甘德清，甘　澤，張云鵬，張亞賓

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.華北理工大學(xué)科學(xué)技術(shù)處，河北 唐山 063009；3.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063009)

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磁鐵礦原礦單軸擠壓破碎力學(xué)過程與聲發(fā)射特征

甘德清1，3，甘澤2，張云鵬1，3，張亞賓1，3

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.華北理工大學(xué)科學(xué)技術(shù)處，河北 唐山 063009；3.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063009)

為研究磁鐵礦原礦擠壓破碎機(jī)理，采用TAW-3000電液伺服巖石三軸試驗機(jī)和PCI-2聲發(fā)射檢測系統(tǒng)，進(jìn)行磁鐵礦原礦單軸擠壓破碎試驗，分析磁鐵礦原礦單軸擠壓破碎的力學(xué)過程和聲發(fā)射特征。試驗結(jié)果表明，裂隙壓縮階段的變形量占總變形量的45%，彈性變形階段和裂隙擴(kuò)展階段應(yīng)力與峰值應(yīng)力的比值范圍大于一般堅硬巖石在相同階段的應(yīng)力比值范圍；不同階段之間轉(zhuǎn)變時，聲發(fā)射信號會出現(xiàn)大幅度躍升或下降，之后出現(xiàn)一段時間的平靜期；聲發(fā)射振鈴計數(shù)率和事件計數(shù)率在各階段的變化規(guī)律相反，能量計數(shù)率躍升反映試件發(fā)生顯著破壞，能量計數(shù)率的最大值不一定發(fā)生在峰值應(yīng)力過后的某一時刻，振鈴計數(shù)率、事件計數(shù)率和能量計數(shù)率的變化特征可反映試件損傷、破裂和破碎的發(fā)展過程和發(fā)生速率；累積振鈴計數(shù)的增長率在時間上表現(xiàn)出先增大后減小的發(fā)展特征，累積事件計數(shù)的增長率之相反，各加載階段聲發(fā)射信號參數(shù)表現(xiàn)的時域特征與力學(xué)變形破碎特征基本一致。

磁鐵礦原礦；單軸；破碎；力學(xué)過程；聲發(fā)射

巖石具有不均質(zhì)性，內(nèi)部存在微裂隙，外載荷作用或溫度變化時會出現(xiàn)應(yīng)力集中，而巖石的破壞伴隨能量的積聚、轉(zhuǎn)化和耗散，巖石發(fā)生損傷破壞時應(yīng)變能釋放產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波，產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象[1-4]。分析聲發(fā)射信號特征參數(shù)的變化規(guī)律可推演巖石的細(xì)觀破壞過程[5]，目前關(guān)于巖石損傷破壞聲發(fā)射特征及其應(yīng)用的研究已取得大量成果。劉祥鑫等人進(jìn)行了四種巖石的單軸加載聲發(fā)射試驗，運用波形轉(zhuǎn)換和建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法提出不同巖石聲發(fā)射信號識別的方式[6]。高保彬等人研究了單軸壓縮過程中不同層位砂巖的聲發(fā)射特征，預(yù)測不同層位砂巖片幫的可能性[7]，另外基于單軸壓縮試驗對比研究了泥巖和砂巖的力學(xué)特性、聲發(fā)射特性和分形特性[8]。蘇承東等人在不同應(yīng)力路徑的壓力試驗基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地分析了煤巖變形破壞全過程的聲發(fā)射特征[9]。張朝鵬等人通過單軸壓力試驗揭示了煤巖受壓破壞過程中聲發(fā)射特征的層理效應(yīng)[10]。劉保縣等人研究建立了煤巖單軸壓縮破壞過程中聲發(fā)射參數(shù)與破壞機(jī)制之間的關(guān)系[11]。張艷搏等人以聲發(fā)射信號的主頻和熵值為主要特征參數(shù)，進(jìn)行干燥和保水煤矸石的單軸壓縮試驗，研究了煤矸石變形破壞聲發(fā)射前兆規(guī)律[12]。王璐等人進(jìn)行了三軸壓縮條件下細(xì)砂巖滲透性和聲發(fā)射特征試驗，研究了細(xì)砂巖破壞過程中聲發(fā)射特征及其滲透性之間的關(guān)系[13]。許江等人借助自主研發(fā)的煤巖雙面剪切裝置，深入研究了雙面剪切載荷作用下，砂巖破壞過程聲發(fā)射特性與含水率的變化關(guān)系[14]。李天一等人以核廢料地下處置庫安全防護(hù)工程為背景，研究了直接與間接拉伸條件下花崗巖破壞全過程的聲發(fā)射特征[15]。李示波等人在利用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)地壓災(zāi)害實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，分析了采空區(qū)圍巖地壓活動聲發(fā)射信息的變化規(guī)律，制定了有效的預(yù)警預(yù)報制度[16]。

巖石破壞過程中聲發(fā)射特性的研究基本是以巖體失穩(wěn)預(yù)警及防護(hù)為目的進(jìn)行的，涉及鐵礦石破碎過程中聲發(fā)射特性的研究較少。我國的貧鐵礦約占鐵礦石總儲量的98.5%，原礦碎磨能耗占選礦廠總能耗40%～80%。鐵礦石一般是結(jié)構(gòu)、構(gòu)造復(fù)雜的堅硬巖石，了解磁鐵礦原礦破碎特性對改進(jìn)碎礦工藝、降低破碎能耗和成本有重要的指導(dǎo)意義。擠壓破碎是礦石破碎的主要作用之一，利用TAW-3000電液伺服巖石試驗機(jī)和PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行磁鐵礦原礦單軸擠壓破碎的聲發(fā)射探測試驗，分析磁鐵礦原礦擠壓破碎的力學(xué)過程和聲發(fā)射特性。

1　磁鐵礦單軸擠壓破碎試驗

在水廠鐵礦爆破現(xiàn)場隨機(jī)取樣，將爆破后的不規(guī)則原礦切削、打磨，加工成標(biāo)準(zhǔn)試件，試件編號及尺寸見表1。利用TAW-3000常規(guī)三軸試驗機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗，使用美國物理聲學(xué)PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測磁鐵礦原礦變形、損傷、破壞時的聲發(fā)射信號。試驗前統(tǒng)一設(shè)置ATW-3000常規(guī)三軸試驗機(jī)控制主機(jī)和PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)主機(jī)的時間，試件預(yù)加載結(jié)束后同時啟動壓力機(jī)位移加載和聲發(fā)射監(jiān)測，試件完全破碎后同時停止加載和聲發(fā)射監(jiān)測，導(dǎo)出并保存試驗的力學(xué)數(shù)據(jù)和聲發(fā)射數(shù)據(jù)。

加載方式：首先施加預(yù)載荷3KN，然后柔性位移控制加載，加載速率0.0025mm/s，試驗機(jī)自行記錄負(fù)荷、位移時間等參數(shù)，同步繪制荷載位移曲線。

聲發(fā)射監(jiān)測方式：聲發(fā)射監(jiān)測使用2套探測裝置，傳感器固定在前后兩個面的中心位置，探頭與試件之間用凡士林涂抹耦合。聲發(fā)射信號經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成電信號，PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)對電信號進(jìn)行處理，并自動計數(shù)、波形采集與分析和聲發(fā)射參數(shù)存儲等。加載前后試件的狀態(tài)見圖1。

表1　試件的編號及尺寸/mm

圖1　加載前后試件的狀態(tài)

2　磁鐵礦原礦擠壓破碎力學(xué)過程

采場爆破時，爆轟氣體膨脹與應(yīng)力波共同作用壓縮、切割、拉伸磁鐵礦，使磁鐵礦成為不規(guī)則塊狀巖體。磁鐵礦受爆轟應(yīng)力的作用，內(nèi)部產(chǎn)生一定的損傷，構(gòu)造發(fā)生改變；拋擲過程中，塊狀磁鐵礦受到高速撞擊產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力，塊狀磁鐵礦發(fā)生二次破碎或內(nèi)部損傷進(jìn)一步發(fā)展。因此，爆破后磁鐵礦原礦破碎力學(xué)性質(zhì)與爆破前相比會發(fā)生較大的改變。圖2是磁鐵礦原礦單軸壓縮條件過程中應(yīng)力應(yīng)變曲線，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線將磁鐵礦原礦單軸擠壓破碎過程劃分成5個階段：裂隙壓密階段、彈性變形階段、裂隙擴(kuò)展階段、裂隙貫通與破裂階段、試件破碎階段。

圖2　應(yīng)力應(yīng)變曲線

裂隙壓密階段的變形量較大，占試件破碎過程總變形量的45%左右，說明爆破后的磁鐵礦原礦標(biāo)準(zhǔn)試件內(nèi)部裂隙是充分發(fā)育的，驗證了上述討論的正確性，此階段試件承受的應(yīng)力范圍為峰值應(yīng)力的0～45%。

彈性變形階段變形量占總變形量8.3%～16.7%，試件繼續(xù)被壓縮。彈性階段內(nèi)的應(yīng)力范圍為峰值應(yīng)力的41%～76%，高于一般堅硬巖石在彈性階段內(nèi)的應(yīng)力范圍[17]。

裂隙擴(kuò)展階段開始時即出現(xiàn)應(yīng)力的突然降低和升高，說明試件局部產(chǎn)生突然破壞，可推斷原有縱向宏觀裂隙的存在，且在壓密階段和彈性階段裂隙的壓密伴隨著新裂隙的孕育和原生裂隙的逐漸擴(kuò)展。此階段應(yīng)力范圍為峰值應(yīng)力的71%～94.4%，高于一般堅硬巖石在裂隙發(fā)生于擴(kuò)展階段的應(yīng)力范圍[17]，變形量占總變形量的16%～22%。

裂隙貫通與破裂階段試件承受的應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限，應(yīng)力范圍為強(qiáng)度極限的71%～100%，而應(yīng)變范圍僅占總應(yīng)變的8.2%～10%。

破碎階段試件仍有較高的殘余強(qiáng)度，繼續(xù)對試件伺服加載，得到峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線，從應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，峰值應(yīng)力過后試件破壞到破碎的過程中仍發(fā)生一定應(yīng)變，應(yīng)變范圍占總應(yīng)變的4.8%～6.5%。

3　磁鐵礦單軸擠壓破碎聲發(fā)射特征

為全面反映磁鐵礦原礦單軸擠壓破碎過程的聲發(fā)射特征，分析了聲發(fā)射振鈴計數(shù)率、事件計數(shù)率、能量計數(shù)率、累積振鈴計數(shù)、累積事件計數(shù)和累積能量計數(shù)等6個參數(shù)的變化規(guī)律。振鈴計數(shù)是傳感器感受撞擊事件產(chǎn)生振鈴所形成的超過閾值電信號振蕩次數(shù)，用于評價聲發(fā)射的活動性。事件計數(shù)是撞擊鑒別出來的材料局部變化次數(shù)，反映聲發(fā)射事件的總量和頻度。能量計數(shù)是指單位時間內(nèi)超過閾值的聲發(fā)射事件能量的總和，反映事件的相對能量與強(qiáng)度。

3.1振鈴計數(shù)率的變化特征

圖3是磁鐵礦原礦單軸加載過程中振鈴計數(shù)率隨時間的變化規(guī)律。

在裂隙壓密階段前50s的時間范圍內(nèi)，振鈴計數(shù)率處于較高水平，CTDJX2振鈴計數(shù)率最大值可達(dá)1.5×105個/s，CTDJX4振鈴計數(shù)率最大值為8×104個/s，CTDJX6振鈴計數(shù)率最大值為2.5×104個/s，隨后出現(xiàn)先緩慢下降后緩慢上升的變化。CTDJX4在0～280s時間范圍內(nèi)出現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，CTDJX6在0～140s時間內(nèi)變化最小。三個試件分別加載至270s、300s和250s時，振鈴計數(shù)率發(fā)生突然增大，預(yù)示著壓縮階段結(jié)束，試件進(jìn)入彈性階段。在壓縮階段前期CTDJX2和CTDJX4聲發(fā)射水平較高說明試件內(nèi)部原生裂隙發(fā)育，CTDJX6在190～250s的時間范圍內(nèi)發(fā)生兩次突變，是由于內(nèi)部較大規(guī)模裂隙壓密造成的。

進(jìn)入彈性階段后，CTDJX2振鈴計數(shù)率處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，到340s時出現(xiàn)突然增大；CTDJX4振鈴計數(shù)率出現(xiàn)瀑布式下降，在380s左右出現(xiàn)突然上升和快速下落，而后出現(xiàn)50s的相對穩(wěn)定期，到430s時從較高的計數(shù)率水平又突然增大；CTDJX6在250～300s的試件范圍內(nèi)振鈴計數(shù)率發(fā)展較為穩(wěn)定，在300～320s時出現(xiàn)大幅度的上升和下降，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)折斷式變形，試件產(chǎn)生明顯的斷裂響聲彈性階段末期振鈴計數(shù)率的大幅度變化表示試件內(nèi)部裂隙開始發(fā)生擴(kuò)展，試驗進(jìn)入裂隙擴(kuò)展階段。

在裂隙擴(kuò)展階段，振鈴計數(shù)率處于上升或間歇式上升的狀態(tài)，CTDJX2從350s開始穩(wěn)定上升，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)下凹彎曲變化，到380s出現(xiàn)急速回落，試件發(fā)出微弱的劈裂聲音，之后振鈴計數(shù)率穩(wěn)定上升，到440s時出現(xiàn)再次回落；CTDJX4振鈴計數(shù)率呈穩(wěn)定上升態(tài)勢，在530s時開始下降；CTDJX6振鈴計數(shù)率在320～370s的時間范圍內(nèi)持續(xù)上升，之后出現(xiàn)一定程度的下降，裂隙擴(kuò)展階段末期振鈴計數(shù)率下降預(yù)示裂隙不穩(wěn)定發(fā)展。

圖3　振鈴計數(shù)率隨加載時間的變化規(guī)律

裂隙貫通與破裂階段前期，振鈴計數(shù)率出現(xiàn)不同程度的增長，之后呈跳躍式變化，應(yīng)力應(yīng)變曲線迅速下降，試件發(fā)出高頻清晰的劈裂聲，CTDJX2振鈴計數(shù)率的變化范圍為1.2×105～2×105個/s；CTDJX4振鈴計數(shù)率的變化范圍為7×104～1.5×105個/s；CTDJX6振鈴計數(shù)率的變化范圍為1.2×104～2.1×105個/s；在本階段末期，振鈴計數(shù)率均出現(xiàn)短時間密集下降，此時試件完全破裂。對破裂的試件繼續(xù)加壓，CTDJ×2試件在0～15s的時間內(nèi)迅速被壓碎，由于探頭松動，沒有采到振鈴信號；CTDJX4和CTDJX6采集的振鈴信號呈直線式下降。CTDJX4在整個加載過程中發(fā)生多次片幫，振鈴計數(shù)率的變化幅度加大，但基本上反映了該試件壓碎過程中聲發(fā)射特征。

3.2事件計數(shù)率的變化特征

圖4顯示，事件計數(shù)率隨時間整體呈現(xiàn)先上升后下降的變化特征，在加載后期，事件計數(shù)率降低到最低水平。裂隙壓密階段的前50s，CTDJX2事件計數(shù)率浮動范圍較大，數(shù)值較為離散，主要呈上升趨勢；CTDJX4事件計數(shù)率迅速上升到800個/s左右，然后保持一段時間的穩(wěn)定；CTDJX6事件計數(shù)率呈拋物線上升至600個/s。CTDJX2事件計數(shù)率在50～230s的時間段內(nèi)事件計數(shù)率首先急速上升，然后在800～1000個/s范圍內(nèi)緩慢上升；CTDJX4在50～300s的時間段內(nèi)以一定的速率，在700～1000個/s范圍內(nèi)緩慢上升；CTDJX6在50～230s的時間段內(nèi)呈先小幅度下降后大幅度上升的變化特征，最高事件計數(shù)率可達(dá)1300個/s。事件計數(shù)率的增大反映試件局部活動密度的增大，表現(xiàn)出在裂隙壓密階段，隨著加載時間的延長和載荷的增大，裂隙壓密的速率逐漸加快。

進(jìn)入彈性階段后，事件計數(shù)率整體出現(xiàn)下降的變化趨勢，CTDJX2在230～340s的范圍內(nèi)，事件計數(shù)率下降至100個/s，其中在270s左右下降至接近0的水平，而后在5s時間內(nèi)迅速上升到900個/s；CTDJX4在300～440s的時間段內(nèi)表現(xiàn)出s形變化，在330s和445s左右降至0水平；CTDJX6在230～300s的范圍內(nèi)處于跳躍式下降，數(shù)據(jù)較為離散，在300s左右降至0水平。在彈性階段，事件計數(shù)率從最高水平逐漸降至最低水平，該過程出現(xiàn)聲發(fā)射事件說明彈性階段繼續(xù)進(jìn)行著原生裂隙的壓密，只是這些事件的數(shù)量逐漸減少，同時有可能出現(xiàn)新裂隙間歇式的萌生。

進(jìn)入裂隙擴(kuò)展階段時，事件計數(shù)率出現(xiàn)了不同程度的上升和下降。CTDJX2在340～355s的時間范圍內(nèi)事件計數(shù)率出現(xiàn)快速上升，在355～380s的范圍內(nèi)快速下降至0水平，在380～450s的時間范圍內(nèi)出現(xiàn)了小幅度的上升和下降，在這個過程中應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)了彎曲；CTDJX4在440～460s的時間范圍內(nèi)事件計數(shù)率急速上升，在460～540s的時間范圍內(nèi)出現(xiàn)了瀑布式下降，在這個過程中應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)了曲折和彎曲，產(chǎn)生劈裂聲；CTDJX6在300～335s的時間范圍內(nèi)事件計數(shù)率急速上升，在335～360s的時間范圍內(nèi)出現(xiàn)快速下降，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)嚴(yán)重曲折和彎曲，產(chǎn)生明顯的劈裂聲。在本階段初期，試件內(nèi)部能量積聚到一定程度而快速釋放裂隙擴(kuò)展速度較快、密度大，導(dǎo)致事件計數(shù)率快速上升；后期裂隙擴(kuò)展穩(wěn)定，部分裂隙由于能量已經(jīng)釋放不再擴(kuò)展，而出現(xiàn)了事件計數(shù)率下降的現(xiàn)象。

圖4　事件計數(shù)率隨時間的變化規(guī)律

在裂隙貫通和破裂階段，事件計數(shù)率基本上處于最低水平。CTDJX2和CTDJX6的事件計數(shù)率均小于50個/s，而CTDJX4的事件計數(shù)率出現(xiàn)波浪式較大范圍的浮動。此階段加載過程中，CTDJX2和CTDJX6間斷的出現(xiàn)清晰的劈裂聲，CTDJX4則出現(xiàn)持續(xù)的片幫剝落，且有細(xì)小碎石崩出。裂隙貫通和破裂階段，試件破壞能量較大但事件發(fā)生的頻率相對較低。磁鐵礦原礦破碎階段CTDJX4和CTDJX6事件計數(shù)率出現(xiàn)大幅度躍升，CTDJX2由于探頭脫落未能記錄事件計數(shù)率。試件破碎時，內(nèi)部發(fā)生大規(guī)模的宏觀脆斷，破裂面之間發(fā)生劇烈摩擦，碎塊之間發(fā)生擠壓碰撞，導(dǎo)致聲發(fā)射事件發(fā)生的頻率快速升高。

3.3能量計數(shù)率的變化特征

圖5為聲發(fā)射能量計數(shù)率隨時間的變化規(guī)律圖，加載過程中能量計數(shù)率表現(xiàn)出較好的規(guī)律性，在試件發(fā)生顯著損傷時，能量計數(shù)率發(fā)生較大幅度的躍升。

裂隙壓密階段，試件處于儲存能量的階段，由于裂隙壓密而釋放的能量極少，試件的能量計數(shù)率處于最低水平。將各典型試件能量計數(shù)率在彈性階段、裂隙擴(kuò)展階段、裂隙貫通與破裂階段和壓碎階段的變化特征進(jìn)行分析：

3.3.1CTDJX2試件

CTDJX2加載到230s時能量計數(shù)率開始增大，由于試件的不均質(zhì)性在280s時試件表面局部破壞，能量計數(shù)率發(fā)生一次跳躍，340s時能量計數(shù)率增長速率變大，230～340s的時間內(nèi)CTDJX2處于彈性變形階段；在340～390s的時間范圍內(nèi)，能量計數(shù)率以較大的速率上升，在390s上升幅度最大，而后能量計數(shù)率快速降低，在400～430s時回到穩(wěn)定發(fā)展?fàn)顟B(tài)，能量計數(shù)率的快速升高說明在大范圍裂隙發(fā)生了擴(kuò)展，此階段為裂隙擴(kuò)展階段；430～500s的時間范圍內(nèi)，試件不斷發(fā)出清晰的劈裂聲，能量計數(shù)率發(fā)生密集式跳躍，說明裂隙發(fā)生貫通，宏觀破裂面已經(jīng)形成，500s時刻的能量計數(shù)率整個壓縮過程的最高值，在時間上滯后于峰值應(yīng)力；在500s以后，試件被壓碎，應(yīng)力應(yīng)變曲線直線式下降，聲發(fā)射探頭脫落，沒有監(jiān)測到聲發(fā)射信號。

3.3.2CTDJX4試件

CTDJX4在330s能量計數(shù)率發(fā)生較大的跳躍，隨著加載的進(jìn)行，在330～440s的時間范圍內(nèi)能量計數(shù)率雖發(fā)生小范圍浮動，但整體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，此階段為CTDJX4的彈性變形階段；440～470s的時間范圍內(nèi)，能量計數(shù)率出現(xiàn)快速上升和下降，試件發(fā)生劈裂聲，產(chǎn)生較大損傷，450s時刻的能量計數(shù)率是加載階段的最高值，在470～530s的范圍內(nèi)，能量計數(shù)率在較低的水平穩(wěn)定增長，能量計數(shù)率上升、下降再上升的過程說明裂隙發(fā)生先快后慢再變快的擴(kuò)展變化，能量計數(shù)率的變化反映出裂隙擴(kuò)展的密集度和擴(kuò)展程度；530～600s的時間范圍內(nèi)，能量計數(shù)率呈現(xiàn)跳躍式變化，試件持續(xù)發(fā)生劈裂聲，試件內(nèi)的裂隙發(fā)生貫通，形成近似均勻分布縱向破裂面；在600～630s的時間范圍內(nèi)，能量計數(shù)率首先出現(xiàn)密集的波動，之后降到0水平，反應(yīng)了試件內(nèi)部的能量已經(jīng)大量釋放，試件受載壓碎，處于最后的破碎階段。

圖5　能量計數(shù)率隨時間的變化規(guī)律

3.3.3CTDJX6試件

CTDJX6在230s開始能量計數(shù)率出現(xiàn)上升態(tài)勢，到290s時上升速率突然變大，此階段內(nèi)平均上升速率較小，CTDJX6發(fā)生彈性變形；在290～320s的時間范圍內(nèi)，能量計數(shù)率出現(xiàn)快速的躍升和降落，試件發(fā)出清晰的劈裂聲，試件內(nèi)部發(fā)生顯著損傷，在320～410s能量計數(shù)率出現(xiàn)先上升后下降的變化，此間部分時刻能量發(fā)生躍升，試件處于裂隙擴(kuò)展階段，CTDJX6裂隙擴(kuò)展持續(xù)的時間較長，釋放的能量較大；410～480s的時間范圍內(nèi)，能量計數(shù)率持續(xù)上升，在峰值應(yīng)力出現(xiàn)的時刻和峰值應(yīng)力過后約20s的時刻，能量計數(shù)率出現(xiàn)兩次大幅度躍升，峰值應(yīng)力過后的能量計數(shù)率躍升到加載階段的最大值，試件內(nèi)部裂隙貫通，儲存的能量快速大量釋放，試件完全破壞；480～500s的時間范圍內(nèi)，能量計數(shù)率迅速下降，試件發(fā)生破碎。

3.4聲發(fā)射信號特性參數(shù)累積計數(shù)分析

根據(jù)聲發(fā)射信號的監(jiān)測結(jié)果，計算磁鐵礦原礦擠壓破碎過程的累積振鈴計數(shù)、累積事件計數(shù)和累積能量計數(shù)，繪制累積振鈴計數(shù)、累積事件計數(shù)和累積能量計數(shù)隨時間的變化曲線，如圖6所示。隨著加載時間的延長累積振鈴計數(shù)、累積事件計數(shù)和累積能量計數(shù)表現(xiàn)出持續(xù)增長的變化規(guī)律，但不同的加載階段，累積計數(shù)曲線的增長率不同。計算不同擠壓破碎階段聲發(fā)射信號特性參數(shù)累積計數(shù)的增長率，結(jié)果如表2所示，表中累積振鈴計數(shù)和累積事件計數(shù)變化率的單位為個/秒，累積能量計數(shù)變化率的單位s-1。

圖6　聲發(fā)射信號特性參數(shù)累積計數(shù)發(fā)展趨勢

由表2可知，隨著加載時間的延長和不同加載階段的轉(zhuǎn)變，累積振鈴計數(shù)增長率的發(fā)展趨勢是先增大后減小，累積事件計數(shù)增長率表現(xiàn)出先減小后增大的發(fā)展趨勢，累積能量計數(shù)增長率則整體表現(xiàn)出線性增大的變化趨勢。累積振鈴計數(shù)和累積事件計數(shù)增長率受加載過程和試件損傷破裂程度的控制，累積能量計數(shù)是試件損傷產(chǎn)生時聲發(fā)射相對能量在時間上的疊加，試件損傷破裂程度越劇烈，累積能量計數(shù)的增長速率越大，聲發(fā)射信號累積參數(shù)增長速率的變化可以反映試件內(nèi)部損傷破壞的劇烈程度。

3.5聲發(fā)射時域特征分析

根據(jù)聲發(fā)射信號參數(shù)變化特征的分析結(jié)果，可知不同加載階段聲發(fā)射具有明顯的時域特征，統(tǒng)計不同加載階段的時間分布，計算各加載階段的時間比例，如表3所示。

裂隙壓縮階段時間占加載總時間的43.4%～52.4%，彈性變形階段試件占加載總時間的12%～22.2%，裂隙擴(kuò)展階段的時間比例為14.3%～24%，裂隙貫通劈裂階段的時間比例為9.4%～14%，壓碎階段的時間比例為4%～6%。隨著試驗機(jī)加載的進(jìn)行，各加載階段的時間比例總體上是逐漸減小的，而彈性變形階段和裂隙擴(kuò)展階段的時間比例相近。比較可知，通過聲發(fā)射特征分析得出不同加載階段的時間比例和力學(xué)過程分析的變形比例是基本一致的。

表2　聲發(fā)射信號參數(shù)累積計數(shù)的增長率

表3　加載過程的時間分布與比例

4　結(jié)　論

1)磁鐵礦原礦單軸擠壓破碎試驗過程可劃分為5個階段，裂隙壓密階段、彈性變形階段、裂隙擴(kuò)展階段、裂隙貫通與破裂階段、試件破碎階段。不同加載階段產(chǎn)生的變形比例差別較大，其中裂隙壓密階段的變形量占總變形量的45%左右，彈性變形階段和裂隙擴(kuò)展階段的應(yīng)力范圍與峰值應(yīng)力的比例高于一般堅硬巖石在相應(yīng)階段的應(yīng)力比。試件壓碎過程中，試件變形不受加載控制，應(yīng)力應(yīng)變曲線快速下降，發(fā)生完全破碎解離。

2)聲發(fā)射信號參數(shù)的變化可以反映磁鐵礦原礦內(nèi)部破壞過程，不同的加載階段，聲發(fā)射信號參數(shù)的變化過程不一樣。加載過程中聲發(fā)射信號參數(shù)發(fā)生多次波動，加載階段發(fā)生轉(zhuǎn)變時，聲發(fā)射信號參數(shù)總會表現(xiàn)出大幅度上升或下降，之后出現(xiàn)一個相對平靜期。振鈴計數(shù)率和事件計數(shù)率的變化規(guī)律相反，而能量計數(shù)率在事件內(nèi)部發(fā)生顯著損傷時會發(fā)生躍升現(xiàn)象。

3)磁鐵礦原礦內(nèi)部原生裂隙發(fā)育，裂隙壓縮階段原生裂隙壓縮速率先快后慢；彈性階段部分原生裂隙繼續(xù)被壓縮，同時出現(xiàn)新裂隙的萌生；裂隙擴(kuò)展出現(xiàn)了先快后慢的變化過程，這主要由于試件彈性變形后存儲的應(yīng)變能快速釋放促進(jìn)了裂隙的擴(kuò)展，隨著彈性能的釋放，試件內(nèi)局部應(yīng)力集中得到了緩解，裂隙擴(kuò)展速率變慢；裂隙貫通與破裂階段試件內(nèi)部的應(yīng)變能得到最大程度的釋放，但裂隙貫通發(fā)生聲發(fā)射活動的頻率遠(yuǎn)小于裂隙壓縮聲發(fā)射活動。

4)累積振鈴計數(shù)增長率在時間上表現(xiàn)出先增大后減小的發(fā)展特征，累積事件計數(shù)的增長率與之相反，二者的加載速率受加載過程和試件損傷程度的控制，由于應(yīng)變能釋放速率逐漸加快，累積能量計數(shù)的增長速率一直增大；磁鐵礦原礦不同加載階段聲發(fā)射信號參數(shù)表現(xiàn)的時域特征與荷載變形特征基本一致。

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Mechanics process and acoustic emission characteristics of raw magnetite ore under uniaxial extrusion fragmentation

GANDe-qing1，3，GANZe2，ZHANGYun-peng1，3，ZHANGYa-bin1，3

(1.CollegeofMiningEngineering，NorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tangshan063009China；2.DepartmentofScienceandTechnology，NorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tangshan063009China；3.MiningDevelopmentandSafetyTechnologyKeyLabofHebeiProvince，Tangshan063009China)

Inordertostudyontheextrusionfragmentationmechanismofrawmagnetiteore，uniaxialextrusionfragmentationexperimentswerecarriedoutwiththeuseofATW-3000ElectricHydraulicServoRockTri-axialTextMachineandPCI-2AcousticEmissionTestSystemtoanalyzemechanicsprocessandacousticemissioncharacteristicsintests.Theresultsshowthatdeformationinfracturecompressionphaseis45%oftotaldeformation，stressratiorangesofpeakstressesincompressionphaseandelasticdeformationphasearelargerthangeneralhardrock’sratiorangesinthesamephases.Whentheloadingphaseconverts，acousticemissionriseordescendonalargescale，andthentherewouldbeaperiodofcalm.Thechangelawsofring-downcountrateareincontrastwiththechangelawsofeventcountrate.Thejumpofenergycountrateexpressesnotabledamageinnerspecimens，themaximumofenergycountratedoesn’talwaysappearatsometimeafterpeakstress.Theprogressandspeedofdamage，fractureandfragmentationcanbereflectedwithchangelawsofring-downcountrate，eventcountrateandenergycountrate.Thegrowthrateofcumulativering-downcountrateincreasefirstlyandthendecreasealongwithloadingtime，withwhichthegrowthrateofcumulativeeventcountrateisincontrast，timedomaincharacteristicsexpressedbyAEsignalparametersofeachloadingphasearesimilartomechanicalcharacteristicsdeformationandfragmentation.

rawmagnetiteore；uniaxial；fragmentation；mechanicalprocess；acousticemission

2016-01-20

國家自然科學(xué)基金項目資助(編號：51374087)；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究重點項目資助(編號：ZD2014037)；河北省自然科學(xué)基金項目資助(編號：E2013209328)

甘澤(1988-)，男，漢族，華北理工大學(xué)助教，從事電氣工程方面研究。

TU45

A

1004-4051(2016)08-0135-08