庫構建及穩定性無損檢測分析提供理論基礎。

關鍵詞：尾砂膠結充填體；循環加卸載；力學特性；聲發射；損傷特性

中圖分類號：TD 823""""" 文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2025）01-0074-12

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2025.0107

Acoustic emission characteristics of cemented tailings

backfill under cyclic loading

QIU Huafu "LI Yuhang "LIU Lang "DING Ziwei¹

（1.College of Energy Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to study the mechanical characteristics and damage law of waste rock tailings cemented filling body under cyclic loading，four kinds of tailings cemented filling body with different waste rock content were prepared，and uniaxial cyclic loading and unloading tests were carried out under two loading paths，with the help of acoustic emission monitoring system，the acoustic signals released under different loading paths were obtained to examine the internal damage evolution process of the filling body.The results show that the mechanical strength of filling body increases first and then decreases with the increase of waste rock content，and the mechanical strength of filling body with 10% waste rock content reaches the maximum，and the strength under the constant lower limit cyclic loading and unloading path and the constant lower limit cyclic loading and unloading path are 3.94 MPa and 3.63 MPa respectively，and the strength of filling body under the constant lower limit cyclic loading and unloading is generally higher than that under the constant lower limit cyclic loading and unloading path.During the loading and unloading process of constant lower limit cycle，the hysteresis loop area，increases with the increase of the number of cycles，has a quadratic function relationship with the number of cycles，but the Felicity ratio decreases;the damage degree of the filling body continues to deepen.In the process of constant lower limit cyclic loading and unloading and constant amplitude cyclic loading and unloading，the acoustic emission signal of the filling body presents a “peak-valley” model，and the cumulative ringing count and cumulative energy show a “stepped” upward trend.This study provides a theoretical basis for mine storage construction and stability nondestructive testing analysis.

Key words：cemented tailings backfill；cyclic loading and unloading；mechanical property；acoustic emission；damage characteristics

0 引 言

中國地下礦山開采活動頻繁，導致大量采空區的形成^[1-2]，規模巨大的礦山地下采空區具有重大的開發利用價值，結合中國戰略石油儲備問題，越來越多的礦山選擇儲庫式功能性充填開采方法^[3]，既能有效處置礦山廢棄物，又能在完成地下采空區充填的同時，實現地下采空區利用，突破礦山綠色高效開采瓶頸，滿足中國綠色發展戰略^[4]。利用礦山儲庫式功能性充填開采技術構建的礦山充填儲庫，考慮到儲庫運營期間，儲存介質的注取操作，儲庫整體將處于循環載荷作用下，內部微裂隙、缺陷等不斷擴展、聚合并相互交叉^[5]。因此，在構建礦山充填儲庫前，有必要對礦山儲庫式充填材料開展循環載荷作用下力學及損傷特性研究，為構建礦山充填儲庫提供一定的理論基礎。

作為礦山儲庫式功能性充填開采技術的關鍵單元，材料的強度對充填效果至關重要。國內外學者對材料的循環加卸載過程進行了相關研究。楊天雨等對尾砂膠結充填體進行循環加卸載試驗，發現充填體的彈性應變能隨循環次數的增加呈“階梯式”增長，累積的能量超過臨界值時充填體發生破壞^[6-7]；李欣慰等對砂巖進行單軸循環加載試驗，發現砂巖的損傷呈減速累積-穩定累積-加速累積趨勢，破壞形式呈剪切-拉伸組合破壞^[8]；SHEN等對不同應力路徑下的砂巖試樣進行循環加卸載試驗，發現低循環應力下限條件下的砂巖殘余應變大于高循環應力下限條件下砂巖的殘余應變^[9]；LIN等對鹽巖進行三軸循環加卸載試驗，發現損傷變量隨循環次數的增加趨于穩定增長，較高的圍巖壓力可改善試樣的初始破壞程度^[10]；王凱等對煤巖組合結構進行不同加載速率下的循環加卸載試驗，發現高加載速率下裂紋擴展速度更快，更容易產生沿基質裂紋^[11]；來興平等對互層巖樣進行單軸分級循環加卸載試驗，分析其在不同飽水條件下力學特性與聲發射特征，發現飽水試樣的強度低于自然試樣，聲發射信號也少于自然試樣^[12]；凌志強等對砂巖進行等加荷循環加卸載試驗，發現砂巖的殘余應變隨循環次數的增加而減少，并修正了能量密度計算方法^[13]；陳見行等借助沖擊加載設備，對不同預處理的沖擊性砂巖開展不同循環加載路徑下動態壓縮試驗，發現斷裂后巖樣的破壞程度與沖擊氣壓呈正相關關系^[14]；馮蕭等借助巖石力學試驗系統對不同塊石含量的膠結充填體進行循環加卸載試驗，發現適量塊石的加入對損傷有抑制作用^[15]；郭啟文等對矽卡巖進行不同加載速率的循環加卸載試驗，發現試樣的破壞程度隨加載速率的增大而加劇^[16]；吳再海等對花崗巖試樣進行循環加卸載試驗，發現巖石的耗散能和塑性變形能隨循環應力等級的提高呈非線性增長趨勢^[17]；歐陽振華等對大尺寸類煤體試樣進行單軸循環加卸載，發現最大加載載荷是影響循環加載下損傷煤體力學性能的最關鍵因素^[18]。上述研究表明，在循環加卸載方面的研究主要集中于巖石材料，在充填體循環加卸載方面尚無充分的研究。

綜合以上內容，借助DNS電子萬能試驗機、AE等手段，對不同廢石含量（0%、10%、20%、30%）尾砂膠結充填體開展不同加載路徑的單軸循環加卸載試驗，研究循環應力下充填體力學及損傷特性，揭示周期性應力下充填體的損傷演化規律，為探究運營期間儲庫穩定性提供理論基礎與工程指導。

1 試驗過程

1.1 試樣制備

尾砂選自陜西省金都銅礦，使用激光衍射粒度分析儀測量尾砂顆粒尺寸，尾砂粒徑分布如圖1（a）所示^[19]，尾砂均度系數為8.55（Cu=d60/d10），Cu≥5，曲率系數為1.71（Cc=d30²/（d60×d10）），1≤Cc≤3，該尾砂級配良好。通過X射線熒光光譜法（XRD）測定物質組成如圖1（b）所示，樣品中SiO2含量達58.7%且無有害成分，故該尾砂可作為充填材料的細骨料。

膠凝材料選用強度高、硬化快的普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），選用粒徑為2～5 mm的廢石顆粒作為粗骨料，主要成分包括石英、方解石和碳酸鈣，測得廢石顆粒的天然密度為2.86 g/cm³。綜合分析可知，充填材料顆粒級配均勻，廢石粗骨料有利于改善料漿流動性和提高強度^[20]。

設計灰砂比為1∶4，料漿濃度為76%，設置廢石含量為0%、10%、20%、30%這4個梯度^[21]。根據物料含量，稱取相應材料攪拌均勻后，澆筑成50 mm×100 mm的圓柱體試樣，經24 h脫模后放入養護箱養護28 d，養護溫度（20±1）℃，濕度（95±1）%，達到養護齡期后取出試件并進行端面打磨處理，保證兩端面平整。

1.2 循環加卸載路徑

試驗設計2種循環加卸載路徑，分別為恒定下限循環加卸載路徑和等幅循環加卸載路徑，對廢石尾砂膠結充填體開展單軸壓縮循環加卸載試驗，應力加載速度設定為100 N/s，其中加載速率與卸載速率保持一致。

恒定下限循環加載路徑首次加載至1 kN，然后卸載至0.5 kN，第2次加載至2 kN，卸載至0.5 kN，以此類推直至試件破壞，由于在實際工程中，充填體始終處于一定的壓應力狀態下，因此，卸載至抗壓強度的5%左右，卸載下限應力設為0.5 kN，加卸載路徑如圖2（a）所示，用于模擬石油儲庫注入與抽取量逐級增多的運營狀態。等幅循環加載路徑第1組循環從0加載至3 kN，然后立即卸載至2 kN，再加載至3 kN，以此路徑循環運行10次，隨后進入第2組循環，第2組循環峰值應力為4 kN，卸載至3 kN，循環運行10次；以此類推直至試件破壞，具體加卸載路徑如圖2（b）所示，用于模擬石油注入與抽取量相同但頻繁作業的運營狀態。由于恒定下限循環加卸載路徑每次需卸載至0.5 kN，再次加載時應力波動幅度大于等幅循環加卸載路徑，且應力波動幅度逐級增大，因此該路徑又可稱為應力波動幅度較大的路徑。

1.3 試驗方案

采用DNS電子萬能試驗機，最大荷載為600 kN，

開始前使試驗機上下壓頭處于平行狀態，試件與壓頭接觸時確保軸線與壓頭中心對齊。同時采用DS5系列聲發射監測系統獲取AE信號，本次試驗所用聲發射探頭為RS-2A型探頭，其工作頻率范圍為50～400 kHz，中心頻率150 kHz。每個試件使用6個聲發射探頭，聲發射探頭具體位置及系統連接如圖3所示^[20]，布置方式可參考研究成果^[22]。啟動試驗機的同時啟動聲發射監測系統，確保聲發射系統可同步監測試驗過程中產生的信號，整個試驗流程如圖4所示^[20]。

2 試驗結果與分析

2.1 力學特性

2.1.1 峰值應力

不同循環荷載作用下充填體峰值應力曲線如圖5所示。等幅循環加載路徑下充填體的峰值應力普遍高于恒定下限循環加載路徑，這是由于在恒定下限循環加載路徑下單次加載與卸載對充填體強度影響不大，而在等幅循環加載路徑下，每組循環均會造成一定不可逆塑性應變，該部分不可逆應變屬于充填體不斷壓密的結果，充填體更高的密實度對后續加載至試件破壞有一定的強化作用，從而提升了其力學強度。

不同循環荷載作用下充填體強度隨廢石含量變化特征均呈現先增大后減小的趨勢，在廢石含量為10%時，恒定下限循環加卸載和等幅循環加卸載路徑下的充填體峰值應力均達到最大，分別為3.94 MPa和3.63 MPa，這是由于少量廢石顆粒的加入降低了充填體內部整體表面積，充填體內部顆粒表面平均分配的膠凝材料含量增多，膠凝效果有所提升，從而在一定程度上提高充填體的力學強度，但由于廢石顆粒粒徑較大，摻量過多時導致充填材料內尾砂水泥膠凝部分無法充分包裹廢石顆粒，大顆粒之間形成接觸式膠結，膠結效果有所降低，從而導致充填體強度降低，該發現與前人研究結論一致^[23]。

2.1.2 應力應變曲線

不同廢石含量的尾砂膠結充填體在不同循環荷載作用下的應力應變曲線規律一致，以10%廢石含量的尾砂膠結充填體為例，繪制應力應變曲線如圖6所示。恒定下限循環加載路徑下，單次加卸載時形成較為明顯的應力滯回環，再次加載至前一峰值點時應變差較小，加卸載曲線呈現出“牛角”狀。等幅循環加載路徑下，每組循環的首次與末次循環充填體所受峰值應力相等，但所對應的應變量有顯著差距，加卸載曲線有明顯的分級現象，每組循環內出現10個“尖葉”狀曲線。在不同循環加卸載路徑下，廢石尾砂膠結充填體的力學行為存在顯著差異，分析此現象可知，等幅循環加卸載路徑下充填體在循環過程中內部孔隙被反復壓密，一定程度上提高了充填體的力學強度。

2.1.3 滯回環形狀特性分析

觀察在恒定下限循環加載路徑下充填體應力應變曲線可以看出在循環加卸載過程中存在較為明顯的滯回環效應，試驗加載時產生的總應變包括彈性應變和塑性應變，彈性應變在卸載時全部恢復，塑性應變得以保留。能量在充填體內部不斷消耗故產生一定的損傷，積累起損傷所需的能量稱之為耗散能^[24]。忽略掉殘余變形以及滯后效應部分的能量，可以近似地將滯回環面積比作耗散能，計算循環過程中滯回環面積，建立滯回環面積與循環次數曲線如圖7所示。

滯回環面積隨著循環次數的增加呈現加速增長的趨勢，循環次數越多，滯回環面積越大，能量耗損也就越多，故充填體損傷程度越大。廢石含量為20%的充填體滯回環面積最大，為46.22，相比于廢石含量為10%充填體的37.49，提升了23.29%，這是由于充填體內部膠凝部分未能完全包裹廢石顆粒，導致內部孔隙增多，在荷載的作用下消耗更多的能量，因此滯回環面積更大。而廢石含量為0%和30%的充填體分別在第6和第4次循環時失穩破壞，因此并未進行后續循環，滯回環面積為0。此現象解釋了充填體在循環加卸載的過程中，原生微裂隙從閉合到裂隙擴展、再到裂隙貫通、最后破裂失穩，裂紋擴展時能量以彈性波的形式釋放^[25]，裂紋擴展所耗散的能量與滯回環面積呈正相關，同時也表明充填體在循環加卸載過程中損傷程度及速度逐漸增大。

2.2 恒定下限循環加卸載

2.2.1 Felicity效應

充填體在循環載荷的作用下，所受荷載小于之前最高荷載時，產生的聲發射信號有顯著增加，此現象被稱為Felicity效應^[26]。Felicity比值可以直觀地表現充填體在循環加卸載過程中聲發射的記憶程度，且可以表明材料的損傷情況，Felicity比值越小，材料的損傷情況越嚴重。

Felicity定義為

RFi=σ^AEi/σ^maxi－1

（1）

式中 RFi為第i次循環中Felicity比值，σ^AEi為第i組循環過程中有效聲發射信號對應的應力值，MPa，σ^maxi－1為第i-1組循環過程中的最大應力值，MPa。

恒定下限循環加卸載路徑各循環Felicity比值曲線如圖8所示，以廢石含量10%尾砂膠結充填體為例，Felicity比值與循環次數的擬合曲線如圖9所示。

不同廢石含量尾砂膠結充填體在循環加卸載過程中Felicity比值均呈下降趨勢，第2與第3次循環過程中，Felicity比值均大于1，表明此時充填體處于壓密階段及彈性階段初期，充填體內部原生孔隙結構在低應力下閉合釋放能量從而產生聲發射。第4次循環時，Felicity比值均在1附近，表明充填體此時處于彈性變形階段，該階段聲發射的記憶效應明顯。隨著循環次數的增加，充填體所承受的應力逐漸提高，進入彈性階段后期和屈服破壞階段，充填體內部裂紋開始生成并不斷擴展發育。第6次循環之后，試件Felicity比值大幅降低，此時充填體已進入破壞階段，充填體內部裂隙迅速擴展貫通，損傷程度與不可逆程度升高，直至試驗結束。

2.2.2 聲發射振鈴計數

充填體恒定下限循環加卸載過程中聲發射振鈴計數曲線如圖10所示，恒定下限循環加卸載過程中的聲發射信號出現“峰谷”現象，分析振鈴計數散點分布特征，主要可分為3個階段。

第1階段：第1，2次循環。在前2次循環加載過程中，充填體處于壓密階段與彈性階段初期，在循環載荷作用下充填體內部原生孔隙被逐漸壓密，此階段充填體損傷程度較小，因此只有少量聲發射振鈴計數量產生。

第2階段：第3，4次循環。此時充填體由彈性階段進入屈服階段，累計振鈴計數曲線增長緩慢，充填體內部顆粒在外載荷作用下開始相對滑動，并產生微裂紋，該階段充填體內部裂隙的生成與擴展速度平穩緩慢，未出現較高值振鈴信號。

第3階段：第5次循環開始。充填體完全進入屈服階段，該階段累計振鈴計數曲線增長明顯，充填體內部裂隙不斷增多，裂隙發育擴展形成不可逆轉性較大損傷，導致聲發射振鈴計數及其累計值在循環過程中發生激增，充填體的損傷不斷加重直至完全損傷破壞，聲發射累計振鈴計數也隨著充填材料的破壞達到最值。

從整體上看，累計振鈴計數呈“階梯式”增長，這是由于荷載超過前一峰值點時，處于平衡狀態的損傷裂隙繼續發育、擴展，并伴隨新生裂隙的產生，釋放更多的損傷信號。廢石含量為0%、10%、20%和30%的充填體在恒下限循環加卸載下的累計振鈴計數分別為16.51×10⁴，23.54×10⁴，26.09×10⁴和8.65×10⁴次，呈先增大后減小趨勢，廢石含量20%時，達到最大值，此時充填體內部損傷程度最大，造成此現象的原因在于少量廢石顆粒的加入提高了充填材料內部的致密程度，試件脆性更強，發生破壞時釋放的聲發射信號更加活躍，因此充填體破壞的損傷程度也更加劇烈^[27]。廢石含量過高時，在相同含量膠凝材料前提下，廢石顆粒表面平均分配的膠凝材料含量減少，從而降低充填體強度，因此產生的聲發射信號較少。

2.2.3 聲發射能量

聲發射能量表示充填材料內部損傷程度。充填體恒定下限循環加卸載過程中能量與累計能量曲線如圖11所示，聲發射能量與聲發射振鈴計數規律相似，能量散點圖對應時間應力曲線均呈“峰谷”現象，累計能量呈“階梯狀”上升趨勢，原因在于：循環加卸載過程中，充填材料的損傷主要發生在每次循環的峰值點應力處，短時間內充填材料所受載荷迅速提高到新高，充填材料內損傷迅速形成，聲發射活動活躍，釋放較多聲發射信號。

循環加卸載前期聲發射能量普遍偏低，隨著循環加卸載的不斷加劇，開始出現高能聲發射信號，其原因在于：循環加卸載前期，充填材料所受載荷低，充填材料內部主要發生微裂隙的形成與壓密此類低能量事件，充填材料損傷程度較小，因此所釋放聲發射信號能量偏低。隨著循環加卸載峰值應力的不斷提高，充填體的損傷程度逐漸加劇，此時充填體內微裂隙不斷擴展發育形成大裂隙，較大裂隙的形成屬于高能量事件，開始釋放的高能聲發射信號，在累計能量曲線表現為循環加卸載前期累計能量上升階梯較低，后期累計能量上升階梯較高。

廢石含量為0%、10%、20%和30%的充填體釋放的聲發射能量分別為4.92×10⁴，3.19×10⁴，8.22×10⁴和2.03×10⁴ mV·mS，隨廢石含量的增加，充填材料損傷程度呈先加劇后減弱趨勢，廢石含量20%的充填體損傷程度最為劇烈，其原因在于少量廢石含量的充填體脆性更強，試件破壞瞬間內部損傷裂紋的發育和擴展促進了聲發射信號的產生，與2.2.2節中振鈴計數規律具有一致性。

2.3 等幅循環加卸載

2.3.1 聲發射振鈴計數

充填體等幅循環加卸載過程中聲發射振鈴計數曲線如圖12所示，聲發射振鈴計數散點分布特征同樣呈現“峰谷”現象，其原因在于等幅循環加卸載狀態下充填體同樣處于不斷回彈與壓密的狀態，充填體內聲發射活動隨加卸載過程呈現較規律的“峰谷”狀波動。

每組循環首次加載至目標應力時振鈴計數“峰”最高，隨著循環次數的增加，振鈴計數“峰”值在降低，其原因在于首次加載至目標應力值的過程中，充填材料所承載應力狀態達到新高，此時在應力作用下，充填體會產生一定形變，同時生成裂隙結構，對充填材料內部造成一定程度的損傷，從而釋放較多聲信號，隨著循環的進行，試件的聲發射信號逐漸降低，其原因在于充填體受載狀態未達到新高，充填材料損傷程度并未出現明顯加劇，同時不斷的循環過程對充填體有一定壓密作用，充填體內的顆粒運動越來越弱，從而導致充填體的硬度有一定提升，因此聲發射信號逐漸減少。當進入下一組循環后，充填體受載狀態達到新高，造成更高程度的損傷，從而產生的聲發射振鈴計數也高于前一組循環。

等幅循環加卸載累計振鈴計數呈現“階梯”狀上漲，其上漲主要發生在2組循環的交替階段，完成本組循環后進入下一組循環，充填材料所受載荷達到新高，內部開始產生新的裂隙，聲發射活動開始活躍，振鈴計數增多從而造成累計振鈴計數出現階梯式增長。

廢石含量為0%，10%，20%，30%的充填體在等幅循環加卸載下累計振鈴計數分別為13.13×10⁴，19.85×10⁴，14.79×10⁴，11.73×10⁴次，呈先增大后減小趨勢，廢石含量為10%的充填體損傷程度最大，其原因在于加入適當的廢石顆粒降低了充填材料內部表面積，在等幅循環加載模式下具有更高的硬度，在發生失穩破壞時釋放更多的聲發射信號。

2.3.2 聲發射能量

等幅循環加卸載過程中聲發射能量曲線如圖13所示，聲發射能量散點集中分布于每組循環首次加卸載過程中，隨后的循環加卸載過程中聲發射能量大幅降低，每組循環首次加載至應力新高時，充填體內產生一定新生裂隙，因此釋放較多高能信號，首次達到應力信號后再進行循環加卸載，充填體內并無新的裂隙生成，主要活動情況為膠結顆粒之間的相對滑動，因此，所釋放聲發射能量大幅降低。

聲發射累計能量曲線隨著循環的推進增度不斷提高，其原因在于，隨著循環的不斷推進，充填材料內損傷加劇，同時，充填體所承載應力不斷提高，充填體在循環過程中開始形成新的裂隙，從而釋放較多聲發射高能信號，累計能量曲線提高。

廢石含量為0%，10%，20%和30%的尾砂膠結充填體在等幅循環加卸載下的累計能量分別為3.79×10⁴，5.29×10⁴，3.6×10⁴和4.04×10⁴ mV·mS，廢石含量10%時損傷程度最大，與2.3.1節中規律一致。

3 結 論

1）在2種循環加載路徑下，充填體的抗壓強度均隨著廢石含量的增加先增大后減小，且在廢石含量10%時達到最大，在恒定下限循環加卸載和等幅循環加卸載路徑下的強度分別為3.94 MPa和3.63 MPa，少量廢石可降低充填體內部整體表面積，一定程度上提高充填體的抗壓強度；充填體力學強度受循環加卸載方式的影響，等幅循環加卸載對充填材料整體起到不斷壓密的作用，相較于恒定下限循環加卸載，其力學強度略高。

2）恒定下限循環加卸載應力應變曲線存在明顯滯回環效應，滯回環面積可等效為充填材料損傷釋放的能量，隨著循環次數的增加，對應的滯回環面積越來越大，損傷程度不斷擴大，該方式可判斷充填材料在循環過程中的損傷程度與速度。

3）2種循環加卸載方式下聲發射振鈴計數均呈現“峰谷現象”，累計聲發射振鈴計數均呈“階梯”式上漲，振鈴計數值越高，充填材料內部損傷事件數越多；恒定下限循環加卸載可利用Felicity效應進行損傷程度判斷，Felicity值與循環次數呈負相關性，隨循環次數的增大不斷降低，充填材料損傷程度不斷增大。

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（責任編輯：劉潔）