考慮接觸面傾角的充填體—圍巖組合體能量特征分析

盧宏建 王奕仁 張友志 薛振林

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,河北 唐山 063210)

充填采礦通常是由尾砂、水和膠凝劑攪拌形成充填料漿,通過(guò)泵送或重力輸送至地下空區(qū)固結(jié)形成充填體,在固結(jié)過(guò)程中與采場(chǎng)圍巖耦合,形成充填體—圍巖組合體,為地下采場(chǎng)提供安全作業(yè)平臺(tái)[1-4],其力學(xué)過(guò)程表現(xiàn)為充填體與圍巖相互作用,共同平衡采場(chǎng)地壓,即充填體—圍巖組合體能量存儲(chǔ)、耗散、釋放的過(guò)程。因此研究充填體—圍巖組合體的能量演化特征對(duì)認(rèn)識(shí)充填采場(chǎng)穩(wěn)定性十分重要。

目前分析巖體能量演化特征手段主要有聲發(fā)射試驗(yàn)和能量理論分析。在聲發(fā)射特征研究方面:宋衛(wèi)東等[5]研究了充填體—圍巖組合體側(cè)限、三軸壓縮試驗(yàn)及其聲發(fā)射特征;王志國(guó)等[6]進(jìn)行了充填體與圍巖組合模型雙軸加卸載力學(xué)試驗(yàn)及其聲發(fā)射特征分析;Cao Shuai等[7]開展了尾砂—巖石膠結(jié)組合體的三軸壓縮試驗(yàn),分析了組合體受壓破壞過(guò)程中應(yīng)力—應(yīng)變曲線和聲發(fā)射特征,并基于FLAC3D對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。程愛平等[8]通過(guò)聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)圍巖—充填體組合體進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),并基于聲發(fā)射特征參數(shù)分析了組合體在試驗(yàn)過(guò)程中的損傷演化特征,建立了累計(jì)聲發(fā)射與損傷本構(gòu)方程的耦合關(guān)系。在能量耗散理論應(yīng)用方面:Liu X S等[9]通過(guò)2種典型巖石的單軸加卸載試驗(yàn),運(yùn)用能量耗散理論建立了損傷本構(gòu)模型用來(lái)描述循環(huán)加載下巖石的力學(xué)行為;Jia Zheqiang等[10]開展了不同深度煤樣試件的卸荷破壞試驗(yàn),分析了隨著深度煤試樣力學(xué)性能的變化趨勢(shì),建立了不同深度煤試樣峰前能量演化模型,同時(shí)使用能量耗散率的大小定義試件裂紋和破壞的發(fā)展程度;馬德鵬等[11]開展了煤樣試件常規(guī)三軸和不同卸圍壓速率的三軸卸壓試驗(yàn),研究了不同路徑不同卸荷速率對(duì)煤樣能量演化特征及規(guī)律的影響,建立了基于耗散能的煤樣損傷演化模型,并分析了其損傷特征;宮鳳強(qiáng)等[12]通過(guò)對(duì)多種類巖石不同應(yīng)力水平下單軸壓縮一次卸載,發(fā)現(xiàn)了巖石到達(dá)峰值應(yīng)力前,存儲(chǔ)在試件內(nèi)部的彈性應(yīng)變能隨著輸入試件的總能量呈線性增長(zhǎng)的線性儲(chǔ)能規(guī)律,建立了一種基于剩余彈性能指數(shù)的巖爆傾向性判據(jù);劉志祥等[13]根據(jù)4種不同灰砂比的充填體力學(xué)試驗(yàn),揭示了不同配比充填體三維損傷耗能規(guī)律,并探索了礦床開采過(guò)程中巖石三維能量釋放規(guī)律,根據(jù)兩者耦合作用的三維能量損耗特征,探討了充填體與巖石的合理匹配。充填體—圍巖組合體包括充填體、圍巖、接觸面三部分,特別是接觸面受礦體賦存條件和開挖方法的限制,具有非線性和傾角特性。綜上文獻(xiàn),目前考慮這兩個(gè)因素的研究不多。

以空?qǐng)鏊煤蟪涮畈蓤?chǎng)為物理原型,將充填體與圍巖系統(tǒng)考慮,概化出接觸面非線性特性下不同接觸面傾角的充填體—圍巖組合體實(shí)驗(yàn)室尺度模型,基于單軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì) 7 個(gè)角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°)、2 種灰砂比(1 ∶4、1 ∶8)充填體—圍巖組合試件的聲發(fā)射能量特征和能量耗散特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析,同時(shí)對(duì)組合體破裂前兆信息表征進(jìn)行了初探,研究結(jié)論可為充填采場(chǎng)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供理論參考。

1 試驗(yàn)方案與分析方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與組合體試塊制作

(1)試塊材料。試驗(yàn)所用尾砂和圍巖采自河北某充填法開采地下礦山,膠結(jié)材料選用普通硅酸鹽水泥(P.O.42.5),水選用城市自來(lái)水。根據(jù)文獻(xiàn)[14]計(jì)算方法與三維激光掃描數(shù)據(jù)對(duì)比,確定地下礦山圍巖表面粗糙度為分形維數(shù)1.2的界面曲線。對(duì)采集的圍巖進(jìn)行加工,將其預(yù)切割成a×b=50 mm×50 mm,h=100 mm的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)方體,沿高度方向的中點(diǎn)切割出與加載方向成不同角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°)分形維數(shù)1.2的非線性界面。

(2)試塊制備。為了減小對(duì)充填擋墻的壓力影響,采場(chǎng)底部一般采用高強(qiáng)度充填體[15]。根據(jù)礦山實(shí)際充填灰砂比進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)為底部充填體灰砂比1∶4,上部為1∶8,料漿濃度為70%。根據(jù)灰砂比和濃度要求稱量水泥、尾砂和水,倒入攪拌機(jī)中充分?jǐn)嚢?0 min形成均勻料漿,注入預(yù)制試模內(nèi),沉降后刮平12 h后脫模,試件放入控制溫度20±5℃、濕度(90±5)%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)28 d。制成50 mm×50 mm×100 mm的充填體—圍巖組合體試塊。制作過(guò)程見圖1。試塊按灰砂比分為2組,每組中相同接觸面傾角的試塊數(shù)為3個(gè),共需澆筑42個(gè)。根據(jù)《GB/T 50266—2013工程巖體試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)試件打磨合格后進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖1 組合體試塊制作過(guò)程Fig.1 Composite test blocks preparation process

(3)試驗(yàn)設(shè)備。組合體試塊單軸壓縮加載試驗(yàn)選用RLW-3000剪切蠕變雙軸試驗(yàn)機(jī)。選用PAC PCI-2聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的組合體試塊進(jìn)行聲發(fā)射特征參數(shù)的采集。試驗(yàn)同步增加攝像機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),分析組合體變形破壞過(guò)程與能量特征對(duì)應(yīng)關(guān)系及其現(xiàn)象揭示。試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。圖中包括:Ⅰ壓力機(jī)系統(tǒng)(Ⅰ-1控制主機(jī)、Ⅰ-2控制顯示器、Ⅰ-3壓力機(jī)、Ⅰ-4試驗(yàn)試塊);Ⅱ攝像機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Ⅱ-1控制主機(jī)、Ⅱ-2控制顯示器、Ⅱ-3攝像機(jī)、Ⅱ-4光源);Ⅲ聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Ⅲ-1控制主機(jī)、Ⅲ-2控制顯示器、Ⅲ-3探頭)。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Testing experimental apparatus

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法

(1)聲發(fā)射能量特征分析方法。聲發(fā)射能量是聲發(fā)射事件信號(hào)檢波包絡(luò)線下的面積,能夠表征試塊內(nèi)部破裂發(fā)生的規(guī)模。通過(guò)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)后,利用Matlab軟件編程計(jì)算每秒內(nèi)試塊破壞產(chǎn)生的聲發(fā)射能量之和——能率,并通過(guò)和應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比進(jìn)行聲發(fā)射能量特征分析[16]。

(2)能量耗散特性分析方法。根據(jù)能量守恒理論,充填體—圍巖組合體試塊變形破壞都與其自身能量耗散和釋放有關(guān),彈性能與耗散能關(guān)系曲線如圖3所示[17]。

圖3 彈性能與耗散能關(guān)系曲線Fig.3 Relation curve of elastic energy and dissipated energy

根據(jù)熱力學(xué)第一定律,假定試驗(yàn)中所有外界施加在試塊上的能量全部轉(zhuǎn)移到組合體內(nèi)部,壓力機(jī)輸入的總能量滿足如下關(guān)系式[18]:

式中,U為軸向載荷對(duì)組合體試塊做功的總能量,相當(dāng)于圖3中峰值前應(yīng)力應(yīng)變曲線的總面積,MJ/m3;Ue為試塊儲(chǔ)存的可逆彈性變形能,即圖3中的陰影部分面積,MJ/m3;Ud為試塊破壞過(guò)程中內(nèi)部損傷和塑性變形不可逆的耗散能,MJ/m3。

單軸壓縮過(guò)程中外界輸入的總能量U、彈性能Ue、耗散能Ud[19]:

式中,σi為應(yīng)力應(yīng)變曲線上點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的應(yīng)力,MPa;εi為點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的應(yīng)變,初始值為0;Ei為卸荷彈性模量,通常采用初始彈性模量Et代替Ei[20]。

根據(jù)能量守恒原理,組合體試塊在單軸壓縮過(guò)程中伴隨著非線性關(guān)系的能量積聚和耗散,為了定量分析組合體試件在單軸壓縮過(guò)程中的外界輸入總能量在彈性能和耗散能之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,利用能量耗散率ω進(jìn)行分析[21],表達(dá)式為

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

選取各組具有代表性的試塊作為研究對(duì)象,在分析典型組合體試塊破壞形式與應(yīng)力應(yīng)變曲線的基礎(chǔ)上,運(yùn)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法,進(jìn)行組合體聲發(fā)射能量和能量耗散特性分析。

2.1 組合體應(yīng)力應(yīng)變曲線與破壞形式

圖4為典型組合體試塊應(yīng)力應(yīng)變曲線[22]。由圖可知灰砂比1∶8接觸面傾角90°(1∶8-3-90)組合體為脆性破壞,灰砂比1∶8接觸面傾角15°(1∶8-3-15)和灰砂比1∶4接觸面傾角90°(1∶4-1-90)組合體破壞為脆—延性破壞,其他組合體為延性破壞。脆性破壞應(yīng)力應(yīng)變曲線包括:初始?jí)好?、彈性、塑性屈?個(gè)階段。脆—延性破壞和延性破壞包括:初始?jí)好?、彈性、塑性屈服、峰后破壞階段4個(gè)階段。相同接觸面傾角組合體,灰砂比1∶4組合體延性效應(yīng)大于灰砂比1∶8 組合體。

圖4 典型組合體試塊應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of typical composite test blocks

圖5為典型組合體試塊破壞形式?；疑氨?∶8組合體表面裂紋多為平行于加載方向張拉裂紋。灰砂比1∶4組合體表面裂紋方向與加載方向多成一定夾角,表現(xiàn)出剪切破壞特征。組合體破壞形式隨著接觸面傾角的增大,由充填體剪切破壞逐漸過(guò)渡到張拉剪切組合破壞。接觸面傾角0°、15°和30°時(shí),不同灰砂比組合體破壞均發(fā)生在上部充填體部分。接觸面傾角45°和60°時(shí),組合體破壞發(fā)生在充填體與接觸面處,發(fā)生沿接觸面剪切滑移。接觸面傾角達(dá)到75°和90°時(shí),不同灰砂比組合體破壞沿兩介質(zhì)接觸面擴(kuò)展,在充填體部分發(fā)生破壞之外,圍巖也會(huì)發(fā)生破壞。灰砂比1∶8時(shí),組合體中充填體部分強(qiáng)度較低,容易發(fā)生塑性變形和膨脹剪切,萌生次生裂紋數(shù)量較灰砂比1∶4組合體少一些。不同灰砂比充填體影響組合體中巖石部分的破裂程度,灰砂比1∶8組合體圍巖破壞程度較為嚴(yán)重。

圖5 典型組合體試塊破壞形式Fig.5 Failure modes of typical composite test blocks

2.2 組合體聲發(fā)射能量特征

組合體在加載過(guò)程中聲發(fā)射能率和累計(jì)能量主要表現(xiàn)為平靜期、上升期、活躍期。根據(jù)文獻(xiàn)[23],材料聲發(fā)射源產(chǎn)生主要是由組合體孔隙、裂隙壓密閉合和骨料之間相互摩擦,組合體內(nèi)部裂紋萌生、演化和擴(kuò)展、斷裂,斷裂面相對(duì)滑動(dòng)等活動(dòng)導(dǎo)致,不同接觸面傾角不同灰砂比組合體表現(xiàn)出的階段類型和順序不同。 接觸面傾角 0°、15°、30°、45°、60°組合體破壞區(qū)域主要發(fā)生在充填體和接觸面區(qū)域,聲發(fā)射能量幅值較小。在初始?jí)好軓椥噪A段、塑性階段、峰后破壞階段,都有可能發(fā)生充填體內(nèi)部裂隙壓密閉合與尾砂顆粒間摩擦、裂紋發(fā)育擴(kuò)展,破裂面滑移現(xiàn)象,造成能率幅值突增,導(dǎo)致組合體能量曲線階梯性現(xiàn)象明顯,同時(shí)平靜期、上升期、活躍期階段出現(xiàn)順序不固定。接觸面傾角75°和90°組合體破壞區(qū)域包括充填體、圍巖、接觸面,聲發(fā)射能量幅值較大。能量曲線平滑,平靜期、上升期、活躍期3個(gè)階段依次順序出現(xiàn)。

圖6為接觸面傾角0°、15°和30°組合體聲發(fā)射能量數(shù)據(jù)圖。組合體破壞發(fā)生在充填體部分,充填體與圍巖接觸面沒有滑動(dòng)現(xiàn)象,組合體破壞主要受充填體部分控制。整個(gè)過(guò)程聲發(fā)射能率水平較低,整體表現(xiàn)為多點(diǎn)小幅度突增現(xiàn)象。接觸面傾角0°組合體,聲發(fā)射能率峰值出現(xiàn)在應(yīng)力峰值之前,聲發(fā)射能率峰值之前能率表現(xiàn)活躍,之后平靜。接觸面傾角15°和30°組合體,聲發(fā)射能率峰值前后有多點(diǎn)小幅度能率突增現(xiàn)象。

圖6 接觸面傾角0°、15°和30°組合體聲發(fā)射能量數(shù)據(jù)Fig.6 Composite acoustic emission energy data of contact interface dip angle 0°,15°and 30°

圖7為接觸面傾角45°和60°組合體聲發(fā)射能量數(shù)據(jù)圖。組合體破壞發(fā)生在充填體部分,充填體與圍巖接觸面有滑動(dòng)現(xiàn)象,組合體破壞受充填體和接觸面共同控制。整個(gè)過(guò)程聲發(fā)射能率值與0°、15°和30°組合體相當(dāng),但小幅度突增點(diǎn)數(shù)增加明顯,由于充填體在非線性接觸面上的滑動(dòng)作用,造成45°和60°組合體聲發(fā)射能率小幅度突增點(diǎn)數(shù)增加明顯,累計(jì)能量曲線平穩(wěn)增加,體現(xiàn)了組合體延性破壞特征。

圖7 接觸面傾角45°和60°組合體聲發(fā)射能量數(shù)據(jù)Fig.7 Composite acoustic emission energy data of contact interface dip angle 45°and 60°

圖8為接觸面傾角75°和90°組合體聲發(fā)射能量數(shù)據(jù)圖。組合體的充填體和巖石均有破壞,破壞過(guò)程的聲發(fā)射能率整體上呈現(xiàn)為“多點(diǎn)突增—持續(xù)增大—激增”的變化趨勢(shì),前期表現(xiàn)為充填體破壞特征,后期表現(xiàn)為圍巖破壞特征。在數(shù)量級(jí)上明顯大于其他角度的組合體試塊。

圖8 接觸面傾角75°和90°組合體聲發(fā)射能量數(shù)據(jù)Fig.8 Composite acoustic emission energy data of contact interface dip angle 75°and 90°

聲發(fā)射能率幅值大小代表組合體內(nèi)部變形破壞活動(dòng),小幅值代表組合體內(nèi)微裂紋產(chǎn)生或者破裂面滑動(dòng),大幅值代表裂紋貫通。由于組合體內(nèi)充填體和接觸面影響,接觸面傾角 0°、15°、30°、45°、60°組合體聲發(fā)射能率幅值水平較低,且整個(gè)過(guò)程中沒有明顯集中區(qū)域,很難預(yù)測(cè)組合體破壞特征。但累計(jì)能量曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線有很好的相關(guān)性,累計(jì)曲線的斜率變化代表著組合體應(yīng)力應(yīng)變曲線不同階段,峰后破壞階段斜率值大小與組合體破壞形式有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3 組合體能量耗散特征

將實(shí)驗(yàn)所得相關(guān)數(shù)據(jù)按照式(2)～式(5)計(jì)算組合體破壞過(guò)程各能量特征數(shù)值,結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線得到不同傾角組合體的能量耗散特征,如圖9～圖11所示。

圖9 接觸面傾角0°、15°和30°組合體能量耗散特征數(shù)據(jù)Fig.9 Composite energy dissipation characteristic data of contact interface dip angle 0°,15°and 30°

圖10 接觸面傾角45°和60°組合體能量耗散特征數(shù)據(jù)Fig.10 Composite energy dissipation characteristic data of contact interface dip angle 45°and 60°

圖11 接觸面傾角75°和90°組合體能量耗散特征數(shù)據(jù)Fig.11 Composite energy dissipation characteristic data of contact interface dip angle 75°and 90°

隨著軸向應(yīng)變?cè)黾?外界輸入總能量呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì),彈性能、耗散能、能量耗散率指標(biāo)隨接觸面傾角變化呈不同分配規(guī)律變化。結(jié)合組合體單軸壓縮過(guò)程初始?jí)好芎蛷椥噪A段(OA)、塑性屈服階段(AB)、峰后破壞階段(BC),分析不同接觸面傾角對(duì)組合體能量耗散特征。

(1)彈性能和耗散能變化規(guī)律。不同接觸面傾角組合體試塊彈性能和耗散能曲線在應(yīng)力峰值前變化規(guī)律一致,彈性能和耗散能呈非線性增加。不同接觸面傾角組合體的彈性能和耗散能曲線斜率表現(xiàn)不同規(guī)律,彈性能曲線斜率變化不大,但是耗散能曲線斜率隨著接觸面傾角增加逐漸減小。峰后破壞階段曲線變化規(guī)律與組合體破壞形式有關(guān):延性破壞時(shí)彈性能和耗散能呈非線性增加規(guī)律,但是耗散能曲線斜率大于彈性能,在出現(xiàn)宏觀破壞貫通主裂紋時(shí),兩曲線相交,之后耗散能大于彈性能(圖9(a)、圖9(b)、圖9(d)～圖9(f)、圖10(a)～圖 10(d)、圖11(b));脆—延性破壞時(shí)彈性能呈先增加后減小規(guī)律,耗散能呈增大趨勢(shì)(圖9(c)、圖11(a)、圖11(d));脆性破壞時(shí),彈性能陡降,耗散能陡升(圖11(c))。

(2)能量耗散率變化規(guī)律。能量耗散率曲線總體呈“先增大,后減小”的變化規(guī)律。隨著接觸面傾角的變化,峰值個(gè)數(shù)和出現(xiàn)位置表現(xiàn)不同?？傮w表現(xiàn)為組合體破壞受充填控制時(shí)出現(xiàn)1個(gè)峰值,組合體破壞受充填體和接觸面控制時(shí)出現(xiàn)2個(gè)峰值,組合體破壞受充填體、接觸面和圍巖控制時(shí)出現(xiàn)多個(gè)峰值。當(dāng)組合體破壞受充填體和接觸面控制時(shí),充填體有很好的吸能作用,彈性能和耗散能變化平緩,能量耗散率曲線光滑性好。當(dāng)組合體破壞受圍巖控制時(shí),圍巖吸能效果差,彈性能和耗散能變化強(qiáng)烈,能量耗散率曲線鋸齒狀現(xiàn)象明顯。①接觸面傾角0°,15°和30°組合體,初始?jí)好芎蛷椥噪A段(OA)組合體能量耗散系快速達(dá)到峰值,塑性屈服階段(AB)快速下降,峰后破壞階段(BC)緩慢下降;但是灰砂比1∶4傾角30°組合體初始?jí)好芎蛷椥噪A段(OA)能量耗散率達(dá)到了第一個(gè)突增值,在塑性破屈服段(AB)中間位置才達(dá)到峰值,原因是接觸面傾角 0°、15°和30°

組合體破壞主要是受充填體部分控制,但是隨接觸面角度的增加和灰砂比的增大,接觸面傾角已經(jīng)開始對(duì)組合體的能量耗散特產(chǎn)生影響。②接觸面傾角45°和60°組合體,組合體破壞受充填體和接觸面控制,能量耗散率曲線在達(dá)到應(yīng)力峰值前出現(xiàn)2個(gè)峰值,最大峰值出現(xiàn)順序不固定。③接觸面傾角75°和90°組合體,組合體破壞受充填體、接觸面和圍巖控制,變形破壞過(guò)程復(fù)雜,在達(dá)到應(yīng)力峰值前,能量耗散率峰值出現(xiàn)了3個(gè)以上,灰砂比1∶4組合體表現(xiàn)明顯,組合體應(yīng)力應(yīng)變曲線在OA階段中ab段出現(xiàn)的應(yīng)力曲線的“反彎點(diǎn)”,是由充填體與圍巖不協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致的,其引起了能量耗散的變化,出現(xiàn)了能量耗散率峰值突點(diǎn)。

不同接觸面傾角組合體能量耗散率變化規(guī)律與組合體的應(yīng)力應(yīng)變曲線有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,特別是曲線斜率變化可很好地表征彈性能和耗散能之間的轉(zhuǎn)化程度,斜率上升代表組合體內(nèi)部有裂隙發(fā)育擴(kuò)展過(guò)程、曲線峰值代表裂紋貫通、斜率下降代表破壞裂縫滑移錯(cuò)動(dòng)、耗散能率值小于1%代表組合體失去承載能力。

3 組合體破裂前兆信息表征

試驗(yàn)結(jié)果表明組合體變形破壞過(guò)程和破壞形式與聲發(fā)射能量和能耗特征有著密切關(guān)系,特別是聲發(fā)射累計(jì)能量和能量耗散率曲線可以很好地分析和預(yù)測(cè)組合體的破壞活動(dòng)過(guò)程。接觸面傾角0°～60°組合體初始?jí)好芎蛷椥噪A段時(shí)間短,峰后破壞階段時(shí)間長(zhǎng),且峰后有一定的承載能力,表現(xiàn)出很好的延性破壞特征。接觸面傾角75°和90°組合體初始?jí)好芎蛷椥噪A段時(shí)間長(zhǎng),峰后破壞階段短,脆性破壞特征明顯。限于篇幅,僅分析接觸面傾角60°和90°

組合體聲發(fā)射累計(jì)能量和能量耗散率與變形破壞過(guò)程對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖12所示。

圖12 典型組合體能量特征與破壞演化過(guò)程Fig.12 Typical composite energy dissipation characteristic and failure process

(1)接觸面傾角60°組合體能量特征與破壞演化過(guò)程。①初始?jí)好芎蛷椥噪A段(OA),組合體充填體內(nèi)部裂隙壓密,膠結(jié)材料斷裂,裂紋發(fā)育,導(dǎo)致聲發(fā)射能量一直處在上升期,但是彈性能儲(chǔ)存量遠(yuǎn)大于耗散能量,能量耗散率在此階段達(dá)到峰值;對(duì)應(yīng)破裂過(guò)程時(shí)間T1,在組合體右側(cè)出現(xiàn)了裂縫a,T1時(shí)間前L1區(qū)域可以看出累計(jì)能量曲線斜率有突增現(xiàn)象。②塑性階段(AB),原有裂紋a繼續(xù)擴(kuò)展,同時(shí)擴(kuò)展新裂紋b(T2)和c(T3),聲發(fā)射能量仍處在上升期,但此階段曲線斜率變小;在裂紋b(T2)和c(T3)時(shí)間前可以發(fā)現(xiàn)累計(jì)能量曲線有斜率突增區(qū)域L2和L3;此階段能量耗散率曲線斜率開始快速下降,T2和T3時(shí)間點(diǎn)斜率變化明顯。③峰后破壞階段(BC),峰后累計(jì)能量曲線有斜率突增區(qū)域L4明顯大于其他階段,在T4時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)了新的裂縫d、e、f,裂紋發(fā)育擴(kuò)展完成;T4點(diǎn)后裂紋開始發(fā)展滑動(dòng)破壞,導(dǎo)致L5區(qū)域累計(jì)能量曲線斜率出現(xiàn)小的突增現(xiàn)象,之后能量耗散率小于1%,組合體失去承載能力。

(2)接觸面傾角90°組合體能量特征與破壞演化過(guò)程。①初始?jí)好芎蛷椥噪A段(OA),接觸面傾角90°組合體承載強(qiáng)度取決于圍巖強(qiáng)度,因此初始?jí)好芎蛷椥噪A段充填體內(nèi)部破壞活動(dòng)時(shí),聲發(fā)射能量值相對(duì)于整個(gè)階段處于平靜期。但是此階段圍巖和充填體儲(chǔ)能效果好,能量耗散率達(dá)到峰值;不過(guò)充填體的破壞活動(dòng)導(dǎo)致耗散能變化,引起能量耗散率曲線波動(dòng)現(xiàn)象明顯,對(duì)應(yīng)L1和L2區(qū)域曲線峰值波動(dòng)后,在破裂過(guò)程時(shí)間T1出現(xiàn)了裂縫a和b。②塑性階段(AB),原有裂紋a沿組合體接觸面向下擴(kuò)展,充填體與圍巖接觸面剪切摩擦,聲發(fā)射能量進(jìn)行入上升期,剪切摩擦引起能量耗散率曲線發(fā)生波動(dòng)區(qū)域L3和L4;能量耗散率整體呈快速下降趨勢(shì),此階段有小區(qū)域充填體剝落發(fā)生(1、2、3),不影響能量曲線變化。③峰后破壞階段(BC),原有裂縫a和b裂縫開始明顯,同時(shí)圍巖區(qū)域出現(xiàn)破壞裂縫c和d,破裂面滑移和圍巖區(qū)域裂縫的發(fā)育導(dǎo)致聲發(fā)射能量進(jìn)行入活躍期;后期沒有新裂縫發(fā)育,原有裂縫擴(kuò)展直至組合體失去承載能力。

組合體承載能力受充填體和接觸面控制時(shí)(接觸面傾角0°～60°),聲發(fā)射能量曲線斜率突增后平緩表征裂縫發(fā)生,突增值和區(qū)域大表征主裂縫發(fā)生,突增值和區(qū)域小表征次生裂縫發(fā)生。組合體承載能力受圍巖控制時(shí)(接觸面傾角75°和90°),聲發(fā)射能量曲線斜率進(jìn)入活躍期預(yù)示組合體將要失穩(wěn),平靜期和上升期的能量耗散率曲線斜率峰值區(qū)域可以表征組合體裂縫產(chǎn)生的前兆信息。

4 結(jié) 論

(1)接觸面傾角 0°、15°和30°組合體破壞發(fā)生在充填體區(qū)域。接觸面傾角45°和60°組合體破壞發(fā)生在充填體和接觸面區(qū)域,沿接觸面有剪切滑移現(xiàn)象。接觸面傾角75°和90°組合體的破壞沿著兩介質(zhì)接觸面逐漸擴(kuò)展,充填體區(qū)域發(fā)生破壞之外,圍巖區(qū)域也發(fā)生破壞。組合體承載能力受充填體和接觸面控制時(shí),破壞多為延性破壞。組合體承載能力受充填體、接觸面和圍巖控制時(shí),破壞多為脆—延性破壞。

(2)接觸面傾角 0°、15°、30°、45°、60°組合體破壞過(guò)程聲發(fā)射能率表現(xiàn)為多點(diǎn)小幅度突增現(xiàn)象,累計(jì)能量曲線階梯性現(xiàn)象明顯,平靜期、上升期、活躍期階段出現(xiàn)順序不固定。接觸面傾角75°和90°時(shí)表現(xiàn)為“多點(diǎn)突增—持續(xù)增大—激增”的變化趨勢(shì),幅值數(shù)量級(jí)高,累計(jì)能量曲線平滑,平靜期、上升期、活躍期3個(gè)階段依次順序出現(xiàn)。

(3)不同接觸面傾角組合體試塊的彈性能和耗散能曲線在應(yīng)力峰值前變化規(guī)律一致,呈非線性增加,耗散能曲線斜率隨著接觸面傾角增加逐漸減小。峰后破壞階段曲線變化規(guī)律與組合體破壞形式有關(guān)。延性破壞時(shí)彈性能和耗散能呈非線性增加規(guī)律,耗散能曲線斜率大于彈性能,宏觀破壞主裂紋貫通時(shí),兩曲線相交,之后耗散能大于彈性能。脆—延性破壞時(shí)彈性能呈先增加后減小規(guī)律,耗散能呈增大趨勢(shì)。脆性破壞時(shí),彈性能陡降,耗散能陡升。

(4)能量耗散率曲線呈“先增大,后減小”的變化規(guī)律。隨著接觸面傾角的變化,峰值個(gè)數(shù)和出現(xiàn)位置表現(xiàn)不同。組合體破壞受充填控制時(shí)出現(xiàn)1個(gè)峰值,組合體破壞受充填體和接觸面控制時(shí)出現(xiàn)2個(gè)峰值,組合體破壞受充填體、接觸面和圍巖控制時(shí)出現(xiàn)多個(gè)峰值。組合體破壞受充填體和接觸面控制值,能量耗散率曲線光滑性好。組合體破壞受圍巖控制時(shí),能量耗散率曲線鋸齒狀現(xiàn)象明顯。

(5)組合體變形破壞過(guò)程和破壞形式與聲發(fā)射能量和能耗特征相關(guān)性好。組合體承載能力受充填體和接觸面控制時(shí)(接觸面傾角0°～60°)聲發(fā)射能率小幅值代表組合體內(nèi)微裂紋產(chǎn)生或者破裂面滑動(dòng),大幅值代表裂紋貫通。聲發(fā)射能量曲線斜率突增后平緩表征裂縫發(fā)生,突增值和區(qū)域大表征主裂縫發(fā)生,突增值和區(qū)域小表征次生裂縫發(fā)生。組合體承載能力受圍巖控制時(shí)(接觸面傾角75°和90°),斜率上升代表組合體內(nèi)部裂隙發(fā)育擴(kuò)展、曲線峰值代表裂紋貫通、斜率下降代表破壞裂縫滑移錯(cuò)動(dòng)、耗散能率值小于1%代表組合體失去承載能力,聲發(fā)射能量曲線斜率進(jìn)入活躍期預(yù)示組合體將要失穩(wěn)。