砂巖裂紋發(fā)育過程的溫度場變化特征

田 豐，孫 海，馬立強(qiáng)，韓 杰，陳咪咪，杜園園，付 煜，王 飛

(1.遼寧石油化工大學(xué) 土木工程學(xué)院 石油化工特種建筑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113001；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.德國弗賴貝格工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所，德國 弗賴貝格 09596)

在巖土工程和采礦工程領(lǐng)域，煤巖受力破裂災(zāi)變是引發(fā)煤(巖)爆、礦井突水等災(zāi)害的根本原因。對煤巖破裂失穩(wěn)過程進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，是煤礦保水開采和巖層控制研究的基礎(chǔ)[1]。

研究發(fā)現(xiàn)，紅外輻射溫度變化規(guī)律與煤巖裂紋的萌生、擴(kuò)展和貫通過程密切相關(guān)[2-4]。Ⅰ型裂紋是一些復(fù)合型裂紋形成的基礎(chǔ)，因此對其發(fā)育過程的溫度變化特征進(jìn)行研究，不僅是研究其他類型裂紋發(fā)育溫度變化的基礎(chǔ)，也能為煤巖體受力破裂預(yù)警技術(shù)研究提供試驗(yàn)依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。Ⅰ型裂紋的試驗(yàn)研究可采用V形切口三點(diǎn)彎曲試樣和V形切口短棒試樣、預(yù)制裂隙V形切槽巴西圓盤和巴西平臺圓盤等方式。巴西平臺圓盤可以保證試樣加載過程均勻穩(wěn)定，使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

煤巖在承載受力、變形及破裂過程中，會產(chǎn)生紅外輻射異常和物理溫度變化等現(xiàn)象[5-9]。鄧明德等[10]發(fā)現(xiàn)表面巖體裂隙(斷層)在失穩(wěn)拓展臨界點(diǎn)會出現(xiàn)紅外信息異常，而此時(shí)正對應(yīng)于裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值；程富起等[2]對預(yù)制裂紋試樣加載過程中的紅外輻射溫度變化規(guī)律進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)預(yù)制裂紋試樣在產(chǎn)生主破裂時(shí)的紅外輻射溫度突變率與預(yù)制裂紋角度有關(guān)，紅外輻射溫度突變率會隨預(yù)制裂紋角度的增大先升后降。

從上述現(xiàn)象捕捉巖石失穩(wěn)破壞的特征信息，準(zhǔn)確地預(yù)測煤巖災(zāi)變，對研究巖石破裂機(jī)制及工程災(zāi)害預(yù)警技術(shù)具有重要的理論和實(shí)踐意義[10-12]。

研究人員在分析探討溫度效應(yīng)對煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響[13]和煤巖受載破壞的紅外輻射溫度特征[14-16]方面取得了豐富的成果。目前的研究主要集中在巖石破壞過程單一物理場信息變化規(guī)律[17-18]方面。然而，針對巖石破裂過程的物理溫度和紅外輻射溫度的對應(yīng)變化關(guān)系，以及二者相關(guān)性在煤巖破裂中的演化特征方面的研究較少。此外，現(xiàn)有研究主要是對預(yù)制裂紋巖樣破壞過程中的紅外輻射方面進(jìn)行研究，對平臺巴西圓盤砂巖加載破壞的紅外輻射規(guī)律研究較少。

筆者將熱電偶多路溫度測試儀和紅外熱像儀兩種探測手段相結(jié)合，對平臺巴西圓盤法、Ⅰ型裂紋發(fā)育過程中的溫度場進(jìn)行測試，研究成果可為礦山災(zāi)害及地震等自然災(zāi)害的監(jiān)測監(jiān)控提供借鑒。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 砂巖試樣準(zhǔn)備

設(shè)計(jì)有中心孔平臺巴西圓盤(HFBD)試樣 10個(gè)，編號Ai(i=1～10)，圓盤半徑R1為40 mm，中心孔半徑R2為16 mm，圓盤厚度t為28 mm，加載角2β為20°；設(shè)計(jì)無中心圓孔平臺巴西圓盤(FBD)試樣10個(gè)，編號Bi(i=1～10)，圓盤半徑R3為40 mm，圓盤厚度t為28 mm，加載角2β為20°。具體試樣設(shè)計(jì)如圖1所示[19]。

(a)HFBD試樣

為了避免機(jī)械加工導(dǎo)致試樣加工面的破損和微觀裂紋的產(chǎn)生，減少試驗(yàn)過程中的受力不均現(xiàn)象，本試驗(yàn)采用水刀加工技術(shù)對試樣進(jìn)行加工。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括巖石壓力機(jī)、紅外熱像儀、熱電偶多路溫度儀及配套的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備安裝如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備安裝示意圖

加載系統(tǒng)采用CMT5305微機(jī)控制電子萬能壓力機(jī)，其最大垂直載荷300 kN，控制速率≥0.01 mm/min時(shí)，誤差在±0.2%以內(nèi)。

溫度測試系統(tǒng)采用TWC-2A多路溫度測試儀，其測量范圍為0～100 ℃，分辨率0.01 ℃，掃描速度為1～255 s。

紅外輻射探測系統(tǒng)采用FLIR A615型紅外熱像儀，其熱靈敏度(NETD)<0.05 ℃，紅外分辨率為640像素×480像素，圖像最大采集速率25幀/s，波長范圍7.5～14.0 μm。

1.3 試驗(yàn)方法

為了使熱電偶與試樣接觸良好，利用導(dǎo)熱膠帶將熱電偶粘貼在圓盤試樣上。在HFBD試樣中心孔上下兩側(cè)對稱位置分別布置1號和2號熱電偶。HFBD試樣具體熱電偶安裝位置如圖3(a)所示。FBD試樣沿著垂直水平面的直徑方向上從上到下等距離布置1號、2號和3號熱電偶。FBD試樣具體熱電偶安裝位置如圖3(b)所示。1號、2號和3號熱電偶分別對應(yīng)CH1、CH2和CH3測溫通道。

(a)HFBD熱電偶安裝位置

將粘貼好熱電偶的試樣放置在壓力機(jī)工作臺上，保證試樣的上下平臺平行于加載平臺。將紅外熱像儀放置在試樣正前方0.2 m處。試驗(yàn)開始前，將熱像儀和壓力機(jī)的時(shí)鐘調(diào)整一致，待電腦上顯示的試樣紅外熱像圖無明顯變化時(shí)開始試驗(yàn)[20]。壓力機(jī)以0.05 mm/min的等位移速率對試樣進(jìn)行單軸加載，紅外熱像儀的采集速率設(shè)置為15幀/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 砂巖起裂時(shí)的物理溫度變化

試樣載荷—時(shí)間曲線及物理溫度—時(shí)間曲線如圖4所示?？梢钥闯觯?dāng)試樣A2和試樣B10分別加載到668.2 s和651.5 s時(shí)，載荷發(fā)生了明顯的應(yīng)力調(diào)整(ab段)，試樣第一次產(chǎn)生裂紋起裂，與此同時(shí)，試樣物理溫度發(fā)生突增(試樣A2突增0.27 ℃；試樣B10突增0.45 ℃)。在隨后對試樣加載的整個(gè)過程中，雖然裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，且在試樣加載到最后時(shí)刻再次發(fā)生明顯的應(yīng)力調(diào)整(c點(diǎn))，但這個(gè)過程中試樣物理溫度沒有發(fā)生突變。

(a)試樣A2

試樣裂紋起裂時(shí)各通道測得的溫度突增幅度見表1。約95%的試樣物理溫度發(fā)生了突增，最高升溫幅度為0.74 ℃，平均升溫幅度為0.16 ℃。

表1 試樣起裂時(shí)各通道溫度增幅

2.2 砂巖起裂時(shí)的紅外輻射特征

由于紅外熱像儀在拍攝過程中易受到環(huán)境輻射及測試儀器電子元件的噪聲干擾[8]，為此在處理數(shù)據(jù)時(shí)，取能覆蓋裂紋發(fā)育區(qū)的矩形區(qū)域作為紅外熱像的數(shù)據(jù)來源，取與上述相同尺寸矩形的背景區(qū)域作為本底噪聲數(shù)據(jù)來源，如圖5所示。依據(jù)本底噪聲數(shù)據(jù)對試樣紅外輻射溫度進(jìn)行了本底場畸變和零漂校正。

(a)有中心孔平臺圓盤試樣

去噪后的試樣紅外輻射溫度與載荷的變化曲線如圖6所示?？梢钥闯?，有4個(gè)砂巖試樣(試樣總數(shù)的20%)裂紋起裂時(shí)(ab段)，砂巖載荷發(fā)生了明顯的突降(應(yīng)力調(diào)整)，與此同時(shí)，平均紅外輻射溫度也發(fā)生了突升。例如，砂巖B6在1 191.1 s時(shí)、砂巖B7在636.9 s時(shí)，試樣在裂紋起裂(ab段)的同時(shí)，其平均紅外輻射溫度發(fā)生了突升。在此之后的裂紋擴(kuò)展過程中，擴(kuò)展裂紋附近的平均紅外輻射溫度無突變發(fā)生。

(a)砂巖B6

試樣裂紋起裂時(shí)刻的平均紅外輻射溫度增幅范圍0.01～0.05 ℃(平均增幅0.03 ℃)，具體的平均紅外輻射溫度增幅如表2所示?？梢钥闯觯骄t外輻射溫度增幅與試樣起裂時(shí)的載荷值、物理溫度增幅沒有線性關(guān)系。

表2 物理溫度和紅外輻射溫度增幅

2.3 砂巖裂紋拓展過程的紅外輻射特征

為監(jiān)測砂巖裂紋拓展不同階段的紅外輻射特征，沿裂紋拓展長度方向設(shè)置等面積5個(gè)監(jiān)測區(qū)域，從上到下為MR1～MR5(如圖7所示)，分區(qū)域?qū)α鸭y的拓展進(jìn)行更加細(xì)致的分析。

圖7 砂巖試樣A3裂紋拓展區(qū)分段示意圖

因篇幅有限，僅以砂巖試樣A3為例，繪制砂巖A3起裂后MR1～MR5區(qū)域平均紅外輻射溫度變化曲線圖(如圖8所示)，以及砂巖A3起裂后的荷載—時(shí)間曲線(如圖9所示)。對試樣裂紋拓展區(qū)進(jìn)行分析，所有砂巖的MR1～MR5均未出現(xiàn)紅外輻射平均溫度突增的現(xiàn)象，表明砂巖平臺巴西圓盤試樣的 Ⅰ型裂紋拓展并不會使整體紅外輻射特征呈現(xiàn)升高趨勢，且應(yīng)力不是導(dǎo)致試樣紅外輻射溫度變化的唯一因素，可能與裂紋的生成方式和速度有關(guān)。

(a)MR1

圖9 砂巖試樣A3荷載—時(shí)間曲線

3 討論

1)約20%的砂巖平臺巴西圓盤試樣在其Ⅰ型裂紋起裂時(shí)，不僅物理溫度發(fā)生了突增，紅外輻射溫度也發(fā)生了突增。但本試驗(yàn)中的紅外熱像儀分辨率(NETD)偏低，今后應(yīng)提高紅外監(jiān)測設(shè)備的靈敏度，以便識別出更加細(xì)微的紅外輻射溫度變化。

2)煤巖破裂過程中，紅外輻射溫度的增幅和物理溫度的增幅沒有明顯的線性相關(guān)關(guān)系。一是因?yàn)閮煞N溫度的數(shù)據(jù)分別來自砂巖試樣的前后兩面，難以保證裂紋起裂時(shí)在厚度方向釋放的熱量均勻傳導(dǎo)；二是熱電偶的接觸區(qū)域和紅外熱像數(shù)據(jù)來源區(qū)域不完全對應(yīng)。

3)在裂紋起裂前和裂紋擴(kuò)展這兩個(gè)過程中，試樣物理溫度與紅外輻射溫度均沒有異常變化。在起裂時(shí)刻，發(fā)生了試樣物理溫度和紅外輻射溫度升高現(xiàn)象，物理測溫技術(shù)和紅外測溫技術(shù)可以捕捉到煤巖破裂前產(chǎn)生裂紋的溫度變化信息，可以監(jiān)測到煤巖裂紋發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)刻(破裂之前的起裂時(shí)刻)。

4 結(jié)論

1)在裂紋起裂時(shí)刻，約95%的砂巖試樣Ⅰ型裂紋發(fā)生了應(yīng)力調(diào)整且試樣的物理溫度突增；最高升溫幅度為0.74 ℃，平均升溫幅度為0.16 ℃。

2)在砂巖試樣的Ⅰ型裂紋起裂時(shí)刻，約20%的砂巖試樣的紅外輻射溫度發(fā)生突增(平均為0.03 ℃)。

3)砂巖試樣的Ⅰ型裂紋在整個(gè)裂紋發(fā)育的過程中，僅在裂紋起裂時(shí)刻，裂紋附近有物理溫度和紅外輻射溫度突增現(xiàn)象；裂紋發(fā)育階段物理溫度和紅外輻射溫度無明顯變化。