皇甫潤，閆順璽，李傲，蔣鵬程

(1. 華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2. 山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266510)

近年來，礦產(chǎn)資源的開采規(guī)模不斷擴(kuò)大，在開發(fā)過程中會面臨許多礦山災(zāi)害問題，而由巖石破裂引發(fā)的災(zāi)害嚴(yán)重影響了人們的生產(chǎn)安全，因此，研究巖石破裂特征、前兆預(yù)警具有重要意義。紅外監(jiān)測技術(shù)具有全天候、實(shí)時性、被動式等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用到巖石災(zāi)變預(yù)警中。

許多學(xué)者對巖石加載過程紅外輻射特征進(jìn)行了分析。劉善軍等[1]研究了巖石破裂前紅外熱像的演化特征，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨微破裂產(chǎn)生熱像會出現(xiàn)高溫異常條帶，臨破裂前會出現(xiàn)短暫降溫現(xiàn)象。吳立新等[2]對干燥和潮濕砂巖的紅外輻射特征進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)潮濕巖石的平均紅外輻射升溫幅度大于干燥巖石。馬立強(qiáng)等[3]對煤巖和泥巖試件的平均紅外輻射溫度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)煤樣和泥巖中出現(xiàn)破裂前兆均為突然升溫型。田賀等[4]將平均溫、最高溫、方差以及自相關(guān)系數(shù)作為分析指標(biāo)，研究了煤巖破壞過程中的前兆信息，發(fā)現(xiàn)方差對破壞的預(yù)測更加精準(zhǔn)。張艷博等[5]通過紅外輻射技術(shù)監(jiān)測了巷道圍巖紅外輻射溫度場的變化，驗(yàn)證了輻射溫度場與巷道破壞特征具有良好的對應(yīng)關(guān)系。吳賢振等[6]以水浸透粉砂巖為實(shí)驗(yàn)對象，提出了“紅外輻射溫度突變”指標(biāo)，探究了巖石加載失穩(wěn)過程中紅外輻射溫度場的突變異常。

以上述研究為基礎(chǔ)，該項(xiàng)目進(jìn)一步對巖石破裂過程紅外輻射特征進(jìn)行研究。采用片麻巖為試驗(yàn)樣品，利用紅外熱像儀監(jiān)測的方式進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究紅外輻射特征與力學(xué)特征的關(guān)系，為礦山災(zāi)害、巖體失穩(wěn)等紅外監(jiān)測提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

本次試驗(yàn)選用片麻巖作為試樣，共選取6塊巖樣，根據(jù)樣品制備準(zhǔn)則，將試件加工成50 mm×50 mm×100 mm(長×寬×高)的標(biāo)準(zhǔn)長方體，并將試件加載兩端拋光，使其平行度小于0.02。巖樣呈青灰色，結(jié)構(gòu)均勻，外觀完整。巖石試件如圖1所示。

圖1 片麻巖巖石試件

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

該項(xiàng)研究的巖石試驗(yàn)系統(tǒng)主要由巖石加載裝置、可見高速攝影機(jī)和紅外熱像儀等組成。裝巖設(shè)備為ATW-3000單軸試驗(yàn)機(jī)，高速數(shù)碼相機(jī)為德國AVT公司生產(chǎn)的Pike F-421B相機(jī)，紅外熱像儀為德國Infortec公司的Infra Tec Image IR 8325中波熱像儀。

首先在室溫下，將試件放入加載裝置下，將高速數(shù)碼相機(jī)放置在離試樣1 m的地方對其破裂情況進(jìn)行監(jiān)測，紅外熱像儀正面對準(zhǔn)試件觀測面，采集速率設(shè)置為50 Hz，將紅外熱像儀提前30 min打開進(jìn)行預(yù)熱，在熱像儀中對巖石表面的紅外輻射變化進(jìn)行觀測，待試件表面紅外輻射溫度穩(wěn)定后開始試驗(yàn)。用2臺計算機(jī)分別采集力學(xué)數(shù)據(jù)和紅外數(shù)據(jù)，使用相機(jī)附帶的Altair 5.0軟件進(jìn)行熱成像分析。試驗(yàn)期間，要避免人員來回走動，拉好窗簾關(guān)燈關(guān)門，以減少室內(nèi)環(huán)境溫度對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖2 片麻巖單軸加載試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-時間曲線

通過對片麻巖試件開展紅外輻射單軸壓縮試驗(yàn)，能夠得到巖石的應(yīng)力-時間曲線，它是描述巖石在加載過程中變形和破裂的重要手段。應(yīng)力隨時間的變化曲線見圖3。

圖3 片麻巖應(yīng)力-時間曲線

由圖3可知，應(yīng)力-時間曲線可分為4個階段：

Ⅰ壓密階段(0～102 s)：該階段巖石中的微裂隙和孔隙逐漸閉合，巖石被壓密，形成早期的非線性變形，應(yīng)力-時間曲線呈上凹形，應(yīng)力上升緩慢。

Ⅱ線彈性階段(102～299 s)：當(dāng)巖石內(nèi)部存在的孔隙和裂隙漸漸被壓密之后，由于軸向位移連續(xù)變大，載荷不斷增加，使得彈性變形發(fā)生，該階段應(yīng)力-時間曲線呈近似直線形。

Ⅲ塑性階段(299～360 s)：隨載荷不斷增加，應(yīng)力-時間曲線持續(xù)直線上升，上升的斜率逐漸變緩，該階段巖石內(nèi)部積累了大量裂紋，并在力的作用下不斷萌生、擴(kuò)展和貫通，形成多條宏觀裂紋，逐漸形成大面積破裂，從而塑性變形在巖石內(nèi)部發(fā)生。

IV臨失穩(wěn)階段(360～392 s)：載荷到達(dá)峰值后，試件的宏觀裂紋和破裂面相互發(fā)展貫通，導(dǎo)致巖石出現(xiàn)了最終的失穩(wěn)破壞，應(yīng)力值迅速下降，其破壞方式表現(xiàn)為脆性破壞特征。

2.2 巖石紅外輻射溫度變化特征

2.2.1 平均紅外輻射溫度

平均紅外輻射溫度(AIRT)是指某一時刻巖石表面紅外熱像上全部像素點(diǎn)所對應(yīng)紅外輻射溫度的平均值，能夠從整體上分析巖石表面紅外輻射溫度場的變化特征[7]。計算熱像序列矩陣的平均紅外輻射溫度值公式如下：

(1)

式中，Ti為溫度場中第i個像元(共n個像元)的輻射溫度值；Tave為Ti的均值。為減少環(huán)境輻射等因素的干擾，將實(shí)際獲取的紅外溫度序列矩陣都與第一張溫度矩陣相減。利用差值后的紅外溫度進(jìn)行溫度場變化分析。平均紅外輻射溫度隨時間的變化曲線見圖4。

由圖4可知，試件在加載期間AIRT整體上呈線性增長的趨勢，并隨時間推移逐步升高，上升速度較快，說明在載荷作用下片麻巖表面整體紅外輻射溫度在升高。加載初期，巖石內(nèi)部裂隙壓密時溢出大量氣體，產(chǎn)生吸熱效應(yīng)，AIRT出現(xiàn)短暫下降，溫度值下降了0.012 K，a點(diǎn)輻射溫度達(dá)到最小。之后，巖石受力引起熱彈效應(yīng)和摩擦熱效應(yīng)，產(chǎn)生一定熱量，使得試件溫度值出現(xiàn)直線上升，輻射溫度值持續(xù)升溫到最大值b點(diǎn)，較初始值上升了0.084 8 K。在試件破壞失穩(wěn)后溫度值出現(xiàn)小幅度下降。

2.2.2最高紅外輻射溫度

最高紅外輻射溫度(MAIRT)是指紅外熱像儀監(jiān)測受壓巖石表面溫度場內(nèi)溫度的最大值，能夠反映巖石表面紅外輻射的最大強(qiáng)度[8]，通過MAIRT也可以反映巖石表面某一區(qū)域的溫度異常變化。最高紅外輻射溫度隨時間的變化曲線見圖5。

圖5 最高紅外輻射溫度變化趨勢

由圖5可知，試件在加載期間，最高紅外輻射溫度呈小幅度起伏波動的上升趨勢，在試件臨失穩(wěn)時產(chǎn)生一個大幅度的突升。加載初期，溫度曲線表現(xiàn)為連續(xù)上下起伏波動，加載至250 s左右，溫度開始緩慢上升，升溫幅度較小，變化較為平緩。加載后期，巖石內(nèi)部微破裂大量發(fā)育，剪破裂面摩擦加劇，使得試件在破壞瞬間紅外輻射溫度出現(xiàn)突然升高的異?，F(xiàn)象，溫度從0.51 K突增到1.67 K，增加幅度達(dá)到1.16 K，這一異常現(xiàn)象可作為巖石失穩(wěn)破壞的前兆特征。巖石破壞失穩(wěn)后，溫度曲線出現(xiàn)快速下降。

2.2.3 溫度變化與力學(xué)量變化的關(guān)系

為更好地探究巖石破裂失穩(wěn)的紅外輻射特征，采用平均紅外輻射溫度與應(yīng)力之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析。應(yīng)力及紅外溫度隨時間的變化曲線見圖6。

圖6 應(yīng)力及溫度隨時間變化曲線

由圖6可知，壓密階段A點(diǎn)之前(0～102 s)，巖石處于低應(yīng)力水平，巖石內(nèi)部的孔隙由于受壓逐漸被壓密閉合，應(yīng)力上升緩慢。這一階段巖石內(nèi)部的氣體被排出，部分熱量被帶走，出現(xiàn)吸熱現(xiàn)象，且試件的破裂尚未開始，產(chǎn)生的熱量也微乎其微，因此平均紅外輻射溫度曲線出現(xiàn)短暫下降現(xiàn)象，溫度值下降了0.012 K。之后隨時間的增加紅外溫度出現(xiàn)上升，這一階段應(yīng)力值從0增加至23 MPa。線彈性階段AB段(102～299 s)，試件內(nèi)部孔隙漸漸被壓密之后，應(yīng)力上升的速度明顯加快，應(yīng)力曲線呈線性增長。這一階段巖石受壓變形產(chǎn)生熱彈效應(yīng)，釋放出熱量，紅外溫度曲線近似呈直線上升趨勢，波動幅度較大，和A點(diǎn)相比輻射溫度上升了0.046 K，這一階段應(yīng)力值從23 MPa增加到106 MPa。塑性階段BC段(299～360 s)，應(yīng)力上升速率減小，隨應(yīng)力上升試件積累大量裂紋，并在力的作用下開始擴(kuò)展、連接、叢集。試件內(nèi)部產(chǎn)生大量微破裂，破裂面之間會發(fā)生摩擦觸碰，產(chǎn)生摩擦熱效應(yīng)，紅外溫度曲線伴隨“V”字型小幅度變化繼續(xù)呈線性升溫，較B點(diǎn)相比輻射溫度上升了0.016 6 K，這一階段應(yīng)力值從106 MPa增加至118 MPa。C點(diǎn)為峰值應(yīng)力點(diǎn)對應(yīng)加載時間359 s，應(yīng)力值達(dá)到最大118.864 MPa。越過峰值應(yīng)力點(diǎn)26 s左右，其表面輻射溫度變化值達(dá)到最大(對應(yīng)加載時間386 s，輻射溫度0.084 8 K)。C點(diǎn)之后，試件進(jìn)入臨失穩(wěn)階段，應(yīng)力迅速下降，巖石發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2.3 巖石加載過程紅外熱像空間演化

紅外熱像能夠反映巖石在加載過程中紅外輻射強(qiáng)度在試件表面的空間分布特征，采用matlab軟件對實(shí)際獲得的熱像進(jìn)行差值、中值以及高斯高通濾波處理，以減少試驗(yàn)過程中環(huán)境輻射差異和儀器各部位輻射差異所帶來的影響。巖石加載過程紅外熱像隨時間的演化見圖7。

圖7 巖石加載過程紅外熱像演化圖

從圖7可以看出，初始階段1～180 s，試件表面的紅外輻射溫度變化較小，溫度整體呈均勻上升，沒有分異現(xiàn)象出現(xiàn)；對應(yīng)時間181～270 s，巖石表面溫度繼續(xù)均勻緩慢上升，隨載荷的不斷增加升溫現(xiàn)象逐漸明顯；加載時間271～320 s，試件表面的升溫現(xiàn)象趨于顯著，且?guī)r石表面中間部位開始出現(xiàn)高溫集中，巖石的下部輻射溫度偏低，紅外溫度場出現(xiàn)分異現(xiàn)象；對應(yīng)時間321～361 s，巖石表面的高溫區(qū)域持續(xù)升溫，巖石左上方受壓出現(xiàn)微破裂造成部分低溫區(qū)域彈射而出，出現(xiàn)高低溫相間分布狀態(tài)，溫度場分異程度進(jìn)一步擴(kuò)大。隨后在389 s試件沿高溫條帶發(fā)生瞬間失穩(wěn)破裂，破壞瞬間出現(xiàn)大量高溫輻射點(diǎn)，生成剪切滑移破壞的斷裂面。

3結(jié)論

(1)試件在加載過程中應(yīng)力-時間曲線可分為4個階段，壓密階段應(yīng)力上升緩慢，彈性階段呈線性增長，塑性階段應(yīng)力持續(xù)上升，上升速率變緩，臨失穩(wěn)階段應(yīng)力值迅速下降。

(2)試件的平均紅外輻射溫度隨時間推移近似直線上升；最高紅外輻射溫度表現(xiàn)為小幅度緩慢上升，臨失穩(wěn)時產(chǎn)生一個大幅度的突升，這一異常可作為巖石失穩(wěn)破壞的特征。

(3)試件加載過程中紅外輻射溫度與應(yīng)力曲線有良好的對應(yīng)關(guān)系，OA階段，巖石內(nèi)部的孔隙壓密、閉合，紅外溫度呈短暫下降；AB階段，巖石內(nèi)部微裂紋開始萌生，溫度呈線性上升；BC段，隨應(yīng)力上升試件積累大量裂紋，紅外溫度呈V字型波動快速升溫。

(4)加載初期，紅外熱像整體呈均勻上升；加載中期，熱像升溫現(xiàn)象逐漸明顯；加載后期，熱像出現(xiàn)高溫集中區(qū)域；臨破裂前，出現(xiàn)高低溫相間分布狀態(tài)，溫度場分異現(xiàn)象劇烈，這一現(xiàn)象可作為巖石失穩(wěn)的前兆特征。