粉砂巖破裂失穩過程的紅外高溫區域異常前兆

高 祥，吳賢振，徐金輝，熊 偉，劉祥鑫(.江西理工大學 江西省礦業工程重點實驗室，江西 贛州 34000；.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063000)

粉砂巖破裂失穩過程的紅外高溫區域異常前兆

高 祥1，吳賢振1，徐金輝1，熊 偉1，劉祥鑫2
(1.江西理工大學 江西省礦業工程重點實驗室，江西 贛州 341000；2.華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山 063000)

臨破裂巖石自身突變所引起的紅外溫度場異常可能主要集中于某一較小區域內。為從局部層面探尋巖石破裂失穩過程的紅外異常前兆，進行了粉砂巖單軸壓縮下的紅外監測實驗，根據直方分布特征將紅外溫度場劃分為包括高溫區域在內的三個溫度區域，并以高溫區域特征值變化異常為重點展開研究。結果表明：粉砂巖破壞失穩過程中存在紅外高溫區域異常前兆，其表征形式主要包括高溫區域面積比、溫均面積比(面積比/極差)等形式；面積比、溫均面積比異常前兆表現為臨破裂突增異常，出現頻率分別可達 80% 和 60%；另外，高溫區域異常前兆普遍晚于峰值應力出現。研究結果對巖石受力災變的紅外監測及預警具有一定的工程應用價值。

粉砂巖；高溫區；災變前兆；紅外溫度場

我國是采礦大國，與巖石受力災變有關的礦山災害如沖擊地壓(巖爆、礦震)、瓦斯突出、地表塌陷、邊坡失穩等頻繁發生，危及生產、生活安全。“對巖石災變過程進行有效監測與前兆識別，是巖石災變預警與防災減災的重要基礎。巖石受力災變是復雜環境中的復雜現象，巖石災變特征與可測物理量表現為多模式、多層次、多尺度，包括紅外輻射在內的電磁輻射是巖石破裂前兆研究的重要內容”(錢鳴高院士)。

吳立新、劉善軍、張艷博等，對不同物理力學條件下巖石破裂失穩過程的紅外輻射異常特征進行了大量的探索性研究并取得了許多重要成果。文獻[1]通過實驗研究發現，煤巖和砂巖受壓破裂過程中，具有熱圖像和平均紅外溫度(AIRT)異常前兆，且晚于聲發射和電阻率前兆出現。文獻[2]對輝長巖等多暗色礦物類巖石單軸加載過程的紅外溫變特征進行了實驗研究，發現在峰后破裂階段，存在沿剪切破裂帶 AIRT升高、在張性區 AIRT降低的紅外溫變異常現象。文獻[3]對含交匯預裂縫花崗巖在雙軸破裂粘滑過程中的紅外輻射特征進行的研究表明，進入重復粘滑階段之后，試件表面沿主裂隙帶上及交匯處出現了高溫輻射異常。文獻[4]進行了 5 種常規巖石壓剪破裂過程的紅外監測實驗，發現若壓應變占優勢，則達到峰值應力的 80% 時存在沿剪切區域的 AIRT加速升溫的紅外輻射異常前兆。文獻[5]指出，巖石破裂紅外前兆包括 AIRT時序特征異常和熱像異常 2 種表征形式；前者分為降溫、升溫加速和降溫轉升 3 種類型；后者分為高溫條帶和低溫條帶 2 種類型。文獻[6]利用接觸式測溫儀和紅外熱像儀對花崗巖和大理巖在單軸加載過程的溫變特征進行了研究，表明巖石在破壞前存在溫度奇變點。文獻[7]對巖石破裂前紅外熱像的時空演化特征分析的結果表明，巖石在塑性變形階段隨著微破裂的產生而出現的熱圖像空間分異現象、臨失穩前熱圖像整體短暫降溫現象可分別作為巖石宏觀破裂的早、晚期紅外前兆。文獻[8]研究指出：煤樣表面的AIRT隨著沖擊傾向程度升高而升高，并且沖擊傾向性煤體在破壞前存在升溫前兆。文獻[9]研究了雙軸加載下含孔花崗巖巖爆發生過程的紅外溫變特征，指出巖爆發生前至少出現兩次大范圍溫度跳變異常，且此異常早于聲發射前兆出現。可見，巖石破裂失穩過程存在紅外異常前兆，其表征形式主要集中于AIRT時序特征異常和熱像異常2種形式。

AIRT代表巖石總的紅外輻射強度[10]，也是紅外溫度場的算術平均數，表征紅外溫度場統計分布集中趨勢。它可削弱紅外溫度場的偶然性揭示必然性，尤其便于研究加載過程中紅外溫變趨勢，但也會抑制紅外前兆的突變性。根據帕累托定律，臨破裂巖石自身突變所引起的紅外溫度場明顯異常可能主要集中于某一較小區域內；加載后期，微破裂大量發育，剪破裂面摩擦加劇，可能導致高溫區域異常。此異常對巖石受力災變預測具有一定的指示性意義，而關于受載巖石紅外溫度場高溫區域變化特征的文獻卻鮮有報道。因此，為從局部層面探尋巖石破裂失穩過程的紅外異常前兆，進行了粉砂巖單軸壓縮下的紅外監測實驗，根據直方分布特征將紅外溫度場劃分為包括高溫區域在內的三個溫度區域，并以高溫區域特征值變化異常為重點展開了研究。

1 實驗部分

選用粉砂巖(泥質含量約 32 %)，制備50mm×50mm×100mm 規格的標準柱體試件 5 塊，分別表號為S1、S2、S3、S4、S5，仔細研磨兩端，使上下表面平等度符合試驗要求。為增強巖石紅外輻射效應，將試件置于50°純水中浸泡4h，待試件表面干燥后，用保鮮膜密封。實驗在 RLW-3000 型伺服試驗系統上完成，先預加載至 1.5kN，以保證試件與加載面完全接觸，隨后以1.5mm/min 勻速加載，開啟美國SC3000紅外實時成像系統進行監測，直到試件破壞。

2 實驗結果與分析

2.1 高溫區劃

以熱像儀溫度靈敏度(0.03 K)為組距可畫出各時刻的紅外溫度場的頻數直方圖，通過觀察對比發現，不同粉砂巖試件單軸壓縮過程的溫度場統計分布變化特征較為相似，限于篇幅現以S2試件為例說明試件加載過程的溫度場統計分布變化特征，以加載350秒時刻溫度場為例說明不同試件溫度場統計分布的共性特征。

2.1.1 荷載-時間曲線

圖1是試件S2加載過程的荷載-時間曲線，從中可知，加載過程可分成初始壓密、彈性、塑性和峰后破壞4個階段。初始壓密階段，曲線下凹，荷載處于較低水平；彈性階段，曲線近似于直線狀；塑性階段，曲線略微上凸，荷載處于較高水平；峰后破壞階段，試件強度逐漸降低。為研究不同階段的紅外溫度場直方圖特征，分別對S2試件加載過程中 A(100s)、B(230s)、C(340s)、D(440s)、E(475s)、F(530s) 六個代表性時刻(見圖1標號)的溫度場進行了統計分析。

圖1 試件S2加載過程的荷載-時間曲線

2.1.2 溫度場頻數直方圖分析

圖2 試件S2加載過程的代表時刻溫度場頻數直方圖

圖3 不同試件加載至350s時的溫度場頻數直方圖

在直角坐標系中，以組距為橫坐標，以頻數為縱坐標，以各組中值為中心、組距為底、各組頻數為高，做出矩形，即可得到頻數直方圖。它既能簡化數據又可突出數據的統計分布及結構特征。圖2、圖3分別為同一試件不同時刻溫度場頻數直方分布圖、同一時刻不同試件溫度場直方分布圖，它們均為非對稱右偏分布，觀察其共性特征，可將溫度場的頻數直方分布圖可分成三個區間(圖2A)，分別稱為低溫、中溫和高溫區間；在低溫區間內，以溫度最小值為區間下限，溫度最小值到眾數的距離關于眾數對稱的區間內，溫度場近似服從高斯分布；在中溫區間內，溫度場直方分布圖類似于直角梯形，并且明顯存在某一臨界溫度，臨界值以前頻數穩定且普遍處于較高水平，之后頻數亦較為穩定但普遍處于較低水平；對于高溫區間，可定性地看出，試件不同時刻區間長度及累計頻數變化較為明顯，臨近破裂或存在明顯異常前兆。

2.1.3 溫度場區域劃分

2.2 巖石臨失穩的紅外高溫區域異常

2.2.1 面積比變化異常

高溫區域面積的變化可一定程度上反映巖石升溫效應強弱。加載后期，微破裂大量發育，摩擦熱效應加強，可能導致高溫區域發生面積突變。為便于比較不同試件加載過程中高溫區面積變化特征，做出了高溫區域面積比(高溫區域面積與熱圖像中巖石面積之比)時間曲線，見圖4。經對比分析得，加載過程中高溫區域面積比變化特征統計表(表1)。根據荷載-時間曲線，可將應變過程分成壓密階段、彈塑性階段和塑性-峰后破壞階段。由表1可知，所統計的面積比變化特征及異常前兆出現概率均大于60%，屬于共性特征，據此可將粉砂巖加載過程的紅外高溫區域面積比變化的一般特征概括為：全過程可分為三個階段；階段Ⅰ呈遞減趨勢，階段Ⅱ波動加劇，階段Ⅲ呈遞增趨勢；失穩前存在突增的異常前兆，此前兆傾向于峰值應力附近或之后出現。

表1 加載過程中高溫區域面積比變化特征統計

注:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 代表不同階段;P1表示巖石災變的高溫區域面積比異常前兆。

圖4 試件加載過程高溫區域面積比時序曲線(注：P1表示巖石災變的高溫區域面積比異常前兆)

2.2.2 溫均面積比變化異常

極差為區間最大值與最小值之差。為研究高溫區單位溫度區間內面積比的變化特征，構造了強度相對數-溫均面積比(面積比與極差的比值)。圖5 分別為各試件加載過程的高溫區間溫均面積比時序曲線圖，根據荷載-時間曲線，可將應變過程分成壓密-彈性階段、彈性階段和塑性-峰后破壞階段。經過對加載過程中高溫區溫均面積比變化特征進行統計可得到表2，從中可知，所統計的溫均面積比變化特征及異常前兆出現概率均大于60%，屬于共性特征，據此將粉砂巖加載過程的高溫區溫均面積比變化的一般特征可概括為：曲線全過程遞增并可分為三個階段；階段Ⅰ遞增但趨勢平緩，階段Ⅱ遞增且斜率較大，階段Ⅲ遞增且斜率更大；失穩前存在突增的異常前兆，此前兆傾向于峰值應力附近或之后出現。

表2 加載過程中高溫區溫均面積比變化特征統計

注:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表不同階段;P2指巖石災變的高溫區溫均面積比異常前兆。

圖5 試件加載過程的高溫區間溫均面積比時序曲線(注：P2表示巖石災變的高溫區溫均面積比異常前兆)

3 結 論

1)粉砂巖單軸壓縮下的紅外溫度場的統計分布為非對稱右偏分布；根據頻數分布圖的時序特征，可將溫度場分成低溫、中溫、高溫三個溫度區域，其中高溫區間下限可取為均值與2倍標準差之和。

2)通過比較發現：粉砂巖破壞失穩過程中存在紅外高溫區域異常前兆，此前兆可由面積比、溫均面積比(面積比/極差)等形式表征，面積比和溫均面積比異常前兆表現為臨破裂突增異常，出現頻率較高，分別可達80%和60%；另外，高溫區異常前兆普遍晚于峰值應力出現。

3)本文只對單軸壓縮條件下的粉砂巖進行了實驗研究，不同物理力學條件下、其它巖石的紅外高溫區域異常前兆是否存在、出現頻率等問題還需要進一步研究。

[1] 吳立新，王金莊.煤巖受壓紅外熱像與輻射溫度特征實驗[J].中國科學：D輯:地球科學，1998，28(1):41-46.

[2] 劉善軍，吳立新，吳煥萍，等.多暗色礦物類巖石單軸加載過程中紅外輻射定量研究[J].巖石力學與工程學報，2002，21(11)：1585-1589.

[3] 吳立新，劉善軍，許向紅，等.遙感-巖石力學(III)——交匯斷層粘滑的熱紅外輻射與聲發射規律及其構造地震前兆意義[J].巖石力學與工程學報，2004，23(3)：401-407.

[4] 吳立新，劉善軍，吳育華，等.遙感-巖石力學(IV)——巖石壓剪破裂的熱紅外輻射規律及其地震前兆意義[J].巖石力學與工程學報，2004，23(4)：539-544.

[5] 劉善軍，吳立新，王川嬰，等.遙感-巖石力學(VIII)——論巖石破裂的熱紅外前兆[J].巖石力學與工程學報，2004，23(10)：1621-1627.

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[10] 劉善軍，吳立新.脆性巖石與有機玻璃受力紅外輻射特征的比較[J].巖石力學與工程學報，2007，26(S2):4183-4188.

山特維克推出新一代高效掘錨機MB670-1

圖1 山特維克推出新一代高效掘錨機MB670-1

第十六屆中國國際煤炭采礦技術交流及設備展覽會于10月29日～11月1日在北京圓滿結束。展會期間，山特維克礦山新一代掘錨機MB670-1產品研討會在北京臨空皇冠假日酒店成功舉辦。來自行業內的50多位同仁參加了這次研討會，山特維克礦山中國區總經理王孝平先生，山特維克礦山全球地下軟巖產品線總經理Bruno Reumueller，山特維克礦山中國地下軟巖產品線經理胡團結在會上做了精彩的發言。下面讓我們一起領略一下MB670-1的真面容。

山特維克專注礦山機械制造25年，該公司最新型號產品MB670-1掘錨機，生產效率高、產品可靠性好，憑借卓越的專利設計可為客戶降低成本、提高生產效率。

經全新升級的山特維克MB670-1掘錨機充滿了創新設計，提高了設備自身的品質及生產率，并降低客戶的總成本，是迄今為止安全性超高的長壁工作面掘進系統。山特維克MB670-1詳細參數如下：總長度11.250m；總重量105t；工作高度2.8～5m；工作寬度5～6.2m；截割電機功率270kW；掏槽距離1m；空頂距1.8m；頂錨桿鉆機數量4；幫錨桿鉆機數量2；裝運能力25t/min；行走速度35～15m/min；裝機功率546kW；離地間隙270mm；對地比壓28N/cm2。

山特維克新推出的MB670-1產品在生產效率、運行成本、安全性等方面具有強大優勢。首先該產品生產效率更高。由于更高的設備利用率及更少的維護要求從而增加了運轉次數。我們的新型耐磨材料也提高了大臂和滑動機構的使用壽命。更采用注油方式更換割齒襯套的全新方法提高了產品利用率。

MB670-1總成本更低。簡化的電子和液壓元件，采用新能源利用設計理念使我們的產品能耗更低，維護間隔更長。而對于運行狀況的記錄，整理和形象化可以極大的提高設備的控制和運行效率；執行可預見的維護計劃以減少停機時間。該設備采用24V電磁閥、優化軸襯和其他零件的材質規范可提高零部件的使用壽命，從而將大修時間間隔從2年延長至2.5年。

MB670-1安全性更高。該產品擁有新型線軸監控系統，避免產品意外移動。我們重新設計的除塵設備可降低超過10%的噪音，從約90～100db降至77～90db左右。設備符合人體工程學要求，更加簡單易用。其設備電路符合SIL(安全完整性)等級2級要求，避免了設備上所有電機的意外啟動。

此型號產品特別適合長壁工作面，可顯著提高生產效率且更加環保，而且還能夠改善工作環境，更好地保護操作者的健康和安全。此外，憑借我們的專業服務團隊、完善的服務方案及高質量的備件，山特維克MB670-1掘錨機能夠顯著提高客戶的開采量，讓客戶真正實現更高機械化、更多開采。

圖2

ABB交付第1000萬臺變頻器

今年11月份，北京ABB傳動工廠生產了第1000萬臺ABB低壓變頻器。這臺變頻器將被運往中國武漢港迪電氣有限公司。該公司是一家生產港口起重機電控系統的系統集成商。

“ABB工業級傳動的直接轉矩控制(DTC)技術和其內置的提升控制軟件幫助我們更大程度地優化了起重機系統的性能。對我們的港口客戶來說，ABB工業變頻器意味著安全性、靈活性和高效率，得益于此，我們的能源成本大大降低。”武漢港迪電氣有限公司技術總監李翔先生這樣評價ACS880。

第1000萬臺變頻器是ACS880工業變頻器，是ABB全能型傳動產品家族的成員。ACS880幾乎能支持所有類型的工業流程、電機、自動化系統和用戶，可以滿足各種行業的各種電機驅動應用需求——無論其功率范圍如何。全能型背后的創新就是全新傳動架構，可簡化操作，優化能源效率，有助于更大限度地提高產出。ACS880系列包括單傳動、多傳動和傳動模塊。

“我們篩選供應商非常嚴格，尤其對產品質量、可靠性和服務的要求極高。ABB傳動公司達到了我們的要求，并且我們緊密的戰略合作伙伴關系已經持續了十年。”顧毅說道。

ABB在20世紀70年代生產了第一臺交流變頻器，如今，ABB可提供全球先進的傳動產品系列。ABB變頻器的功率和電壓范圍很廣，其中包括電壓級別高達13.8kV和功率高達10萬kW的型號。

ABB(www.abb.com)是全球電力和自動化技術領域的領軍企業，致力于幫助電力、工業和交通與基礎設施客戶提升績效，同時降低其對環境的不良影響。ABB集團的業務遍布全球100多個國家，擁有約14萬名員工。

卡特彼勒再制造慶祝在華10周年

近日，卡特彼勒再制造工業(上海)有限公司在上海科學節能展示館舉行“卡特彼勒再制造，循環經濟推動者——暨卡特彼勒再制造在華十周年活動”。

自2005年進入上海，在臨港設立卡特彼勒中國再制造中心，卡特彼勒將先進的再制造技術和理念引入中國。經過十年的發展，卡特彼勒再制造上海工廠已經成為卡特彼勒出色的再制造工廠之一，不僅為卡特彼勒在亞太乃至全球的客戶在維修、更換、升級設備時提供更多的增值服務，而且再制造對經濟和環境都產生了顯著的積極效益，彰顯了卡特彼勒踐行促進可持續發展的承諾。

卡特彼勒負責可持續發展、工裝機具與再制造事業部的全球副總裁葛瑞德表示：“再制造是循環經濟的推動者，能夠實現資源的再生利用和多次循環的產品生命周期。再制造是卡特彼勒全球業務模式中關鍵的一個環節，保障客戶在產品生命周期內擁有更低的購買和使用成本。卡特彼勒將繼續攜手產業合作伙伴，積極創新，不斷拓展再制造業務在中國的發展。”

《中國制造2025》提出大力發展再制造產業，把發展高端再制造、綠色再制造、智能再制造列入了國家的工業發展戰略。作為循環經濟的高級利用形式，再制造與制造新品相比，可以顯著降低客戶的產品成本，同時大幅減少能耗、原材料用量和固體廢物，而且再制造的產品在性能、壽命和可靠性等方面都可與新品相媲美。

卡特彼勒全球副總裁、卡特彼勒(中國)投資有限公司董事長陳其華表示：“今年是卡特彼勒在中國發展的40周年，再制造是卡特彼勒部署和實現中國戰略的重要組成部分。卡特彼勒將繼續發揮自身優勢，助力中國逐步向可持續的經濟增長模式轉型，為建設美麗中國貢獻力量。”

Abnormal precursor of high infrared temperature zone in the process of siltstone rupture instability

GAO Xiang1，WU Xian-zhen1，XU Jin-hui1，XIONG Wei1，LIU Xiang-xin2

(1.Jiangxi Province Key Laboratory of Mining Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China;2.Faculty of Mining and Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China)

Abnormity of Infrared Temperature Field(ITF)approaching instability caused by mutations in the rock itself may focused on a small area.To explore the infrared anomalies precursor in the process of rock rupture instability，we conducted a siltstone infrared monitoring experiment under uniaxial compression.After dividing ITF into three areas including the high temperature zone，the study focuses on analyzing the abnormal characteristic of high temperature zone.The results show that in the process of siltstone rupture instability statistics abnormal precursor of high temperature zone is very obvious，which is characterized by two forms including area ratio，area ratio per Centigrad；and for the abnormal precursor of area ratio and area ratio per Centigrad which all manifests as sharp rise near instability，the frequency of occurrence can respectively reach up to 80% and 60%.In addition，the abnormal precursor emergence of high temperature zone is generally later than peak stress.The results have some value for the infrared monitoring and early warning of rock catastrophe.

siltstone；high temperature zone；catastrophic precursory；infrared temperature field

2015-03-31

江西省教育廳科技計劃項目資助(編號：GJJ12336)；江西省研究生創新專項資金項目資助(編號：YC2014-S352)

高祥(1990-)，男，河南周口人，研究生，主要從事采礦工藝及遙感巖石力學方面的研究。E-mail：815093126@qq.com。

O319.56

A

1004-4051(2015)12-0172-05