馬立強(qiáng)，張 垚，孫 海，王爍康，NAJEEM Adeleke

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.College of Earth and Mineral Sciences,Pennsylvania State University,State College,PA 16802,USA)

煤巖破裂過(guò)程中應(yīng)力對(duì)紅外輻射的控制效應(yīng)試驗(yàn)

馬立強(qiáng)1,2，張 垚1,2，孫 海1,2，王爍康1,2，NAJEEM Adeleke3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.College of Earth and Mineral Sciences,Pennsylvania State University,State College,PA 16802,USA)

煤巖破裂是引發(fā)突水與煤柱失穩(wěn)等礦山災(zāi)害的根本原因，準(zhǔn)確有效地對(duì)煤巖受力破裂過(guò)程(裂隙發(fā)育過(guò)程)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，是實(shí)現(xiàn)礦山保水開(kāi)采和巖層控制的重要基礎(chǔ)。煤巖在受力破裂過(guò)程中，伴隨著應(yīng)力調(diào)整會(huì)發(fā)生紅外輻射變化，為探索應(yīng)力變化與紅外輻射變化之間的量化關(guān)系，提出煤樣表面紅外輻射方差突變系數(shù)新指標(biāo)，進(jìn)行煤?jiǎn)屋S加載紅外輻射觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，應(yīng)力對(duì)單軸加載煤樣的紅外輻射普遍具有控制效應(yīng)，50 mm×50 mm×50 mm煤樣表現(xiàn)出控制效應(yīng)的比例約為93%；50 mm×50 mm×100 mm煤樣表現(xiàn)出控制效應(yīng)的比例約為85%。在紅外輻射試驗(yàn)中，煤樣表面紅外輻射方差突變系數(shù)平均達(dá)到煤樣應(yīng)力調(diào)整系數(shù)的2個(gè)數(shù)量級(jí)，可運(yùn)用此特征對(duì)承載煤巖體裂隙發(fā)育及破裂狀況進(jìn)行紅外實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，應(yīng)力對(duì)紅外射的控制效應(yīng)具有時(shí)間滯后性，50 mm×50 mm×50 mm煤樣的紅外輻射方差突變平均滯后其應(yīng)力調(diào)整時(shí)刻約2.7 s，50 mm×50 mm×100 mm煤樣的紅外輻射方差突變平均滯后其應(yīng)力調(diào)整時(shí)刻約2.9 s。

紅外輻射；應(yīng)力；方差突變系數(shù)；控制效應(yīng)；滯后性；保水開(kāi)采

煤炭資源開(kāi)采中，水資源的流失與煤巖(巖石)破裂緊密相關(guān)。同時(shí)，煤巖破裂也是引發(fā)礦井突水及煤柱失穩(wěn)等災(zāi)害的根本原因[1]。

如何準(zhǔn)確有效地對(duì)煤巖受力破裂過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警，是實(shí)現(xiàn)礦山保水采煤和巖層控制的重要理論基礎(chǔ)[2]。巖石在受力破裂過(guò)程中，包括紅外波段在內(nèi)的電磁輻射強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化[3-7]。紅外技術(shù)具有實(shí)時(shí)、無(wú)損、非接觸和全場(chǎng)性監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，且方便、快捷和經(jīng)濟(jì)[8-10]。通過(guò)研究煤巖受力破裂過(guò)程中的紅外輻射特征，可對(duì)由煤巖破裂導(dǎo)致的礦山災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警[11-16]。為獲得水作用下煤巖加載過(guò)程中的紅外輻射特征，并利用該特征對(duì)保水采煤中的采動(dòng)裂隙進(jìn)行監(jiān)測(cè)，鄧明德、吳立新和劉善軍等[17-18]先后進(jìn)行了多種煤巖、不同含水率作用下的紅外輻射觀測(cè)試驗(yàn)研究。在上述研究過(guò)程，發(fā)現(xiàn)潮濕巖石加載過(guò)程中的紅外輻射變化幅度大于干燥巖石,水對(duì)巖石受力時(shí)的紅外輻射起到了推動(dòng)作用。在平均紅外輻射溫度(AIRT)與應(yīng)力變化的一致性方面，潮濕巖石優(yōu)于干燥巖石，巖石失穩(wěn)前單位載荷下潮濕巖石的AIRT升溫幅度高于干燥巖石。

耿乃光、吳立新、劉善軍和趙毅鑫等[19-22]，先后進(jìn)行了多種煤巖、不同加載方式下的紅外輻射觀測(cè)試驗(yàn)研究，獲得了煤巖破裂過(guò)程中紅外輻射特征。在上述研究過(guò)程，發(fā)現(xiàn)巖石受力破裂過(guò)程中的紅外輻射特征與應(yīng)力作用方式及應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。隨著壓應(yīng)力、剪應(yīng)力上升，巖石表面AIRT總體呈上升趨勢(shì)。隨著拉應(yīng)力上升，AIRT總體呈下降趨勢(shì)。雙軸加載試驗(yàn)時(shí)，巖石表面AIRT與正應(yīng)力線性相。

但煤巖在受力破裂過(guò)程中，隨著應(yīng)力變化及裂隙的發(fā)育，其(表面)不同區(qū)域的溫度場(chǎng)可能會(huì)產(chǎn)生相反的變化趨勢(shì)。煤巖表面AIRT，以及最大紅外輻射溫度及最小紅外輻射溫度等指標(biāo)只能反映巖石表面總體或局部的紅外輻射狀況，無(wú)法反映溫度場(chǎng)的分異特征，不能很好地對(duì)巖石應(yīng)力與紅外輻射之間的定量關(guān)系進(jìn)行描述，更不能有效表述巖石的裂隙發(fā)育與破裂狀況。為此，劉善軍、張艷博等提出紅外輻射方差、熵、特征粗糙度等指標(biāo)，定量研究了煤巖紅外輻射的量化特征，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力變化，上述3個(gè)指標(biāo)都對(duì)應(yīng)表出現(xiàn)了明顯的階段性變化特征[23]。表明承載煤巖在裂隙發(fā)育及破裂過(guò)程中，其紅外輻射能力會(huì)受到應(yīng)力變化的影響，如能提取出合適的紅外輻射指標(biāo)，應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)承載煤巖的應(yīng)力對(duì)其紅外輻射能力的影響程度。

本文提出紅外輻射方差突變系數(shù)新指標(biāo)，通過(guò)煤巖單軸加載紅外輻射觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)巖石破裂過(guò)程中應(yīng)力和紅外輻射之間的定性與定量關(guān)系進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

實(shí)驗(yàn)加載設(shè)備采用SANS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，最大載荷300 kN。

紅外輻射探測(cè)裝置采用FLIR A615型紅外熱像儀，熱靈敏度(NETD)< 0.05 ℃，紅外分辨率為640×480像素，像素間距為17 μm，時(shí)間常數(shù)為8 ms，圖像采集速率25幀/s，波長(zhǎng)范圍7.5～14 μm。

實(shí)驗(yàn)采用的煤樣來(lái)自兩個(gè)不同煤礦的整塊煤，將其中一個(gè)整塊煤加工成5塊50 mm×50 mm×50 mm長(zhǎng)方體標(biāo)準(zhǔn)試塊，編號(hào)為An(n=1～5)；將另一個(gè)整塊煤加工成16塊50 mm×50 mm×100 mm長(zhǎng)方體標(biāo)準(zhǔn)試塊，編號(hào)為Bn(n=1～16)。

在實(shí)驗(yàn)前24 h將煤樣放置在實(shí)驗(yàn)室中，使試樣的溫度與實(shí)驗(yàn)室的溫度環(huán)境一致。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)開(kāi)始前，將煤樣放置在壓力機(jī)加載平臺(tái)上，在試樣上、下端面各墊一層塑料薄膜以減小端部效應(yīng)和熱傳導(dǎo)，使煤樣的上、下端面與壓力機(jī)充分接觸壓實(shí)。

將紅外熱像儀放置在距煤樣正前方1 m處，采集速率設(shè)置為25幀/s；壓力機(jī)設(shè)置為0.2 mm/min的等位移速率加載方式[24]。

將紅外熱象儀和壓力機(jī)的時(shí)鐘調(diào)整一致，紅外熱像儀和壓力機(jī)同步記錄煤樣的紅外輻射、應(yīng)力和位移等信息。

圖1 煤加載紅外輻射觀測(cè)系統(tǒng)示意

2 指 標(biāo)

2.1 煤樣原始紅外熱像序列矩陣及其方差

從紅外熱像儀錄制成的煤樣表面紅外熱像序列圖(圖2)中，導(dǎo)出二維溫度矩陣，第z幀的溫度矩陣為

式中，z為紅外熱像序列的幀數(shù)索引；x和y分別為第z幀溫度矩陣的行號(hào)和列號(hào)。

圖2 B4煤樣紅外熱像序列

煤樣二維溫度矩陣的方差可以反映整個(gè)煤樣表面溫度場(chǎng)分異和離散程度，定義為

2.2 應(yīng)力變化量與應(yīng)力調(diào)整(突變)系數(shù)

煤巖在加載受力直至達(dá)到應(yīng)力峰值并破裂的過(guò)程中。當(dāng)煤巖內(nèi)部發(fā)生(微)破裂時(shí)，應(yīng)力會(huì)發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整[25]。應(yīng)力變化量是指巖石應(yīng)力調(diào)整前、后的絕對(duì)差值，定義為

式中,Δσ為巖石應(yīng)力變化量;σ2為變化后的巖石應(yīng)力值；σ1為變化前的巖石應(yīng)力值。

應(yīng)力調(diào)整(突變)系數(shù)是指應(yīng)力變化量與調(diào)整前應(yīng)力值的比值，定義為：

2.3 紅外輻射方差變化幅度及其突變系數(shù)

紅外輻射方差變化幅度是指巖石在加載過(guò)程中，煤樣表面相鄰兩個(gè)時(shí)刻紅外輻射溫度方差變化量的絕對(duì)值，定義為

其中,ΔV為紅外輻射熱像溫度方差變化幅度；V2為紅外熱像序列溫度方差變化后的值；V1為紅外熱像序列溫度方差變化前的值。

方差突變系數(shù)是指方差發(fā)生突變時(shí)，紅外輻射方差變化幅度與巖石在整個(gè)加載過(guò)程中紅外方差平均變化幅度的比值，定義為

其中,V′為紅外輻射熱像序列溫度方差發(fā)生突變后的值;V為紅外輻射熱像序列溫度方差發(fā)生突變前的值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力對(duì)紅外輻射的控制效應(yīng)

繪制加載煤樣的時(shí)間-應(yīng)力曲線和時(shí)間-紅外輻射方差曲線，如圖3所示。

在煤樣單軸加載整個(gè)過(guò)程中，當(dāng)應(yīng)力發(fā)生調(diào)整時(shí)，紅外輻射方差幾乎總是伴隨著也發(fā)生突變，應(yīng)力對(duì)紅外輻射表現(xiàn)出了明顯的控制效應(yīng)。例如，A3煤樣在應(yīng)力調(diào)整的214.5,239.5,261.5,274.5和329.5 s等時(shí)刻，紅外輻射方差幾乎均對(duì)應(yīng)發(fā)生了明顯突變，如圖3(a)，(b)所示。B6煤樣在應(yīng)力調(diào)整的458.3,505.5,543.4和568.8 s等時(shí)刻，紅外輻射方差也對(duì)應(yīng)發(fā)生了明顯突變，如圖3(c)，(d)所示。

3.2 紅外輻射方差突變的普遍性

為全面分析煤樣加載過(guò)程中應(yīng)力與紅外輻射的關(guān)系，尤其是應(yīng)力突變和紅外輻射突變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將煤樣應(yīng)力調(diào)整系數(shù)統(tǒng)計(jì)臨界值設(shè)為Eσ≥1%。

在單軸加載過(guò)程中，伴隨著裂隙的發(fā)育擴(kuò)展，煤樣應(yīng)力調(diào)整系數(shù)主要分布在20%以內(nèi)。將應(yīng)力調(diào)整系數(shù)劃分為1%～5%(1%≤Eσ<5%),5%～10%,10%～15%,15%～20%和>20%五個(gè)級(jí)別。

表1統(tǒng)計(jì)了50 mm×50 mm×50 mm煤樣承載過(guò)程中應(yīng)力調(diào)整的次數(shù)、對(duì)應(yīng)發(fā)生紅外輻射方差突變的次數(shù)，以及紅外輻射方差突變的次數(shù)占應(yīng)力調(diào)整次數(shù)的百分比。表2統(tǒng)計(jì)了50 mm×50 mm×100 mm煤樣的上述指標(biāo)。

50 mm×50 mm×50 mm煤樣共發(fā)生了15次應(yīng)力調(diào)整，對(duì)應(yīng)有14次紅外輻射方差突變發(fā)生，比例達(dá)93.3%，可見(jiàn)應(yīng)力對(duì)紅外輻射方差具有很好的控制作用。其中應(yīng)力調(diào)整系數(shù)介于1%～5%時(shí)，應(yīng)力對(duì)紅外輻射方差的控制比例為90.9%；當(dāng)應(yīng)力調(diào)整系數(shù)大于5%時(shí)，應(yīng)力對(duì)紅外輻射方差的控制比例均為100%。隨著應(yīng)力調(diào)整系數(shù)增大(突變程度大)，煤樣應(yīng)力調(diào)整次數(shù)在減少，但應(yīng)力對(duì)紅外輻射方差的控制比例在上升。

圖3 加載煤樣的時(shí)間-應(yīng)力曲線和時(shí)間-紅外輻射方差曲線

表1 50 mm×50 mm×50 mm煤樣應(yīng)力和紅外輻射方差突變統(tǒng)計(jì)

注：統(tǒng)計(jì)紅外輻射方差突變均是隨應(yīng)力調(diào)整而發(fā)生突變，表2同。

表2 50 mm×50 mm×100 mm煤樣應(yīng)力和紅外輻射方差突變統(tǒng)計(jì)

Table 2 Sudden change of infrared radiation variance and stress of 50 mm×50 mm×100 mm coal specimens

Eσ1%～5%5%～10%10%～15%15%～20%≥20%總計(jì)應(yīng)力調(diào)整次數(shù)19843640紅外輻射方差突變次數(shù)14743634百分比/%73.787.510010010085.0

50 mm×50 mm×100 mm煤樣共發(fā)生40次應(yīng)力調(diào)整，對(duì)應(yīng)發(fā)生了34次紅外輻射方差突變，控制比例為85.0%。應(yīng)力調(diào)整系數(shù)介于1%～5%時(shí)，應(yīng)力對(duì)紅外輻射方差的控制比例為73.7%。當(dāng)應(yīng)力調(diào)整系數(shù)在5%～10%時(shí)，應(yīng)力對(duì)紅外輻射方差的控制比例為87.5%；當(dāng)應(yīng)力調(diào)整系數(shù)大于10%時(shí)，應(yīng)力對(duì)紅外輻射方差的控制比例均為100%。隨著應(yīng)力調(diào)整系數(shù)增大，應(yīng)力調(diào)整次數(shù)呈在下降，但應(yīng)力對(duì)紅外輻射方差的控制比例在上升。

3.3 紅外輻射方差突變的顯著性

表3統(tǒng)計(jì)了50 mm×50 mm×50 mm煤樣應(yīng)力調(diào)整時(shí)的時(shí)刻、Eσ、EV、及EV對(duì)Eσ的比值。表4統(tǒng)計(jì)了50 mm×50 mm×100 mm煤樣的上述指標(biāo)。

隨著裂隙的發(fā)育以及微破裂的產(chǎn)生，當(dāng)煤樣應(yīng)力發(fā)生調(diào)整時(shí)，50 mm×50 mm×50 mm煤樣對(duì)應(yīng)紅外輻射方差突變系數(shù)是其應(yīng)力調(diào)整系數(shù)的97.8～1 411.5倍(平均為362.1倍)，其中86.7%的紅外輻射突變系數(shù)均在應(yīng)力調(diào)整系數(shù)的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，非常顯著。

表3 50 mm×50 mm×50 mm煤樣Eσ與EV

Table 3EσandEVof 50 mm×50 mm×50 mm coal specimens

試件號(hào)時(shí)間/sEσ/%EV/%EV/Eσ試件號(hào)時(shí)間/sEσ/%EV/%EV/EσA1388.51.9673.0354.2512.52.8337.4120.5537.09.2900.097.8A3261.53.8463.4121.9274.52.41038.9432.9329.57.1800.0112.7A2A3241.51.01411.51411.5249.53.0——395.013.21734.6108.4214.53.1375.1121.0239.51.4680.1485.8A4A5平均值290.02.1564.7282.4355.52.4623.5311.8519.01.0905.3905.3603.096.119557.9203.510.02147.5362.1

注：“—”表示沒(méi)有測(cè)得數(shù)值。

表4 50 mm×50 mm×100 mm煤樣Eσ與EV

Table 4EσandEVof 50 mm×50 mm×100 mm coal specimens

試件號(hào)時(shí)間/sEσ/%EV/%EV/Eσ試件號(hào)時(shí)間/sEσ/%EV/%EV/EσB1B2B3B4B5B6B7412.12.8646.2230.7496.34.3584.6135.9538.518.01638.591.0743.510.01267.9126.8398.53.5——227.23.5442.4126.4316.298.53475.835.3224.11.1315.8287.1252.46.9368.453.4404.51.7——458.37.22344325.6505.55.41824337.8543.43.4564165.9568.864.12719884243.2433.71.4——475.05.5——B10B11B12B13B14B15374.61.7395232.4430.917.51125.064.3224.03.41157.1340.3324.99.71823.8188.0341.92.2395.2179.7412.922.71481.065.2544.07.02166.7309.5596.722.35752.4257.9230.58.11008.7124.5341.56.62173.9329.4547.913.92608.7187.7578.43.9651.9167.2725.42.3488.9212.6734.31.9481.5253.4767.511.31337.3118.3————B8B9371.41.2589.094.637015391.3364.32.9774.1266.9421.32.3——434.696.41603.716.6B16平均值639.81.3954.9734.5644.912.99409.8729.4701.31.73025.51779.7719.318.655198.02967.615.112249.6472.8

50 mm×50 mm×100 mm對(duì)應(yīng)紅外輻射方差突變系數(shù)是其應(yīng)力調(diào)整系數(shù)的16.6～4 243.2倍(平均為520.5倍)，其中70%的紅外輻射突變系數(shù)在應(yīng)力調(diào)整系數(shù)的兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，非常顯著。

煤樣的應(yīng)力對(duì)紅外輻射有很好的控制作用，且應(yīng)力調(diào)整系數(shù)越大，這種控制效應(yīng)越顯著(紅外輻射突變系數(shù)平均約是應(yīng)力調(diào)整系數(shù)的兩個(gè)數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于將應(yīng)力突變程度放大了)?？梢岳迷撎卣鳎ㄟ^(guò)紅外技術(shù)監(jiān)測(cè)紅外輻射方差的突變，發(fā)現(xiàn)承載煤巖的應(yīng)力調(diào)整現(xiàn)象，進(jìn)而反演承載煤巖的裂隙發(fā)育及破裂狀態(tài)。

3.4 紅外輻射方差突變的時(shí)間滯后性

表5統(tǒng)計(jì)了50 mm×50 mm×50 mm煤樣Eσ≥1%時(shí)的應(yīng)力調(diào)整時(shí)刻，對(duì)應(yīng)紅外輻射方差突變時(shí)刻，以及兩者的差值(滯后時(shí)間)。表6統(tǒng)計(jì)了50 mm×50 mm×100 mm煤樣的上述指標(biāo)。

50 mm×50 mm×50 mm煤樣紅外輻射方差突變滯后于其應(yīng)力調(diào)整時(shí)刻1.0～7.6 s，平均為2.7 s。50 mm×50 mm×100 m煤樣紅外輻射方差突變滯后于其應(yīng)力調(diào)整時(shí)刻0.4～8.3 s，平均為2.9 s。

表5 50 mm×50 mm×50 mm煤樣紅外輻射方差滯后時(shí)間

Table 5EVhysteretic time of 50 mm ×50 mm×50 mm coal specimens

試件號(hào)應(yīng)力調(diào)整時(shí)間/s紅外輻射方差突變時(shí)間/s滯后時(shí)間/s試件號(hào)應(yīng)力調(diào)整時(shí)間/s紅外輻射方差突變時(shí)間/s滯后時(shí)間/sA1388.5396.17.6512.5517.04.5537.0542.45.4A3261.5263.21.7274.5275.51.0329.5331.62.1A2A3241.5243.21.7249.5——395.0396.61.6214.5216.52.0239.5240.61.1A4A5平均值290.0291.61.6355.5356.71.2519.0521.32.9603.0606.43.42.7

表6 50 mm×50 mm×100 mm煤樣紅外輻射方差滯后時(shí)間

Table 6EVhysteretic time of 50 mm ×50 mm×100 mm coal specimens

試件號(hào)應(yīng)力調(diào)整時(shí)間/s紅外輻射方差突變時(shí)間/s滯后時(shí)間/s試件號(hào)應(yīng)力調(diào)整時(shí)間/s紅外輻射方差突變時(shí)間/s滯后時(shí)間/sB1B2B3B4B5B6B7412.1417.35.2496.3497.00.7538.5540.43.9743.5744.51.0398.5——227.2228.31.1316.2317.00.8224.1224.80.7252.4256.64.2404.5——458.3460.01.7505.5506.61.1543.4544.61.2568.8570.20.4433.7——475.0——B10B11B12B13B14B15374.6376.01.4430.9432.92.0224.0225.31.3324.9326.92.0341.9345.63.7412.9414.92.0544.0545.81.8596.7600.43.7230.5231.91.4341.5343.31.8547.9550.32.4578.4580.31.9725.4726.71.3734.3737.33.0767.5775.17.6———B8B9371.4——589.0590.21.2364.3364.70.4421.3——434.6439.85.2B16平均值639.8647.98.1644.9652.98.0701.3709.68.3719.3726.97.62.9

4 討 論

(1)50 mm×50 mm×50 mm煤樣、50 mm×50 mm×100 mm煤樣的應(yīng)力對(duì)紅外輻射方差的控制比例分別為93.3%,85%。煤樣的紅外輻射方差突變系數(shù)均在應(yīng)力調(diào)整系數(shù)的一個(gè)數(shù)量級(jí)以上(最低16.6倍，平均兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上)。相對(duì)于應(yīng)力指標(biāo)，紅外輻射方差指標(biāo)能更好地反映出煤巖承載的變化狀態(tài)，可用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煤巖破裂過(guò)程。

(2)承載煤巖應(yīng)力發(fā)生調(diào)整的根本原因是煤樣內(nèi)部有(微)破裂發(fā)生，導(dǎo)致其整體承載能力降低。在這個(gè)過(guò)程中，對(duì)應(yīng)有(新)裂隙產(chǎn)生和發(fā)育。裂隙面之間會(huì)摩擦生熱，該熱量逐步傳遞到煤樣表面后，煤樣表面各處溫度發(fā)生改變，會(huì)導(dǎo)致煤樣表面紅外輻射方差出現(xiàn)突變。由于煤的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，熱量傳遞到煤樣表面需要時(shí)間，所以紅外輻射方差突變具有時(shí)間滯后性。

(3)通過(guò)紅外輻射方差監(jiān)測(cè)煤巖破裂及裂隙發(fā)育狀況時(shí)，不可忽略其時(shí)間滯后效應(yīng)(滯后時(shí)間最高達(dá)8.3 s)。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)可以探測(cè)煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生(微)破裂的時(shí)間，并能定位破裂位置。因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)保水開(kāi)采與巖層控制實(shí)踐中，應(yīng)將聲發(fā)射監(jiān)測(cè)和紅外監(jiān)測(cè)兩種手段相結(jié)合，以完整描述煤巖體破裂及裂隙發(fā)育過(guò)程，可彌補(bǔ)紅外輻射方差突變具有時(shí)間滯后性，準(zhǔn)確的預(yù)警煤巖破裂，預(yù)防突水并實(shí)現(xiàn)保水采煤。

(4)紅外輻射方差反映的是煤巖表面溫度場(chǎng)的分異和離散化程度，而不是溫度場(chǎng)本身。紅外輻射方差突變意味著煤樣表面溫度發(fā)生了較明顯的分異現(xiàn)象，而不是表面溫度場(chǎng)的整體上升(下降)。本文提出的紅外輻射方差突變程度指標(biāo)，不僅兼顧了煤樣表面溫度的分異，同時(shí)還很好地反映了應(yīng)力與紅外輻射之間的定性與定量關(guān)系。已有研究表明，承載煤巖表明紅外輻射變化主要由形變摩擦機(jī)理和機(jī)械能(應(yīng)力)激發(fā)機(jī)理引起[3,21,26-28]。本文實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力調(diào)整導(dǎo)致的紅外輻射方差突變具有滯后性，間接證明本次實(shí)驗(yàn)中所觀測(cè)到的煤?jiǎn)屋S壓縮紅外輻射突變主要是由形變摩擦機(jī)理引起的。

(5)采用紅外熱成像技術(shù)對(duì)煤樣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有非接觸、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。不像聲發(fā)射需要接觸式觀測(cè)且結(jié)果易受機(jī)械振動(dòng)的干擾，也不像應(yīng)力應(yīng)變易受外界力的干擾。

5 結(jié) 論

(1)應(yīng)力對(duì)紅外輻射方差的控制效應(yīng)具有普遍性，50 mm×50 mm×50 mm煤巖應(yīng)力對(duì)紅外輻射方差的控制比例達(dá)93.3%；50 mm×50 mm×100 mm煤樣的控制比例為85.0%。

(2)應(yīng)力對(duì)紅外輻射方差的控制效應(yīng)具有顯著性，50 mm×50 mm×50 mm煤樣的紅外輻射方差突變系數(shù)是其應(yīng)力調(diào)整系數(shù)的97.8～1 411.5倍(平均362.1倍)；50 mm×50 mm×100 mm煤樣紅外輻射方差突變系數(shù)是其應(yīng)力調(diào)整系數(shù)的16.6～4 243.2倍(平均520.5倍)。

(3)煤樣紅外方差突變時(shí)間滯后于其應(yīng)力調(diào)整時(shí)間，50 mm×50 mm×50 mm煤樣的滯后時(shí)間1.0～7.6 s(平均2.7 s)；50 mm×50 mm×100 mm煤樣的滯后時(shí)間0.4～8.3 s(平均2.9 s)。

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Experimental study on dependence of infrared radiation on stress for coal fracturing process

MA Li-qiang1,2，ZHANG Yao1,2，SUN Hai1,2，WANG Shuo-kang1,2，NAJEEM Adeleke3

(1.SchoolofMines,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;2.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;3.CollegeofEarthandMineralSciences,PennsylvaniaStateUniversity,StateCollege,PA16802,USA)

Coal rock fracture is the major factor of disasters which occurred because of mine water bursting and the unstability of coal pillar.Effectively supervising the process of it is extremely important to the water conservation and strata control in mine.It is known that infrared radiation changes with the stress when coal rock is loading.The sudden change index of the variance of infrared radiation temperature of coal under uniaxial compressive loading was proposed to study the quantitative relationship between stress and infrared radiation.The result of this study shows the ratios of IR controlled by stress in cubic coal specimens (50 mm×50 mm×50 mm) and rectangular coal specimens were 93% and 85%.Sudden change coefficient of the variance of infrared radiation temperature which occurs after stress adjustment is two orders of magnitude than the coefficient of stress adjustment.Also this control effect has a characteristic of hysteretic,the average hysteretic time of infrared radiation of cubic coal specimens and rectangular coal specimens were about 2.7 s and 2.9 s.

infrared radiation；stress；sudden change index of variance；control effect；hysteretic；water conservation mining

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5003

2016-08-01

2016-11-14責(zé)任編輯:常 琛

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2015CB251600)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

馬立強(qiáng)(1979—)，男，寧夏吳忠人，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:ckma@cumt.edu.cn

TD315

A

0253-9993(2017)01-0140-08

馬立強(qiáng)，張垚，孫海，等.煤巖破裂過(guò)程中應(yīng)力對(duì)紅外輻射的控制效應(yīng)試驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):140-147.

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