垮落带破碎岩体压实变形及空隙演化规律

李正龙; 刘萍; 邱跃琴; 韩森; 刘贞智; 文林海; 刘杰; 陈锐

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2504792

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (26) :11244-11255 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504792

矿冶工程

垮落带破碎岩体压实变形及空隙演化规律

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Consolidation Deformation and Pore Evolution of Fractured Rock Masses in Collapse Zones

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摘要

破碎岩体压实变形及空隙演化研究对采空区稳定性控制、资源安全开采及地质灾害防治意义重大。以耳海煤矿10806综采工作面垮落带破碎岩体为研究对象,采用室内物理模拟方法,通过电液伺服万能试验机结合声发射监测系统,开展不同粒径级配(0~2 cm、2~4 cm、4~6 cm、6~8 cm、8~10 cm 及混合级配)的单轴压缩试验,系统探究了垮落带破碎岩体的压实变形特性与空隙演化规律。研究表明,破碎岩体压缩过程可划分为快速压缩阶段(加载时间<400 s)和增速放缓阶段(400~900 s),初始阶段压缩量占总变形量的 74% 以上,空隙率降幅达 30%~39%。粒径级配显著影响压缩特性:粗颗粒(8~10 cm)因接触点少、摩擦阻力低,压缩量较细颗粒(0~2 cm)提升 34%~51%;细颗粒通过空隙填充使混合级配(0~10 cm)空隙率最终稳定在 25%,较单一粗颗粒组降低 6%。声发射监测显示,除0~2 cm 组外,其他组声发射能量呈 “先升后降” 趋势,对应快速压密阶段的颗粒破碎与缓慢压密阶段的摩擦主导机制。研究成果揭示了破碎岩体 “粒径-压缩量-空隙率” 的非线性关联及声发射损伤演化机制,为采空区浆体充填时机选择与稳定性控制提供了理论依据。

Abstract

The study of compacted deformation and void evolution in broken rock masses is considered highly important for goaf stability control, safe resource extraction, and geological disaster prevention. The broken rock masses from the caved zone of the 10806 fully mechanized mining face in Erhai Coal Mine were taken as the research object. Indoor physical simulation methods were used. Uniaxial compression tests were conducted with different particle size distributions (0~2 cm, 2~4 cm, 4~6 cm, 6~8 cm, 8~10 cm, and mixed gradation). The tests were performed using an electro~hydraulic servo universal testing machine combined with an acoustic emission monitoring system. The compacted deformation characteristics and void evolution laws of the broken rock masses in the caved zone were systematically investigated.The compression process of broken rock masses is divided into a rapid compression stage (loading time < 400 s) and a deceleration stage (400~900 s). In the initial stage, the compression amount is found to account for more than 74% of the total deformation. The void ratio decrease is observed to be 30% to 39%.Particle size distribution is shown to significantly affect compression characteristics. For coarse particles (8~10 cm), due to fewer contact points and lower friction resistance, the compression amount is increased by 34% to 51% compared to fine particles (0~2 cm). The void ratio of the mixed gradation (0~10 cm) is eventually stabilized at 25% due to void filling by fine particles, which was 6% lower than that of the single coarse particle group.It is indicated by acoustic emission monitoring that, except for the 0~2 cm group, the acoustic emission energy of other groups is observed to exhibit a “first increase then decrease” trend. This trend is correlated with particle crushing in the rapid compaction stage and a friction-dominated mechanism in the slow compaction stage.The nonlinear relationship between “particle size-compression amount-void ratio” and the acoustic emission damage evolution mechanism in broken rock masses is revealed by the research results. A theoretical basis is provided for the timing selection of slurry filling in goafs and stability control.

Graphical abstract

关键词

破碎岩体 / 垮落带 / 空隙率 / 压实变形

Key words

fracture drock mass / collapse zone / void ratio / compaction deformation

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李正龙, 刘萍, 邱跃琴, 韩森, 刘贞智, 文林海, 刘杰, 陈锐. 垮落带破碎岩体压实变形及空隙演化规律[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(26): 11244-11255 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504792

LI Zheng-long, LIU Ping, QIU Yue-qin, HAN Sen, LIU Zhen-zhi, WEN Lin-hai, LIU Jie, CHEN Rui. Consolidation Deformation and Pore Evolution of Fractured Rock Masses in Collapse Zones[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(26): 11244-11255 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504792

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破碎岩体压实变形及空隙演化研究是岩石力学与采矿工程领域的前沿方向,对采空区稳定性控制、资源安全开采及地质灾害防治具有重大意义。该问题本质上是多物理场耦合作用下的非线性力学过程,涉及岩石破碎机理、颗粒物质力学及多孔介质渗流等交叉学科。

针对破碎岩体与矸石的力学特性,研究呈现出从宏观到微观、从连续到非连续的多尺度递进^[1-3]。在宏观层面,文献[4 -7]系统研究了矸石的承载、变形与侧压规律,建立了描述其压实再破碎全过程的本构模型。在微观颗粒机制层面,Chen等^[8]与Song等^[9]分别从岩块形状、尺寸及Talbol指数入手,揭示了颗粒破碎的微观主导因素与演化规律。而对于更具普遍性的裂隙岩体,文献[10-11]则通过试验与模拟,系统划分了其四阶段破坏过程,为含节理、孔洞等缺陷岩体的稳定性分析奠定了基础。陈林万等^[12]通过系列试验,从宏微观层面分析了压实度对黄土性质的影响,揭示了其强度、临界状态与微观孔隙结构的内在关联。王开源等^[13]通过统计理论构建了考虑岩石破碎的混凝土-岩石剪切模型与桩基荷载传递方程,模型经试验验证可有效模拟桩-岩界面的应变软化行为,并揭示了岩石破碎对承载力的关键影响。宋天奇等^[14]采用数值模拟与相似模拟方法,揭示了采动覆岩碎胀系数在走向上的分布与动态演化规律,据此优化出现场充填关键技术参数(滞后距离60 m),并验证了其工程有效性。李雪晴等^[15]基于数字图像处理技术,建立了破碎岩石颗粒的二维形态量化指标体系(circularity, sphericity, rectangularity,CSR),通过相关性分析确定了球形度为最显著特征参数,验证了该体系在形态表征上的准确性。

针对破碎岩体在长期应力作用下渗透特性演化机制这一科学问题,学界通过实验与理论建模开展了系统性研究。研究表明,岩体在应力-损伤耦合作用下的结构劣化是导致其渗透率动态演化的关键诱因^[16]。对破碎岩体渗透特性的研究揭示:一方面,其渗透性受颗粒级配等物理特性影响,且碎石含量与渗透系数存在指数关系^[17];另一方面,在应力-渗流耦合作用下,孔隙水压的升高会显著加速岩体的破坏与强度劣化^[18]。学者们通过数值模拟结果揭示破碎岩体的渗流与破碎岩体质量流失的机理以及颗粒流失有关^[19-20]。在工程应用层面,学者们通过多手段融合研究深化了理论认知。文献[21 -23]采用自主研发的应力-渗流-声发射三场同步测试系统,对陷落柱砂岩开展系列研究,定量表征了渗透系数与动态孔隙率的关系。熊鹏辉等^[24]基于Hertz接触理论的颗粒堆积渗透率模型研究表明,颗粒结构的应力敏感性主要源于结构变形,其影响远大于本体变形,且与结构调整程度正相关。数值模拟证实,渗透率的空间非均匀调整是导致孔压分布不均与渗流变化的主要原因,这揭示了低渗煤层等储层强应力敏感性的内在机理。学者通过对采空区孔隙发育规律和浆体在垮落带流动特性的研究,证明了垮落带处理煤矸石的可行性,并可以减轻采空区对地表沉降变形的不利影响^[25-26]。

当前研究突出多学科交叉与多场耦合,通过融合颗粒物质力学与多孔介质渗流理论,并借助自主研发的多场同步监测装置,实现了从宏微观机制到损伤渗流演化过程的深化认识与动态表征。目前对采空区垮落带破碎岩体的压缩及空隙演化规律的研究较少。

针对现有研究缺少多粒径级配下破碎岩体压实全过程定量表征、颗粒损伤与空隙演化耦合声发射响应机制尚不明确的问题,现以耳海煤矿10806综采工作面垮落现场破碎岩体为试验原材料,依托规范顶板垮落带理论公式完成现场垮落带高度、空隙率理论计算,系统开展单轴压缩室内物理模拟试验;通过排水法测定岩体基础密度,同步记录加载全过程压缩位移、空隙率动态变化与声发射能量、振铃计数特征,压缩后筛分统计各组试样粒度重构规律,系统量化分析粒径级配对破碎岩体两阶段压实变形、空隙衰减演化、颗粒破碎损伤及声发射能量释放的影响机理,揭示“粒径-压缩量-空隙率”非线性关联与颗粒压实损伤演化机制,最终基于试验规律确定采空区浆体充填最优施工时机,为垮落带稳定性控制与采空区充填工程提供试验数据与理论支撑。

1 垮落带破碎岩体空隙演化规律

在煤矿采动覆岩移动过程中,垮落带作为采空区垂直分带体系的底层结构,其破碎岩体的空隙分布与动态演化规律对矿山灾害防控及资源安全回采具有重要影响。垮落带岩体经历采场卸压-顶板垮落-岩块堆积的剧烈改造过程,形成包含粒间空隙、裂隙网络及宏观空洞的多尺度空隙结构。这一复杂空隙系统的时空演化不仅控制着采空区渗流通道的发育、瓦斯积聚与运移规律,同时直接影响上覆岩层移动模式及地表沉陷特征。然而,现有研究多聚焦于垮落带宏观形态描述或单一尺度空隙特征分析,缺乏对空隙结构多场耦合演化机制的系统性揭示。因此,开展垮落带破碎岩体空隙演化规律研究,对于指导煤矿绿色开采具有重要的理论价值与工程意义。

垮落带高度和煤层开采高度决定了垮落带破碎岩体的空隙率大小,但垮落带的高度在开采过程中处于一个动态变化过程,当采面回采完毕后,上覆岩层垮落形成一个稳定的竖三带区域:垮落带、裂隙带、弯曲下沉带,如图1所示。

基于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(安监总煤装〔2017〕66号)中建立的顶板破坏带理论计算模型,采用岩层移动控制方程对冒落带发育特征进行定量分析。如图2所示,通过解算最终获得冒落带最大发育高度预测公式为

(1)

${\mathit{H}}_{\mathit{m}}=\frac{100\sum \mathit{M}}{4.7\sum \mathit{M}+10}\pm 2.2$

式(1)中:H_m为冒落带最大发育高度;∑M为开采煤层总厚度。

根据开采后形成的空间和垮落带高度可计算出不同位置的空隙率(裂隙带和弯曲带形成的空间较小,暂不考虑),可为充填空隙率范围提供一个理论依据。

采用全部垮落法,采面回采完毕后,垮落带的空隙率为

(2)

$\mathit{k}=\frac{\mathit{M}}{\mathit{H}}=\frac{\sum \mathit{M}}{\frac{100\sum \mathit{M}}{4.7\sum \mathit{M}+19}\pm 2.2}$

式(2)中:H为冒落带高度;M为开采煤层厚度。

采用全部垮落法,采面回采过程,垮落带的高度为

(3)

${\mathit{H}}_{\mathit{动}}=\mathit{M}+\mathit{h}\sim \mathit{M}+\mathit{h}-\mathit{w}$

式(3)中:H_动为回采过程中冒落带发育高度。

采用全部垮落法,采面回采过程中,垮落带的空隙率为

(4)

$\mathit{k}=\frac{\mathit{M}}{\mathit{M}+\mathit{h}}\sim \frac{\mathit{M}-\mathit{w}}{\mathit{M}+\mathit{h}-\mathit{w}}$

耳海煤矿开采的10806综采工作面的煤层厚度为2.8 m,按照式(4)计算10806综采工作面回采的垮落带高度为6.5~10.9 m,回采完毕后垮落带的空隙率为0.43~0.26 m。

2 垮落带压实变形试验设计与方法

2.1 试验材料

采用室内物理模拟的研究方法,为更好地模拟垮落带岩体的压实特征,试验研究的破碎岩体取自耳海煤矿10806综采工作面的采空区垮落的岩石,如图3所示。根据综合柱状图,10806综采工作面垮落带的岩体最大厚度为12.3 m,根据文献[7]采用1∶100的几何相似比,本次试验中的最大粒径为12.3 cm,考虑到试验设备的大小,确定最大粒径为10 cm,因此将试验岩体通过人工破碎至10 cm以下,采用孔径为10、8、6、4、2 cm的筛子将破碎岩体进行标准化筛分处理,获得0~2、2~4、4~6、6~8、8~10 cm,5个粒径范围的破碎岩体。

2.2 试验装置与方案

首先需搭建由电液伺服万能试验机、声发射装置及数据采集系统组成的多轴加载平台。试验主要采用耳海煤矿采煤工作面现场取得的破碎岩体为试验材料,尺寸不大于10 cm,经人工破碎至10 cm以下,装填至内径100 mm,高度225 mm的高强度合金钢制压力室中。装置核心参数包括作荷载施加速率为100 N/s,最大设计荷载90 kN,并通过软件同步记录载荷、位移及应力数据,如图4所示。

试验流程如下:采用排水法精确测量各粒径组破碎岩体的真实密度,确保后续力学分析的准确性;将分级岩体装入高强度合金钢制压力室,加载速率恒定为100 N/s。模拟采空区覆岩加载工况;通过数据采集系统记录载荷-位移曲线,捕捉岩体变形全过程;采用声发射技术实时记录加载过程中的能量释放特征,定位破碎岩体破坏状态;当加载系统达到90 kN时自动终止试验,确保实验安全性与数据完整性;运用Origin软件对多源监测数据进行同步处理,建立载荷水平与位移场、声发射能量场的时空关联,揭示不同粒径级配模式下岩体的损伤演化规律与空隙结构重构机制。

该实验方案通过多物理场耦合监测手段,系统研究粒径分布特征对破碎岩体空隙网络连通性、迂曲度及渗透性的影响规律,为采空区稳定性评价与充填参数优化提供量化依据。

为定量揭示粒径级配参数对采空区空隙网络结构的敏感性影响机制,基于工程实测的垮落带破碎矸石粒度分布特征,构建室内物理模拟系统。试验材料严格筛选粒径≤100 mm的破碎岩体,按粒径级配划分为5个特征区间:0~20、20~40、40~60、60~80、80~100 mm。针对不同垮落带层位岩块分布特征,设计6组试验,如表1所示。各组试验材料由不同粒径级配的矸石颗粒按质量比例混合而成。其中,对照组采用均匀粒径分布,试验组分别设置不同特征粒径主导的组合结构,以模拟实际采空区垮落带中岩块粒径的分选效应和架空结构特征。该试验设计可精确解析不同粒径级配模式下空隙结构的连通性、迂曲度及渗透性演变规律,为采空区稳定性分析与充填参数优化提供基础数据支撑。

2.3 垮落带破碎岩体密度试验

破碎岩体密度是分析采空区压缩特性及充填效果的关键参数,其精确测定需同步获取压缩前岩体体积与堆积空隙率。采用排水法开展体积测量,具体流程如下:选取表面干燥、结构完整的岩体样本,对吸水性样本进行石蜡封装处理,确保测量过程中水分不渗入岩体内部空隙。使用精度±0.5 mL的量筒,注入蒸馏水至初始刻度V₁,水面需保持平静状态。将预处理岩体通过细线缓慢浸入水中,操作过程需保持岩体完全浸没且不与量筒内壁接触,待水面稳定后(时间间隔>30 s),记录最终水位V₂,计算岩体体积V=V₂-V₁,该过程需重复4次取均值以消除随机误差, 如表2所示。该测定方法可有效获取破碎岩体在天然堆积状态下的体积参数,为后续的压缩特性分析提供基础数据。实验过程中需特别注意岩体吸水性与表面气泡的干扰控制,通过标准化操作流程确保测量结果的可靠性。实验进行4次,取平均值,得到破碎岩体的密度为

(5)

$\mathit{\rho }=\frac{{\mathit{V}}_{2}-{\mathit{V}}_{1}}{\mathit{m}}$

式(5)中:ρ为岩体密度;m为破碎岩体的质量。

3 垮落带破碎岩体压实变形试验结果分析

3.1 压缩量-时间曲线

通过对图5中压缩量曲线的分析可知,各粒径分组的破碎岩体在压缩过程中,其压缩量随时间增长均呈现出显著的非线性递增趋势。这一现象表明,在加载过程中,破碎岩体内部结构会持续进行动态调整以适应外部荷载,其压缩过程并非简单的线性关系,而是可以划分为两个典型阶段:第Ⅰ阶段为快速压缩阶段(加载时间小于400 s,对应加载载荷约 40 kN);第Ⅱ阶段为增速放缓阶段(加载时间在400~900 s,对应加载载荷为 40~90 kN)。

在快速压缩阶段(第Ⅰ阶段,0~400 s),各分组的压缩量均呈现出迅速增加的态势。这是由于在加载初始阶段,颗粒间的初始排列较为松散,颗粒相对容易发生滑动和重排。在荷载作用下,颗粒通过滑动调整位置,从而导致压缩量快速上升。以0~2 cm组为例,其最大压缩量为 61.1 mm,第Ⅰ阶段的压缩量达到45.4 mm,压缩量增幅占总变形的74%;2~4 cm组最大压缩量为 83.5 mm,第Ⅰ阶段压缩量为 67.8 mm,增幅占总变形的 81%;4~6 cm组最大压缩量87.5 mm,第Ⅰ阶段压缩量75 mm,增幅占总变形的85.7%,降幅 36%;6~8 cm组最大压缩量90.3 mm,第Ⅰ阶段压缩量77.1 mm,增幅占总变形的85.7%,空隙率从0.63 降至 0.40,减小了36.5%;8~10 cm组最大压缩量92 mm,第Ⅰ阶段压缩量76.5 mm,增幅占总变形的83.2%;0~10 cm整体组最大压缩量72 mm,第Ⅰ阶段压缩量55.7 mm,增幅占总变形的77.4%。

进入增速放缓阶段(第 Ⅱ 阶段,400 s之后),随着加载时间的延续,压缩量的增速逐渐放缓。对于粗粒组(如 8~10 cm 组),这主要是因为在荷载持续作用下,颗粒间的接触点出现应力集中,部分颗粒发生破碎,同时颗粒骨架结构不断调整以重新分布荷载;而细粒组(如 0~2 cm 组)则是颗粒逐渐密实,颗粒间可供滑动重排的空间显著减小,进一步压缩的难度增大,从而导致压缩量的增长速率降低。

试验数据显示,所有组别在初始压实阶段(第Ⅰ阶段)的压缩量占总压缩量的比例均超过 74%,其中 4~6 cm 组的占比最为显著,达到 85.7%。这一结果充分揭示了第Ⅰ阶段在空隙结构调整与颗粒重排过程中的核心作用。在此阶段,颗粒介质通过快速压实实现了空隙网络的显著优化,具体表现为破碎岩体空隙率的急剧下降(降幅为30%~39%)。

3.2 终止荷载下的压缩量对比

如图5所示,破碎岩体的力学响应与颗粒级配特征之间存在显著的非线性关联,其中颗粒粒径分布是调控压缩位移响应的关键因素,二者呈现出明确的粒径-位移正相关规律。在相同的 90 kN 终止荷载条件下,2~10 cm 组的最大压缩位移相较于细颗粒组(0~2 cm)提升了 34%~51%。这一现象可归因于粗颗粒接触面积的几何缩减效应:随着颗粒粒径增大,颗粒间的有效接触点减少,导致摩擦阻力降低,同时大尺度颗粒的重分布自由度增加,引发骨架重构的位移累积效应。

值得关注的是,0~2 cm 细颗粒组展现出了最优的承载性能,其最大位移量均值较粗颗粒组降低了 34%。这主要得益于细颗粒间形成的紧密咬合结构,显著提升了岩体骨架的协同承载能力。对于混合粒径岩体(如 0~10 cm 组),其位移响应呈现出典型的过渡性特征,0~10 cm混合组最大压缩量为72.0 mm,相较于0~2 cm单一粒径组(61.1 mm)有所提升,但显著低于同粒径段纯组。此现象表明,0~2 cm细颗粒通过充填混合组中粗颗粒(>2 cm)间的空隙,优化了级配分布,进而增强颗粒间摩擦咬合作用。该机制不仅提升了岩体骨架的结构稳定性,还通过多尺度颗粒协同承载效应,显著抑制了单一粒径组因局部应力集中导致的过度变形。

3.3 空隙率演化规律

破碎岩体空隙率与其结构密实度呈现显著负向相关性,空隙结构发育程度对破碎岩体力学性能具有控制作用。在单轴压缩作用下岩体的力学响应研究中,空隙率作为关键物理参量可定量表征破碎过程中的密实状态演化特征。可以为浆体在破碎岩体空隙间流动提供理论依据,压缩过程中破碎岩体空隙率的计算公式为

(6)

${\mathit{k}}_{0}=\frac{\mathit{v}-{\mathit{v}}_{1}}{\mathit{v}}=1-\frac{\mathit{m}\mathit{\text{'}}}{\mathit{\pi }{\mathit{r}}^{2}\mathit{h}\mathit{\rho }}$

式(6)中:v为完整岩石试样初始体积,m³;v₁为缸筒内装填的破碎岩体体积,m³;ρ为破碎岩体的密度;m'为缸筒内破碎岩体的总质量,kg; r为缸筒的内半径,m; h为缸筒内破碎岩体的堆积高度,m。

各分组的空隙率曲线均显示,空隙率随加载时间呈指数型下降趋势。这一现象表明,在加载过程中,破碎岩体内部的空隙结构不断遭受破坏并被填充,且这种变化在初始阶段较为迅速,随后逐渐趋于平缓,符合指数衰减的特征。

从初始空隙率来看,粗颗粒组(如 8~10 cm 组)由于颗粒松散堆积,颗粒间存在较大空隙,因此初始空隙率较高;而细颗粒组(如 0~2 cm 组)因颗粒体积小,自由堆积时颗粒间形成的空隙相对较小,其初始空隙率较低。在快速压缩阶段,以 0~2 cm组为例,第 Ⅰ 阶段的空隙率由初始的 0.53 减小至 0.37,降幅达 30%;2~4 cm组空隙率从 0.56 降至 0.34,减小了 39%;4~6 cm组空隙率由 0.64 减小至 0.41,降幅 36%;6~8 cm组空隙率从 0.63 降至 0.40,减小了 36.5%;8~10 cm组空隙率由 0.62 减小至 0.39,降幅 37.1%;0~10 cm整体组空隙率从 0.51 降至 0.33,减小了 35%。

在加载后期,不同分组的空隙率分别趋于稳定在不同数值。其中,0~2 cm 破碎岩体组空隙率趋近于 28%,8~10 cm 破碎岩体组降至31%,混合组(0~10 cm)为 25%。这一结果表明,细颗粒对空隙的填充更为高效,能够更好地填充粗颗粒间的空隙,从而使整体颗粒间的空隙减小,进而降低空隙率。

此外,0~10 cm 组的压缩量及空隙率变化并非各细分组的简单平均,这一现象体现了多粒径共存时的尺寸耦合效应。在加载过程中,细颗粒不断填充粗颗粒间的空隙,促使空隙率下降;而粗颗粒则起到维持结构稳定性的作用,抑制了过度变形。二者相互作用,共同影响着破碎岩体的压缩特性和空隙率变化。进一步分析发现,细颗粒的空隙填充作用对浆体渗流特性具有显著影响。当细颗粒含量过高时,会导致空隙率减小,进而使浆体渗透系数下降。这一结果表明,在充填工程中,必须严格控制浆体充填的时间节点,以防止破碎岩体因过度压实而破坏,导致可供充填的空隙空间减小。

从能量耗散的角度分析,细粒组颗粒表面积较大,增强了颗粒间的摩擦与吸附力,在压缩过程中促进了能量耗散。这使得细粒组在压缩时需要消耗更多能量来克服颗粒间作用力,进而导致压缩量减小以及空隙率下降缓慢。相比之下,粗粒组通过颗粒嵌锁形成承载骨架,在一定程度上延缓了压缩进程。但当荷载超过 40 kN 后,粗粒组骨架失稳,引发颗粒破碎,此时大量破碎产物填充原有空隙,导致压缩量陡增,空隙率下降速率也随之加快。

基于上述空隙结构动态变化显著的特点,在实际工程中,若要确保浆体在破碎岩体内的有效流动,建议在第一阶段实施充填工艺。这一策略能够利用空隙率相对较高的初始状态,降低浆体的流动阻力,同时避免后续压实过程对充填通道的封闭效应。

3.4 不同粒径级配破碎岩体破碎特征

对单轴压缩后的破碎岩石进行收集,再次进行称重和筛分,得到了压缩前后不同级配破碎岩石的粒径和级配变化曲线如图6所示。

由图6可以看出,垮落带6组不同粒径分布的破碎岩体试样在单轴压缩破碎试验后,各级配下0~2 cm粒径的占比均在70%以上,该粒径作为级配中最小粒径,随着大颗粒的破碎,其含量在压缩过程中不断增加,试验完成后其粒径分布主要以0~2 cm粒径为主。其中单一粒径级配的破碎岩体在90 kN载荷作用下,试验后破碎岩体的粒径小于4 cm;混合粒径级配的破碎岩体在90 kN载荷作用下, 试验后破碎岩体的粒径小于6 cm,在混合粒径级配中,细颗粒通过充填大颗粒之间的空隙,降低接触点应力集中,抑制粗颗粒破碎,因此颗粒粒径增大。粒径为2~4 cm的破碎岩体含量随着粒径级配变大均有不同程度的增加;而0~2 cm粒径破碎岩体与2~10 cm单一粒径级配近似呈正态分布的关系,粒径级配为4~6 cm时达到最大值,此时0~2 cm粒径占比约77%,混合级配按照平均分布的规律进行混合,各粒径在压碎占比为20%,但2~4 cm粒径范围内的破碎岩体在单轴压缩破坏后重新筛分时,粒径占比为26%左右。该粒径占比变化较小,可作为破碎岩体单轴压缩过程中的稳定颗粒,具有明显的新断裂摩擦痕迹, 试验过程中粒径迁移规律呈现双向动态平衡特征:在目标粒级区间内,原生矸石颗粒发生解体碎裂并向更细粒级区间迁移的同时,相邻较大粒级的矸石组分通过破碎作用持续补给至该检测范围。值得关注的是,这种双向粒度转化过程存在非对称性特征,即通过解体作用脱离原粒级的矸石质量小于新进入该粒级区间的碎屑增量。粒度分析结果表明,初始粒径大于4 cm的矸石组分含量均呈现不同幅度的衰减趋势,印证了上覆压力作用下粗颗粒持续破碎的级配演化规律。这种粒度重构现象最终导致该粒级区间内矸石质量呈现净增长态势,为深入理解破碎矸石压实特性提供了重要的粒度演化证据。

4 垮落带破碎岩体声发射试验结果分析

加载控制系统选用岛津电子万能试验机,该设备依托高刚性框架结构、智能横梁组件、多处理器协同架构及多控制单元集成体系,实现了高速数据采样与高精度自动化控制功能。本试验所采用的加载设备具备 250 kN 的最大载荷输出能力,能够为试验提供充足的加载条件,有效满足研究需求。试验载体为圆形缸筒结构,其内径尺寸为 100 mm,筒深达到 225 mm。缸筒内壁经淬火工艺处理后,形成了符合试验标准的硬度与耐磨性能。基于该缸筒的结构特性与材料性能,在加载过程中可忽略破碎岩体颗粒径向变形的影响。

声发射监测系统选用软岛科技 DS5 系列全波形声发射数据采集仪,该设备的信号采集带宽范围为 100~400 kHz,采样频率设定为 1 MHz。系统配置 5 个声发射传感器,每个传感器前端均集成40 dB增益前置放大器。通过采用固定阈值电压结合优化后的噪声抑制算法,显著降低了环境噪声对声发射事件定位与特征参数提取的干扰,从而实现对动态破裂过程声发射信号的高保真采集。

为提升声发射信号采集质量,基于声发射信号衰减理论对传感器间距进行了优化设计。试验前,将声发射传感器保护头垂直安装于缸筒外侧,该布置方式有助于提高监测系统的测量精度。在传感器固定过程中,采用 AB 胶进行粘结固定,并在保护头与传感器接触部位均匀涂抹工业凡士林,以此确保传感器与试件之间实现良好的声耦合效果。在试样装填环节,为降低缸筒内壁与破碎岩体颗粒间的摩擦干扰,每次装料前均需在缸筒内壁均匀涂抹润滑油;为防止细小颗粒漏失导致试验误差,于缸筒底部安置直径 120 mm 的圆形底座。装料时,先对破碎岩体进行精确称重并充分混合,再通过分层轻振的方式将其装填至缸筒内,有效减少人为操作引入的误差。

试样装填完毕后,在缸筒顶部覆盖与内径尺寸匹配的圆盘,该结构设计可使岛津电子万能试验机施加的轴向压力均匀作用于破碎岩体试样。经上述流程装配完成的破碎岩体试样结构,如图7所示。

4.1 声发射试验结果

在破碎岩体的压缩破碎试验过程中,系统开展了声发射特征信息采集工作。当最大轴向压力施加至 11 MPa 时,破碎岩体在压缩进程中的声发射能量、振铃计数、空隙率以及应力曲线如图8所示。通过对图8中数据的深入分析可知,不同粒径组的破碎岩体在压缩过程中的声发射能量变化呈现出明显差异。除0~2 cm粒径破碎岩体组外,其余各组破碎岩体在压缩过程中的声发射能量变化趋势均呈现先上升后下降的特征:在加载前期,声发射信号相对丰富;进入加载中期和后期,声发射信号显著减少。这一变化过程可清晰划分为两个阶段,且与应力应变曲线中的快速压密阶段、缓慢压密阶段存在明显对应关系。

第一阶段,声发射能量变化显著。在外部压力作用下,破碎岩体主结构发生大量破碎,颗粒间相互挤压作用强烈,摩擦效应显著增强。在此阶段,声发射信号由摩擦型声发射事件与破碎型声发射事件共同主导,表现为声发射能量处于活跃状态,能量波动剧烈且持续时间较长。第二阶段,声发射能量变化趋于稳定。这主要归因于该阶段试样已形成相对稳定的承载结构体系,颗粒破碎现象明显减弱,声发射信号的产生机制转变为以摩擦型声发射事件为主导。

值得注意的是,0~2 cm 粒径组的破碎岩体因其颗粒粒径较小,在外部压力作用下,颗粒主要以滑移充填的方式填充空隙空间。直至空隙被完全填满后,颗粒间才开始出现相互挤压破碎现象,此时表现出声发射能量显著增强,能量变化剧烈且持续时间较长的特征。

声发射振铃计数作为表征材料实时损伤剧烈程度的重要参数,能够有效反映破碎岩体内部损伤演化过程。通过对试验数据的量化分析发现,不同粒径级配的破碎岩体在压缩加载过程中,其声发射振铃计数及能量参数呈现显著差异性特征。具体表现为:0~2 cm 粒径组试样的振铃计数峰值达 6.9×10⁶次,能量峰值为 3.1×10⁷ J;2~4 cm 粒径组峰值分别为 799 次与 3.2×10⁴ J;4~6 cm 组为7 188 次与 1.4×10⁵ J;6~8 cm 组为7 527 次与 1.7×10⁵ J;8~10 cm 组为8 100 次与2×10⁵ J;0~10 cm 混合粒径组则为 6.7×10⁴次与 3.1×10⁵ J。

从参数对比来看,振铃计数峰值序列表现为:0~2 cm 粒径组>0~10 cm 混合组>2~4 cm 组>4~6 cm 组>6~8 cm 组>8~10 cm 组;能量峰值序列呈现完全一致的递减规律,即 0~2 cm 粒径组试样的能量释放强度显著高于其他粒径组别,且两者均以 0~2 cm 粒径组为极值点形成特征性的参数分布梯度。这种差异反映出细粒径破碎岩体在压缩过程中呈现出独特的损伤演化机制,其异常高值的振铃计数与能量释放,与颗粒间接触模式及空隙结构的动态调整过程存在直接关联性。

4.2 试验结果分析

不同粒径组破碎岩体在声发射振铃计数及能量峰值上呈现显著差异,其原因可从颗粒细观结构、损伤演化机制及能量耗散规律三方面展开分析。

4.2.1 颗粒接触行为与空隙结构差异

细粒径组(0~2 cm)的特殊性:细颗粒初始粒径小,颗粒间接触点密度高,压缩过程中颗粒滑移、旋转及相互嵌合的频率显著增加,导致接触界面的摩擦型声发射事件频发。同时,细颗粒试样初始空隙率较低,外部压力首先促使颗粒通过滑移充填空隙,当空隙被压实后,颗粒间接触应力集中加剧,引发大量颗粒破碎,从而产生极高的振铃计数与能量释放。

粗粒径组的特征:粗颗粒初始空隙率高,颗粒间以点接触为主,压缩初期主要发生颗粒重排与架桥结构的调整,颗粒破碎行为较少,故振铃计数与能量峰值较低。随着压力增大,粗颗粒间的应力集中可能导致局部破碎,但由于颗粒刚度大、破碎阈值高,整体损伤事件频率低于细颗粒体系。

4.2.2 损伤演化机制的粒径依赖性

细颗粒体系的 “滑移-破碎” 耦合效应:细颗粒在低应力阶段以滑移充填空隙为主,声发射信号以摩擦型事件为主;当空隙闭合后,颗粒间接触面积增大,应力分布不均引发颗粒破碎,破碎型事件激增,形成 “摩擦-破碎” 的连续损伤过程,导致振铃计数与能量释放呈现单峰型高值特征。

粗颗粒体系的 “重排-稳定” 阶段性特征:粗颗粒在加载初期因颗粒间空隙大,以结构调整为主,声发射信号弱;随着压力增加,颗粒间形成稳定承载骨架,后续变形以弹性压缩为主,破碎事件少,故峰值较低且出现阶段早。

4.2.3 能量耗散规律与应力传递路径

细颗粒的能量高频耗散:细颗粒接触界面多,应力传递路径复杂,压缩过程中能量通过颗粒摩擦、破碎等多种机制耗散,尤其是破碎型事件需消耗大量能量,导致能量释放集中且剧烈。

粗颗粒的能量低效转化:粗颗粒体系应力传递路径短,能量更多以弹性变形能储存,而非通过声发射释放,且破碎事件少,能量耗散以摩擦为主,故能量峰值显著低于细颗粒组。

4.2.4 混合粒径组的协同效应

混合粒径试样因包含不同粒径颗粒,细颗粒填充粗颗粒间隙,形成 “骨架-充填” 结构:初期粗颗粒承担主要荷载,细颗粒滑移充填空隙,声发射信号以摩擦型为主;后期细颗粒压实后,粗颗粒接触点应力集中引发破碎,能量释放介于单一粒径组之间,体现了粒径级配对损伤机制的调制作用。

破碎岩体声发射特征的粒径差异性,本质上是颗粒接触行为、空隙演化路径及能量耗散机制共同作用的结果。细粒径体系因接触界面丰富、破碎阈值低,呈现 “高频率、高能量” 的声发射特征;粗粒径体系则因结构稳定性强、破碎事件少,表现为 “低频率、低能量”。该规律为基于声发射监测的破碎岩体损伤评价及工程稳定性分析提供了细观机制支撑。

5 结论

(1)粒径级配非线性调控压缩行为:破碎岩体的压缩特性受粒径级配非线性影响,细颗粒填充主导密实化,而粗颗粒的骨架效应与混合级配的优化共同决定了宏观力学响应。

(2)确定最佳充填时机:破碎岩体在快速压密阶段空隙率下降最为显著,此阶段是实施浆体充填以保障其有效流动与渗透的最佳窗口期。

(3)声发射能量演化揭示损伤机制:声发射能量呈现“先升后降”的两阶段特征,分别对应快速压密阶段的颗粒破碎主导与缓慢压密阶段的摩擦滑移主导机制,有效表征了内部的损伤演化过程。

(4)细颗粒体系的特殊声发射响应:细粒径岩体因初始以滑移充填为主,其剧烈的声发射活动延迟至加载后期,表现出独特的能量释放特征,反映了颗粒相互作用机制的粒径依赖性。

(5)该领域的研究范式目前仍偏重静态或准静态分析,导致对采动、周期荷载等动态扰动条件下岩体变形与空隙演化规律的认识明显滞后。系统探明长期与动力扰动下的岩体响应,已成为推动理论发展并指导工程实践的前沿方向。

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贵州省基础研究计划(自然科学)青年引导项目(黔科合基础-[2024]青年143)

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2025-06-26	2026-09-18	2025-11-26
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2026-10-09

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