CN113916657A - 一种胶结充填体损伤评价方法 - Google Patents

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Abstract

一种胶结充填体损伤评价方法，包括在金属矿山获取充填体试样测量应力‑应变、声发射振铃计数、累计振铃计数实验数据，绘制成应力‑应变、时间‑振铃计数、时间‑累计振铃计数曲线，通过充填体的声发射振铃计数定义充填体损伤率D和损伤速率D'，当D'值从0逐渐增加到1阶段为内部细微裂纹快速增加阶段，D'＝1为弹塑性阶段初期，当D'＝1后，D'逐渐减小从1到0，D'值降到D'≤0.6、D＞0.8表明已经发展到了破坏阶段，充填体内部已经损伤严重。本发明由声发射振铃计数定义损伤速率D'判断充填体内部损伤速度的快慢程度，进一步判断充填体所处的损伤阶段，能够准确、及时地对充填体内部损伤的快慢程度进行预判以实现安全生产，也可用于实际工程中充填体‑围岩预警。

Description

一种胶结充填体损伤评价方法
技术领域
本发明属于金属矿山技术领域，具体涉及充填体-围岩在受力作用下损伤评价方法。
背景技术
采矿充填技术是处理矿山废料的主要手段之一，为此充填体力学性能尤为重要；在充填体受力损伤过程中通过应变、外观等发现损伤时往往已处于损伤后期，在实际工程中已经发生破坏。近年来国内外学者通过室内、室外实验、理论研究及现场测试等对充填体力学性能、声发射信号特征等做了大量的研究，其中声发射信号可以通过设备直接现场测量或室内测试，其具有简单快捷、成本低和受现场环境制约少等优点，因此采用声发射定义其损伤具有现实意义，在安全预警方面声发射监测比应力-应变监测更具有超前性、更符合实际工程的需要。
前人一般通过损伤面积、体积等定义损伤率，这种方法具有很大的随机性和不确定性，且测定试件内部损伤面积、体积精确度低，再者，试件内部损伤程度也不完全由面积、体积等因素决定，也不能描述充填体内部损伤的快慢程度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用声发射振铃计数定义损伤速率判断充填体内部损伤速度快慢，进而判断损伤程度的评价方法，能够准确、快速地对充填体内部损伤的快慢程度进行预判以实现安全生产。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种胶结充填体损伤评价方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、在金属矿山取充填体试样，加工打磨后对该试样进行室内单轴压缩实验，使用仪器进行单轴压缩实验测量试样的力学性能，并记录试样应力-应变、声发射振铃计数、累计振铃计数数据；
步骤二、将步骤一中所取充填体试样通过实验测出参数绘制成应力-应变曲线、时间-振铃计数曲线、时间-累计振铃计数曲线；取时间-振铃计数曲线中振铃计数急剧增长前时间为xc，取时间-振铃计数曲线中振铃计数急剧增长后趋于平缓时时间为Ki；
步骤三、基于内部损伤理论通过充填体的声发射振铃计数定义充填体损伤率D，将步骤二中时间xc代入充填体损伤速率D公式中，得出所述充填体损伤率D：
D＝exp(-exp(-0.035(t-xc))
式中：t为时间；
步骤四、基于内部损伤理论通过充填体的累计声发射振铃计数定义充填体损伤速率D'，将步骤二中所得xc、Ki代入公式中，取xc＝Ka，得出损伤速率D'：
Figure BDA0003295520000000021
式中：t为时间；
步骤五、当D'值从0逐渐增加到1阶段为充填体内部细微裂纹快速增加阶段，D'＝1为弹塑性阶段初期，当D'＝1后，D'逐渐减小从1到0，D'值降到D'≤0.6、D＞0.8阶段表明充填体已经发展到了破坏阶段，充填体内部已经损伤严重。
进一步地，本发明采用Python语言进行编程，创建基于声发射振铃计数的可视化检测程序。
进一步地，本发明所述充填体为尾砂胶结充填体。
本发明通过充填体单轴压缩实验拟合出试件声发射累计振铃计数-时间函数曲线，由于充填体声发射信号具有较明显峰值和拐点现象，用充填体试件声发射振铃计数表示试件的损伤程度，并由声发射振铃计数定义损伤速率D'判断充填体内部破坏速度的快慢程度，进一步判断充填体所处的损伤阶段。
1)本发明由声发射振铃计数定义损伤速率D'时现场取充填体试样、室内测试、安全方便，在实际工程中可用来判断充填体-围岩所处的损伤阶段并得出内部损伤情况，用于工程中充填体-围岩预警；
2)本发明基于所定义的充填体损伤率和损伤速率公式，在实际工程中可使用充填体损伤率D公式判断充填体内部损伤程度，配合损伤速率D'公式，判断损伤程度的快慢，可更加准确预测充填体破坏的阶段和程度，能够准确、及时地对充填体内部损伤的快慢程度进行预判以实现安全生产；
3)采用Python语言进行编程，创建基于声发射振铃计数的可视化检测程序，能快速、准确地判断充填体内部损伤，对指导实际工程的预测、评估和防治具有重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明实施例单轴压缩条件下充填体应变-应力曲线；
图2为本发明实施例单轴压缩条件下充填体时间-振铃计数曲线；
图3为本发明实施例单轴压缩条件下充填体时间-累计振铃计数曲线；
图4为本发明实施例单轴压缩条件下充填体时间-能量曲线。
具体实施方式
一种胶结充填体损伤评价方法，包括以下步骤：
步骤一、在金属矿山取充填体试样，加工打磨后对该试样进行室内单轴压缩实验，使用仪器进行单轴压缩实验测量试样的力学性能，并记录试样应力-应变、声发射振铃计数、累计振铃计数实验数据。本实施例的充填体试样取材来自中国河南某金属矿山全尾砂制作试样，制作过程与养护条件均符合JGJ55-2011中《普通混凝土配合比设计规程》正式版的要求，养护后通过室内实验测得试样的力学参数和声发射参数，表1记录了充填体试样加载过程中时间、振铃计数、累计振铃计数和能量数据，表2记录了充填体试样加载过程中时间、荷载、应变和应力数据。
Figure BDA0003295520000000031
Figure BDA0003295520000000041
Figure BDA0003295520000000051
Figure BDA0003295520000000061
Figure BDA0003295520000000071
Figure BDA0003295520000000081
Figure BDA0003295520000000091
Figure BDA0003295520000000101
Figure BDA0003295520000000111
Figure BDA0003295520000000121
Figure BDA0003295520000000131
Figure BDA0003295520000000141
Figure BDA0003295520000000151
Figure BDA0003295520000000161
Figure BDA0003295520000000171
Figure BDA0003295520000000181
Figure BDA0003295520000000191
Figure BDA0003295520000000201
Figure BDA0003295520000000211
Figure BDA0003295520000000221
Figure BDA0003295520000000231
步骤二、如图1、图2、图3所示，通过步骤一实验测出参数数据分别绘制成应力-应变曲线、时间-振铃计数曲线、时间-累计振铃计数曲线；
由图1可知充填体具有与花岗岩等类似特征：前期为局部孔隙压密阶段，随着荷载的增大逐渐发展为弹性阶段、弹塑性阶段、最后为破坏阶段，在破坏阶段主要表现为脆性破坏。
据此可得出该金属矿山充填体破坏的几个阶段：
①空隙密实阶段：此阶段充填体内部微小裂纹和孔隙在外部荷载的作用下逐渐压紧变得密实，此时曲线上升缓慢，为弹性特征。②弹性变形阶段：随着外部荷载逐渐加大，充填体内部裂纹被进一步压实，此时应力-应变曲线呈现为一条斜直线，在该荷载范围大小内充填体内部缓慢稳定产生新的裂纹、新旧裂纹有一定的扩展，呈现出弹性特征。③新裂纹扩展阶段：根据岩石的分型维数理论可知新裂纹都是在上一组裂纹的基础上扩展而来且具有相似性，在荷载继续加大后裂纹逐步扩展萌生，新旧裂纹汇聚向着主应力作用的方向，应力-应变曲线急剧上升向上凸起。④破坏阶段：充填体试件中内部新旧裂纹汇聚成肉眼可见的裂纹，试件发生破坏。
由图2、图3、图4可以清楚地观察到充填体在加载过程中声发射参数信号的数量和频率变化，由此可以判断出充填体在荷载作用下内部损伤情况，推测试件内部细微裂纹的发展情况。在初始裂纹萌生阶段，即在60s时当应力达到应力峰值的20％时，声发射振铃计数开始活跃，此时即为充填体试件新细微裂纹开始萌生、旧裂纹发展阶段。在60s以前振铃计数都处于安静状态，在此时试件内部细微裂纹变化活动缓慢，直至60s时声发射振铃计数、能量开始活跃呈现倍速增长。对应于上述应力-应变曲线在60s以前充填体正处于孔隙压密阶段，为弹性变形阶段。当60s～90s期间充填体试件声发射振铃计数急剧增大后达到峰值，此时对应于上述弹性变形阶段,在此阶段充填体内部裂纹开始大量萌生、发展。振铃计数在90s直至120s开始震荡下降阶段，在90s～120s阶段充填体对应于应力-应变曲线的弹塑性变形阶段，此时充填体内部裂纹大量发展、汇聚变为肉眼可见裂缝。于此同时对应于时间-荷载-能量曲线，充填体声发射能量值在60s开始时数值急剧增加达到峰值后减缓在120s时数值已经趋于平缓。
由上，取时间-振铃计数曲线中振铃计数急剧增长前时间为xc＝60s,xc为累计声发射增长最快对应的时间，取时间-振铃计数曲线中振铃计数由峰值减小后趋于平缓时时间为Ki＝120s；
步骤三、基于内部损伤理论通过充填体的声发射振铃计数定义充填体损伤率D，将步骤二中时间xc＝60s代入充填体损伤速率D公式中，得出所述充填体损伤率D：
D＝exp(-exp(-0.035(t-60))；
步骤四、基于内部损伤理论通过充填体的累计声发射振铃计数定义充填体损伤速率D'，将步骤二中所得xc、Ki代入公式中，取xc＝Ka，得出损伤速率D'：
Figure BDA0003295520000000241
式中，ka为声发射振铃计数增加段时对应的时间；ki为声发射振铃计数急剧增长后减小趋于平缓段时对应的时间，根据图2可得：Ka＝60、Ki＝120；得出损伤速率
Figure BDA0003295520000000251
根据步骤三充填体损伤率D＝exp(-exp(-0.035(t-60))可知：
当t＝120s时，D＝0.885
t＝110s时,D＝0.84
t＝100s时,D＝0.78
根据步骤四充填体损伤率
Figure BDA0003295520000000252
可知：
当t＝120s时，D'＝0.49
t＝110s时,D'＝0.56
t＝100s时,D'＝0.63。
步骤五、由上可以评价，充填体损伤速率D'≤0.6、充填体损伤率D＞0.8，表明充填体试样已经发展到了破坏阶段，充填体内部已经损伤严重。
本发明由声发射振铃计数定义损伤速率D'判断充填体内部损伤速度的快慢程度，进一步判断充填体所处的损伤阶段，能够准确、及时地对充填体内部损伤的快慢程度进行预判以实现安全生产，也可用于实际工程中充填体-围岩预警。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种胶结充填体损伤评价方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、在金属矿山取充填体试样，加工打磨后对该试样进行室内单轴压缩实验，使用仪器进行单轴压缩实验测量试样的力学性能，并记录试样应力-应变、声发射振铃计数、累计振铃计数数据；
步骤二、将步骤一中所取充填体试样通过实验数据绘制成应力-应变曲线、时间-振铃计数曲线、时间-累计振铃计数曲线；取时间-振铃计数曲线中振铃计数急剧增长前时间为xc，取时间-振铃计数曲线中振铃计数急剧增长后趋于平缓时时间为Ki；
步骤三、基于内部损伤理论通过充填体的声发射振铃计数定义充填体损伤率D，将步骤二中时间xc代入充填体损伤速率D公式中，得出所述充填体损伤率D：
D＝exp(-exp(-0.035(t-xc))
式中：t为时间；
步骤四、基于内部损伤理论通过充填体的累计声发射振铃计数定义充填体损伤速率D'，将步骤二中所得xc、Ki代入公式中，取xc＝Ka，得出充填体损伤速率D'：
Figure FDA0003295519990000011
式中：t为时间；
步骤五、当D'值从0逐渐增加到1阶段为充填体内部细微裂纹快速增加阶段，D'＝1为弹塑性阶段初期，当D'＝1后，D'逐渐减小从1到0，D'值降到D'≤0.6、D＞0.8阶段表明充填体已经发展到了破坏阶段，充填体内部已经损伤严重。
2.根据权利要求1所述的一种胶结充填体损伤评价方法，其特征在于，采用Python语言进行编程，创建基于声发射振铃计数的可视化检测程序。
3.根据权利要求1所述的一种胶结充填体损伤评价方法，其特征在于，所述充填体为尾砂胶结充填体。
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