不同水溫浸泡后粉砂巖破裂過程紅外輻射特性研究

楊 陽，梅 力，劉 浩，吳賢振，周伶杰(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000)

不同水溫浸泡后粉砂巖破裂過程紅外輻射特性研究

楊 陽1，2，梅 力1，2，劉 浩1，2，吳賢振1，2，周伶杰1，2
(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 贛州 341000)

為探尋溫度條件對粉砂巖破裂過程紅外輻射特性，分別對50℃、100℃水中浸泡過的粉砂巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，通過平均紅外溫度(AIRT)、方差、歐氏距離三項(xiàng)指標(biāo)對兩組試樣加載過程的紅外輻射溫度場特性進(jìn)行定量分析，得出不同水溫浸泡下粉砂巖破裂過程紅外輻射特性。結(jié)果表明：三項(xiàng)指標(biāo)對50 ℃、100 ℃水浸泡粉砂巖試件紅外輻射溫度場的刻畫整體趨勢大體一致，但100 ℃水浸泡試件在單軸加載破壞過程中裂隙的發(fā)育的劇烈程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于50 ℃水浸泡試件，且發(fā)育過程趨向于平緩穩(wěn)定發(fā)育，同時在一定程度上存在裂隙發(fā)育滯后的現(xiàn)象。

巖石力學(xué)；破裂失穩(wěn)；紅外熱圖像；水溫

0 引 言

中國礦產(chǎn)資源儲量豐富，而在礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中面臨的災(zāi)害問題正成為制衡資源開采的一大難關(guān)。巖石破裂災(zāi)害是引發(fā)礦山災(zāi)害的主要原因，因此礦山資源開采過程中的巖石破裂監(jiān)測預(yù)警是其防災(zāi)減災(zāi)的關(guān)鍵，成為國內(nèi)外研究的焦點(diǎn)。紅外監(jiān)測技術(shù)具有實(shí)時、連續(xù)、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，在巖石災(zāi)變預(yù)警領(lǐng)域正受到越來越多學(xué)者的青睞。

過去的幾十年間，許多學(xué)者對不同條件下巖石破裂的紅外輻射異常前兆進(jìn)行了廣泛的研究并取得了一定的成就。吳立新等通過實(shí)驗(yàn)指出，煤巖和砂巖在受壓破裂期間產(chǎn)生了熱圖像和平均紅外溫度(AIRT)異常先兆[1]。劉善軍等通過對花崗巖受壓破裂紅外熱成像實(shí)驗(yàn)，分別應(yīng)用特征粗糙度、熵、方差作為指標(biāo)來描述紅射溫度場的演化特性[2]。吳賢振等通過實(shí)驗(yàn)研究從升溫、降溫以及幅值、規(guī)模四個方面對受壓巖石的紅外輻射溫度場進(jìn)行研究，得出破壞前粉砂巖紅外輻射溫度出現(xiàn)突變異常先兆，其中包含突升異常等四種紅外輻射溫度場異常前兆[3]。吳賢振等通過實(shí)驗(yàn)研究，提出“紅外溫變場”的概念，指出飽水粉砂巖破壞失穩(wěn)進(jìn)程中紅外溫變場的特征參數(shù)出現(xiàn)陡增的變化異常，同時提出在延性巖石破壞過程中ITF變化的異?，F(xiàn)象具有一定的普遍性[4]。劉善軍等通過對干燥和潮濕砂巖單軸壓縮下紅外輻射特征試驗(yàn)，提出水對巖石受力時的紅外輻射具有明顯的推動作用，但會導(dǎo)致破壞瞬間紅外溫度均值特性變化不明顯[5]。張艷博等通過花崗巖破壞滲水過程紅外輻射試驗(yàn)，指出花崗巖破壞-滲水過程的紅外溫度異常先兆為滲水點(diǎn)出現(xiàn)顯著的“先升高后降低”溫度變化現(xiàn)象[6]。劉善軍等通過對內(nèi)含水體的混凝土材料施加單軸壓縮的試驗(yàn)，得出加載中、后期紅外溫度場出現(xiàn)部分區(qū)域輻射溫度“先升高后降低”是混凝土破壞滲水的主要紅外異常先兆，其出現(xiàn)的時間點(diǎn)要先于應(yīng)力和聲發(fā)射先兆[7]。張艷博等采用對含水粉砂巖進(jìn)行單軸壓縮的方法，得出水對粉砂巖破壞過程的紅外輻射特性有顯著的影響，并且出現(xiàn)了一個極限的轉(zhuǎn)換值[8]。張艷博等采用對自然以及飽水花崗巖進(jìn)行巖爆模擬的方法，得出飽水花崗巖紅外溫度均值比自然花崗巖高，且在單位載荷下AIRT增量更大；接近巖爆發(fā)生時，花崗巖試件表面輻射溫度呈現(xiàn)出臨界減慢特性，系統(tǒng)內(nèi)在改變速度降低，與前一時間所處形態(tài)越來越接近，其自相關(guān)系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)樵龃蟮内厔輀9]。

隨著礦產(chǎn)資源的深部開采加劇以及地下工程、水利水電工程等的不斷發(fā)展，深部高地應(yīng)力高水溫環(huán)境條件下巖體穩(wěn)定性問題受到越來越多的關(guān)注，巖石破裂失穩(wěn)是多因素影響的過程，除了應(yīng)力水平、巖體物理力學(xué)性質(zhì)，水和溫度也是誘發(fā)巖體強(qiáng)度改變的重要因素。而目前針對巖石加載破裂的紅外輻射實(shí)驗(yàn)大部分只考慮了水對巖石紅外輻射的作用，較少考慮溫度條件對紅外輻射的影響作用。

本文基于以往研究中的不足，進(jìn)行粉砂巖不同水溫浸泡后單軸加載紅外熱成像實(shí)驗(yàn)，模擬不同水溫環(huán)境下巖石失穩(wěn)變化的過程，分析其紅外輻射特性的不同，研究結(jié)果能對不同水溫環(huán)境下巖石受壓破壞紅外先兆的確定提供一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)設(shè)計

采用粉砂巖作為試驗(yàn)試樣，將其加工成50 mm×50 mm×100 mm規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)柱體試件6塊，分別編號為S1、S2、S3、C1、C2、C3，即分成S組和C組，打磨上下兩端平面，使上下兩端面平整度符合要求。將S組試樣放置在50 ℃水中煮0.5 h，將C組試樣放置在100 ℃水中煮0.5 h，試件表面干燥后做密封處理。試驗(yàn)應(yīng)用單軸壓縮，在RLW-3000型伺服機(jī)上完成，使用位移控制方法進(jìn)行加載，先預(yù)加壓到1.5 kN，然后以1.5 mm/min恒速加載，直到試件破壞，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度約為29 ℃。利用美國生產(chǎn)的SC3000熱成像儀對試件進(jìn)行正面實(shí)時監(jiān)測，生成試件加載至破壞的熱圖像。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，首先對試驗(yàn)中得到的熱圖像進(jìn)行1幀/s的重采樣，并按照時間升序排成紅外溫度矩陣序列；然后應(yīng)用matlab軟件將每個時刻紅外溫度矩陣按照從上到下、從左到右的順序轉(zhuǎn)化為紅外溫度向量，通過編程分別求解出三個試件時間升序紅外溫度向量間的平均紅外溫度、歐氏距離、方差，并對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析。

2 紅外輻射特性分析

2.1 平均紅外溫度(AIRT)

平均紅外溫度主要描述粉砂巖試樣在加載過程中紅外熱圖像的整體溫度水平，平均紅外溫度見式(1)。

(1)

式中：Cp為平均紅外溫度，n為紅外溫度矩陣中溫度點(diǎn)個數(shù)，xk為紅外溫度矩陣第k個點(diǎn)的輻射溫度值。因此分別作出兩組試樣平均紅外溫度(AIRT)隨時間變化曲線，如圖1所示。

圖1 兩組試件紅外溫度均值與時間變化曲線

根據(jù)圖1，S組和C組試件在整個加載過程中平均紅外輻射溫度(AIRT)均呈現(xiàn)上升與下降交替，且整體趨勢基本保持持續(xù)增加，階段性特征不是很明顯。兩組試件最大平均紅外溫度增量保持在0.6 K左右，但由于每個試件的結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，試件最大平均紅外溫度增量各不相同。相對于S組試件，C組試件平均紅外溫度呈現(xiàn)的上升與下降交替幅度明顯偏小，C組試件的紅外溫度均值提升趨勢更趨近于線性增加。S組試件在巖石臨破裂階段，紅外輻射溫度存在小幅度的上升或者下降突變，而C組試件基本不存在這種突變。綜上所述，100 ℃水中處理的C組試件平均紅外溫度變化趨勢更接近于線性增加，破裂前的紅外溫度突變前兆更不明顯。

2.2 方差

1918年，羅納德·費(fèi)雪提出了方差的概念，用來在概率論中度量隨機(jī)變量和其數(shù)學(xué)期望之間的偏離程度，見式(2)。

(2)

式中：S2為方差；xk為紅外溫度矩陣第k個點(diǎn)的輻射溫度值；xp為xk的平均值(即某一時刻紅外溫度矩陣的平均值)。對粉砂巖加載至破壞過程中每張熱圖像在時間序列下的方差，方差越大熱圖像上的溫度與其平均溫度的偏離程度越大，反之則越小。求出兩組試件紅外溫度場方差隨時間變化圖，見圖2和圖3。

圖2 S組粉砂巖方差與應(yīng)力隨時間變化曲線

圖3 C組粉砂巖方差和應(yīng)力與時間變化曲線

圖2和圖3中A點(diǎn)表示壓密階段，B點(diǎn)表示彈性階段、C點(diǎn)表示塑性階段、D點(diǎn)表示峰后階段。根據(jù)圖2和圖3，S組和C組試件在整個加載過程中方差均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在峰值壓力C點(diǎn)后均出現(xiàn)一個較為明顯的陡降。加載初期，粉砂巖處于壓密階段，方差均迅速增加，S組試件方差增加的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C組試件，在A點(diǎn)之前就達(dá)到峰值，而C組試件一般在A點(diǎn)之后達(dá)到峰值。之后試件進(jìn)入彈性-塑性階段，S組試件在該階段方差開始呈緩慢下降，C組試件在該階段成先升后降的趨勢。最后試件進(jìn)入塑性-峰后階段，S組試件在該階段呈劇烈下降趨勢，而C組試件在該階段呈緩慢下降趨勢。同時總體上來對比圖2和圖3，C組試件的方差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于S組方差值，結(jié)合各階段方差變化趨勢可以得出，C組試件在單軸加載破壞過程中裂隙的發(fā)育程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于S組試件，并且存在裂隙發(fā)育滯后的現(xiàn)象。

2.3 歐氏距離

歐式距離是應(yīng)用范圍最為廣泛的一種距離定義，指在空間坐標(biāo)系中兩個點(diǎn)或者向量之間的絕對距離。將巖石受壓破裂過程中同一時刻試樣表面所有測得的溫度數(shù)據(jù)按照從上到下、從左到右的順序構(gòu)成某一時刻的溫度向量，由于剪切破裂發(fā)育導(dǎo)致紅外溫度升高、張性破裂發(fā)育導(dǎo)致紅外溫度降低，巖石試樣相鄰時刻間溫度向量間的歐氏距離表征單位時間內(nèi)巖石試樣裂隙的發(fā)育情況，其計算式見式(3)。

(3)

式中：d為相鄰時刻兩溫度向量的歐氏距離；t為不同時刻；k為巖石試樣測溫點(diǎn)編號；xtk為t時刻k號測溫點(diǎn)溫度。

由于整個巖石加載破裂過程中紅外溫度場出現(xiàn)的溫變現(xiàn)象，主要是由于剪切破裂與張性破裂發(fā)育導(dǎo)致的，相鄰時刻溫度向量的歐氏距離越大表示裂隙發(fā)育越劇烈，反之則是裂隙發(fā)育越輕微，所以可以利用相鄰時刻溫度向量的歐氏距離表征紅外溫度場的溫變現(xiàn)象，求出兩組試件紅外溫度場的歐氏距離，見圖4和圖5。

圖4 S組粉砂巖歐氏距離和應(yīng)力隨時間變化曲線

圖5 C組粉砂巖歐氏距離和應(yīng)力隨時間變化曲線

圖4和圖5中A點(diǎn)表示壓密階段，B點(diǎn)表示彈性階段、C點(diǎn)表示塑性階段、D點(diǎn)表示峰后階段。根據(jù)圖4和圖5，S組試件和C組試件歐氏距離在時間序列上成上下起伏交替，當(dāng)試件完全破壞后歐氏距離出現(xiàn)一個峰值并迅速回落至較低程度。加載前期，粉砂巖位于壓密-彈性前期階段，歐氏距離在該階段存在較多突升值，突升值改變越大表示相鄰時刻試件紅外溫度場變化程度越劇烈，S組試件歐氏距離變化幅度以及頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C組試件。之后粉砂巖處于彈性后期-塑性階段，S組試件歐氏距離呈先劇烈突變后趨于平緩，而C組試件一直處于較為平緩的上下起伏交替，基本沒有劇烈突升。最后粉砂巖處于峰后-破壞階段，兩組試件在峰值點(diǎn)C之后歐氏距離開始重新出現(xiàn)較為劇烈的突升，由于試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，突升幅度有所差別，在試件破壞之后歐氏距離產(chǎn)生一個極大值波動，幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前面各階段的歐氏距離，該極大值波動表征試件已經(jīng)完全破壞。對比圖4和圖5，C組試件在時間序列上歐氏距離值以及變化幅度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于S組試件，表明C組試件在單軸加載破裂過程中裂隙的發(fā)育程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于S組試件，表證方差圖中得到的對比結(jié)論的合理性。

3 討 論

巖石加載至破壞過程中，一般經(jīng)過彈性階段、塑性階段、塑性-峰后階段。針對S組和C組試件單軸加載過程中熱圖像的三項(xiàng)指標(biāo)分析可得：S組和C組試件平均紅外溫度增量保持在0.6 K左右，S組試件相鄰時間點(diǎn)平均紅外溫度增量可達(dá)0.01 K，而C組試件相鄰時間點(diǎn)平均紅外溫度增量基本上低于0.005 K。S組試件方差在加載過程中增加幅度均在0.08左右，而C組試件方差在加載過程中增加幅度在0.06左右。S組試件歐氏距離最大波動幅度的平均值為0.9左右。而C組試件歐氏距離最大波動幅度的平均值為0.7左右。巖石一般都屬于含孔隙的材料，且由多種礦物成份組成，不同礦物成份在各溫度條件下的熱膨脹系數(shù)不相同，從而致使巖石內(nèi)部顆粒的熱膨脹不均勻。當(dāng)溫度較高時，由于巖石顆粒熱膨脹系數(shù)的不同產(chǎn)生的熱應(yīng)力可能會高于顆粒連接處的極限強(qiáng)度，從而使顆粒間產(chǎn)生連接斷裂形成微裂隙。基于上述闡述的機(jī)理，經(jīng)過100 ℃水處理的試件可能是在100 ℃水的環(huán)境下由于巖石的溫度效應(yīng)產(chǎn)生了較多的微裂隙，從而導(dǎo)致單軸加載破壞試驗(yàn)過程中的溫變程度不劇烈。

4 結(jié) 論

本文針對不同水溫浸泡下粉砂巖加載至破壞各階段紅外輻射溫度場變化情況進(jìn)行研究，通過對平均紅外溫度(AIRT)、方差、歐氏距離三項(xiàng)指標(biāo)的對比分析，得出以下結(jié)論。

1)針對平均紅外溫度(AIRT)指標(biāo)，100 ℃水中處理的C組試件平均紅外溫度變化趨勢更接近于線性增加，破裂前的紅外溫度突變前兆更不明顯。

2)針對方差指標(biāo)，100 ℃水中處理的C組試件的方差值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于50 ℃水中處理的S組方差值，且C組試件變化的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于S組試件。

3)針對歐氏距離指標(biāo)，100 ℃水處理的C組試件在時間序列上歐氏距離值以及變化幅度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于50℃水處理的S組試件，在試件臨近破裂前的歐氏距離值異常表征不明顯。

4)總體來看，三項(xiàng)指標(biāo)對50 ℃、100 ℃水浸泡粉砂巖試件紅外輻射溫度場的刻畫整體趨勢大體一致，但100 ℃水浸泡試件在單軸加載破壞過程中裂隙的發(fā)育的劇烈程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于50 ℃水浸泡試件，且發(fā)育過程趨向于平緩穩(wěn)定發(fā)育，同時在一定程度上存在裂隙發(fā)育滯后的現(xiàn)象。

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Study on infrared radiation characteristics of siltstone after process of different temperature soaking

YANG Yang1，2，MEI Li1，2，LIU Hao1，2，WU Xianzhen1，2，ZHOU Lingjie1，2

(1.College of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.Jiangxi Provincial Key Laboratory of Mining Engineering，Ganzhou 341000，China)

In order to investigate the infrared radiation characteristics of the siltstone during the process of temperature，the uniaxial compression tests were carried out on the siltstone samples soaked in water at 50℃ and 100℃.The average infrared temperature(AIRT)，variance，Euclidean distance The infrared radiation temperature field characteristics of the two groups of samples were analyzed quantitatively，and the infrared radiation characteristics of the siltstone under different water temperature were obtained.The results show that the three indexes have the same general trend in the infrared radiation temperature field of water-soaked siltstone specimen at 50℃，100℃，but the development of 100℃ water immersion specimen is far from violent in uniaxial loading failure process Water immersion specimens below 50℃，and the development process tends to be stable and stable development，at the same time to some extent，there is the phenomenon of fissure development lag.

rock mechanics；fracture instability；infrared thermal image；water temperature

2016-11-29 責(zé)任編輯：趙奎濤

江西省教育廳科技計劃項(xiàng)目資助(編號：GJJ12336)；江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目資助(編號：YC2016-S303)

楊陽(1989-)，男，碩士研究生，主要從事巖石力學(xué)，采礦理論與技術(shù)研究，E-mail：625406641@qq.com。

TD315

A

1004-4051(2017)06-0149-05