任瑞峰,梁鵬,孫林,田寶柱,姚旭龍,劉祥鑫

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009;2.華北理工大學(xué) 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063009)

0 引 言

在礦山開采中，諸多不確定因素會引發(fā)一系列災(zāi)害。礦井突水作為礦山生產(chǎn)過程中的主要災(zāi)害之一，其事故發(fā)生率僅次于頂板冒落和瓦斯爆炸，突水災(zāi)害發(fā)生后會嚴(yán)重影響礦井的生產(chǎn)與建設(shè)[1]。在2012—2017年國內(nèi)礦井生產(chǎn)災(zāi)害事故統(tǒng)計(jì)中，較大突水事故超40起，造成嚴(yán)重的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此，探查礦井巷道掘進(jìn)面前方是否存在水體隱患，對于安全生產(chǎn)十分重要。

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源需求也逐漸增大，我國淺層煤炭資源日益趨近枯竭，隨著開采深度不斷增加，突水事故發(fā)生概率越來越大。紅外檢測作為一種新型數(shù)字化非接觸無損檢測技術(shù)，已有眾多學(xué)者使用此技術(shù)進(jìn)行滲漏水方面的研究。羅利銳等[3]、李彥軍[4]將紅外技術(shù)應(yīng)用到隧道工程施工過程中的地下水探測，通過實(shí)際工程案例證明了紅外技術(shù)的實(shí)用性與科學(xué)性，指出該技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確、安全等特點(diǎn)；劉善軍等[5]設(shè)計(jì)單軸壓縮試驗(yàn)，利用紅外熱像儀對含水體的混凝土試樣進(jìn)行觀測，分析其紅外輻射特征，得到了混凝土破裂與滲水的紅外異常前兆信息；張?jiān)分竦萚6]設(shè)計(jì)了含有孔洞和裂縫的混凝土承受冷卻壓力水的滲透試驗(yàn)，利用紅外熱像儀對水分滲入開裂混凝土的過程進(jìn)行了可視化監(jiān)測；張艷博等[7]使用紅外熱像儀對花崗巖破裂滲水過程進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過分析紅外空間演化熱像圖，獲得了花崗巖滲水破裂的紅外異常前兆信息；T.Asakura等[8]對隧道襯砌滲漏水的車載紅外檢測以及M.R.Clark等[9]將紅外技術(shù)應(yīng)用到混凝土橋梁等滲漏水的檢測研究，均驗(yàn)證了紅外檢測水體的可行性；豆海濤等[10]通過在室內(nèi)澆筑混凝土試塊并對其注水以模擬隧道襯砌滲水，使用紅外熱像儀記錄并分析不同因素對混凝土滲漏水紅外輻射特征的影響規(guī)律。

綜上所述，目前的研究多是對某一種環(huán)境進(jìn)行模擬試驗(yàn)，然而在實(shí)際工程中，施工環(huán)境有諸多不確定因素，前方是否存在水體以及水體的存在形式都未知，單一工況的試驗(yàn)難以模擬巷道的復(fù)雜環(huán)境，且難以形成對照。因此，本文采用紅外熱像儀進(jìn)行干燥無水、無壓水以及0.5 MPa承壓水作用下的粉砂巖破裂失穩(wěn)試驗(yàn)，研究粉砂巖破裂過程中紅外輻射溫度變化時(shí)序演化特征與空間演化規(guī)律，通過對比分析不同含水條件下的紅外時(shí)空特征，判斷巷道破裂面前方的含水情況，以期為紅外遙感實(shí)時(shí)監(jiān)測礦山水害提供理論參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)系統(tǒng)由加載設(shè)備、紅外熱成像系統(tǒng)、水壓裝置、可見光觀測設(shè)備等4部分組成。加載設(shè)備選用RLW-3000型雙軸伺服加載機(jī)，可以進(jìn)行雙軸加載；熱紅外成像系統(tǒng)選用美國Flir SC3000型熱紅外成像系統(tǒng)；水壓裝置選用具有自動(dòng)補(bǔ)壓、保持水壓穩(wěn)定功能的3D-SY型電動(dòng)壓泵控制系統(tǒng)；可見光觀測設(shè)備選用攝像機(jī)，以獲取可見光演化過程。試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)環(huán)境如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)環(huán)境

1.2 試件制備

試件模型與模擬環(huán)境如圖2所示。將粉砂巖試件加工成150 mm×150 mm×150 mm的立方體，用鉆孔機(jī)在試件表面中心鉆出直徑45 mm、深90 mm的圓柱形注水孔，在另一端表面中心鉆出相同直徑、深50 mm的圓柱形觀察孔，用于模擬實(shí)際巷道掘進(jìn)工程。將兩端受力面仔細(xì)打磨，不平整度控制在0.05 mm以內(nèi)，保證巖石表面受力平衡。試驗(yàn)分為3種工況，即左側(cè)注水孔內(nèi)干燥無水、注水孔內(nèi)有無壓水和注水孔內(nèi)含0.5 MPa的承壓水。每種工況準(zhǔn)備5個(gè)試件，干燥無水試件編號為KFSW-1至KFSW-5，無壓水試件編號為KFS0-1至KFS0-5，0.5 MPa承壓水試件編號為KFS1-1至KFS1-5，試驗(yàn)前試件分別保持干燥、無壓水或承壓水狀態(tài)，以充分進(jìn)行熱交換。表1列出了干燥狀態(tài)下的粉砂巖力學(xué)參數(shù)。

圖2 試件模型與模擬環(huán)境

表1 粉砂巖力學(xué)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)加載過程

試驗(yàn)采用雙軸加載方式，以部分深部隧道開挖過程中發(fā)生突水突泥時(shí)的側(cè)向力為參考[11-12]，側(cè)向用位移控制,以0.3 mm/min的速率加載到200 kN并保持不變，豎直方向以相同速率預(yù)加載到100 kN；加載過程中保持水平載荷不變，對試件進(jìn)行軸向加載，對干燥無水試件以0.3 mm/min的速率加載至破裂失穩(wěn)，對孔內(nèi)含無壓水密封試件和0.5 MPa恒壓水試件,以相同速率加載，直至試件破裂滲水和突水。試驗(yàn)開始前將紅外熱像儀固定在試件前方1 m處，對加載過程中試件表面紅外輻射以及溫度場的變化進(jìn)行觀測記錄。為便于對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，試驗(yàn)前對所有試驗(yàn)設(shè)備的時(shí)間進(jìn)行同步校正。試驗(yàn)前后測定試件表面溫度以及室溫，以便于后期處理時(shí)消除背景輻射影響。試驗(yàn)前使用紅外熱像儀觀察表面輻射溫度，待其穩(wěn)定后開始記錄，試驗(yàn)中采取一些防干擾措施，以減少干擾。

2 粉砂巖破裂突水結(jié)果分析

2.1 巷道破裂演化過程

圖3為粉砂巖在不同含水條件下破裂演化過程。從圖3可知，粉砂巖在失穩(wěn)破壞過程中的可見光圖像與石灰?guī)r和花崗巖的[13-14]相似，不同含水條件下粉砂巖破裂過程均可分為4個(gè)階段。

圖3 粉砂巖在不同含水條件下破裂演化過程

2.2 巷道掘進(jìn)面破裂過程紅外輻射時(shí)序特征

平均紅外輻射溫度(AIRT)對于研究巖石受載破壞過程中的輻射異常和災(zāi)變前兆具有十分重要的意義[15]。因此,該文采用巖石破裂的平均紅外輻射溫度(AIRT)-時(shí)間-載荷曲線描述粉砂巖試件破壞過程的時(shí)序特征。

圖4為不同含水條件下粉砂巖平均紅外輻射溫度-時(shí)間-載荷關(guān)系曲線。由圖4(a)可知,在觀察面前方干燥無水時(shí)，隨著裂紋不斷增加，紅外輻射溫度整體呈上升趨勢，且隨著加載過程進(jìn)行基本呈線性增長，增長趨勢較為平穩(wěn)，在裂紋出現(xiàn)處均有小幅升溫，引起溫度變化的主要原因?yàn)?，加載初始階段因受力壓縮產(chǎn)生的熱彈效應(yīng)以及加載后期出現(xiàn)微裂紋后破裂面錯(cuò)動(dòng)和摩擦產(chǎn)生的摩擦熱效應(yīng)[16]。以KFSW-2為例說明，觀察錄像可知，第690 s和第734 s時(shí)，觀察面為第一次出現(xiàn)裂紋和大面積巖片剝落，由對應(yīng)溫度曲線可知，在接近這兩個(gè)時(shí)刻時(shí)斜率都增大，且后者更加明顯；第870 s時(shí)，觀察面裂紋貫通，曲線在接近第870 s時(shí)斜率明顯增大。在整個(gè)加載過程中，出現(xiàn)裂紋以及在臨近破裂失穩(wěn)時(shí)，曲線斜率增大，升溫均有加速，全程升溫約0.9 ℃。

由圖4(b)可知，觀察面前方存在無壓水時(shí)，以KFS0-2為例說明，曲線的變化主要特征有：(1)加載初期，在試件表面出現(xiàn)滲水點(diǎn)之前，表面紅外輻射溫度隨著受力載荷增加呈整體上升趨勢，但曲線斜率逐漸減??；(2)加載后期，第510 s左右，試件表面出現(xiàn)零星滲水點(diǎn)，因水溫低于巖石表面溫度，隨著表面裂紋擴(kuò)大與連接，滲水面積不斷增大，溫度轉(zhuǎn)為下降，到第800 s左右，表面滲水量已經(jīng)保持不變，但此時(shí)巖石尚未失穩(wěn)破裂，因表面濕水增加了觀察面的表面輻射率，同時(shí)因?yàn)槟Σ翢嵝?yīng)，溫度又開始上升，曲線呈“凹”狀；(3)加載最后階段，試件表面出現(xiàn)宏觀破裂條帶，出水量增大后保持不變，溫度主要為水溫，因而迅速降低。

由圖4(c)可知，在觀察面前方存在恒壓水時(shí)，由于粉砂巖內(nèi)部水體溫度低于觀察面溫度，因此，不同出水階段溫度均有所下降，且溫度降低速率不同。以KFS1-2為例說明，在加載初期，試件受力壓縮，因摩擦生熱效應(yīng)溫度有所增加，第30 s左右，試件表面出現(xiàn)裂紋，同時(shí)出現(xiàn)滲水點(diǎn)，溫度轉(zhuǎn)為下降；繼續(xù)加載，滲水點(diǎn)不斷增多，水滴在試件觀察面相連，形成一個(gè)較大的區(qū)域，觀察面整體浸濕，水體輻射率較低；第180 s左右溫度下降至最低點(diǎn)，但此時(shí)尚未出現(xiàn)明顯裂縫；繼續(xù)加載，外界載荷對試件做功，能量輸入，溫度轉(zhuǎn)為上升；第620 s左右，觀察面巖片剝落，溫度陡增0.2 ℃，在即將破裂失穩(wěn)時(shí)達(dá)到最高溫度，失穩(wěn)破裂發(fā)生突水，溫度急劇下降。

圖4 不同含水條件下粉砂巖平均紅外輻射溫度-時(shí)間-載荷關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves between infrared radiation and temperature of siltstone under different water cut conditions

因巖石存在各向異性，導(dǎo)致同一巖性不同試件整個(gè)加載過程的紅外輻射時(shí)間序列無法統(tǒng)一，為便于數(shù)據(jù)對比且不影響其變化趨勢，對原數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣與歸一化處理，以消除指標(biāo)間量綱影響。數(shù)據(jù)重采樣和歸一化處理可以使作圖區(qū)間統(tǒng)一，增強(qiáng)數(shù)據(jù)指標(biāo)之間的可比性，利于數(shù)據(jù)的分析比較，是一種有效的數(shù)據(jù)處理方法[13]。線性變換不會改變原始數(shù)據(jù)的數(shù)值排序，所以該文選用線性函數(shù)進(jìn)行歸一化，其公式為

式中：x,x′分別為變換前后的值；T,t分別為序列中的最大值和最小值。

原始數(shù)據(jù)在時(shí)間維度上不統(tǒng)一，重采樣之后可以在不改變曲線變化趨勢的情況下將曲線擴(kuò)展或壓縮，將時(shí)間統(tǒng)一為1 050 s進(jìn)行比較。歸一化后的紅外輻射平均溫度曲線如圖5所示。

圖5 歸一化后的紅外輻射平均溫度曲線

由圖5可知：(1)在觀察面前方干燥無水時(shí)，試件表面的紅外輻射溫度隨著載荷增加整體均勻升溫，與含水條件下的溫度數(shù)次升降不同，并不存在局部異常與波動(dòng)現(xiàn)象，在臨近破裂時(shí)，曲線斜率增加，升溫加速；(2)觀察面前方存在無壓水時(shí)，在表面出現(xiàn)滲水前，曲線持續(xù)上升，但斜率逐漸減小，在接近表面滲水時(shí)會有數(shù)次的溫度波動(dòng)，之后下降再轉(zhuǎn)為上升，整體呈現(xiàn)“凹”狀，溫度下降主要在加載后期；(3)觀察面前方存在0.5 MPa恒壓水時(shí)，加載初期溫度小幅上升，60 s之內(nèi)，因表面產(chǎn)生裂紋，伴隨著滲水點(diǎn)出現(xiàn)以及滲水面積增大，溫度轉(zhuǎn)為下降，在加載后期表面巖片剝落時(shí)因摩擦生熱效應(yīng)造成一次突然升溫，溫度曲線整體表現(xiàn)為“降→升→降”，呈波浪形，溫度下降時(shí)間為加載初期與加載后期。分析可知，單純的巷道掘進(jìn)工作面破裂會因熱彈效應(yīng)及摩擦熱效應(yīng)等影響，溫度持續(xù)線性增加，直至破裂；含水條件下的巷道掘進(jìn)工作面會因觀測面的滲水而導(dǎo)致溫度降低。

2.3 巷道掘進(jìn)面破裂過程紅外空間演化特征

紅外熱像儀可以捕捉試件表面輻射溫度場的動(dòng)態(tài)變化信息，對加載過程中不同時(shí)刻試件表面熱場分布及其遷移特征進(jìn)行分析，可得到其空間變化特征[15]。為了降低周圍其他紅外輻射的干擾，將試驗(yàn)獲取的紅外熱像圖使用紅外差幀法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即用紅外觀測過程中的每一幅圖像溫度減去第一幅圖像溫度，減少試件本身以及周圍環(huán)境帶來的影響。通過分析差值后的圖像,得出紅外輻射空間演化特征。

由圖6(a)可知，在觀察面前方干燥無水時(shí)，加載初期由于熱彈效應(yīng)與摩擦生熱效應(yīng)，紅外輻射圖像均勻升溫，無較大波動(dòng)。加載到第734 s時(shí)，觀察面整體溫度上升約0.8 ℃。繼續(xù)加載，第870 s時(shí)觀察面中心出現(xiàn)明顯的高溫異常條帶，對比可知，該點(diǎn)為裂紋最先出現(xiàn)的點(diǎn)以及巖片脫落的邊界，異常點(diǎn)為高溫區(qū)，下方低溫區(qū)域?yàn)閹r片脫落所暴露的巖石新表面。隨著加載進(jìn)行，高溫條帶逐漸向中間位置偏移，整體溫度繼續(xù)增加。第1 020 s時(shí)高溫異常條帶更加明顯，最后巖石失穩(wěn)階段，巖石沿著高溫條帶破裂，高溫異常區(qū)域即為巖石裂縫貫通區(qū)域。

圖6 不同含水條件下粉砂巖破裂過程紅外熱像空間演化特征

由圖6(b)可知，觀察面前方存在無壓水時(shí)，加載初期觀察面出現(xiàn)滲水點(diǎn)之前，溫度會有小幅度上升，大約0.2 ℃。加載至第290 s左右，裂紋處出現(xiàn)滲水點(diǎn)，滲水處為低溫異常區(qū)域；第540 s，裂紋不斷擴(kuò)展，水域面積不斷增大，因水體輻射率與溫度較低，隨著觀察面滲水面積增大，低溫區(qū)域不斷擴(kuò)大，觀察面大面積溫度降低。繼續(xù)加載，溫度又逐漸上升，第890 s左右觀察面出水量增大，持續(xù)加載至巖石破裂失穩(wěn)的過程中觀察面出水量保持不變，但隨著載荷持續(xù)增加，左側(cè)與下方出現(xiàn)低溫區(qū)域，整體溫度有所下降。

由圖6(c)可知，在觀察面前方存在0.5 MPa恒壓水時(shí)，整個(gè)加載過程中觀察面溫度變化幅度較小。加載初期，觀察面整體處于低溫狀態(tài)，隨著繼續(xù)增大載荷，觀察面紅外輻射溫度整體逐漸均勻上升。第59 s時(shí)觀察面中心出現(xiàn)高溫異常點(diǎn)，隨后該點(diǎn)滲水伴隨著裂紋出現(xiàn)，出現(xiàn)較小的低溫區(qū)，之后這一低溫區(qū)向下擴(kuò)散直至覆蓋大部分觀察面區(qū)域。繼續(xù)加載至第178 s左右，多個(gè)滲水點(diǎn)匯集，滲水面積增大，低溫區(qū)域擴(kuò)大，第623 s出水量增大，聚水處溫度較低。之后溫度基本維持在同一水平，直到試件失穩(wěn)破壞，水噴涌而出，溫度急劇下降。

2.4 紅外時(shí)空綜合分析

分析不同含水條件下粉砂巖破裂失穩(wěn)演化過程、紅外輻射平均溫度變化以及空間演化特征，得出其時(shí)空特征信息，如表2所示。

表2 不同含水條件下粉砂巖破裂紅外時(shí)空特征

在破裂面前方干燥無水時(shí)，破裂過程中紅外輻射平均溫度表現(xiàn)為線性增加，臨近破裂，曲線斜率增大，升溫加速；空間上表現(xiàn)為前期熱像均勻升溫，后期破裂處出現(xiàn)高溫異常條帶。前方存在無壓水時(shí)，紅外時(shí)序特征為初期先小幅升溫，觀察面整體淋濕后溫度降低，隨后繼續(xù)上升，失穩(wěn)后溫度再次下降，整體呈“凹”狀；空間特征為先小幅升溫，后出現(xiàn)低溫區(qū)域，整體顯示為高溫場包圍低溫場。前方存在0.5 MPa恒壓水時(shí)，紅外輻射平均溫度變化升降交替，突水后溫度迅速下降，整體近似呈波浪形；在空間上滲水點(diǎn)前期為高溫異常點(diǎn)，失穩(wěn)后迅速降溫，整體表現(xiàn)為低溫。

3 討 論

在巷道開挖之前，原巖處于三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，應(yīng)力沿水平和垂直方向傳遞，但開挖后圍巖應(yīng)力會重新分布，由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)。雙軸加載過程中，整個(gè)突水過程先后經(jīng)歷了滲水、局部涌水、整體失穩(wěn)突水的災(zāi)變演化過程，與真三軸加載的突水過程相似[17]。同干燥狀態(tài)的粉砂巖試件相比，在水壓作用后，從巖石初始擴(kuò)容到發(fā)生破裂所經(jīng)歷的時(shí)間間隔變得更短，水壓使巖石在加載過程中擴(kuò)容提前，巖石的脆性特性進(jìn)一步增強(qiáng)，破壞所需的應(yīng)力要小于低水壓或無水條件下的相應(yīng)值[18]。

室內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境較為穩(wěn)定，但是在現(xiàn)場應(yīng)用的時(shí)候會存在一些問題，例如溫度場變化多端，深部通風(fēng)使溫度場變化迅速，影響熱紅外的溫度檢測效果，但是可以借助一些數(shù)學(xué)方法進(jìn)行處理，這也是后期研究的重點(diǎn)。

4 結(jié) 論

(1)巷道模型前方分別處于干燥無水、無壓水以及0.5 MPa恒壓水3種條件下，試件破壞過程中破裂面的熱紅外時(shí)空演化特征表現(xiàn)為：

當(dāng)破裂面前方干燥無水時(shí)，紅外輻射平均溫度曲線呈線性上升，無明顯波動(dòng)，熱像溫度前期均勻上升，后期出現(xiàn)高溫異常點(diǎn)。

當(dāng)破裂面前方存在無壓水時(shí)，紅外輻射平均溫度曲線有一定波動(dòng)，先升后降或先降后升，斜率變化明顯，并伴隨著溫度突變。但在空間上表現(xiàn)有所不同，即存在無壓水時(shí)，熱像前期均勻升溫，后期出現(xiàn)明顯分界線，整體表現(xiàn)高溫場包圍低溫場。

當(dāng)破裂面前方存在0.5 MPa恒壓水時(shí)，破裂面前期出現(xiàn)高溫異常點(diǎn)，整體表現(xiàn)為紅外輻射熱像低溫場。

(2)通過模擬試驗(yàn)，對巷道模型的破裂過程進(jìn)行熱紅外監(jiān)測，加載過程中紅外輻射平均溫度曲線隨著載荷增加呈線性上升；若曲線無明顯波動(dòng)，熱像溫度整體上升，破裂前兆為突然升溫，預(yù)示著觀察面前方干燥無水；若溫度曲線在上升過程中斜率逐漸減小，突然下降后轉(zhuǎn)為上升，預(yù)示著觀察面前方存在水體，且水壓越大，平均紅外溫度曲線由上升轉(zhuǎn)為下降的時(shí)間越早，紅外熱像低溫現(xiàn)象越明顯。