基于紅外輻射的富水復(fù)合頂板巷道圍巖穩(wěn)定性無損監(jiān)測(cè)研究

張志強(qiáng)，吳國(guó)強(qiáng)，蒙鵬科，唐小波，馬立強(qiáng)，高強(qiáng)強(qiáng)

(1.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 紅柳煤礦，寧夏 銀川 750411；2.深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))，江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著我國(guó)對(duì)煤炭資源需求的增加，淺部較易開采的煤層逐漸枯竭，導(dǎo)致礦山開采深度以及開采條件復(fù)雜度逐年增加，同時(shí)礦山災(zāi)害日趨增多，如礦井沖擊低壓[1]、煤與瓦斯突出[2]、煤柱坍塌[3]、圍巖失穩(wěn)[4]、礦井突水[5]等。這些災(zāi)害發(fā)生的直接原因是煤巖體結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，因此對(duì)煤巖體破裂的監(jiān)測(cè)預(yù)警成為一大研究熱點(diǎn)。研究表明，煤巖失穩(wěn)破壞過程中，伴隨有電磁能、彈性能、熱能和聲能等形式的能量演化，因此近年來，多種與煤巖體有關(guān)的災(zāi)害預(yù)警方法隨之產(chǎn)生，例如：紅外輻射法[6-15]、電磁輻射法[14]、聲發(fā)射法[15]、電位法[16]及微震法[17]等，其中，紅外輻射監(jiān)測(cè)方法具有無損、無接觸性、實(shí)時(shí)性、操作簡(jiǎn)便等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，得到眾多學(xué)者的關(guān)注。馬立強(qiáng)等研究了應(yīng)力對(duì)單軸加載煤樣紅外輻射的控制效應(yīng)，并提出了紅外輻射去噪方法[6-7]。王恩元等研究了不同含水狀態(tài)的煤巖破裂過程中紅外輻射溫度的演化特征[18]。崔峰、唐一舉等研究了不同加載速率對(duì)煤巖紅外輻射演化特征的影響，表明加載速率對(duì)紅外輻射溫度具有促進(jìn)作用[19-20]。Cao K等研究了巖石剪脹過程中的平均紅外輻射溫度(AIRT)特征[11]。Ma L，周子龍，姜永鑫等采用兩種紅外熱像圖的AIRT和方差研究了煤樣破裂過程中的紅外輻射特征[10，21-22]。

本文利用紅外輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)紅柳煤礦富水復(fù)合頂板I010401工作面和I020308工作面運(yùn)輸巷穩(wěn)定性進(jìn)行了間隔周期性監(jiān)測(cè)，研究了紅柳煤礦I010401工作面和I020308工作面運(yùn)輸巷在觀測(cè)周期內(nèi)的紅外熱像圖、平均紅外輻射溫度和差分紅外輻射溫度變化特征。研究成果可對(duì)紅外輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦山圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的應(yīng)用提供借鑒。

1 工程地質(zhì)條件

紅柳煤礦I010401工作面運(yùn)輸巷掘進(jìn)寬為5400 mm，中高為4600 mm，掘進(jìn)斷面積24.8 m2；凈寬為5200 mm，凈高為4200 mm。煤層厚度2.77～3.10 m，平均厚度2.84 m，沖刷帶內(nèi)受古河流沖蝕變薄至約1.1 m。I020308工作面運(yùn)輸巷掘?qū)挒?400 mm，中高為3500 mm，頂角加工成直徑1500 mm的1/4圓拱。

由于I020308工作面和I010401工作面巷道頂板存在含水層，頂板淋水對(duì)錨桿錨索和煤巖體力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響，極易發(fā)生煤柱失穩(wěn)及頂板涌(突)水。若出現(xiàn)采掘工作面煤巖體穩(wěn)定性及滲(突)水監(jiān)測(cè)預(yù)警不準(zhǔn)確或錯(cuò)誤判斷等問題，將會(huì)引發(fā)煤礦突水等災(zāi)害，導(dǎo)致礦井水資源流失、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境劣化等不可估量的惡果。鑒于此，本文嘗試使用紅外輻射無損探測(cè)技術(shù)，對(duì)紅柳煤礦I020308工作面和I010401工作面巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行周期監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

2 紅外輻射監(jiān)測(cè)指標(biāo)

2.1 紅外熱成像原理

紅外熱成像技術(shù)的核心在于利用紅外熱像儀將看不見的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見的數(shù)字圖片[23]。巖石裂紋發(fā)育過程中伴隨有熱彈性效應(yīng)、空隙氣體解吸逸出效應(yīng)、斷裂效應(yīng)、摩擦生熱效應(yīng)等巖石紅外異常響應(yīng)機(jī)制[8，24-25]，會(huì)影響其紅外輻射響應(yīng)信息。在采掘工作面施工過程中，巖石內(nèi)部應(yīng)力水平會(huì)發(fā)生變化，若煤巖出現(xiàn)破裂破壞等缺陷，巖石表面的紅外輻射將會(huì)有異常變化，這對(duì)于圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)具有重要意義。

2.2 紅外輻射信息量化指標(biāo)及其去噪

2.2.1 平均紅外輻射溫度

平均紅外輻射溫度(AIRT)[11，21，23]可以非常直觀地反映出煤巖表面整體的紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)情況，體現(xiàn)了紅外輻射變化的重要特征，可將平均紅外輻射溫度作為反映承載煤巖紅外輻射變化特征的定量分析指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中，AIRT(p)為第p幀熱像序列的平均紅外輻射溫度，℃；fp(x，y)為第p幀紅外熱像序列的紅外輻射溫度矩陣；Lx為x的最大行數(shù)和列數(shù)；Ly為y的最大行數(shù)和列數(shù)。

紅外熱像儀接收到的紅外輻射強(qiáng)度不僅包括被測(cè)物體，還包括了空氣、周圍環(huán)境、甚至儀器自身的紅外輻射，極易掩蓋真實(shí)的紅外輻射溫度變化信號(hào)[7，23]。因此對(duì)紅外輻射信息的去噪是很有必要的。

針對(duì)上述現(xiàn)象，提出平均紅外輻射溫度-本底噪聲校正模型[7，23，27]，可由式(2)表示：

ΔAIRT=AIRTt=i-AIRTt=0

(2)

式中，ΔAIRT為去噪后的平均紅外輻射溫度，℃；AIRTt=i為t=i時(shí)的平均紅外輻射溫度，℃；AIRTt=0為監(jiān)測(cè)初始時(shí)刻(t=0)的平均紅外輻射溫度，℃。

2.2.2 逐差紅外輻射方差

AIRT指標(biāo)起伏不定，對(duì)破裂的前兆響應(yīng)不敏感，即難以直觀區(qū)分破裂前兆。逐差紅外輻射方差(VSMIT)[23，26]可以反映巷道圍巖表面紅外輻射溫度矩陣的瞬時(shí)分異程度，采用VSMIT指標(biāo)分析巷道圍巖紅外輻射特征，其計(jì)算公式如下：

(3)

式中，VSMIT(p)為第p幀紅外熱像序列的差分紅外輻射方差。

3 富水復(fù)合頂板巷道圍巖紅外輻射監(jiān)測(cè)應(yīng)用

3.1 監(jiān)測(cè)方案

3.1.1 測(cè)點(diǎn)布置

在I020308工作面運(yùn)輸巷以及I010401工作面運(yùn)輸巷內(nèi)，各布置3個(gè)測(cè)站，測(cè)站分別距工作面200，300，400m處。在每一個(gè)測(cè)站采用自噴漆標(biāo)記1 m2的區(qū)域，作為數(shù)據(jù)提取和分析的有效監(jiān)測(cè)區(qū)域。在觀測(cè)期間，熱像儀距離觀測(cè)區(qū)域的垂直距離為1 m左右。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置

3.1.2 監(jiān)測(cè)周期與頻率

采用Ei60手持式紅外熱像儀，對(duì)I010401工作面和I020308工作面巷道圍巖裂隙發(fā)育的動(dòng)態(tài)演變過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于兩條巷道距離較遠(yuǎn)，因此兩條巷道間隔監(jiān)測(cè)，即第一天觀測(cè)I010401工作面運(yùn)輸巷，第二天觀測(cè)I020308工作面運(yùn)輸巷，以此類推，監(jiān)測(cè)周期為兩個(gè)月。同一天內(nèi)，對(duì)每一測(cè)站進(jìn)行等時(shí)間間隔觀測(cè)，每次觀測(cè)0.5 h，一條巷道單日監(jiān)測(cè)4 h，監(jiān)測(cè)周期為2021年10月13日到2021年12月13日，共監(jiān)測(cè)60 d。每一測(cè)站數(shù)據(jù)采集頻率為60幀/h。

3.2 巷道圍巖紅外熱像圖的變化

通過紅外熱像儀獲取現(xiàn)場(chǎng)煤巖表面的熱像圖，可反演應(yīng)力擾動(dòng)下巷道圍巖裂隙發(fā)育過程的熱紅外輻射異常區(qū)域遷移特征。當(dāng)煤巖樣破裂時(shí)，在相應(yīng)的破裂位置上會(huì)出現(xiàn)熱紅外輻射異常區(qū)域。為保證所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用自適應(yīng)中值濾波方法對(duì)紅外熱像圖進(jìn)行濾波處理，并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行重構(gòu)。

2021年10月15日I010401工作面運(yùn)輸巷煤柱表面的紅外熱像圖如圖2所示，I010401工作面運(yùn)輸巷距工作面200，300，400 m處煤柱表面紅外輻射溫度場(chǎng)溫度分布均勻，未出現(xiàn)明顯熱紅外輻射異常區(qū)域。這表明煤柱內(nèi)部未產(chǎn)生大尺度宏觀裂隙，煤柱保持穩(wěn)定。

圖2 2021年10月15日I010401工作面運(yùn)輸巷道煤柱表面的紅外熱像圖

2021年11月30日I010401工作面運(yùn)輸巷道2#測(cè)站頂板的可見光圖像和紅外熱像圖如圖3所示，由圖3可知，距I010401工作面300 m處運(yùn)輸巷頂板錨桿托盤附近出現(xiàn)明顯漏水，對(duì)應(yīng)的紅外熱像圖出現(xiàn)明顯的低溫異常區(qū)域。這表明由于應(yīng)力作用錨桿鉆孔附近出現(xiàn)導(dǎo)水裂隙，并與不明水體貫通，但滲漏水狀態(tài)穩(wěn)定，不存在突水風(fēng)險(xiǎn)。因此，當(dāng)煤柱或頂板產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙時(shí)，水逐漸滲透至煤巖表面，從而改變了煤柱或頂板的溫度場(chǎng)，紅外熱像圖發(fā)生溫度分異。紅外熱像圖可以很好地捕捉并描述巷道圍巖滲漏水狀態(tài)，當(dāng)煤柱或頂板紅外熱像圖因滲漏水產(chǎn)生的異常區(qū)域明顯擴(kuò)大時(shí)或溫度差異增大時(shí)，則應(yīng)確定該區(qū)域狀態(tài)異常，應(yīng)及時(shí)采取措施，避免突水事故發(fā)生。

圖3 2021年11月30日I010401工作面運(yùn)輸巷道2#測(cè)站頂板的可見光圖像和紅外熱像圖

2021年10月16日I020308工作面運(yùn)輸巷煤柱表面的紅外熱像圖如圖4所示，I020308工作面運(yùn)輸巷距工作面200，300，400 m處煤柱表面紅外輻射溫度場(chǎng)溫度分布均勻，未出現(xiàn)明顯熱紅外輻射異常區(qū)域。這表明煤柱內(nèi)部未產(chǎn)生大尺度宏觀裂隙，煤柱保持穩(wěn)定。

圖4 2021年10月16日I020308工作面運(yùn)輸巷煤柱表面的紅外熱像圖

在實(shí)測(cè)過程中，熱像圖異常區(qū)域均保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常狀態(tài)。綜上所述，I020308工作面和I010401工作面紅外輻射監(jiān)測(cè)未發(fā)現(xiàn)異常情況，與現(xiàn)場(chǎng)情況相符合。

3.3 巷道圍巖平均紅外輻射溫度

當(dāng)巷道圍巖溫度的變化較小時(shí)，在紅外熱像圖上直接分析熱紅外輻射場(chǎng)的空間特征可能帶來一定的主觀性，且其分析局限于空間定位，難以獲得采煤過程中紅外輻射的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。為分析I020308工作面和I010401工作面推進(jìn)過程對(duì)巷道圍巖裂隙動(dòng)態(tài)演化過程，繪制I020308工作面和I010401工作面各紅外測(cè)點(diǎn)AIRT隨時(shí)間變化的曲線，為避免環(huán)境噪聲對(duì)AIRT曲線的影響，利用本底噪聲校正模型進(jìn)行校正，并取每次監(jiān)測(cè)所得紅外輻射溫度矩陣的平均值，以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

I010401工作面運(yùn)輸巷圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)表面的AIRT變化曲線如圖5所示。由1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤柱表面AIRT變化曲線可知，在觀測(cè)期間內(nèi)AIRT上下波動(dòng)，并在第26天出現(xiàn)峰值，表明此時(shí)該位置產(chǎn)生了小尺度剪切破裂，產(chǎn)生的裂紋尺度均較小，且產(chǎn)生于煤柱內(nèi)部，未與表面和水體貫通，在熱像圖中未觀察到明顯溫度異常區(qū)域，因此不會(huì)引發(fā)煤柱失穩(wěn)及突水災(zāi)害發(fā)生。由2#、3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤柱表面AIRT變化曲線可知，2#、3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)表面的AIRT整體較穩(wěn)定，最高溫差約為0.1 ℃?？偟膩碚f，I010401工作面測(cè)點(diǎn)表面的AIRT整體較穩(wěn)定，未發(fā)生明顯突變。

圖5 I010401工作面運(yùn)輸巷圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)表面的AIRT變化曲線

距I020308工作面200，300，400 m處運(yùn)輸巷1#、2#、3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤柱表面AIRT變化曲線如圖6所示。由圖6可知，三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期都較為平穩(wěn)，沒有發(fā)生異常，表明圍巖結(jié)構(gòu)在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中都較為穩(wěn)定。

圖6 I020308工作面運(yùn)輸巷圍巖監(jiān)測(cè)點(diǎn)表面的AIRT變化曲線

3.4 巷道圍巖差分紅外輻射方差及破裂閾值

VSMIT表示相鄰兩時(shí)刻由于采動(dòng)應(yīng)力導(dǎo)致的紅外輻射變化幅度，因此可以將VSMIT的首次突變視為破裂前兆。為反映巷道圍巖VSMIT的突變特征，基于拉依達(dá)準(zhǔn)則確定VSMIT的突變閾值[23]。VSMIT可以反映巷道圍巖表面紅外輻射溫度矩陣的瞬時(shí)分異程度。因此，VSMIT可以作為判別巖石導(dǎo)水裂隙貫通并發(fā)生突水的預(yù)警指標(biāo)，并通過拉依達(dá)準(zhǔn)則計(jì)算I020308工作面和I010401工作面巷道圍巖破裂預(yù)警的紅外輻射閾值。

I020308工作面、I010401工作面表面各測(cè)點(diǎn)VSMIT及紅外輻射閾值分別如圖7和圖8所示。I020308工作面和I010401工作面各測(cè)點(diǎn)的VSMIT均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，均未超出其閾值，沒有大幅度突變產(chǎn)生，I020308工作面和I010401工作面在觀測(cè)期間內(nèi)巷道圍巖沒有失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 I020308工作面各測(cè)點(diǎn)VSMIT及紅外輻射閾值

圖8 I010401工作面各測(cè)點(diǎn)VSMIT及紅外輻射閾值

各測(cè)點(diǎn)紅外輻射閾值見表1。由表1可知，不同測(cè)點(diǎn)的閾值不同，但均在0.0031～0.0040之間。I020308工作面巷道圍巖最大和最小閾值均值分別為0.003611和0.003136。I010401工作面巷道圍巖最大和最小閾值均值分別為0.003629和0.003226。在進(jìn)行紅外輻射巷道圍巖觀測(cè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)紅外輻射數(shù)據(jù)制定圍巖失穩(wěn)預(yù)警閾值，以避免預(yù)警信息遺漏。

表1 各測(cè)點(diǎn)紅外輻射閾值

4 結(jié) 論

1)I020308工作面運(yùn)輸巷和I010401工作面運(yùn)輸巷各個(gè)測(cè)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)未發(fā)生AIRT、紅外熱像圖和VSMIT的異常突變，表明巷道表面圍巖結(jié)構(gòu)在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)較穩(wěn)定。

2)確定了I020308工作面運(yùn)輸巷和I010401工作面運(yùn)輸巷圍巖失穩(wěn)的VSMIT判定閾值。其中，I020308工作面運(yùn)輸巷最大和最小閾值均值分別為3.61×10-3和3.13×10-3，I010401工作面巷道圍巖最大和最小閾值均值分別為3.63×10-3和3.23×10-3。

3)紅外輻射技術(shù)作為一種新型的巷道圍巖監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有無損、無接觸、遠(yuǎn)距離等優(yōu)點(diǎn)，未來可以對(duì)其進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)，提升其監(jiān)測(cè)精度，提高其采掘更替的接續(xù)性以及不同場(chǎng)所的適用性。