磁铁矿原矿单轴挤压破碎力学过程与声发射特征

甘德清，甘　泽，张云鹏，张亚宾

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.华北理工大学科学技术处，河北 唐山 063009；3.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009)



磁铁矿原矿单轴挤压破碎力学过程与声发射特征

甘德清1，3，甘泽2，张云鹏1，3，张亚宾1，3

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.华北理工大学科学技术处，河北 唐山 063009；3.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009)

为研究磁铁矿原矿挤压破碎机理，采用TAW-3000电液伺服岩石三轴试验机和PCI-2声发射检测系统，进行磁铁矿原矿单轴挤压破碎试验，分析磁铁矿原矿单轴挤压破碎的力学过程和声发射特征。试验结果表明，裂隙压缩阶段的变形量占总变形量的45%，弹性变形阶段和裂隙扩展阶段应力与峰值应力的比值范围大于一般坚硬岩石在相同阶段的应力比值范围；不同阶段之间转变时，声发射信号会出现大幅度跃升或下降，之后出现一段时间的平静期；声发射振铃计数率和事件计数率在各阶段的变化规律相反，能量计数率跃升反映试件发生显著破坏，能量计数率的最大值不一定发生在峰值应力过后的某一时刻，振铃计数率、事件计数率和能量计数率的变化特征可反映试件损伤、破裂和破碎的发展过程和发生速率；累积振铃计数的增长率在时间上表现出先增大后减小的发展特征，累积事件计数的增长率之相反，各加载阶段声发射信号参数表现的时域特征与力学变形破碎特征基本一致。

磁铁矿原矿；单轴；破碎；力学过程；声发射

岩石具有不均质性，内部存在微裂隙，外载荷作用或温度变化时会出现应力集中，而岩石的破坏伴随能量的积聚、转化和耗散，岩石发生损伤破坏时应变能释放产生瞬态弹性波，产生声发射现象[1-4]。分析声发射信号特征参数的变化规律可推演岩石的细观破坏过程[5]，目前关于岩石损伤破坏声发射特征及其应用的研究已取得大量成果。刘祥鑫等人进行了四种岩石的单轴加载声发射试验，运用波形转换和建立人工神经网络的方法提出不同岩石声发射信号识别的方式[6]。高保彬等人研究了单轴压缩过程中不同层位砂岩的声发射特征，预测不同层位砂岩片帮的可能性[7]，另外基于单轴压缩试验对比研究了泥岩和砂岩的力学特性、声发射特性和分形特性[8]。苏承东等人在不同应力路径的压力试验基础上，系统地分析了煤岩变形破坏全过程的声发射特征[9]。张朝鹏等人通过单轴压力试验揭示了煤岩受压破坏过程中声发射特征的层理效应[10]。刘保县等人研究建立了煤岩单轴压缩破坏过程中声发射参数与破坏机制之间的关系[11]。张艳搏等人以声发射信号的主频和熵值为主要特征参数，进行干燥和保水煤矸石的单轴压缩试验，研究了煤矸石变形破坏声发射前兆规律[12]。王璐等人进行了三轴压缩条件下细砂岩渗透性和声发射特征试验，研究了细砂岩破坏过程中声发射特征及其渗透性之间的关系[13]。许江等人借助自主研发的煤岩双面剪切装置，深入研究了双面剪切载荷作用下，砂岩破坏过程声发射特性与含水率的变化关系[14]。李天一等人以核废料地下处置库安全防护工程为背景，研究了直接与间接拉伸条件下花岗岩破坏全过程的声发射特征[15]。李示波等人在利用声发射技术进行采空区地压灾害实时监测的基础上，分析了采空区围岩地压活动声发射信息的变化规律，制定了有效的预警预报制度[16]。

岩石破坏过程中声发射特性的研究基本是以岩体失稳预警及防护为目的进行的，涉及铁矿石破碎过程中声发射特性的研究较少。我国的贫铁矿约占铁矿石总储量的98.5%，原矿碎磨能耗占选矿厂总能耗40%～80%。铁矿石一般是结构、构造复杂的坚硬岩石，了解磁铁矿原矿破碎特性对改进碎矿工艺、降低破碎能耗和成本有重要的指导意义。挤压破碎是矿石破碎的主要作用之一，利用TAW-3000电液伺服岩石试验机和PCI-2声发射系统进行磁铁矿原矿单轴挤压破碎的声发射探测试验，分析磁铁矿原矿挤压破碎的力学过程和声发射特性。

1　磁铁矿单轴挤压破碎试验

在水厂铁矿爆破现场随机取样，将爆破后的不规则原矿切削、打磨，加工成标准试件，试件编号及尺寸见表1。利用TAW-3000常规三轴试验机进行单轴压缩试验，使用美国物理声学PCI-2声发射系统监测磁铁矿原矿变形、损伤、破坏时的声发射信号。试验前统一设置ATW-3000常规三轴试验机控制主机和PCI-2声发射系统主机的时间，试件预加载结束后同时启动压力机位移加载和声发射监测，试件完全破碎后同时停止加载和声发射监测，导出并保存试验的力学数据和声发射数据。

加载方式：首先施加预载荷3KN，然后柔性位移控制加载，加载速率0.0025mm/s，试验机自行记录负荷、位移时间等参数，同步绘制荷载位移曲线。

声发射监测方式：声发射监测使用2套探测装置，传感器固定在前后两个面的中心位置，探头与试件之间用凡士林涂抹耦合。声发射信号经放大转换成电信号，PCI-2声发射系统对电信号进行处理，并自动计数、波形采集与分析和声发射参数存储等。加载前后试件的状态见图1。

表1　试件的编号及尺寸/mm

图1　加载前后试件的状态

2　磁铁矿原矿挤压破碎力学过程

采场爆破时，爆轰气体膨胀与应力波共同作用压缩、切割、拉伸磁铁矿，使磁铁矿成为不规则块状岩体。磁铁矿受爆轰应力的作用，内部产生一定的损伤，构造发生改变；抛掷过程中，块状磁铁矿受到高速撞击产生的冲击应力，块状磁铁矿发生二次破碎或内部损伤进一步发展。因此，爆破后磁铁矿原矿破碎力学性质与爆破前相比会发生较大的改变。图2是磁铁矿原矿单轴压缩条件过程中应力应变曲线，根据应力应变曲线将磁铁矿原矿单轴挤压破碎过程划分成5个阶段：裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段、裂隙贯通与破裂阶段、试件破碎阶段。

图2　应力应变曲线

裂隙压密阶段的变形量较大，占试件破碎过程总变形量的45%左右，说明爆破后的磁铁矿原矿标准试件内部裂隙是充分发育的，验证了上述讨论的正确性，此阶段试件承受的应力范围为峰值应力的0～45%。

弹性变形阶段变形量占总变形量8.3%～16.7%，试件继续被压缩。弹性阶段内的应力范围为峰值应力的41%～76%，高于一般坚硬岩石在弹性阶段内的应力范围[17]。

裂隙扩展阶段开始时即出现应力的突然降低和升高，说明试件局部产生突然破坏，可推断原有纵向宏观裂隙的存在，且在压密阶段和弹性阶段裂隙的压密伴随着新裂隙的孕育和原生裂隙的逐渐扩展。此阶段应力范围为峰值应力的71%～94.4%，高于一般坚硬岩石在裂隙发生于扩展阶段的应力范围[17]，变形量占总变形量的16%～22%。

裂隙贯通与破裂阶段试件承受的应力达到强度极限，应力范围为强度极限的71%～100%，而应变范围仅占总应变的8.2%～10%。

破碎阶段试件仍有较高的残余强度，继续对试件伺服加载，得到峰后应力应变曲线，从应力应变曲线可以看出，峰值应力过后试件破坏到破碎的过程中仍发生一定应变，应变范围占总应变的4.8%～6.5%。

3　磁铁矿单轴挤压破碎声发射特征

为全面反映磁铁矿原矿单轴挤压破碎过程的声发射特征，分析了声发射振铃计数率、事件计数率、能量计数率、累积振铃计数、累积事件计数和累积能量计数等6个参数的变化规律。振铃计数是传感器感受撞击事件产生振铃所形成的超过阈值电信号振荡次数，用于评价声发射的活动性。事件计数是撞击鉴别出来的材料局部变化次数，反映声发射事件的总量和频度。能量计数是指单位时间内超过阈值的声发射事件能量的总和，反映事件的相对能量与强度。

3.1振铃计数率的变化特征

图3是磁铁矿原矿单轴加载过程中振铃计数率随时间的变化规律。

在裂隙压密阶段前50s的时间范围内，振铃计数率处于较高水平，CTDJX2振铃计数率最大值可达1.5×105个/s，CTDJX4振铃计数率最大值为8×104个/s，CTDJX6振铃计数率最大值为2.5×104个/s，随后出现先缓慢下降后缓慢上升的变化。CTDJX4在0～280s时间范围内出现先上升后下降的变化趋势，CTDJX6在0～140s时间内变化最小。三个试件分别加载至270s、300s和250s时，振铃计数率发生突然增大，预示着压缩阶段结束，试件进入弹性阶段。在压缩阶段前期CTDJX2和CTDJX4声发射水平较高说明试件内部原生裂隙发育，CTDJX6在190～250s的时间范围内发生两次突变，是由于内部较大规模裂隙压密造成的。

进入弹性阶段后，CTDJX2振铃计数率处于相对稳定的状态，到340s时出现突然增大；CTDJX4振铃计数率出现瀑布式下降，在380s左右出现突然上升和快速下落，而后出现50s的相对稳定期，到430s时从较高的计数率水平又突然增大；CTDJX6在250～300s的试件范围内振铃计数率发展较为稳定，在300～320s时出现大幅度的上升和下降，应力应变曲线出现折断式变形，试件产生明显的断裂响声弹性阶段末期振铃计数率的大幅度变化表示试件内部裂隙开始发生扩展，试验进入裂隙扩展阶段。

在裂隙扩展阶段，振铃计数率处于上升或间歇式上升的状态，CTDJX2从350s开始稳定上升，应力应变曲线出现下凹弯曲变化，到380s出现急速回落，试件发出微弱的劈裂声音，之后振铃计数率稳定上升，到440s时出现再次回落；CTDJX4振铃计数率呈稳定上升态势，在530s时开始下降；CTDJX6振铃计数率在320～370s的时间范围内持续上升，之后出现一定程度的下降，裂隙扩展阶段末期振铃计数率下降预示裂隙不稳定发展。

图3　振铃计数率随加载时间的变化规律

裂隙贯通与破裂阶段前期，振铃计数率出现不同程度的增长，之后呈跳跃式变化，应力应变曲线迅速下降，试件发出高频清晰的劈裂声，CTDJX2振铃计数率的变化范围为1.2×105～2×105个/s；CTDJX4振铃计数率的变化范围为7×104～1.5×105个/s；CTDJX6振铃计数率的变化范围为1.2×104～2.1×105个/s；在本阶段末期，振铃计数率均出现短时间密集下降，此时试件完全破裂。对破裂的试件继续加压，CTDJ×2试件在0～15s的时间内迅速被压碎，由于探头松动，没有采到振铃信号；CTDJX4和CTDJX6采集的振铃信号呈直线式下降。CTDJX4在整个加载过程中发生多次片帮，振铃计数率的变化幅度加大，但基本上反映了该试件压碎过程中声发射特征。

3.2事件计数率的变化特征

图4显示，事件计数率随时间整体呈现先上升后下降的变化特征，在加载后期，事件计数率降低到最低水平。裂隙压密阶段的前50s，CTDJX2事件计数率浮动范围较大，数值较为离散，主要呈上升趋势；CTDJX4事件计数率迅速上升到800个/s左右，然后保持一段时间的稳定；CTDJX6事件计数率呈抛物线上升至600个/s。CTDJX2事件计数率在50～230s的时间段内事件计数率首先急速上升，然后在800～1000个/s范围内缓慢上升；CTDJX4在50～300s的时间段内以一定的速率，在700～1000个/s范围内缓慢上升；CTDJX6在50～230s的时间段内呈先小幅度下降后大幅度上升的变化特征，最高事件计数率可达1300个/s。事件计数率的增大反映试件局部活动密度的增大，表现出在裂隙压密阶段，随着加载时间的延长和载荷的增大，裂隙压密的速率逐渐加快。

进入弹性阶段后，事件计数率整体出现下降的变化趋势，CTDJX2在230～340s的范围内，事件计数率下降至100个/s，其中在270s左右下降至接近0的水平，而后在5s时间内迅速上升到900个/s；CTDJX4在300～440s的时间段内表现出s形变化，在330s和445s左右降至0水平；CTDJX6在230～300s的范围内处于跳跃式下降，数据较为离散，在300s左右降至0水平。在弹性阶段，事件计数率从最高水平逐渐降至最低水平，该过程出现声发射事件说明弹性阶段继续进行着原生裂隙的压密，只是这些事件的数量逐渐减少，同时有可能出现新裂隙间歇式的萌生。

进入裂隙扩展阶段时，事件计数率出现了不同程度的上升和下降。CTDJX2在340～355s的时间范围内事件计数率出现快速上升，在355～380s的范围内快速下降至0水平，在380～450s的时间范围内出现了小幅度的上升和下降，在这个过程中应力应变曲线出现了弯曲；CTDJX4在440～460s的时间范围内事件计数率急速上升，在460～540s的时间范围内出现了瀑布式下降，在这个过程中应力应变曲线出现了曲折和弯曲，产生劈裂声；CTDJX6在300～335s的时间范围内事件计数率急速上升，在335～360s的时间范围内出现快速下降，应力应变曲线出现严重曲折和弯曲，产生明显的劈裂声。在本阶段初期，试件内部能量积聚到一定程度而快速释放裂隙扩展速度较快、密度大，导致事件计数率快速上升；后期裂隙扩展稳定，部分裂隙由于能量已经释放不再扩展，而出现了事件计数率下降的现象。

图4　事件计数率随时间的变化规律

在裂隙贯通和破裂阶段，事件计数率基本上处于最低水平。CTDJX2和CTDJX6的事件计数率均小于50个/s，而CTDJX4的事件计数率出现波浪式较大范围的浮动。此阶段加载过程中，CTDJX2和CTDJX6间断的出现清晰的劈裂声，CTDJX4则出现持续的片帮剥落，且有细小碎石崩出。裂隙贯通和破裂阶段，试件破坏能量较大但事件发生的频率相对较低。磁铁矿原矿破碎阶段CTDJX4和CTDJX6事件计数率出现大幅度跃升，CTDJX2由于探头脱落未能记录事件计数率。试件破碎时，内部发生大规模的宏观脆断，破裂面之间发生剧烈摩擦，碎块之间发生挤压碰撞，导致声发射事件发生的频率快速升高。

3.3能量计数率的变化特征

图5为声发射能量计数率随时间的变化规律图，加载过程中能量计数率表现出较好的规律性，在试件发生显著损伤时，能量计数率发生较大幅度的跃升。

裂隙压密阶段，试件处于储存能量的阶段，由于裂隙压密而释放的能量极少，试件的能量计数率处于最低水平。将各典型试件能量计数率在弹性阶段、裂隙扩展阶段、裂隙贯通与破裂阶段和压碎阶段的变化特征进行分析：

3.3.1CTDJX2试件

CTDJX2加载到230s时能量计数率开始增大，由于试件的不均质性在280s时试件表面局部破坏，能量计数率发生一次跳跃，340s时能量计数率增长速率变大，230～340s的时间内CTDJX2处于弹性变形阶段；在340～390s的时间范围内，能量计数率以较大的速率上升，在390s上升幅度最大，而后能量计数率快速降低，在400～430s时回到稳定发展状态，能量计数率的快速升高说明在大范围裂隙发生了扩展，此阶段为裂隙扩展阶段；430～500s的时间范围内，试件不断发出清晰的劈裂声，能量计数率发生密集式跳跃，说明裂隙发生贯通，宏观破裂面已经形成，500s时刻的能量计数率整个压缩过程的最高值，在时间上滞后于峰值应力；在500s以后，试件被压碎，应力应变曲线直线式下降，声发射探头脱落，没有监测到声发射信号。

3.3.2CTDJX4试件

CTDJX4在330s能量计数率发生较大的跳跃，随着加载的进行，在330～440s的时间范围内能量计数率虽发生小范围浮动，但整体处于相对稳定状态，此阶段为CTDJX4的弹性变形阶段；440～470s的时间范围内，能量计数率出现快速上升和下降，试件发生劈裂声，产生较大损伤，450s时刻的能量计数率是加载阶段的最高值，在470～530s的范围内，能量计数率在较低的水平稳定增长，能量计数率上升、下降再上升的过程说明裂隙发生先快后慢再变快的扩展变化，能量计数率的变化反映出裂隙扩展的密集度和扩展程度；530～600s的时间范围内，能量计数率呈现跳跃式变化，试件持续发生劈裂声，试件内的裂隙发生贯通，形成近似均匀分布纵向破裂面；在600～630s的时间范围内，能量计数率首先出现密集的波动，之后降到0水平，反应了试件内部的能量已经大量释放，试件受载压碎，处于最后的破碎阶段。

图5　能量计数率随时间的变化规律

3.3.3CTDJX6试件

CTDJX6在230s开始能量计数率出现上升态势，到290s时上升速率突然变大，此阶段内平均上升速率较小，CTDJX6发生弹性变形；在290～320s的时间范围内，能量计数率出现快速的跃升和降落，试件发出清晰的劈裂声，试件内部发生显著损伤，在320～410s能量计数率出现先上升后下降的变化，此间部分时刻能量发生跃升，试件处于裂隙扩展阶段，CTDJX6裂隙扩展持续的时间较长，释放的能量较大；410～480s的时间范围内，能量计数率持续上升，在峰值应力出现的时刻和峰值应力过后约20s的时刻，能量计数率出现两次大幅度跃升，峰值应力过后的能量计数率跃升到加载阶段的最大值，试件内部裂隙贯通，储存的能量快速大量释放，试件完全破坏；480～500s的时间范围内，能量计数率迅速下降，试件发生破碎。

3.4声发射信号特性参数累积计数分析

根据声发射信号的监测结果，计算磁铁矿原矿挤压破碎过程的累积振铃计数、累积事件计数和累积能量计数，绘制累积振铃计数、累积事件计数和累积能量计数随时间的变化曲线，如图6所示。随着加载时间的延长累积振铃计数、累积事件计数和累积能量计数表现出持续增长的变化规律，但不同的加载阶段，累积计数曲线的增长率不同。计算不同挤压破碎阶段声发射信号特性参数累积计数的增长率，结果如表2所示，表中累积振铃计数和累积事件计数变化率的单位为个/秒，累积能量计数变化率的单位s-1。

图6　声发射信号特性参数累积计数发展趋势

由表2可知，随着加载时间的延长和不同加载阶段的转变，累积振铃计数增长率的发展趋势是先增大后减小，累积事件计数增长率表现出先减小后增大的发展趋势，累积能量计数增长率则整体表现出线性增大的变化趋势。累积振铃计数和累积事件计数增长率受加载过程和试件损伤破裂程度的控制，累积能量计数是试件损伤产生时声发射相对能量在时间上的叠加，试件损伤破裂程度越剧烈，累积能量计数的增长速率越大，声发射信号累积参数增长速率的变化可以反映试件内部损伤破坏的剧烈程度。

3.5声发射时域特征分析

根据声发射信号参数变化特征的分析结果，可知不同加载阶段声发射具有明显的时域特征，统计不同加载阶段的时间分布，计算各加载阶段的时间比例，如表3所示。

裂隙压缩阶段时间占加载总时间的43.4%～52.4%，弹性变形阶段试件占加载总时间的12%～22.2%，裂隙扩展阶段的时间比例为14.3%～24%，裂隙贯通劈裂阶段的时间比例为9.4%～14%，压碎阶段的时间比例为4%～6%。随着试验机加载的进行，各加载阶段的时间比例总体上是逐渐减小的，而弹性变形阶段和裂隙扩展阶段的时间比例相近。比较可知，通过声发射特征分析得出不同加载阶段的时间比例和力学过程分析的变形比例是基本一致的。

表2　声发射信号参数累积计数的增长率

表3　加载过程的时间分布与比例

4　结　论

1)磁铁矿原矿单轴挤压破碎试验过程可划分为5个阶段，裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段、裂隙贯通与破裂阶段、试件破碎阶段。不同加载阶段产生的变形比例差别较大，其中裂隙压密阶段的变形量占总变形量的45%左右，弹性变形阶段和裂隙扩展阶段的应力范围与峰值应力的比例高于一般坚硬岩石在相应阶段的应力比。试件压碎过程中，试件变形不受加载控制，应力应变曲线快速下降，发生完全破碎解离。

2)声发射信号参数的变化可以反映磁铁矿原矿内部破坏过程，不同的加载阶段，声发射信号参数的变化过程不一样。加载过程中声发射信号参数发生多次波动，加载阶段发生转变时，声发射信号参数总会表现出大幅度上升或下降，之后出现一个相对平静期。振铃计数率和事件计数率的变化规律相反，而能量计数率在事件内部发生显著损伤时会发生跃升现象。

3)磁铁矿原矿内部原生裂隙发育，裂隙压缩阶段原生裂隙压缩速率先快后慢；弹性阶段部分原生裂隙继续被压缩，同时出现新裂隙的萌生；裂隙扩展出现了先快后慢的变化过程，这主要由于试件弹性变形后存储的应变能快速释放促进了裂隙的扩展，随着弹性能的释放，试件内局部应力集中得到了缓解，裂隙扩展速率变慢；裂隙贯通与破裂阶段试件内部的应变能得到最大程度的释放，但裂隙贯通发生声发射活动的频率远小于裂隙压缩声发射活动。

4)累积振铃计数增长率在时间上表现出先增大后减小的发展特征，累积事件计数的增长率与之相反，二者的加载速率受加载过程和试件损伤程度的控制，由于应变能释放速率逐渐加快，累积能量计数的增长速率一直增大；磁铁矿原矿不同加载阶段声发射信号参数表现的时域特征与荷载变形特征基本一致。

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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

国家自然科学基金项目资助(编号：51374087)；河北省高等学校科学技术研究重点项目资助(编号：ZD2014037)；河北省自然科学基金项目资助(编号：E2013209328)

甘泽(1988-)，男，汉族，华北理工大学助教，从事电气工程方面研究。

TU45

A

1004-4051(2016)08-0135-08