摘 要

在我国石膏资源储量丰富，分布广泛。石膏主要用于水泥的制造，随着建筑行业的不断发展，石膏作为水泥主要原料之一，对石膏的需求量也不断增加。我国现阶段在开采的石膏矿山将近500座，按照生产方式，约有70%的石膏产量是地下开采，而乡镇小矿山占到大多数，加上以前矿山采空区没有很好得到治理，近些年来，石膏矿采空区沉降、冒落事故时有发生，造成一定人员伤亡和社会经济损失。石膏的破坏机理一直是人们研究的热点，也取得了一定的成就，很多学者认为爆破振动、开挖卸荷等动力扰动可能触发石膏矿采空区坍塌，但是如何模拟出相似的扰动荷载，建立合理岩石的本构模型去解释岩石的破坏机理，一直是人们有待解决的问题。本论文采用TAW—2000微机控制三轴试验机对石膏试样进行常规三轴实验，在试样轴向施加40%、60%的静载作用下的抗压强度，然后再施加60%、40%的循环荷载，循环频率选取0.1Hz和0.05Hz，模拟在现实工况情况下岩石的受载扰动情况。结合声发射仪对石膏试样在加载过程中声发射特征值变化情况，结合岩石在宏观、细观状态损伤变化情况，分析石膏试样损伤破坏特性以及损伤演化规律。

本论文主要开展的研究内容包括：

1. 通过TAW—2000微机控制三轴试验机，进行三轴压缩试验，加载围压为5MPa的单调压缩试验，得到了石膏试样在5MPa时，抗压强度约为191MPa，在研究周期循环荷载作用下，小于其抗压强度，石膏试样就会发生损伤破坏，同时岩石的损伤和扰动频率也有一定的关系，研究了石膏的在不同荷载下的应力应变基本性能。
2. 通过声发射特征图像，当加载围压，轴压值较小时，岩石的微裂隙被压密，结合应力应变曲线分析了岩石裂隙压密、发育、扩展、连通，直至岩体彻底破坏演化过程。分析了周期循环受压下岩石应力应变和微裂纹发展变化规律。
3. 分析宏观和细观两种不同状态下，岩石微裂隙的扩展、连通对岩石强度有很大影响，声发射在岩石破坏之前大量产生。

关键词：石膏，声发射，低频扰动，损伤力学

ABSTRACT

Gypsum resources are abundant and widely distributed in China. Gypsum is mainly used in the manufacture of cement. With the continuous development of construction industry, gypsum as one of the main raw materials of cement, the demand for gypsum is also increasing. Nearly 500 plaster mines are being mined at the present stage in our country. According to the mode of production, about 70% of the gypsum production is underground mining, while the small town mines occupy the majority, and the mine goaf has not been harnessing very well before. In recent years, the settlement and accident of the gypsum mine goaf occurred, causing a certain personnel injury. Death and social and economic losses. The failure mechanism of gypsum has always been the hot spot of people's research, and some achievements have been made. Many scholars believe that the dynamic disturbance of blasting vibration and excavation unloading may trigger the collapse of the gypsum mine goaf, but how to simulate the similar disturbance load and establish a reasonable rock constitutive model to explain the failure mechanism of rock. Straight is the problem that people need to solve. In this paper, the TAW - 2000 microcomputer controlled three axis test machine is used to carry out the conventional three axis experiment on the gypsum sample. The compressive strength of the specimen under the static load of 40% and 60% is applied axially, then 60% and 40% cyclic loads are applied, and the cyclic frequency is selected as 0.1Hz and 0.05Hz to simulate the load disturbance of rock under actual conditions. According to the change of acoustic emission characteristic value of gypsum specimen during loading, the damage and damage characteristics and damage evolution law of gypsum specimen are analyzed.

The main contents of this paper are as follows:

(1) Through the TAW - 2000 microcomputer controlled three axis test machine, the three axis compression test was carried out and the monotonic compression test was loaded with the confining pressure of 5MPa. The compressive strength of the gypsum sample at 5MPa was about 191MPa. Under the cyclic cyclic loading of the study, it was less than its compressive strength of Sigma _1, and the gypsum specimen would have damage and damage at the same time, and rock was at the same time. The frequency of damage and disturbance also has a certain relationship. The basic stress and strain properties of gypsum under different loads are studied.

(2) Through the acoustic emission characteristic images, when the confining pressure is loaded and the axial compression value is small, the micro cracks of the rock are pressed, and the stress and strain curves are combined to analyze the compaction, development, expansion and connectivity of the rock cracks until the rock mass is completely destroyed. The stress-strain and microcrack development laws of rock under cyclic compression are analyzed.

(3) Under two different states of macroscopic and mesoscopic conditions, the expansion and connectivity of rock microfissures have a great influence on the strength of rock, and acoustic emission is produced before rock failure.

Keywords: Gypsum, Acoustic Emission, Low Frequency Disturbance, Damage Mechanics

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容及技术路线 2

1.3.1 主要研究内容 2

1.3.2 技术路线 3

第2章 岩石破坏理论依据及声发射技术研究 4

2.1 岩体强度理论 4

2.1.1 莫尔-库伦强度理论 4

2.1.2 格里菲斯理论 5

2.2 周期荷载作用下岩石变形规律研究 6

2.3 声发射基本理论 7

2.4 声发射对岩石损伤检测 7

第3章 周期循环荷载下石膏疲劳强度 11

3.1 试验仪器 11

3.2 岩样制备 12

3.3 实验方法 14

3.4 单调受压岩石宏细观损伤分析 15

第4章 细观状态下岩石的损伤模型 17

4.1 细观岩石力学 17

4.2 损伤模型的构建 18

第5章 结论与展望 23

5.1 结论 23

5.2 展望 23

致 谢 24

参考文献 25

绪论

课题研究背景及意义

石膏应用于十分广泛的领域，建筑制品，水泥工业对石膏需求量很大，此外在医药、肥料、农药、造纸、工艺美术、纺织、文教、塑料以及食用品、油漆等都有很大的应用市场。我国石膏矿资源丰富，分布广泛，石膏矿主要是沉积矿床，我国石膏储量位居世界第一，据近几年相关数据，总储量矿石多达576亿吨，我国探明储量的矿区约有170处。随着国家加大对基础性建设投资力度，交通运输加快，建筑业飞速发展，其他行业的兴起等，由于石膏具有很多优良性能，作为三大胶凝材料之一的石膏，在建筑业得到广泛应用，在环境保护、防火、防震方面都有很好的表现，石膏在新材料方面的应用，石膏的应用越来越广泛，同时在节约人力资源、土地、水利、能源、木材等方面，绿色建材节能型材料被国际上广泛认同。社会对石膏的需求量日益增大，产品供不应求，未来国内外石膏市场价格将保持稳中有升的趋势。

石膏矿多为沉积型矿床，我国石膏资源量大，分布广泛同时，在石膏矿开采过程中，安全生产事故时有发生，2005年11月6日下午，河北邢台县康立石膏矿发生特别重大坍塌事故，死亡37人，经济损失七百多万元；2006年8月19日，湖南石门县蒙泉镇天德石膏矿老采空区发生大面积垮塌事故，死亡9人，19人脱险，并导致村民撤离；2015年12月25日，山东平邑县石膏采空区发生一起重大石膏矿坍塌事故，造成1人遇难，13人失联，直接经济损4133.9万元，石膏主要分为二水石膏和硬石膏。对于石膏矿坍塌事故，现有理论认为采矿技术因素和自然地质因素所共同造成的，第一，石膏矿采空区多为同一矿脉，具有相似的地质条件，当采空区在外界扰动作用下达到其抗拉强度，在顶板中积蓄的大量能量被释放出来，形成破坏能力强的冲击地压，同时引起相邻采空区大范围的连锁破坏。第二，石膏在水的浸泡下,其力学强度会明显降低,甚至发生自行断裂^[1]，地下水进入采空区，在地下水的侵蚀，石膏矿顶板、矿柱的强度降低，最终顶板发生冒落，在冲击破坏和冲击气浪的作用下，造成严重的灾害。深部岩体开挖过程中，由于工作震动、爆破、地震等影响，石膏矿采空区容易发生冒顶、塌陷事故。石膏矿体及围岩特殊的物理力学性质决定了石膏矿坚硬顶板能在较短时间内冒落，不仅产生严重的冲击破坏，更严重的采动动力灾害是把采空区内空气瞬间压缩并排出，形成巨大的冲击气浪，其破坏力极强。如何有效地预防石膏矿采空区顶板冒落、坍塌等危害，是矿山安全有效生产的重要保证。

国内外研究现状

岩石作为自然产物，在岩石的形成过程中，经历不同的地质作用和外力的作用下，拥有不同于让其他人工材料的物理属性，形成了不同的结构与构造。对于采矿、水利水电工程、土木工程以及国防工程等，都需要对岩体的稳定性有一个清晰地认识，早期人们对岩体认识的不足也导致了一系列事故发生。对岩石系统的研究，是从20世纪50年代初期开始的^[2]，经过这短短的近七十多年的发展，渐渐成为社会研究的热点。1963年，原苏联学者拉博特诺夫首次定义了“损伤因子”。勒梅特、沙博什等在基于连续介质力学和热力学建立了“损伤力学”这门学科^[3]。Cerfontaine, B. 和 F. Collin ^[4]研究了天然岩石材料在疲劳和循环加载下的全面状态，同时计算准确的S-N曲线，预测岩石的单调峰强度，了解疲劳机制和提供灰色研究领域。在中国，Chunjiang Zou 等^[5]研究了单裂纹石膏矿试样在动载荷和准静载荷作用下的力学性质和破裂行为，研究发现应变率越大，石膏矿抗压强度越大，且在动载荷作用下的抗压强度大于静载荷。为了研究岩石的力学特性，马春德^[6]运用instron电液材料试验机对红砂岩探究岩石动态响应，李夕兵^[7]利用SHUP对长石砂岩进行了不同冲击动载强度试验研究，李庶林^[8]利用声发射对不同岩石在单轴加载过程中特性分析，针对岩石破环有声发射现象，刘希灵等研究了动静加载条件下花岗岩声发射b值特征。刘向君^[9]以微CT技术为基础建立砂岩的孔隙网络模型。随着岩石物理力学性质研究的深入和研究方法不断的先进，人们不断利用不同的方法和研究手段，对不同岩石的宏观、细观进行了不断地研究，但是对于石膏这种硬度低，节理度比较高的岩石，其力学特性研究比较少，不同岩石的研究方法可以参照，但不同的岩石的成分、性质、形成过程、演变历史都不一样，不能以一种或几种岩石来完全说明某特定岩石的力学特性，基于石膏矿力学性质研究较少，随着社会对石膏的需求量日益增大，石膏矿的开采量也会相应的的提高，如何治理好石膏矿采空区的安全问题，将会成为社会关注的重点。

本文主要研究内容及技术路线

主要研究内容

本文研究内容主要探究石膏在动静循环荷载下，石膏变形、损伤规律及演化机制，力求揭示具有较大脆性的石膏矿采动损害的发生条件、动力学演化规律，为石膏矿采空区处理及控制提供可靠的理论依据及实践指导。本文重点以室内试验为主，重点探究以下内容：

1、选择武汉龙源石膏矿的原石作为本次实验的主要研究对象，利用TAW—2000微机控制三轴试验机对试样进行单轴和三轴压缩试验，探究石膏试样抗压强度和应力应变曲线特征，结合岩石的宏观特征，探究破环特性。

2、基于岩石的记忆效应，通过对试样以不同频率的反复循环加载，结合应力应变曲线，探究试样疲劳损伤断裂特性，不同循环频率对岩石疲劳损伤寿命的影响，研究结构石膏岩样在三轴加载及卸载过程中的破裂特征。

3、利用声发射仪对进行单轴和三轴动静循环载荷试样进行声发射实验，采用声发射设备对试件进行实时监测，基于声发射特征数，对岩石试件损伤演化规律进行分析，模拟在低频周期扰动作用下应力集中—局部损伤—整体破坏的动态演化过程。

技术路线

本文主要采用理论分析、室内试验相结合的研究方法。实验方面，选取了武汉龙源石膏矿的岩样作为研究对象，进行分别进行单调压缩试验，三轴循环加载试验并同时进行声发射实验，探究石膏在宏观、细观状态下损伤特征及规律，在加载和卸载过程中，声发射特征值的变化情况，了解岩石损伤演化的动态过程，建立岩石损伤的本构模型。

下图 1‑1是本文的技术路线图

图 1‑1 技术路线图

Figure 1‑1 Technology Roadmap

岩石破坏理论依据及声发射技术研究

地球自形成以来,经历了漫长的地质变化,沧海桑田,海枯石烂,在不断地变化中才有了今天的地质地貌。作为各种地质作用的产物，在漫长的地质作用下，岩石从产生到破坏，岩石中产生了孔隙、节理面，将岩石变成了不均质，非连续的结构体，每块岩石都有其特有的性质。但是不同种类的岩石都有相似的特征值，作为理论研究，不能将所有种类不同的岩石做实验，但通过相应种类岩石的研究，达到找到岩石共同特征和规律，方便在自然界中,岩石从诞生之日起，经历着复杂的变化，所以对于岩石这种非线性，不连续的结构体，准确研究是比较困难的。

岩体强度理论

岩石的破坏损伤不仅由应力引起的，同时温度、湿度、应变率等有关，而这些因素引起应力或应变增长到一定程度后，岩石（岩体）便会损伤和破坏。而岩石（岩体）的强度理论就是表征岩石（岩体）破坏条件的应力应变函数，又称为强度准则或破坏判据。岩石的强度是研究岩石破坏的基础，在岩石力学中应用最广泛为莫尔—库伦强度理论和格里菲斯（Griffith）强度理论，下面主要介绍这两种强度理论。

莫尔-库伦强度理论

莫尔强度理论认为，岩石受力单元体受到压应力和（），则在单元体的某一平面上将会产生正应力和剪应力，当这一平面上的剪应力达到最大值，材料将会破坏，所以有如( 2‑1 )关系式所示：

式中：为岩石破坏面的剪应力，为岩石破坏面的正应力，C是岩石的内聚力又称黏聚力，是岩石的内摩擦系数。示意图如图 2‑1所示

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