近几十年来,随着浅表资源的不断枯竭，采矿活动逐渐向深部发展，“十三五”规划中也明确提出我国采矿业进入深部开采阶段。进入深部开采后，充填采矿法的优点尤为突出。充填采矿法具有消纳固废，有效缓解地下开采出现的一系列地压问题[1]等优点，而充填采矿法安全高效实施的重要前提和基础条件是充填体稳定，因此，研究矿山充填体的稳定性具有非常重要的科学意义。声发射是目前矿山稳定性监测的主要手段之一，近年来，声发射技术已被用于充填体稳定性研究方面。实际采矿活动是一个反复加卸载扰动的过程，通过研究循环加卸载作用下充填体损伤破坏过程的声发射特征，可为实现充填体的声发射稳定性监测提供重要的理论基础。
胶结充填体是充填采矿法应用的关键部分，充填体在充填采场以及采空区后与围岩的相互作用机理是矿山科技工作者关注的热点。如宋卫东等[2]和王明旭等[3]对充填体与岩柱的相互作用机理进行了研究。李猛等[4]通过实验和工程实践得出了固体充填体压实特征下岩层移动规律。赵奎等[5]研究了布筋尾砂胶结充填体顶板力学作用。近年来，随着充填采矿法的推广应用和矿山充填区域的不断增加，充填区域的稳定性监测越来越受到矿山企业的重视，而前人只是对充填体与岩体的相互作用机理进行了研究，有关充填体稳定性监测方面的研究鲜有报道。损伤力学是近年来提出的新的力学研究方法，它有别于古典变形力学，以微观缺陷为出发点来研究介质的力学性态，它能考察多相、非均质的含有损伤演化并经过某种力学平均的介质，近年来被广泛应用于材料强度特征的研究[6,7,8,9,10,11]。故引入损伤力学的方法对受扰动充填体进行研究意义重大，而声发射是目前矿山进行稳定性监测的主要手段之一，声发射(Acoustic Emission，AE[12])是指材料受外力作用发生变形或破坏的过程中释放弹性波的一种物理现象。声发射与材料的损伤破坏密切相关，许多学者在这方面取得了一定的研究成果，如：赵扬锋等[13]用声发射参量信号阶段特征反映了岩石破坏信息和载荷状态的方法；另外，有学者建立了岩石损伤和声发射关系的数学模型[14,15,16]。利用声发射对充填体稳定性进行研究，近年来也屡见不鲜。卢宏建等[17]研究了单轴加载充填体声发射特性参数随加载的进行呈现出阶段性变化的特点。龚囱等[18]建立了声发射胶结充填体特征的分形关系。从以上研究中可以发现，利用声发射技术揭示材料的破坏特征是可行且比较成熟的，但在充填体稳定性方面，这些研究仅仅是建立在单轴荷载下取得的成果。而实际采矿活动对充填体产生的扰动是一个反复加卸载扰动的过程，研究循环加卸载作用下充填体损伤破坏过程的声发射特征，对于揭示充填体损伤破坏特征和充填体稳定性监测来说更具科学意义，而近年来此方面的研究也鲜有报道。
故此，本研究对纯尾砂试件进行多级加卸载试验，模拟充填体在井下所处的应力环境，通过声发射探头接收声发射信号并进行分析处理，建立基于声发射参数的循环载荷下充填体内部损伤表征，探求充填体内部损伤演化过程，为揭示充填体的损伤破坏机制及充填体主破裂前夕提供可靠的信息判据，同时也为充填体的声发射稳定性监测技术的实现提供理论基础。
1 胶结充填体声发射试验
本研究利用液压伺服控制系统提供不同级别的单轴荷载，对尾砂胶结充填体试样进行循环加载试验，并通过声发射测试系统来监测试验时试件的声发射参数，再对监测得到的数据进行分析处理。
1.1 试验设备
本次试验采用的2套系统分别为RMT-150C型电液伺服刚性试验系统（由中国科学院武汉岩土力学研究所研制）和PCI-2型USB数字多通道声发射仪。这2套系统优点突出，能够满足本次试验的要求。其中声发射门槛值取35 dB，上下浮动6 dB。
1.2 试件制备及加载方式
在矿山生产中多采用灰砂比为1∶4、质量浓度为75%的充填料浆进行充填，故本次试验按此配比制备了4组试件，分别编号为1、2、3、4。其中，试件所需的尾砂取自某金属矿山，制备所需的胶凝材料为标号P.C.32.5级复合硅酸盐水泥，制备浓度为75%，放入恒温恒湿的标准养护箱中养护28 d。
试验前对每组试件单轴压缩强度进行了测试，并取每组平均单轴压缩强度为循环加载的峰值应力。为充分模拟爆破冲击波、放矿等对充填体产生的循环荷载，在试验时，每次加载上限取峰值应力的20%、40%、60%和80%，使每次加载上限能均匀地分布在各个应力水平。矿山充填体所承受的荷载一般不为零，故每次试验时卸载到峰值应力的10%。试验时加载速率为0.01 kN/s，试验过程如图1所示。
图1
1.3 声发射参数的选取
损伤是指在外载或环境作用下，细观结构的缺陷（微裂纹、微空洞等）萌生、扩展等不可逆变化引起的材料或结构宏观力学性能的劣化。材料的劣化程度往往与内部缺陷破坏的积累程度密切相关，而脆性材料内部缺陷的破坏常会产生声发射信号，所以通过声发射技术来揭示充填体损伤程度有一定的科学意义。
根据以上分析，本研究优先选取声发射事件率和累计声发射事件率作为揭示胶结充填体损伤程度的声发射参数。声发射事件率是指单位时间里声发射事件的次数，累计声发射事件率则是一段时间量度内发生声发射事件的累计[19]。
2 试验结果分析
试验后，分析了循环载荷下充填体试件表现出的破坏现象和声发射特征，由于4次试验结果相似，以下主要通过3号试件的试验数据来对试验结果进行说明。
2.1 循环载荷下充填体试件的3个变形破坏阶段
图2
图2
循环载荷下充填体变形破坏特征曲线
Fig.2
Characteristic curve of cemented filling deformation and failure under cyclic loading
（1）阶段一为压密阶段，此阶段应力水平较低，声发射数较多且集中，试件应力—应变切线斜率逐渐增大。由此认为声发射主要由内部裂纹闭合和纵向弱面开裂引起。
（2）阶段二为裂纹稳定发展阶段，此阶段声发射事件率分布较为均匀且稀疏，说明新损伤产生不多且较为稳定，应力—应变切线斜率变化较小，试件表现为弹性。在此阶段损伤主要来自于充填体内部裂纹的萌生、扩展。在此阶段中，也存在声发射事件突增的现象，主要是由于充填体内部微裂纹与邻近裂纹间的连通或者卸载时残余拉应变释放造成的损伤加重引起。
（3）阶段三为破坏阶段，进入本阶段后，声发射事件率开始激增，声发射事件数不断增多，新损伤不断产生。此时微裂纹的发展出现质的变化，破裂不断发展，充填体也由体积压缩转变为扩容，充填体的破坏方式开始向塑性破坏转变。
图3
图3
加卸载作用下充填体声发射的阶段性特征
Fig.3
The phased characteristics of acoustic emission of backfill under loading and unloading
由上述分析可知，加卸载作用下充填体变形破坏特征与单轴作用下充填体变化特征明显不同。研究加卸载作用下充填体的声发射特征，对于建立充填体稳定性声发射监测来说更具科学意义。充填体的内部变化与声发射现象密切相关，不同阶段的充填体所产生的声发射现象也不同，当声发射密集出现时，即可认为充填体进入破坏阶段，此时充填体开始步入失稳阶段，所以通过监测充填体的声发射事件率即可判别出充填体所处的阶段，进而判定充填体的变形破坏特征，对充填体稳定性做出合适的预判。
2.2 循环载荷下充填体的Kaiser效应特征
Kaiser效应是指岩石受载过程中，只有当其所受应力水平超过之前所受过的最高应力水平时，才释放出大量声发射的一种现象，这一特性又称为岩石对受载历史的记忆性，亦称不可逆性。在此次试验中，充填体表现出十分明显的Kaiser效应。出现这种现象，可认为在荷载作用下充填体发生变形，微裂纹在荷载作用下产生扩展或闭合释放出储存的应变能，从而产生声发射，而下次加载只有超过上次加载的应力水平，裂纹才会开始打破原有的平衡，达到再次释放应变能的状态。
式中：
2.3 基于声发射参数的充填体损伤表征
由上述分析可知，声发射与充填体内部损伤破坏密切相关，损伤的产生引发声发射事件，所以声发射事件率可以反映某时刻新损伤的产生，而累计声发射事件率则可以反映某时刻的损伤总量。所以损伤因子可定义为
式中:N为试件破坏后累计声发射率；
损伤因子值越大，表明此时的损伤越大，从图5中的应力—时间—D值—声发射事件率曲线可以看出，定义的损伤因子能够很好地与3个破坏阶段匹配，在压密阶段损伤增长较少；而在裂纹稳定发展阶段前期损伤增长较多，中期和后期损伤增长变得十分平缓；进入破坏阶段后损伤开始急剧增长。在压密阶段，原生横向裂纹闭合，充填体总体呈现压缩状态，但随着应力水平的增长，纵向弱面开裂产生损伤，D值增大。在裂纹稳定发展阶段初期，压密阶段产生的裂纹在小范围内连通，汇聚成核，使损伤产生较大的增长，此时D值的增长幅度大于压密阶段。进入裂纹稳定发展阶段中后期，弱面的承载能力显著增强，损伤产生较少，D值较稳定。进入破坏阶段后，弱面的承载强度小于施加的应力水平，充填体内部裂纹不断产生，裂纹与裂纹间相互贯通，最终试件出现破坏，D值激增。
图4
图5
由以上分析可知，量化后的损伤值完全呈现出3个阶段特征，D值表征损伤程度。因此通过接收加卸载作用下的充填体声发射信号并分析处理，通过D值呈现的阶段特征可以很好地反映充填体所处的状态，继而为充填体稳定性监测提供基础性判据。从D值曲线还可以发现加卸载作用下充填体的损伤破坏发生在各个阶段，但前2个阶段产生的损伤总和并未造成充填体的失稳，从图5中可以看出当充填体损伤值达到0.3左右时，充填体开始剧烈破坏，即可认为损伤值D≥0.3时充填体已经失稳。
3 结论
（1）通过对循环加卸载作用下充填体变形破坏特征和破坏过程中声发射特征进行分析后发现，加卸载作用下充填体试件变形破裂过程可划分为压密阶段、裂纹稳定发展阶段和破坏阶段3个阶段;声发射特性参数也随加载的进行呈现出阶段性变化的特点。因此，声发射阶段性特征在一定程度上反映了充填体实际所处的破坏阶段，通过观察声发射特征可做出相应的稳定性预判。
（2）由充填体破坏过程中的声发射分布特征可知，充填体的Kaiser效应十分明显，而Felicity效应并不明显。因此，研究充填体的Kaiser效应特征，对于揭露充填体损伤机制和建立充填体的稳定性监测技术来说具有重要作用。
（3）本研究定义的D值在一定程度上将充填体的损伤数值化，D值的大小很好地反映了充填体的损伤程度，而且D值也存在阶段性变化特征，通过观察D值的阶段特性即可为判断充填体所处的破坏状态提供依据。对于充填体稳定性监测来说，数值化后的损伤也更有助于做出预警预报。
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