皇甫潤，閆順璽，李傲，蔣鵬程

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

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

許多學者對巖石加載過程紅外輻射特征進行了分析。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。馬立強等[3]對煤巖和泥巖試件的平均紅外輻射溫度進行分析，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、方差以及自相關系數(shù)作為分析指標，研究了煤巖破壞過程中的前兆信息，發(fā)現(xiàn)方差對破壞的預測更加精準。張艷博等[5]通過紅外輻射技術監(jiān)測了巷道圍巖紅外輻射溫度場的變化，驗證了輻射溫度場與巷道破壞特征具有良好的對應關系。吳賢振等[6]以水浸透粉砂巖為實驗對象，提出了“紅外輻射溫度突變”指標，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，該項目進一步對巖石破裂過程紅外輻射特征進行研究。采用片麻巖為試驗樣品，利用紅外熱像儀監(jiān)測的方式進行單軸壓縮試驗，研究紅外輻射特征與力學特征的關系，為礦山災害、巖體失穩(wěn)等紅外監(jiān)測提供參考。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

本次試驗選用片麻巖作為試樣，共選取6塊巖樣，根據(jù)樣品制備準則，將試件加工成50 mm×50 mm×100 mm(長×寬×高)的標準長方體，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 試驗設備

該項研究的巖石試驗系統(tǒng)主要由巖石加載裝置、可見高速攝影機和紅外熱像儀等組成。裝巖設備為ATW-3000單軸試驗機，高速數(shù)碼相機為德國AVT公司生產(chǎn)的Pike F-421B相機，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)碼相機放置在離試樣1 m的地方對其破裂情況進行監(jiān)測，紅外熱像儀正面對準試件觀測面，采集速率設置為50 Hz，將紅外熱像儀提前30 min打開進行預熱，在熱像儀中對巖石表面的紅外輻射變化進行觀測，待試件表面紅外輻射溫度穩(wěn)定后開始試驗。用2臺計算機分別采集力學數(shù)據(jù)和紅外數(shù)據(jù)，使用相機附帶的Altair 5.0軟件進行熱成像分析。試驗期間，要避免人員來回走動，拉好窗簾關燈關門，以減少室內(nèi)環(huán)境溫度對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖2 片麻巖單軸加載試驗裝置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 應力-時間曲線

通過對片麻巖試件開展紅外輻射單軸壓縮試驗，能夠得到巖石的應力-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。應力隨時間的變化曲線見圖3。

圖3 片麻巖應力-時間曲線

由圖3可知，應力-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，應力-時間曲線呈上凹形，應力上升緩慢。

Ⅱ線彈性階段(102～299 s)：當巖石內(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)：載荷到達峰值后，試件的宏觀裂紋和破裂面相互發(fā)展貫通，導致巖石出現(xiàn)了最終的失穩(wěn)破壞，應力值迅速下降，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所對應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，AIRT出現(xiàn)短暫下降，溫度值下降了0.012 K，a點輻射溫度達到最小。之后，巖石受力引起熱彈效應和摩擦熱效應，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，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，增加幅度達到1.16 K，這一異?，F(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 溫度變化與力學量變化的關系

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力之間的對應關系進行分析。應力及紅外溫度隨時間的變化曲線見圖6。

圖6 應力及溫度隨時間變化曲線

由圖6可知，壓密階段A點之前(0～102 s)，巖石處于低應力水平，巖石內(nèi)部的孔隙由于受壓逐漸被壓密閉合，應力上升緩慢。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，應力上升的速度明顯加快，應力曲線呈線性增長。這一階段巖石受壓變形產(chǎn)生熱彈效應，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點相比輻射溫度上升了0.046 K，這一階段應力值從23 MPa增加到106 MPa。塑性階段BC段(299～360 s)，應力上升速率減小，隨應力上升試件積累大量裂紋，并在力的作用下開始擴展、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，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點相比輻射溫度上升了0.016 6 K，這一階段應力值從106 MPa增加至118 MPa。C點為峰值應力點對應加載時間359 s，應力值達到最大118.864 MPa。越過峰值應力點26 s左右，其表面輻射溫度變化值達到最大(對應加載時間386 s，輻射溫度0.084 8 K)。C點之后，試件進入臨失穩(wěn)階段，應力迅速下降，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度在試件表面的空間分布特征，采用matlab軟件對實際獲得的熱像進行差值、中值以及高斯高通濾波處理，以減少試驗過程中環(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)，溫度場分異程度進一步擴大。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，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力-時間曲線可分為4個階段，壓密階段應力上升緩慢，彈性階段呈線性增長，塑性階段應力持續(xù)上升，上升速率變緩，臨失穩(wěn)階段應力值迅速下降。

(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?？勺鳛閹r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力曲線有良好的對應關系，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。