游 勛，王春仁，趙迎貴，劉祥鑫，余 敏

(1.馬鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 安徽 馬鞍山市 243000；2.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)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(qiáng)度會(huì)發(fā)生規(guī)律性變化，且不同應(yīng)力階段也將會(huì)對(duì)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(cè)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(cè)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(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，同時(shí)也能夠應(yīng)用于金屬非金屬礦山的壓力觀測(cè)、頂板穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、巖爆監(jiān)測(cè)、邊坡滑坡、圍巖松動(dòng)圈測(cè)試及隧道穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(duì)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(kuò)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(dòng)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(yàn)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(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，對(duì)研究模擬邊坡的滑坡動(dòng)態(tài)過程，具有一定研究?jī)r(jià)值。

為了更廣泛地探究斷層活動(dòng)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(duì)象，展開了對(duì)于該類構(gòu)造活動(dòng)動(dòng)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(duì)于普遍存在的各類高陡巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)及安全處理技術(shù)提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(shí)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(xué)性質(zhì)、變形破裂過程的紅外輻射規(guī)律，對(duì)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(shí)意義，特別是對(duì)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(hù)與安全生產(chǎn)具有重大的指導(dǎo)意義。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)

PIKE F-421B型數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、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(yàn)機(jī)等。

1.3 試件準(zhǔn)備

(1) 試件制備。如圖1所示，實(shí)驗(yàn)選用花崗巖，把巖石加工成長(zhǎng)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(diǎn)，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(jìn)行打磨，然后用砂布進(jìn)一步磨光。

圖1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)步驟

(1) 按實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接各種實(shí)驗(yàn)儀器和數(shù)據(jù)采集線路，檢查儀器狀態(tài)，進(jìn)行初步調(diào)試；

(2) 用游標(biāo)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(gè)端面打磨均勻，放置在壓力機(jī)底座之上，試樣、壓力機(jī)底座以及壓頭兩兩之間采用絕緣紙進(jìn)行絕緣；

(4) 做好防護(hù)保護(hù)，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(dòng)RLW-3000伺服壓力試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)置加載過程的控制方式和采集參數(shù)；

(6) 各測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)備工作結(jié)束后，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)機(jī)加載與紅外輻射信號(hào)的數(shù)據(jù)采集工作，實(shí)驗(yàn)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(shí)停止試驗(yàn)機(jī)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(shí)驗(yàn)參數(shù)、實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)過程中的各種信息；

(8) 變化不同飽水花崗巖試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，重復(fù)測(cè)試，獲得不同試樣下巖石破裂紅外輻射特征。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 巖質(zhì)邊坡模型的力學(xué)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(xué)特征曲線，從圖4可看出2種狀態(tài)在加載過程中都?xì)v經(jīng)加載初期時(shí)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(shí)間曲線

(1) 初始加載階段(A點(diǎn)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(shí)而導(dǎo)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(shí)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(kuò)展，曲線呈現(xiàn)略向上彎曲，C點(diǎn)是應(yīng)力作用的峰值點(diǎn)。

(4) 非穩(wěn)定階段(CD段)，C點(diǎn)后，應(yīng)力逐漸開始下降，到D點(diǎn)時(shí)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(shí)間變化特征對(duì)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(shí)間曲線均與力學(xué)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(shì)。當(dāng)模型進(jìn)入破壞階段時(shí)，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(xué)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(duì)應(yīng)剪切粘滑破壞，而紅外輻射溫度呈現(xiàn)下降則對(duì)應(yīng)張性破壞[11]。在整個(gè)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(dòng)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(dǎo)致“谷點(diǎn)”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(chǎng)的直觀反映，其反映了試樣表面的紅外輻射強(qiáng)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(shí)間曲線

圖6 飽水狀態(tài)巖質(zhì)邊坡模型實(shí)驗(yàn)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(huì)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(duì)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(shí)驗(yàn)過程中紅外熱像圖

(3) 當(dāng)巖質(zhì)邊坡模型失穩(wěn)破壞時(shí)，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(xì)密，間隙小，總是沿預(yù)制裂紋下方呈對(duì)頂錐破壞，破壞瞬間干燥狀態(tài)試樣會(huì)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(shì)，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(diǎn)提供較準(zhǔn)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(shì)。

(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(dāng)形成了滑坡區(qū)域時(shí)，紅外熱像圖上出現(xiàn)了區(qū)域高溫現(xiàn)象。