磷塊巖三軸壓縮破壞特性與聲發(fā)射規(guī)律的研究

涂 力，張電吉*，潘 登，吝曼卿，鄧天賜，楊丹丹，韓瑞庭，姚金蕊，何忠國

1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；

2.貴州開磷有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000

磷塊巖三軸壓縮破壞特性與聲發(fā)射規(guī)律的研究

涂 力1，張電吉1*，潘 登1，吝曼卿1，鄧天賜1，楊丹丹1，韓瑞庭1，姚金蕊2，何忠國2

1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；

2.貴州開磷有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000

采用應(yīng)力加載系統(tǒng)和聲發(fā)射測試系統(tǒng)，研究了三軸壓縮試驗中磷塊巖裂紋破壞特性及聲發(fā)射活動規(guī)律.試驗及分析研究表明：磷塊巖三軸聲發(fā)射加載全過程可分為裂隙壓密階段、彈性壓縮階段、裂紋初級擴展階段、裂紋劇烈擴展階段、宏觀破壞階段；磷塊巖聲發(fā)射事件在其強度最大階段和宏觀破壞階段均有產(chǎn)生；磷塊巖聲發(fā)射事件數(shù)隨著圍壓從2 MPa增加到4 MPa而減少.

磷塊巖；三軸壓縮試驗；聲發(fā)射；裂紋；破壞特性

我國磷礦大多存在于磷塊巖礦床上，長期處于荷載作用下地下開采的磷塊巖較易出現(xiàn)不同程度和形式的破壞和變形［1］.研究磷塊巖裂紋產(chǎn)生及擴展貫通破壞機理，找出磷塊巖的開裂破壞規(guī)律，既可對磷塊巖的安全開采提供理論依據(jù)，同時也能科學(xué)預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害，此外，研究出磷塊巖的破壞機理，對于磷塊巖礦開采時的爆破優(yōu)化等礦體的破碎處理也具有指導(dǎo)作用［2-3］.

自然狀態(tài)下的磷塊巖有條帶狀、碎屑狀、致密狀三種，其中由白云石和膠磷礦膠結(jié)成條帶的磷塊巖最多.本次試驗選取的則是此種磷塊巖，磷塊巖膠結(jié)構(gòu)造如圖1所示.

圖1 磷塊巖膠結(jié)構(gòu)造圖Fig.1 Cemented structure of phosphorite

巖石聲發(fā)射（acoustic emission，AE）是由巖石受力時的裂紋擴展行為所引起的.聲發(fā)射的應(yīng)力水平與巖石的微結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，不同類型的巖石的表現(xiàn)不同［4-5］.巖石加載過程中裂隙發(fā)展情況和巖石破壞特征是巖石聲發(fā)射主要反應(yīng)的兩個方面.礦產(chǎn)資源的探測是巖石聲發(fā)射的最早起源［6］.Mansurov V A系統(tǒng)研究了不同巖石的聲發(fā)射特征.左建平［6］等研究了煤巖、泥巖等變形破壞過程中滲透率隨荷載的變化規(guī)律.我國學(xué)者在20世紀(jì)70年代開始聲發(fā)射的研究，他們對巖石進(jìn)行加載并記錄聲發(fā)射事件，以此來分析不同巖石破壞過程的聲發(fā)射特征［7-8］.

學(xué)者們先前的研究讓人們更加了解了巖石聲發(fā)射特性，而且推動了巖石多樣性研究的進(jìn)程，但存在一定的局限性［9-11］，巖石聲波或聲發(fā)射試驗研究大都局限于單軸壓縮試驗中，而礦井地下巖石絕大多數(shù)情況下均處于三向應(yīng)力狀態(tài)，所以開展三軸壓縮條件下聲發(fā)射巖石損傷特征試驗研究與工程實際貼合更緊密.由于試驗設(shè)備的限制，在以前的大多數(shù)三軸加載試驗中，巖石的聲發(fā)射接收傳感器布置于三軸室之外，這種布置法在試驗中會產(chǎn)生較大的誤差.

1 試驗儀器及方案

1.1 試驗設(shè)備及試驗試樣

三軸試驗采用美國GCTS公司RXT-1000高溫高壓巖石三軸試驗儀.此試驗儀器滿足國際巖石力學(xué)學(xué)會巖石三軸測試要求［12］.

聲發(fā)射則是在巖石三軸儀上連接前置放大器，并設(shè)置門檻值和濾波值，濾除系統(tǒng)噪聲.在巖樣上設(shè)置6個聲發(fā)射探頭，以此進(jìn)行聲發(fā)射定位，觀測巖樣破碎活動，如圖2所示.同時利用AEwin軟件對巖樣進(jìn)行監(jiān)測，得出礦樣聲發(fā)射變化過程圖［13-14］.

本次試驗所選用的巖樣取自開陽磷礦，本次三軸及聲發(fā)射試驗做了馬路坪礦的3塊試樣，包括磷塊巖3塊（磷塊巖1，磷塊巖2，磷塊巖3）.選擇地質(zhì)狀態(tài)良好的磷塊巖加工成圓柱體，試樣參數(shù)如表1所示.

表1 磷塊巖試樣尺寸Tab.1 Size of phosphorite samples

1.2 試驗原理與方案

聲發(fā)射事件定位技術(shù)本質(zhì)是時差定位，即對各個聲發(fā)射通道信號到波速和探頭間距等參數(shù)的測量及一定的算法運算來確定聲源的坐標(biāo)或位置.時差定位是一種精確而又復(fù)雜的定位方式，廣泛用于試樣和構(gòu)件的檢測.

本文研究了同一類巖石在不同圍壓下的三軸壓縮試驗中的力學(xué)與聲學(xué)特征，對磷塊巖開裂破壞實驗前和實驗后狀態(tài)做了比較.

試驗開始前，為了保證傳感器與試樣的充分接觸，在巖樣端面及側(cè)面涂抹耦合劑，然后將磷塊巖試樣放置在壓力室的底座上，使用熱風(fēng)槍將巖石密封在熱縮管內(nèi)，以防止三軸室液壓油浸入巖體.等到熱縮管與巖樣貼合完全，再將軸向應(yīng)變器與徑向應(yīng)變器安裝到合適的位置，在儀器規(guī)定的位置裝上固定聲發(fā)射傳感器.軸向應(yīng)變器與徑向應(yīng)變器可實時將巖樣變形參數(shù)傳輸?shù)接嬎銠C上.聲發(fā)射傳感器如圖2所示，將壓力蓋降下來后探頭在壓力室內(nèi)部，此聲發(fā)射傳感器的布置方案如圖3所示.

圖2 聲發(fā)射傳感器Fig.2 Picture of acoustic emission sensor

圖3 聲發(fā)射傳感器布置圖Fig.3 Arrangement diagram of acoustic emission sensor

2 試驗結(jié)果

2.1 磷塊巖變形與破壞特征

磷塊巖在持續(xù)不斷地軸向壓力下產(chǎn)生變形，通過探頭返測得的數(shù)據(jù)，得到磷塊巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線（見圖4曲線1），側(cè)向應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線（見圖4曲線2）.由于磷塊巖破壞規(guī)律有共性，特此選取磷塊巖1號試樣來具體說明.

圖4 巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線（曲線1）側(cè)向應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線（曲線2）Fig.4 Curves of stress-strain（1）and lateral strain-axial strain（2）of phosphorite

如圖4所示，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線（曲線1）直線段取兩點A，B，點A應(yīng)力31.369 7 MPa，應(yīng)變0.039 3%；點B應(yīng)力35.766 7 MPa，應(yīng)變0.077 4%，程序計算得彈性模量為71.178 47 GPa.

如圖4所示，在側(cè)向應(yīng)變-軸向應(yīng)變曲線（曲線2）中取兩點，程序計算出得泊松比為0.428 2.

如圖5所示，在磷塊巖巖樣應(yīng)力時間曲線（曲線1）上可知巖樣所受應(yīng)力持續(xù)增加，在第1 800 s時達(dá)到第一個峰值，小幅回落后達(dá)到第二個峰值；軸向應(yīng)變（曲線2）隨著時間的增加而增加，在應(yīng)變?yōu)?.2%時達(dá)到應(yīng)力的第一個峰值，在應(yīng)變?yōu)?.26%時達(dá)到第二個峰值.

圖5 巖樣應(yīng)力-時間曲線（曲線1）軸向應(yīng)變-時間曲線（曲線2）Fig.5 Curve of stress-time(curve 1)and curve of axial strain-time(curve 2)of phosphorite

同時對聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出磷塊巖破裂過程應(yīng)力-應(yīng)變聲發(fā)射曲線（見圖6曲線1、曲線4）.用相同的方法，作出圍壓3 MPa，4 MPa時磷塊巖的應(yīng)力-應(yīng)變聲發(fā)射曲線（見圖6曲線2、曲線3、曲線5、曲線6）.

圖6 磷塊巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線和聲發(fā)射事件曲線Fig.6 Curves of stress-strain and acoustic emission events of phosphorite

結(jié)合圖6所有曲線，雖然略有不同但仍然可以將磷塊巖三軸聲發(fā)射加載全過程分為裂隙壓密階段，彈性變形階段，裂紋初級擴展階段，裂紋劇烈擴展階段，裂紋貫通破壞階段5個階段.

1）裂隙壓密階段（OA），由于磷塊巖屬于脆性巖石，開挖時對磷塊巖的破壞產(chǎn)生了很多裂隙，這些裂隙被壓密的過程中基本上沒有聲發(fā)射事件產(chǎn)生.

2）彈性壓縮階段（AB），基本沒有聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生.

3）裂紋初級擴展階段（BC），聲發(fā)射事件開始增多，磷塊巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始產(chǎn)生非線性增加，磷塊巖內(nèi)部出現(xiàn)新的裂隙，隨著應(yīng)變的增加而增加.

4）裂紋劇烈擴展階段（CD），聲發(fā)射事件急劇增多，與此同時磷塊巖內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋萌生后擴展，且在此階段釋放的能量比較大，產(chǎn)生的聲發(fā)射振幅波動明顯.磷塊巖應(yīng)變率迅速増大，且側(cè)向應(yīng)變率高于軸向應(yīng)變率，巖樣剪脹變形.

5）裂紋貫通破壞階段（D點之后），聲發(fā)射事件增加到最大，磷塊巖內(nèi)部裂紋產(chǎn)生貫通，巖石出現(xiàn)宏觀破壞如圖7所示.

圖7 磷塊巖破壞圖（a）試驗前（b）試驗后Fig.7 Pictures of（a）before and（b）after the failure test of phosphorite

從不同軸向應(yīng)變下的聲發(fā)射圖像可以看到：圖8中（a）和（b）聲發(fā)射圖像清晰地表明了破碎點出現(xiàn)在試樣上半部分，主要出現(xiàn)在巖樣內(nèi)部，密集分布，隨著時間的增加破碎點變多.圖8中（c）和（d）聲發(fā)射圖像顯示出磷塊巖破碎裂隙在巖樣中部密集出現(xiàn)，巖樣表面出現(xiàn)些許破碎，巖樣承載能力持續(xù)增加，裂隙和破裂面逐漸貫通.圖8中（e）和（f）巖樣內(nèi)部出現(xiàn)大面積的破裂面，巖樣承載能力達(dá)到最大值，裂隙和破裂面貫通，巖樣破壞.

通過聲發(fā)射三維定位圖（見圖8）能比較直觀地觀察到磷塊巖試樣三軸破壞時裂紋的起始位置、裂紋擴展方向、裂紋寬度變化.這些不僅給研究不同加載階段裂紋擴展?fàn)顟B(tài)提供思考空間，也為今后深入研究磷塊巖破壞空間形態(tài)打下基礎(chǔ).

圖8 不同軸向應(yīng)變下的聲發(fā)射圖像：（a）0.1%；（b）0.15%；（c）0.2%；（d）0.25%；（e）0.3%；（f）0.35%Fig.8 Pictures of acoustic emission events in different axial strains：（a）0.1%；（b）0.15%；（c）0.2%；（d）0.25%；（e）0.3%；（f）0.35%

2.2 圍壓對磷塊巖聲發(fā)射的影響

對比3種應(yīng)力條件下磷塊巖的聲發(fā)射時間數(shù)量可得，在不同圍壓下，磷塊巖的聲發(fā)射活躍程度不同，圍壓為 2 MPa、3 MPa、4 MPa時，聲發(fā)射數(shù)量是有所下降的，得出磷塊巖所受圍壓越高，磷塊巖內(nèi)部聲發(fā)射活動越被抑制，圖9為不同圍壓狀態(tài)下試樣的定位圖，可以比較清楚看出此現(xiàn)象.

抑制原因可以用以下公式來解釋：

式（1）中：σs是切應(yīng)力分量；σN是正應(yīng)力分量；τeff是效應(yīng)力；c0是黏聚力；φ是內(nèi)摩擦角［9］.

據(jù)磷塊巖斷裂幾何圖（見圖10）可知：

式（2）～（3）中：σ1為軸向應(yīng)力；σ3為側(cè)向應(yīng)力；β為裂隙水平傾角.通過公式計算可以知道，當(dāng)軸壓一定時，磷塊巖圍壓增加，則其內(nèi)部每個點所受剪切應(yīng)力減小，裂隙更加難擴展，導(dǎo)致聲發(fā)射數(shù)量變少.

圖9 不同圍壓下聲發(fā)射事件圖（a）2MPa （b）3MPa （c）4MPaFig.9 Pictures of acoustic emission events at confining pressures of（a）2 MPa ，（b）3 MPa and（c）4 MPa

圖10 磷塊巖斷裂幾何圖Fig.10 Fracture geometry diagram of phosphorite

3 結(jié) 語

綜上所述，得出以下結(jié)論：

1）在本次三軸加載試驗中，磷塊巖三軸聲發(fā)射加載全過程分為裂隙壓密階段，彈性壓縮階段，裂紋初級擴展階段，裂紋劇烈擴展階段，裂紋貫通破壞階段，每一個階段都有各自的特點.

在加載初期，由于開挖時對磷塊巖的破壞產(chǎn)生了很多裂隙，這些裂隙首先被壓密，未出現(xiàn)聲發(fā)射事件；隨著繼續(xù)加載，聲發(fā)射開始增多，磷塊巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始產(chǎn)生非線性上升，磷塊巖內(nèi)部出現(xiàn)新的裂隙；磷塊巖強度達(dá)到最大時，聲發(fā)射事件急劇增多，與此同時磷塊巖內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋萌生后擴展，在此階段釋放的能量比較大.磷塊巖的應(yīng)變率迅速増大，且側(cè)向應(yīng)變率高于軸向應(yīng)變率，磷塊巖試樣剪脹變形；最終裂隙和破裂面貫通，巖樣破壞.

2）磷塊巖聲發(fā)射事件不僅僅發(fā)生在其強度最大階段，在其宏觀破壞后也有聲發(fā)射事件產(chǎn)生.

3）分析了不同圍壓下，磷塊巖的聲發(fā)射活躍程度明顯不同.對比3種不同圍壓下磷塊巖的聲發(fā)射數(shù)量，圍壓為2 MPa、3 MPa、4 MPa時，聲發(fā)射數(shù)量是有所下降的，得出磷塊巖所受圍壓越高，磷塊巖內(nèi)部聲發(fā)射活動越被抑制.通過公式計算可知，當(dāng)軸壓一定時，磷塊巖圍壓增加，則其內(nèi)部每個點所受切應(yīng)力減小，裂隙更加難擴展，導(dǎo)致聲發(fā)射數(shù)量變少.

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Failure Characteristics and Laws of Acoustic Emission for Phosphorite Under Triaxial Loading

TU Li1，ZHANG Dianji1*，PAN Deng1，L IN Manqing1，DENG Tianci1，YANG Dandan1，HAN Ruiting1，

YAO Jinrui2，HE Zhongguo2
1.School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China；
2.Guizhou Kailin Co.，LTD，Guiyang 550000，China

Failure characteristics of crack and laws of acoustic emission activity of phosphorite were investigated by the strain loading system and the acoustic emission testing system.The experimental results show that the process of acoustic emission for phosphorite under triaxial loading includes five stages，the fissure compaction，the elastic compression，the primary crack propagation，the dramatical crack propagation，and the macroscopic failure.Acoustic emission events hexisted at the maximum intensity and the macroscopic failure of phosphorite.The acoustic emission events decrease with the confining pressure of phosphorite increasing from 2 MPa to 4 MPa.

phosphorite；triaxial loading test；acoustic emission；crack；failure characteristics

1674-2869（2017）06-0616-06

TU452

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2017.06.016

2017-07-04

國家自然科學(xué)基金（51474159，51504167）；武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金（CX2016046）

涂 力，碩士研究生.E-mail：844789909@qq.com

*通訊作者：張電吉，博士，教授.E-mail：dianjizhang@wit.edu.cn

涂力，張電吉，潘登，等.磷塊巖三軸壓縮破壞特性與聲發(fā)射規(guī)律的研究［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報，2017，39（6）：616-621.

TU L，ZHANG D J，PAN D，et al.Experimental studies of failure characteristics and laws of acoustic emission for phosphorite under triaxial loading［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（6）：616-621.

陳小平