辛 林，馮洺澤，謝 軍，程衛(wèi)民，李凱旋，劉偉韜，李佳澤，吳 景

(1.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590; 2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制-省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590; 3.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590)

高溫作用下巖石損傷特性研究是當(dāng)前巖石力學(xué)領(lǐng)域中廣泛關(guān)注的前沿課題之一[1]，在深部開采、地?zé)豳Y源開發(fā)、核廢料存儲(chǔ)、地下煤自燃、原位改性流體化采礦及煤炭地下氣化等工程方面具有廣泛的應(yīng)用[2]。高溫巖石力學(xué)的發(fā)展以及對(duì)新的工程問題和關(guān)鍵科學(xué)問題的探索，也不斷促進(jìn)著新型高溫高壓試驗(yàn)裝置的研制[3]，對(duì)解決特定邊界條件下的關(guān)鍵科學(xué)問題，揭示高溫巖石力學(xué)特性規(guī)律，推動(dòng)巖石力學(xué)學(xué)科的發(fā)展，具有重要的意義。

煤炭地下氣化是采用人工控制方法實(shí)現(xiàn)地下原位煤層直接就地轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w的開采方法[4-7]，在難采、劣質(zhì)、低品質(zhì)以及深部等煤炭資源原位規(guī)模性開發(fā)方面具有廣泛的前景[8-13]。煤炭地下氣化通道點(diǎn)火后，逐漸擴(kuò)展形成地下氣化的火焰工作面，沿氣流流動(dòng)方向分布著氧化區(qū)、還原區(qū)和干餾干燥區(qū)[14]。地下氣化通道內(nèi)的氧化區(qū)主要進(jìn)行著煤氧的燃燒反應(yīng)，釋放出大量的熱，并使該區(qū)域溫度達(dá)到1 000 ℃以上[15-18];在還原區(qū)主要進(jìn)行二氧化碳的還原反應(yīng)以及水蒸氣的分解反應(yīng)，吸收大量的熱量并使該區(qū)域溫度降低，該區(qū)域平均溫度也達(dá)600 ℃以上;在煤氣流下游的干餾干燥區(qū)，高溫煤氣將持續(xù)與周邊煤巖體對(duì)流換熱[19-20]。隨著煤炭地下氣化火焰工作面的移動(dòng)，高溫區(qū)的位置也隨之移動(dòng)。因此，一方面氣化通道周邊煤巖體以及燃空區(qū)圍巖所受到的溫度邊界條件是動(dòng)態(tài)變化的；另一方面，從煤巖體與火焰工作面高溫區(qū)的空間位置來看，通道周邊煤巖體以及燃空區(qū)圍巖所處的受熱狀態(tài)是單向受熱狀態(tài)，且由于其導(dǎo)溫系數(shù)較低，在煤巖體內(nèi)部具有較大的溫度梯度。

在以往的對(duì)煤巖體高溫特性的實(shí)驗(yàn)研究中，往往采取將試樣放置于加熱裝置內(nèi)進(jìn)行整體加熱的方式，完全加熱后再研究其受一定溫度作用后的熱物理力學(xué)特性或者熱損傷破裂特性[21-24]。這種對(duì)煤巖試樣的加熱處理方法對(duì)于煤炭地下氣化煤巖體受熱特性的研究顯然是不足的:① 忽略了對(duì)煤巖體受熱狀態(tài)、邊界條件動(dòng)態(tài)變化的考慮，忽略了煤巖體內(nèi)梯度分布的溫度對(duì)熱損傷特性的影響;② 忽略了梯度溫度引起的熱應(yīng)力對(duì)煤巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的影響。對(duì)類似于煤炭地下氣化等受局部高溫?zé)嵩醋饔玫母邷貛r石力學(xué)問題，具有受熱溫度高、熱作用時(shí)間短、熱傳導(dǎo)距離有限、溫度梯度大等特點(diǎn)[25]，巖體內(nèi)的溫度分布、熱損傷特性也呈現(xiàn)單向分布的規(guī)律性變化。對(duì)于這類問題，現(xiàn)有的高溫加熱試驗(yàn)裝置并不適用，亟需研發(fā)與之相匹配的、能滿足其特點(diǎn)的高溫加熱試驗(yàn)裝置。為此，筆者自主研發(fā)設(shè)計(jì)了一套單向加熱模擬試驗(yàn)裝置，具備單向高溫加熱、多信息同步監(jiān)測以及程序可控等功能，并開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測試。詳細(xì)介紹該試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)和功能、研制的難點(diǎn)與解決方案，進(jìn)而介紹了該試驗(yàn)裝置研究的巖石單向高溫加熱下的熱損傷特征。

1 試驗(yàn)裝置主要功能與技術(shù)參數(shù)

1.1 主要功能

該試驗(yàn)裝置適用于煤炭地下氣化、地?zé)衢_采、核廢料儲(chǔ)埋等工程領(lǐng)域，尤其是在煤炭地下氣化通道擴(kuò)展過程煤巖體受熱損傷特性研究中(圖1)，對(duì)解決受單向熱源作用的熱物理力學(xué)特性、熱損傷和熱破裂特性等方面的關(guān)鍵科學(xué)問題，提供創(chuàng)新性的思路和實(shí)驗(yàn)手段。主要研究功能包括:① 研究單向加熱條件下，煤巖體高度方向上的溫度、熱應(yīng)力以及聲發(fā)射等多信息同步變化規(guī)律;② 研究溫度與熱應(yīng)力耦合作用下，煤巖體熱損傷及熱破裂的特性規(guī)律，揭示受梯度溫度分布條件下的熱破裂類型、規(guī)模和裂隙演化規(guī)律。

圖1 煤炭地下氣化通道擴(kuò)展過程中煤巖體受熱狀態(tài)示意Fig.1 Schematic diagram of heating state of coal and rock mass during the expansion of underground coal gasification channel

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

(1)試樣尺寸:φ50 mm×100 mm。

(2)金屬加熱盤最高加熱穩(wěn)定溫度:600 ℃。

(3)金屬加熱盤加熱方式:電加熱管間歇加熱。

(4)加熱溫度控制方式:手動(dòng)編程，自主設(shè)定邊界加熱路徑。

(5)溫度傳感器數(shù)量:6個(gè)。

(6)溫度傳感器量程:0～1 000 ℃。

(7)加載及試樣約束方式:手動(dòng)螺旋加載，端頭固定約束。

(8)軸向膨脹熱應(yīng)力采用壓力傳感器監(jiān)測，量程0～10 kN。

(9)聲發(fā)射探頭直接安裝在試樣上端外表面，可多點(diǎn)監(jiān)測。

(10)溫度、應(yīng)力、聲發(fā)射數(shù)據(jù)全自動(dòng)采集。

(11)試驗(yàn)裝置4支柱支撐，主材采用304不銹鋼和45號(hào)鋼，立柱直徑為30 mm，試驗(yàn)裝置總體剛度不小于300 MN/m。

2 試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

試驗(yàn)裝置主要包括加熱和溫控單元、溫度和熱應(yīng)力監(jiān)測單元、聲發(fā)射監(jiān)測單元、約束和加載單元4個(gè)部分組成。加熱和溫控單元實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣在某一設(shè)定邊界溫度條件下的單向加熱;溫度和熱應(yīng)力監(jiān)測單元實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣不同高度方向上的溫度監(jiān)測以及軸向的熱膨脹應(yīng)力監(jiān)測;聲發(fā)射監(jiān)測單元可監(jiān)測加熱過程中熱破裂聲發(fā)射信號(hào)，包括聲發(fā)射事件數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)和幅值;約束和加載單元實(shí)現(xiàn)試樣的初始軸向加載和固定位移約束。該試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)物如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of test device

圖3 巖石單向加熱試驗(yàn)裝置實(shí)物Fig.3 Physical drawing of rock unidirectional heating test device

2.1 加熱和溫控單元

加熱和溫度單元主要由加熱管、金屬加熱盤、測溫?zé)犭娕己蜏乜貎x組成(圖4，5)。加熱管是試驗(yàn)裝置的發(fā)熱部件，加熱管所產(chǎn)生的高溫通過空氣加熱上覆的金屬加熱盤，金屬加熱盤的溫度由測溫?zé)犭娕歼M(jìn)行監(jiān)測，并通過溫控儀控制加熱管的工作狀態(tài)，使金屬加熱盤溫度保持在設(shè)定的溫度值。試樣底部通過傳熱片放置于金屬加熱盤之上實(shí)現(xiàn)單向高溫加熱。通過溫控儀設(shè)定試樣的溫度邊界條件，可實(shí)現(xiàn)恒溫加熱、梯度升溫加熱以及梯度降溫，并可設(shè)定各加熱方式的時(shí)長。

加熱管為Cr20Ni80鎳鉻合金發(fā)熱管，內(nèi)襯陶瓷，短時(shí)耐受最高溫度為700 ℃，長時(shí)間耐受溫度為600 ℃。金屬加熱盤采用304不銹鋼，放置于下部的高強(qiáng)度碳纖維隔熱底盤之上。

2.2 溫度和熱應(yīng)力監(jiān)測單元

受單向加熱影響，試樣在高度方向上具有一定的梯度分布。沿高度方向上，依次布置6個(gè)測溫?zé)犭娕?，如圖6所示。6個(gè)熱電偶分2組正對(duì)筒體兩側(cè)交錯(cuò)布置，通過螺紋固定在筒體壁上，熱電偶前端抵在試樣外表面不同層位，測量試樣不同高度位置上的外表面溫度。

圖6 熱電偶、聲發(fā)射AE探頭安裝Fig.6 Installation drawing of thermocouple and AE probe

試樣受熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力由試樣上部壓頭之上的壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測，壓力傳感器最大量程為10 kN，對(duì)于直徑50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，可監(jiān)測最大值為10 000/(0.0252π)=5.093 MPa的熱應(yīng)力。

2.3 聲發(fā)射監(jiān)測單元

聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)選用美國物理聲學(xué)公司PAC(Physical Acoustic Corporation)生產(chǎn)的MISTRAS系列PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)，聲發(fā)射傳感器為R6α型諧振式高靈敏度傳感器，其工作頻率為35～100 kHz。聲發(fā)射傳感器直接貼附在試樣上端面的外表面，涂抹凡士林進(jìn)行耦合，并有膠帶進(jìn)行固定，如圖6所示。采用18位A/D轉(zhuǎn)換的現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣加熱過程中聲發(fā)射信號(hào)的高速采集、數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)分析。

2.4 約束和加載單元

試驗(yàn)裝置主體框架采用上下橫梁和底座連接4立柱結(jié)構(gòu)(圖3)，采用螺栓進(jìn)行連接，選用304不銹鋼材質(zhì)。在上橫梁中間位置絲母和絲杠，采用手輪旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)絲杠上下高度。當(dāng)試樣及壓力傳感器安裝到位后，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪壓緊壓力傳感器，通過監(jiān)測軟件讀取壓力傳感器數(shù)值，可為試樣加載一個(gè)初始的約束應(yīng)力。在加熱過程中，絲杠保持不動(dòng)，為固定約束邊界，可通過壓力傳感器讀取試樣受熱膨脹所產(chǎn)生的熱應(yīng)力數(shù)值。

3 設(shè)備研制的技術(shù)難點(diǎn)

3.1 單向加熱和固定邊界約束

實(shí)現(xiàn)單向加熱是該裝置的核心功能，除此之外還要能夠監(jiān)測單向受熱方向上受固定約束的膨脹熱應(yīng)力，這就要求試樣加熱端底座必須具有足夠的剛度，在提供高溫邊界條件的同時(shí)，受熱變形量要足夠小。一般的電阻絲加熱盤無法做到在加熱的同時(shí)還滿足剛度的要求，無法直接接觸試樣進(jìn)行加熱和剛性承壓。

為了實(shí)現(xiàn)既能單向加熱又能承受試樣熱膨脹應(yīng)力的剛度要求，采用了加熱管加熱金屬加熱盤腔室空氣，腔室空氣加熱金屬加熱盤的加熱方式。由于金屬加熱盤(304不銹鋼材質(zhì))的熱傳導(dǎo)系數(shù)[26]是空氣的400多倍，因此通過熱電偶監(jiān)測得到的腔室空氣的溫度即可認(rèn)為是金屬加熱盤的溫度，也即試樣表面的加熱溫度。由于金屬加熱盤具有較大的剛度，滿足了試樣對(duì)固定邊界約束的要求。

3.2 加熱方式

普通的加熱管長時(shí)間加熱情況下，容易發(fā)生熔斷現(xiàn)象，使用壽命短，不能滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)備可靠性和高使用強(qiáng)度的要求。本裝置采用Cr20Ni80鎳鉻合金作為加熱管的材料，具有變形性、熱穩(wěn)定性和可靠性好等特點(diǎn)，其最高使用溫度可到1 100 ℃，熔點(diǎn)1 390 ℃，電阻率為(1.04±0.05)×10-6Ω·m[3]。

為了保護(hù)加熱管，提高其使用壽命，通過間歇通電控制器(圖5所示的溫控儀內(nèi)控制器)來控制加熱管的通電加熱時(shí)間t1和斷電時(shí)間t2。t1和t2的比值決定了升溫速率，比值越大，金屬加熱盤升溫速率越快，反之越慢。

圖7 筒體內(nèi)葉蠟石粉填充Fig.7 Filling of pyrophyllite powder in cylinder

為了防止金屬加熱盤直接加熱筒體內(nèi)空氣引起對(duì)流換熱，導(dǎo)致筒體內(nèi)溫度升高干擾熱電偶測量結(jié)果，筒體內(nèi)部填充葉蠟石粉耐高溫材料，進(jìn)行隔熱保溫。葉蠟石粉是一種粉狀鋁硅酸鹽礦物，具有較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，高化學(xué)穩(wěn)定性和高絕緣性，熔點(diǎn)1 700 ℃。填充葉蠟石粉后可以起到隔熱、保溫、絕緣等作用，金屬加熱盤溫度主要沿試樣向上傳導(dǎo)，各熱電偶所測溫度為試樣內(nèi)部所傳導(dǎo)的溫度，保障了熱電偶測量的準(zhǔn)確性。筒體內(nèi)葉蠟石粉填充圖如圖7所示。

4 砂巖單向加熱特性試驗(yàn)

4.1 試樣準(zhǔn)備

選取煤層頂板典型砂巖作為研究試樣，加工制作成φ50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)砂巖試樣。

4.2 試驗(yàn)步驟

(1)測量。測量試樣直徑、高度，然后稱重，計(jì)算體積和試樣密度。

(2)安裝。按次序由下向上安裝加熱裝置和試樣;然后安裝熱電偶，同時(shí)標(biāo)記和測量熱電偶端點(diǎn)在試樣高度方向上的對(duì)應(yīng)位置(表1);安裝聲發(fā)射AE探頭，由于AE探頭非耐高溫型探頭，故將AE探頭安裝在靠近試樣上部的圓周表面，采用耦合劑黏合良好，并用膠帶固定，為監(jiān)測耦合效果，進(jìn)行斷鉛測試;測試合格后在筒體內(nèi)填充葉蠟石粉至與砂巖上表面平齊;安裝壓頭、上壓蓋，壓頭上放置壓力傳感器，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)絲杠抵緊壓力傳感器，施加一定的預(yù)緊力，并記錄初始?jí)毫鞲衅鲾?shù)值。

表1 各測點(diǎn)在試樣高度方向的位置Table 1 Position of each measuring point in the height direction of the sample mm

(3)加熱。采用加熱和溫控單元對(duì)試樣進(jìn)行加熱和控制。采用恒溫加熱方式，邊界設(shè)定溫度為600 ℃;為防止加熱管連續(xù)加熱造成損害，采用間歇加熱方式使加熱管溫度持續(xù)上升，將控制器參數(shù)設(shè)定為通電加熱時(shí)間t1為7 s，斷電時(shí)間t2為3 s。

(4)監(jiān)測。采用溫度、壓力采集儀采集溫度和線熱膨脹力數(shù)據(jù)，并在電腦采集軟件上顯示和保存;采用PCI-2聲發(fā)射系統(tǒng)采集記錄聲發(fā)射事件數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、振幅、能量等聲發(fā)射數(shù)據(jù)。

(5)停止。為了保護(hù)壓力傳感器和聲發(fā)射AE探頭，當(dāng)出現(xiàn):① 超過壓力傳感器最大量程；② 靠近聲發(fā)射AE探頭的溫度值達(dá)到70 ℃；③ 達(dá)到恒溫加熱時(shí)長這3種情況時(shí)，停止加熱。

(6)測量和清理。試驗(yàn)停止后，取出試樣進(jìn)行表面清潔，并進(jìn)行2次測量，測量試樣直徑、高度，然后稱重，計(jì)算體積和試樣密度。觀察和記錄試樣的整體形態(tài)、結(jié)構(gòu)和外觀變化。最后對(duì)試驗(yàn)裝置各部件進(jìn)行清理。

4.3 高溫下砂巖熱損傷和熱破裂特性

(1)整體外觀形態(tài)變化。圖8給出了加熱前后砂巖的外觀形態(tài)圖?？芍嚇咏?jīng)600 ℃單面加熱后，受熱端面受高溫影響，砂巖顏色高度方向上發(fā)生了變化。原試樣顏色多為灰白色，受熱后顏色偏紅褐色。說明砂巖內(nèi)部發(fā)生了礦物氧化，內(nèi)部的低熔融熱解性有機(jī)成分發(fā)生了消融。加熱后砂巖整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生顯著變化，在巖樣下端面受熱區(qū)并未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的裂紋或破壞現(xiàn)象。

圖8 單向加熱前后砂巖試樣Fig.8 Sandstone samples before and after unidirectional heating

(2)物理尺寸變化?？疾旒訜崆昂笤嚇又睆?、高度、質(zhì)量和密度等物理參數(shù)見表2。由表2可以看出，加熱前后，直徑、高度等數(shù)值差別較小，但加熱后質(zhì)量和密度明顯降低，主要是受高溫加熱影響，試樣內(nèi)水分蒸發(fā)，部分有機(jī)成分發(fā)生了消融。

表2 砂巖加熱前后物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of sandstone before and after heating

(3)溫度、線熱膨脹力變化規(guī)律。記錄了金屬加熱盤溫度、各測點(diǎn)溫度以及壓力傳感器數(shù)值隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖9所示。

由圖9可以看出，在邊界溫度設(shè)定為600 ℃，通電加熱時(shí)間t1設(shè)定為7 s，斷電時(shí)間t2設(shè)定為3 s的加熱方式下，加熱盤溫度呈先快速增加，后逐漸減緩的加熱方式，約在3 500 s后達(dá)到設(shè)定溫度600 ℃，隨后保持恒溫600 ℃加熱約4 000 s。線熱膨脹力呈非線性增大，受邊界溫度變化的影響，在邊界溫度升高階段，線熱膨脹力變化率逐漸增大，在邊界溫度達(dá)到恒溫600 ℃時(shí)，線熱膨脹力變化率呈逐漸減小趨勢。

圖9 加熱盤溫度、測點(diǎn)溫度以及壓力傳感器數(shù)值隨 時(shí)間變化規(guī)律Fig.9 Heating plate temperature,measuring points temperature and the value of pressure sensor change with time

統(tǒng)計(jì)了在整個(gè)加熱過程中各溫度測點(diǎn)所監(jiān)測到的最大值，繪制其曲線如圖10所示。由圖10可以看出，沿高度方向上，各測點(diǎn)最高溫度曲線基本呈指數(shù)函數(shù)降低。

圖10 試樣高度方向上各測點(diǎn)最高溫度變化規(guī)律Fig.10 Variation of maximum temperature of each measuring point along the height direction of sample

(4)聲發(fā)射特性規(guī)律。巖體受熱膨脹破壞是其內(nèi)部微破裂萌生、擴(kuò)展和斷裂的過程，伴隨其破壞過程會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射等物理現(xiàn)象[27]，其變形破壞是一個(gè)由變形、損傷的萌生和演化，直至出現(xiàn)宏觀裂紋，再由裂紋擴(kuò)展到破壞的逐漸發(fā)展過程[28-30]。巖石熱破裂聲發(fā)射為典型的突發(fā)型信號(hào)波形，采用包絡(luò)檢測后，波形超過預(yù)設(shè)門檻值電壓并維持一段時(shí)間，則形成一個(gè)矩形脈沖，稱為一個(gè)事件。通過設(shè)置某一閾值電壓，振鈴波形超過這一閾值電壓的部分形成矩形脈沖，累加這些振鈴脈沖數(shù)，就是振鈴計(jì)數(shù)。統(tǒng)計(jì)了砂巖在整個(gè)加熱過程中的所有聲發(fā)射事件及聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖11所示。

圖11 聲發(fā)射事件和振鈴計(jì)數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.11 Variation of acoustic emission events and ringing counts with time

由圖11可以看出，在升溫階段即產(chǎn)生了大量的聲發(fā)射，在加熱盤停止加熱之后，聲發(fā)射事件或振鈴計(jì)數(shù)很少;在金屬加熱盤快速升溫階段(前700 s內(nèi))，砂巖內(nèi)即產(chǎn)生了大量的聲發(fā)射事件，且振鈴累計(jì)計(jì)數(shù)曲線具有較高的變化率;振鈴累計(jì)計(jì)數(shù)曲線與加熱盤溫度曲線、線熱膨脹力曲線具有相似的變化規(guī)律;從熱應(yīng)力角度可以分析巖石熱破裂的過程[31]，在單向高溫加熱情況下，在高度方向上產(chǎn)生較大的溫度梯度，砂巖內(nèi)部不同熱膨脹系數(shù)的顆粒、基質(zhì)等發(fā)生不均勻變形，并在接觸點(diǎn)或面形成應(yīng)力集中，當(dāng)超過顆粒體強(qiáng)度以及顆粒體與基質(zhì)黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生不同類別的裂紋，發(fā)生不同程度的熱破裂。通過記錄聲發(fā)射事件數(shù)和振鈴計(jì)數(shù)，可以大體得到砂巖在受熱過程中發(fā)生微損傷熱破裂的規(guī)模。

聲發(fā)射信號(hào)是一種非平穩(wěn)信號(hào)，快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)為一種分析非平穩(wěn)信號(hào)的經(jīng)典頻譜分析方法。巖石產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)頻譜特征能夠表征巖石的受力狀態(tài)、巖石結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)等全部信息，分析波形信息能夠更好地了解巖石破壞機(jī)制及破壞前兆[30,32-33]。聲發(fā)射本征頻譜特征可以發(fā)現(xiàn)時(shí)域特征里難以顯現(xiàn)的問題[34]。本文提取了所有聲發(fā)射事件的主頻和主頻幅值，通過分析主頻和幅值的變化規(guī)律，尋求砂巖受熱破裂過程中的頻率響應(yīng)特征和主頻幅值特征，從聲發(fā)射信號(hào)波形中分析出反映巖石破裂時(shí)刻的本質(zhì)信息。

通過對(duì)試樣進(jìn)行頻譜分析，得到了各試樣所有聲發(fā)射事件主頻隨時(shí)間的變化規(guī)律。根據(jù)主頻值的分布范圍和集中區(qū)域，獲得了砂巖試樣加熱膨脹過程聲發(fā)射信號(hào)主頻分布圖，如圖12所示。由圖12可以看出，砂巖試樣在整個(gè)加熱過程中，主頻基本集中分為幾個(gè)頻率范圍，即20 kHz左右低頻區(qū)，90～100 kHz中高頻區(qū)、110～120 kHz高頻區(qū)以及150 kHz左右超高頻區(qū);從數(shù)量上來看，主頻在110～120 kHz高頻區(qū)的聲發(fā)射事件最多，其次為90～100 kHz中高頻區(qū)和20 kHz左右低頻區(qū)，150 kHz左右超高頻區(qū)聲發(fā)射事件最少;在20 kHz左右低頻區(qū)，90～100 kHz中高頻區(qū)分散著一定數(shù)量主頻值不等的聲發(fā)射事件，而且這些零散分布的聲發(fā)射事件大多分布在升溫階段，可能是由于裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展，致使其表現(xiàn)出不同的破裂源特征，出現(xiàn)分散分布的主頻值。

圖12 聲發(fā)射事件主頻隨時(shí)間變化規(guī)律Fig.12 Variation of main frequency of acoustic emission events with time

根據(jù)文獻(xiàn)[35]，聲發(fā)射信號(hào)高頻對(duì)應(yīng)于小尺度裂紋，低頻對(duì)應(yīng)于較大尺度破裂。說明砂巖試樣聲發(fā)射事件主要以小尺度裂紋破裂擴(kuò)展為主;當(dāng)巖石內(nèi)部微裂紋閉合形成大破裂時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)主要以低頻為主。試樣在起始?jí)好芎图訜嵘郎貜椥宰冃坞A段出現(xiàn)的低頻率主頻值，是由于壓密階段微裂紋的壓密閉合，以及彈性階段對(duì)裂紋的擾動(dòng)，巖石內(nèi)部有少量大破裂產(chǎn)生，或者出現(xiàn)了部分貫穿裂隙。通過分析熱破裂主頻特征規(guī)律，揭示了巖石熱破裂是一個(gè)微裂紋萌生、貫通形成大裂紋的破裂演化過程。

5 結(jié) 論

(1)所研發(fā)的單向加熱模擬試驗(yàn)裝置與常規(guī)高溫巖石試驗(yàn)機(jī)相比，具有如下特點(diǎn):實(shí)現(xiàn)單向高溫加熱和單向約束，模擬煤巖體受熱狀態(tài);實(shí)現(xiàn)加熱過程的溫度、熱應(yīng)力和聲發(fā)射的多信息同步監(jiān)測，便于多因素耦合分析;邊界加熱溫度程序可控，可模擬不同類型受熱邊界條件。

(2)介紹了用該試驗(yàn)裝置所進(jìn)行的砂巖單向600 ℃加熱模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)揭示了砂巖試樣單向受熱條件下的高度方向上溫度、軸向熱應(yīng)力以及熱破裂聲發(fā)射特性規(guī)律，通過主頻分析，進(jìn)一步揭示了巖石熱破裂的演化規(guī)律。

(3)該設(shè)備的研發(fā)為解決受單向熱源作用的煤巖熱損傷和熱破裂特性等方面的關(guān)鍵科學(xué)問題研究，提供新的思路和實(shí)驗(yàn)手段。