游 勛，王春仁，趙迎貴，劉祥鑫，余 敏

(1.馬鋼集團設(shè)計研究院有限責任公司， 安徽 馬鞍山市 243000；2.華北理工大學 礦業(yè)工程學院， 河北 唐山市 063009)

巖石在受力及災(zāi)變過程中，其表面紅外輻射的強度會發(fā)生規(guī)律性變化，且不同應(yīng)力階段也將會對應(yīng)差異性紅外輻射的變化特征，將紅外遙感技術(shù)應(yīng)用于探測巖體的應(yīng)力及應(yīng)變，以分析其穩(wěn)定性是極具前景的一種新方法[1]。目前，紅外探測技術(shù)不僅在含沖擊地壓顯現(xiàn)和瓦斯突出類煤巖的礦山動力災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，同時也能夠應(yīng)用于金屬非金屬礦山的壓力觀測、頂板穩(wěn)定性監(jiān)測、巖爆監(jiān)測、邊坡滑坡、圍巖松動圈測試及隧道穩(wěn)定性評價等方面[2-4]。

由于自然界巖石的結(jié)構(gòu)面發(fā)育且分布相對復(fù)雜，存在非均質(zhì)特性、非彈性、非線性以及各向異性等諸多特性，其結(jié)構(gòu)面具有裂隙、片理、節(jié)理和軟弱夾層等明顯特征[5]。巖石就是由于內(nèi)部這些原有微小裂隙在不同載荷作用下，開始產(chǎn)生變形，并不斷擴展后最終誘發(fā)宏觀性破壞[6-7]。自然界具有的斷層類型眾多，誘發(fā)滑坡層出不窮，在它活動過程中發(fā)生的異常紅外輻射特征也各異，因而采用不同類型的模擬試驗去探究不同構(gòu)造下的失穩(wěn)紅外輻射異常特征意義重大[8]。所以探究及掌握巖石破壞過程中的紅外輻射規(guī)律及特征，可奠定巖石應(yīng)力與災(zāi)變遙感監(jiān)測技術(shù)實驗的理論基礎(chǔ)，對研究模擬邊坡的滑坡動態(tài)過程，具有一定研究價值。

為了更廣泛地探究斷層活動過程中紅外輻射的演化特征，文中以江西某大型金屬礦巖質(zhì)邊坡的花崗巖試件為載體，結(jié)合前期的研究基礎(chǔ)，選擇另一種常見的構(gòu)造類型——節(jié)理面控制滑坡方式的巖塊邊界模型作為研究對象，展開了對于該類構(gòu)造活動動態(tài)過程中的失穩(wěn)紅外輻射演化規(guī)律及特性研究，從而為探索國內(nèi)露天礦山對于普遍存在的各類高陡巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測及安全處理技術(shù)提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1 實驗設(shè)計

1.1 研究背景

花崗巖類是大陸上部地殼主要構(gòu)成巖體之一，大約86%的大陸上部地殼是由花崗質(zhì)巖石組成。礦山露天礦的巖質(zhì)邊坡廣泛存在花崗巖巖體，而邊坡的變形和破壞，實質(zhì)上是內(nèi)在的和外部的各種因素綜合作用的結(jié)果[9]。研究花崗巖的物理力學性質(zhì)、變形破裂過程的紅外輻射規(guī)律，對于預(yù)防巖質(zhì)邊坡滑坡等地質(zhì)災(zāi)害具有重要理論及現(xiàn)實意義，特別是對于金屬、非金屬露天礦山在生產(chǎn)過程中的巖質(zhì)邊坡維護與安全生產(chǎn)具有重大的指導意義。

1.2 實驗設(shè)備系統(tǒng)

PIKE F-421B型數(shù)字攝像機、Therma CAM SC3000高性能率子阱紅外熱像儀(溫度靈敏度為0.03℃，圖像分辨率360像素×240像素，圖像最大采集速率為5 fps)、RLW-3000伺服壓力試驗機等。

1.3 試件準備

(1) 試件制備。如圖1所示，實驗選用花崗巖，把巖石加工成長方體，尺寸為150 mm×150 mm×75 mm，傾角60°。由試件高1/3處為切入點，制成裂紋深度和厚度分別為35 mm與3 mm，預(yù)制裂紋類型為單裂紋。 裂紋區(qū)充填石膏，水灰比0.4～0.45。試樣用磨石齒輪進行打磨，然后用砂布進一步磨光。

圖1 實驗試樣

(2) 飽水狀態(tài)處理。第一組為干燥試樣，試樣經(jīng)切割、打磨后制成本實驗的標準試樣(見圖2)。第二組為飽水試樣，用自由浸水法制作[10]，把試樣浸入水槽中，先注水至試樣高度的1/4處，以后每隔2 h分別注水至試樣高度的1/2和3/4處，6 h后全部浸沒試樣，試樣在水中自由吸水48 h(見圖3)。

圖2 干燥狀態(tài)試樣

1.4 實驗步驟

(1) 按實驗系統(tǒng)連接各種實驗儀器和數(shù)據(jù)采集線路，檢查儀器狀態(tài)，進行初步調(diào)試；

(2) 用游標卡尺量出花崗巖巖試樣的尺寸，觀察試樣表面裂隙、節(jié)理發(fā)育程度等宏觀特征；

(3) 將試樣的2個端面打磨均勻，放置在壓力機底座之上，試樣、壓力機底座以及壓頭兩兩之間采用絕緣紙進行絕緣；

(4) 做好防護保護，并使儀器、傳輸線良好接地；

圖3 飽水狀態(tài)試樣

(5) 打開Therma CAMSC3000高性能率子阱紅外熱像儀，設(shè)置各種基本參數(shù)，調(diào)試并設(shè)置各通道門檻值。啟動RLW-3000伺服壓力試驗機系統(tǒng)，依據(jù)實驗需求設(shè)置加載過程的控制方式和采集參數(shù)；

(6) 各測試系統(tǒng)的準備工作結(jié)束后，同時進行試驗機加載與紅外輻射信號的數(shù)據(jù)采集工作，實驗中注意觀察試樣的變形與破壞特征；

(7) 待試樣破壞以后，同時停止試驗機加載和數(shù)據(jù)采集工作。觀察并記錄試樣破壞情況，記錄實驗參數(shù)、實驗條件及實驗過程中的各種信息；

(8) 變化不同飽水花崗巖試樣進行實驗，重復(fù)測試，獲得不同試樣下巖石破裂紅外輻射特征。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 巖質(zhì)邊坡模型的力學特征

圖4所示曲線為巖質(zhì)邊坡在2種含水狀態(tài)下典型的力學特征曲線，從圖4可看出2種狀態(tài)在加載過程中都歷經(jīng)加載初期時的曲線向下彎曲到峰值載荷前近似直線上升，以及峰值載荷之后的曲線下降過程，并在峰值載荷后沒有發(fā)生突然性破壞，而是在經(jīng)歷一段應(yīng)力下降過程后才出現(xiàn)最終失穩(wěn)。曲線可劃分為如下階段：

圖4 干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)邊坡模型載荷-時間曲線

(1) 初始加載階段(A點前)，因加載系統(tǒng)的間隙調(diào)整及巖石內(nèi)部孔隙與微裂隙被逐步壓實而導致曲線略向下彎曲，并緩慢地上升。

(2) 線彈性變形階段(曲線AB段)，巖樣正處在微裂隙加載階段，載荷-時間曲線呈近似直線狀攀升。

(3) 穩(wěn)定破壞階段(BC段)，應(yīng)力上升開始逐步減緩，巖樣微裂隙破裂擴展，曲線呈現(xiàn)略向上彎曲，C點是應(yīng)力作用的峰值點。

(4) 非穩(wěn)定階段(CD段)，C點后，應(yīng)力逐漸開始下降，到D點時巖樣完全破壞，開始出現(xiàn)應(yīng)力的大幅度下降。

2.2 邊坡模型的平均紅外輻射溫度-時間變化特征對比

如圖5所示，不同含水狀態(tài)的邊坡模型平均紅外輻射溫度(AIRT)-時間曲線均與力學曲線表現(xiàn)出一定的整體性，即隨著載荷的增加，AIRT數(shù)值呈上升趨勢。當模型進入破壞階段時，2種含水狀態(tài)均出現(xiàn)了不同程度的跳變。這證明了紅外輻射特征與巖石的力學性質(zhì)存在較為明顯的關(guān)聯(lián)性，深入分析這種性質(zhì)，可捕捉破壞的規(guī)律性及階段性特征。

紅外輻射溫度呈現(xiàn)上升對應(yīng)剪切粘滑破壞，而紅外輻射溫度呈現(xiàn)下降則對應(yīng)張性破壞[11]。在整個加載階段，相較于干燥狀態(tài)，飽水狀態(tài)的巖質(zhì)邊坡模型的紅外輻射溫度的波動性較小。這反應(yīng)了模型破裂演化過程中，破裂方式的復(fù)雜性及多變性，且水影響了破裂方式。

峰值載荷之前，飽水巖石加載過程中的AIRT“先升后降”幅度較干燥狀態(tài)巖石更加明顯，導致“谷點”也更低。飽水模型失穩(wěn)破壞瞬間所消耗能量要大于干燥狀態(tài)模型，飽水狀態(tài)的失穩(wěn)破壞前兆特征較干燥狀態(tài)明顯。

2.3 巖質(zhì)邊坡模型AIRT空間分布特征

采用紅外熱像儀獲取紅外熱像是巖樣表面紅外輻射溫度場的直觀反映，其反映了試樣表面的紅外輻射強度分布狀況[12]。

圖6和圖7分別為干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)邊坡模型紅外輻射空間分布情況。

圖5巖質(zhì)邊坡模型載荷、AIRT-時間曲線

圖6 飽水狀態(tài)巖質(zhì)邊坡模型實驗過程中紅外熱像圖

從加載至最終失穩(wěn)全過程，模型的AIRT空間分布反映了以下特征：

(1) 干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)巖樣在加載過程中的紅外輻射溫度都發(fā)生了不均勻的變化， 靠近壓頭接近試樣下端的紅外輻射溫度變化總高于試樣的上端。

(2) 干燥狀態(tài)及飽水狀態(tài)的巖樣在破壞瞬間出現(xiàn)的熱像特征各異，干燥狀態(tài)巖樣較易出現(xiàn)大范圍的溫度變化，其表面會發(fā)生大面積的掉塊；飽水試樣在其破壞的一瞬間呈現(xiàn)相對平靜，紅外輻射變化總體不太明顯。但是，2種含水狀態(tài)均出現(xiàn)了區(qū)域亮溫，這反映了模型開始出現(xiàn)明顯的局部破裂現(xiàn)象，如圖中A區(qū)域所示。

圖7干燥狀態(tài)巖質(zhì)邊坡模型實驗過程中紅外熱像圖

(3) 當巖質(zhì)邊坡模型失穩(wěn)破壞時，其中飽水狀態(tài)的模型出現(xiàn)了大區(qū)域的高溫區(qū)域，而干燥狀態(tài)的模型仍為局部的高溫區(qū)域。2種含水模型均為溫度突然升高，突變現(xiàn)象較為明顯。

(4) 飽水狀態(tài)試樣在加載破裂過程中的紅外上升溫度幅度較干燥狀態(tài)試樣明顯偏高。

2.4 巖質(zhì)邊坡模型滑坡區(qū)域的紅外輻射特征

圖8和圖9分別是干燥狀態(tài)與飽水狀態(tài)模型的破裂面局部紅外輻射溫度。破裂瞬間，由于花崗巖巖性脆性較高，破壞形式為張性彈射破壞，并且花崗巖結(jié)構(gòu)、層理比較均一，顆粒均勻細密，間隙小，總是沿預(yù)制裂紋下方呈對頂錐破壞，破壞瞬間干燥狀態(tài)試樣會發(fā)生彈射碎塊現(xiàn)象。AIRT變化都隨著壓力的加大總體呈上升趨勢，在破裂瞬間飽水狀態(tài)試樣的AIRT變化大于干燥狀態(tài)試樣。

圖8 干燥狀態(tài)模型的滑坡區(qū)域?qū)Ρ?/p>

圖9 飽水狀態(tài)模型的滑坡區(qū)域?qū)Ρ?/p>

由模型失穩(wěn)破壞瞬間的紅外熱像圖可知，區(qū)域性的高溫(見圖8、圖9)反映了最終失穩(wěn)與破壞的區(qū)域化，也證明了能量釋放的局部化特征。捕捉紅外溫度的跳變區(qū)域，可為尋找失穩(wěn)破壞點提供較準確的依據(jù)。

3 結(jié) 論

(1) 在彈性階段，干燥狀態(tài)的試件AIRT變化不大，而飽水狀態(tài)試件AIRT上升較為明顯。隨著損傷破裂的持續(xù)發(fā)展，2種含水狀態(tài)的AIRT總體上均呈上升趨勢。

(2) 臨近滑坡災(zāi)害發(fā)生前，邊坡模型均出現(xiàn)了平均紅外輻射溫度AIRT曲線的跳變，其中飽水狀態(tài)的邊坡模型跳變幅度較干燥狀態(tài)大。當形成了滑坡區(qū)域時，紅外熱像圖上出現(xiàn)了區(qū)域高溫現(xiàn)象。