矸石充填體受壓裂紋擴(kuò)展規(guī)律及聲發(fā)射特性研究

程立朝，李文貴，李新旺，秦義嶺，郭翔宇，屈正一

(1.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學(xué) 河北省高校煤炭資源開發(fā)與建設(shè)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心，河北 邯鄲 056038)

隨著綠色礦山理念的推廣，矸石回填[1]在煤礦開采中得到了廣泛應(yīng)用。矸石回填一方面消耗了煤矸石和粉煤灰的儲(chǔ)存量，另一方面有效控制了地表下沉量、緩解了頂板周期壓力。矸石作為充填的主要材料，合理的級(jí)配直接關(guān)系到充填體的強(qiáng)度[3-5]，粉煤灰、水泥等輔料也對(duì)矸石充填體的力學(xué)性能發(fā)揮重要影響[6-8]。錢志等[9]對(duì)連續(xù)級(jí)配矸石進(jìn)行壓縮力學(xué)試驗(yàn)，得出原生矸石粒徑與矸石充填體應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系；Kwon YH[10]從材料性能方面描述了硅灰對(duì)充填材料強(qiáng)度作用，進(jìn)而探討了硅灰與礦渣的膠體充填效應(yīng)；程愛平[11]對(duì)直徑集中在1mm以下的尾砂進(jìn)行膠結(jié)材料的單軸壓縮試驗(yàn)，分析了膠結(jié)充填體的聲發(fā)射特性與時(shí)空演化規(guī)律。這些成果大多都研究了材料特性對(duì)大顆粒矸石的力學(xué)影響，而對(duì)以充填矸骨料水泥等其他膠凝材料對(duì)散體矸石的力學(xué)性能分析卻鮮有研究。

除力學(xué)性能之外，充填體的裂隙演化和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化也影響著充填體的裂紋演化機(jī)理。邱繼生等[12]在凍融環(huán)境下對(duì)矸石混凝土的力學(xué)損傷特性進(jìn)行研究得出煤矸石混凝土的損傷定量分析；GUAN X[13]基于超聲波技術(shù)分析了循環(huán)荷載下矸石材料的聲發(fā)射特性；在裂紋研究方面程立朝等[14]研究了巖石在剪切作用下的裂紋擴(kuò)展與貫通機(jī)制，得出了剪切作用下裂紋演化與巖土破壞的時(shí)間、空間關(guān)系；成小雨等[15]對(duì)巖體預(yù)制裂紋破壞細(xì)觀機(jī)理進(jìn)行闡述；尹曉萌等[16]從三相圍壓和細(xì)觀特征對(duì)巖石的裂紋發(fā)育和擴(kuò)散進(jìn)行了研究總結(jié)?？梢姡肥?、巖石、類巖石等材料的聲發(fā)射與類巖石裂紋發(fā)育方面的研究結(jié)果頗多，但將矸石作為粗集料回填并研究強(qiáng)度特性、Hit數(shù)、裂紋演化與發(fā)展機(jī)理等方面的研究卻較為缺乏。

本文對(duì)不同水灰比、膠凝材料條件下矸石充填體抗壓破壞時(shí)的強(qiáng)度、Hit數(shù)與裂紋演化機(jī)理等特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究，研究結(jié)果對(duì)于人們認(rèn)識(shí)矸石充填受壓破壞機(jī)理具有一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用山東濟(jì)南剛性巖石全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速率為0.01mm/s；索尼相機(jī)記錄矸石在單軸壓縮條件下裂紋演化的全過程圖。加載系統(tǒng)如圖1所示；美國聲學(xué)物理公司PAC生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng)采集煤矸石試塊在抗壓過程中的矸石聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由前置放大器、傳感器、信號(hào)采集分析裝置等幾個(gè)部分組成，設(shè)置聲發(fā)射儀的采樣頻率為1MHz，即以每1MHz的頻率采集聲發(fā)射信號(hào)，其前置放大器的放大倍數(shù)為40dB。

圖1 加載系統(tǒng)以及宏觀監(jiān)測(cè)設(shè)備

1.2 試塊成型

試驗(yàn)選用河北省邢臺(tái)煤礦的煤矸石，矸石為頁巖，主要成分為SiO2，經(jīng)過破碎后通過混凝土標(biāo)準(zhǔn)篩分篩為5～10mm、10～20mm、20～30mm。試件尺寸為100mm×100mm×100mm。試驗(yàn)配比以大孔混凝土配合比作為依據(jù)調(diào)整。試件成型過程中，室溫控制在20±2℃，濕度在95%以上。由不同粒徑的煤矸石、水和膠凝材料(硅灰、粉煤灰、水泥)按照一定質(zhì)量比攪拌均勻，澆筑成型。其質(zhì)量比見表1。

表1 試件材料配比

1.3 試驗(yàn)過程

試塊由不同膠凝材料與矸石顆粒攪拌成型、拆模養(yǎng)護(hù)后，選取試件發(fā)育較為完整且光滑的兩面作為試驗(yàn)的觀測(cè)面和聲發(fā)射探頭接觸面。觀測(cè)記錄后進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，抗壓試驗(yàn)、聲發(fā)監(jiān)測(cè)儀與索尼相機(jī)三個(gè)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行對(duì)矸石充填體的受壓過程數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。

將試件放在試驗(yàn)機(jī)載物臺(tái)上，固定好試塊位置，在試驗(yàn)正式開始前，為了減弱加載臺(tái)對(duì)試件造成的端部效應(yīng)的影響，保證聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收信號(hào)正常，在探頭與試件接觸面涂黃油和雙面膠等耦合劑，并且進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)試采試驗(yàn)。試驗(yàn)正式開始后，需要保證聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與裂紋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別與單軸壓縮試驗(yàn)同步進(jìn)行，同時(shí)啟動(dòng)聲發(fā)射控制臺(tái)與相機(jī)并記錄時(shí)間為t1，接著啟動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)的開始并記錄時(shí)間t2，用t2-t1為整個(gè)試驗(yàn)過程完整的時(shí)間，直到試樣破壞時(shí)視為試驗(yàn)結(jié)束。

2 矸石充填體力學(xué)與聲發(fā)射特性分析

2.1 強(qiáng)度特性分析

試件3d應(yīng)力應(yīng)變曲線、時(shí)間與Hit數(shù)關(guān)系的變化如圖2所示，其中a、b、c與表1中編號(hào)a、b、c一一對(duì)應(yīng)。從圖2中可以得出：不同條件下，試件3天抗壓強(qiáng)度均在3.6MPa左右，基本滿足充填體的初期強(qiáng)度要求。試件在抗壓破壞過程中Hit率與應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線變化趨勢(shì)比較一致。初始應(yīng)力至應(yīng)力曲線斜率突變階段，a、b、c三類試件的Hit率均維持在較低的水平，到應(yīng)力達(dá)到最大值附近才出現(xiàn)驟增；峰后隨著應(yīng)力的下降，Hit率也相應(yīng)減少，反映了水灰比、膠凝材料的不同對(duì)試件受壓破壞過程中的Hit率演化影響并不大，但水灰比、膠凝材料均不同程度地在應(yīng)力變化中影響著Hit率值的大小，這有益于監(jiān)控充填體損傷累積的大小。

圖2 試塊3d強(qiáng)度變形曲線與Hit數(shù)

試塊a早期強(qiáng)度上升較快，是由于水灰比較小導(dǎo)致泥漿與矸石顆粒之間沒有很好的粘結(jié)，導(dǎo)致漿體與矸石之間握裹力差而使得試件內(nèi)部孔隙大，壓縮過程中顆?？焖倥鲎矊?dǎo)致彈塑性階段應(yīng)力曲線斜率增大；試件整體Hit較低，原因是水與硅灰、水泥等膠凝材料沒有完全進(jìn)行水化反應(yīng)。試塊b的應(yīng)力變化隨應(yīng)變?cè)黾泳徛仙?，?qiáng)度變化不明顯，Hit數(shù)也基本沒有產(chǎn)生，應(yīng)力最大值附近Hit數(shù)突然棸增隨后下降，試件隨后進(jìn)入屈服破壞階段持續(xù)時(shí)間也較短，這是因?yàn)槟z凝材料的水化反應(yīng)雖然與矸石顆粒產(chǎn)生了握裹力，但水泥顆粒太粗，硅灰太細(xì)，但顆粒之間沒有很好的粘聚力。試塊c粉煤灰的加入增強(qiáng)了硅灰與水泥之間的和易性，水灰比的增加，說明了粉煤灰的摻入增強(qiáng)了矸石顆粒與膠凝材料之間的密實(shí)性，矸石顆粒與膠凝材料之間產(chǎn)生了良好的粘聚力。

2.2 聲發(fā)射特性研究

矸石試塊的時(shí)間應(yīng)力關(guān)系與Hit數(shù)變化曲線如圖3所示，從圖3(a)—(c)中可以看出，試件在孔隙裂隙壓密階段和彈性變形階段，隨著應(yīng)力的增加，Hit數(shù)發(fā)生次數(shù)和數(shù)值較小，表明在這兩個(gè)階段內(nèi)幾乎沒有裂紋的萌生或擴(kuò)展，累積損傷較小，膠凝材料的性能在此階段作用不明顯，活性特征不突出；隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增加，試件處于線性變形階段，試件表面的原生裂紋開始逐漸形成與擴(kuò)展，Hit數(shù)值逐漸增多且頻率增加，表明矸石試件內(nèi)部累積損傷不斷增加，破壞程度不斷加劇，在應(yīng)力值最大之前，矸石內(nèi)部的裂紋迅速擴(kuò)展，累積損傷急劇增加，體現(xiàn)在Hit數(shù)相應(yīng)驟增并在應(yīng)力最大值之后測(cè)得最高Hit值，是由于聲發(fā)射信號(hào)通過探頭傳遞給信號(hào)采集器需要一定的傳輸時(shí)間；當(dāng)應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)入屈服破壞階段，試件表面裂紋演化基本完成，Hit數(shù)變化卻有所增加，是由于試件開始破壞，顆粒間的摩擦增大，損傷加劇。圖3(d)各試件累計(jì)Hit數(shù)的變化，AE活動(dòng)主要發(fā)生在試件的彈塑性、塑性屈服破壞階段。

圖3 試塊時(shí)間-應(yīng)力與Hit數(shù)曲線圖

Hit數(shù)最早發(fā)生在c類試件，說明粉煤灰的摻入增加了試件內(nèi)部的顆粒之間的活性，使得膠凝材料與骨料摩擦增大；彈性階段內(nèi)，均有Hit數(shù)產(chǎn)生，是因?yàn)樵嚰?nèi)部孔隙基本密實(shí)，Hit數(shù)主要由顆粒之間的錯(cuò)動(dòng)、摩擦、碰撞呈現(xiàn)出來，Hit值數(shù)量級(jí)變化主要因數(shù)是粉煤灰活性的激發(fā)與水灰比的增加；應(yīng)力值后Hit數(shù)值達(dá)到最大，后試件進(jìn)入破壞變形階段，試件內(nèi)部微觀變化轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻婧暧^裂紋的擴(kuò)展。其中圖3(c)在彈性變化以及彈塑性變化階段內(nèi)聲發(fā)射活動(dòng)都較為頻繁，原因是粉煤灰中含有大量活性物質(zhì)SiO2及Al2O3，在攪拌及養(yǎng)護(hù)中與Ca(OH)2等堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成C-S-H、C-Al-H等膠凝物質(zhì)，對(duì)矸石充填體起到增強(qiáng)作用和堵塞充填體中的毛細(xì)組織，提高充填體的活性能力。

圖3(d)中表明試塊Hit數(shù)出現(xiàn)時(shí)間間隔分別為13s、6s。且b類試件累計(jì)Hit數(shù)的斜率最小，a類試件次之，c類試件斜率最大，斜率的變化反映了Hit數(shù)隨時(shí)間增加的變化程度。這是由于水灰比的增加，矸石試件內(nèi)部顆粒之間的水巖作用增強(qiáng)，水對(duì)顆粒的軟化作用增強(qiáng)，矸石內(nèi)聚力增加，Hit數(shù)也相應(yīng)增加；其次，矸石試件裂紋演化和破壞時(shí)所需要的軸向應(yīng)力依次減小，即矸石試塊從加載開始直至破壞時(shí)所需要的時(shí)間相應(yīng)要提前一些，對(duì)應(yīng)AE聲發(fā)射率劇增點(diǎn)也提前。

3 矸石充填體受壓裂紋演化規(guī)律分析

3.1 裂紋宏觀演化規(guī)律

矸石試塊(表1中c)裂紋演化過程與時(shí)間應(yīng)力、Hit率關(guān)系如圖4所示。

圖4 裂紋宏觀演化圖

從圖4中可知：裂紋起裂于孔隙直徑較小的位置，表明該處內(nèi)部結(jié)構(gòu)為膠凝材料膠凝，養(yǎng)護(hù)過程中需水不足，矸石與膠凝材料握裹力不足，小孔徑多是泥漿氣泡形成，與矸石接觸面最薄弱的部分；應(yīng)力的增加，孔隙周圍衍生出多條細(xì)裂紋連通裂紋逐漸演變成主裂紋，伴隨著翼型次生裂紋的出現(xiàn)與擴(kuò)展，峰后主裂紋貫通形成斷面導(dǎo)致試件表面裂紋剝落，主導(dǎo)試件的破壞程度；大孔隙附近裂紋沿孔隙周邊延伸主要形成次級(jí)裂紋，小孔隙直穿孔徑上下貫通多形成主裂紋。

上述可將試件裂紋分為：閉合壓密階段、線彈性階段、不穩(wěn)定延伸階段、峰后變形階段。圖中0A為閉合壓密階段，僅有1號(hào)細(xì)微裂隙，是由于壓密階段內(nèi)裂紋對(duì)試件的壓力發(fā)展起支持作用；AB段為線彈性階段，試件密實(shí)后承壓能力提高，試件內(nèi)部裂紋相互擠壓體現(xiàn)為2、3、4號(hào)裂紋的出現(xiàn)。BE階段，應(yīng)力曲線斜率開始變小，裂紋對(duì)應(yīng)力的發(fā)展有阻礙作用，3、5號(hào)裂紋貫通演化為主裂紋，周圍衍生許多次生翼型裂紋，處于不穩(wěn)定延伸階段。EF階段試件表面主裂紋出現(xiàn)，但并沒有完全貫通，是由于試件內(nèi)部顆粒之間還有殘余應(yīng)力支撐作用。

圖4(b)中1號(hào)裂紋形成于早期的裂紋萌生階段，位于應(yīng)力曲線上A點(diǎn)，并在B點(diǎn)逐漸形成1條張拉裂紋，局部受力為張拉受力；隨著應(yīng)力的增加，B點(diǎn)衍生3條裂紋如圖4(c)，試件右上方2號(hào)張拉裂紋傾斜擴(kuò)展有與1號(hào)裂紋相交的趨勢(shì)，在應(yīng)力峰值D點(diǎn)前3號(hào)裂紋豎直向下擴(kuò)展，4號(hào)裂紋出現(xiàn)在試件的右下方向上下方演化；5、6號(hào)裂紋形成于應(yīng)力曲線上的C點(diǎn)；應(yīng)力曲線上D、E兩點(diǎn)沒有裂紋發(fā)生，此階段內(nèi)1、3、4、5號(hào)裂紋都形成了上下貫通，7、8號(hào)裂紋形成于峰后F點(diǎn)。圖4中所形成的裂紋1—6號(hào)宏觀裂紋均在出現(xiàn)在裂紋貫通之前，都為張拉裂紋；7、8號(hào)為直通裂紋，發(fā)生在最后的貫通之前。

3.2 宏觀裂紋貫通機(jī)理分析

基于圖4(g)圖裂紋貫通過程，截取左右兩側(cè)斷面(圖5所示)對(duì)裂紋宏觀分析如下：裂紋起始的位置均在試件的端部出現(xiàn)，貫通機(jī)理從下部裂紋的底端和上裂紋的下端向試件中心延伸，過程中伴隨著細(xì)觀分叉裂紋的形成，分叉的形成導(dǎo)致矸石破裂面局部損傷和剝落，使得矸石破壞面最終呈現(xiàn)出凹凸不平的鋸齒形狀；受壓過程中，試件觀測(cè)面涵蓋了許多原生裂紋、孔隙、初始裂紋形狀、直徑并未發(fā)生明顯變化，在試件破壞過程中不占主導(dǎo)作用，對(duì)各類試件的Hit數(shù)、應(yīng)力曲線、裂紋貫通影響不大。

圖5 c試件裂紋貫通過程圖

圖6中1—6號(hào)裂紋均為貫通之前形成的獨(dú)立宏觀裂紋，其中1、4、5主裂紋與翼型次生裂紋構(gòu)成了巖橋，左側(cè)4號(hào)裂紋的延伸和擴(kuò)展形成一個(gè)閉環(huán)，周圍的次生裂紋最為復(fù)雜，在峰后破壞時(shí)試件體積膨脹，試件表面顆粒脫離、剝離；右側(cè)3號(hào)裂紋貫通于試件的上下兩端；2號(hào)裂紋處于應(yīng)力集中區(qū)，沿斜向發(fā)展形成裂縫與3號(hào)裂紋匯合；7號(hào)裂紋是貫通后新出現(xiàn)的裂紋，呈雁列排列與3號(hào)裂紋平行，在裂紋的上端與3號(hào)相交，下部擴(kuò)展至試件的中心，裂紋面均呈現(xiàn)張開狀態(tài)，為張拉裂紋。

圖6 矸石宏觀破壞圖

試件內(nèi)部孕含著多尺度多層次的微宏觀裂隙，在試件表面形成翼型、雁行排列，對(duì)翼型、雁行裂紋分布產(chǎn)生的機(jī)制，作者闡述如下：試塊是由不同尺寸的矸石和膠凝材料攪拌形成的類巖石材料，當(dāng)沒有加載或力很小時(shí)，其細(xì)微觀裂紋沿試件的各個(gè)面均勻分布(即巖石的各向同性特性)；隨著應(yīng)力的逐漸上升，與加載方向一致的豎向或靠近豎向方向上的細(xì)微觀裂紋先起裂和延伸，這是由于試件的抗壓強(qiáng)度(剪切破壞)遠(yuǎn)大于抗拉能力(張拉破壞)，相同的加載方式，張拉裂紋最易形成和擴(kuò)展；加載過程中，與加載方向一致的細(xì)微裂紋尖端所受張拉應(yīng)力最大，因此，最容易發(fā)生張拉開裂和擴(kuò)展，擴(kuò)展方向大體上與原裂紋產(chǎn)生共點(diǎn)擴(kuò)展；隨著應(yīng)力的進(jìn)一步增大，觀測(cè)面的原生裂紋及附近與原裂紋相平行或共點(diǎn)的裂紋相繼擴(kuò)展，最終可能貫通成同一條裂紋，部分裂紋可能受相鄰裂紋影響而停止發(fā)育，形成幾條宏觀、間斷分布、方向近似一致的雁行排列、翼型排列裂紋。

3.3 宏觀形態(tài)破壞分析

矸石試件宏觀破壞如圖6所示，圖6中體現(xiàn)：水灰比與材料成分不一并不試件的破壞形式，單軸壓縮下類巖石材料多裂紋體的擴(kuò)展具有很強(qiáng)的邊界效應(yīng)，表現(xiàn)為左右邊界裂紋率先發(fā)育擴(kuò)展。貫通模式都是由應(yīng)力集中區(qū)向試件中心靠攏，形成整個(gè)觀測(cè)面的宏觀破壞，這是由于試件的端部受到軸向壓力使得壓頭與試件頂?shù)撞慨a(chǎn)生摩擦發(fā)生位移變形，試件受力從中心向兩側(cè)擴(kuò)散，兩側(cè)沒有約束力促使體積膨脹裂紋產(chǎn)生。

圖6中紅色標(biāo)記為巖橋代表，巖橋靠近節(jié)理面處會(huì)產(chǎn)生裂紋并向試件內(nèi)部擴(kuò)展，導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)弱化。巖橋力學(xué)性質(zhì)的弱化，實(shí)質(zhì)是巖橋內(nèi)部微裂紋在外部荷載作用下產(chǎn)生破壞，試件表面，微裂隙開始逐步連通直至破壞。圖中巖橋可大致分為三種類型：相互擠壓型(b)、錯(cuò)位拉伸(a)、復(fù)合型(c)。相互擠壓型為試件試驗(yàn)過程中上下受壓，裂紋沿力學(xué)性質(zhì)弱化面發(fā)育，遇到阻力無法繼續(xù)擴(kuò)展而形成的一種巖橋，多呈現(xiàn)在試件的中間位置；錯(cuò)位拉伸型巖橋表現(xiàn)為兩條平行的裂紋張拉受力過程中，有貫通趨勢(shì)但延伸方向不一致所形成的巖橋，發(fā)生在試件的兩側(cè)多呈滑移擴(kuò)展；有些裂紋既承載剪切又張拉，此時(shí)形成的巖橋?yàn)閺?fù)合型巖橋。

4 結(jié) 論

1)通過對(duì)矸石試件聲發(fā)射信號(hào)的監(jiān)測(cè)可知，應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，隨后Hit數(shù)值與表面裂紋演化也達(dá)到相應(yīng)最大值，但粉煤灰的摻入能豐富Hit數(shù)，是因?yàn)榉勖夯抑蠸iO2、Al2O3與矸石中的Ca(OH)2產(chǎn)生水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)，對(duì)矸石充填體起到增強(qiáng)作用和堵塞充填體中的毛細(xì)組織，提高充填體的活性能力。

2)單軸受壓條件下，裂紋起裂于試件端部經(jīng)應(yīng)力集中區(qū)上下發(fā)育，裂紋之間排列呈雁行排列，從受力方式來看多為張拉裂紋；彈性變形階段內(nèi)，每條裂紋是獨(dú)立宏觀裂紋，隨著應(yīng)力的增加，在與主裂紋共點(diǎn)的面上出現(xiàn)許多翼型裂紋，其擴(kuò)展方向多與主應(yīng)力方向一致，雁行、翼型裂紋相互連通擴(kuò)散，進(jìn)入峰后，裂紋相互擠壓、貫通、脹裂形成裂縫，主裂紋與次生裂紋交錯(cuò)貫通導(dǎo)致試件表面剝落，破壞形式為張拉破壞。

3)矸石試件裂紋演化分為：閉合壓密階段、線彈性階段、不穩(wěn)定延伸階段、峰后變形階段。閉合壓密階段與線彈性變形階段內(nèi)，試件AE信號(hào)較弱；不穩(wěn)定階段矸石試件AE信號(hào)活動(dòng)劇烈，內(nèi)部顆粒碰撞明顯；峰后變形量大，AE活動(dòng)驟減。