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.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業工程重點實驗室，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.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000；2.江西省礦業工程重點實驗室，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行單軸壓縮試驗，通過平均紅外溫度(AIRT)、方差、歐氏距離三項指標對兩組試樣加載過程的紅外輻射溫度場特性進行定量分析，得出不同水溫浸泡下粉砂巖破裂過程紅外輻射特性。結果表明：三項指標對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育的劇烈程度遠遠低于50 ℃水浸泡試件，且發育過程趨向于平緩穩定發育，同時在一定程度上存在裂隙發育滯后的現象。

巖石力學；破裂失穩；紅外熱圖像；水溫

0 引 言

中國礦產資源儲量豐富，而在礦產資源開發過程中面臨的災害問題正成為制衡資源開采的一大難關。巖石破裂災害是引發礦山災害的主要原因，因此礦山資源開采過程中的巖石破裂監測預警是其防災減災的關鍵，成為國內外研究的焦點。紅外監測技術具有實時、連續、非接觸等優點，在巖石災變預警領域正受到越來越多學者的青睞。

過去的幾十年間，許多學者對不同條件下巖石破裂的紅外輻射異常前兆進行了廣泛的研究并取得了一定的成就。吳立新等通過實驗指出，煤巖和砂巖在受壓破裂期間產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驗，分別應用特征粗糙度、熵、方差作為指標來描述紅射溫度場的演化特性[2]。吳賢振等通過實驗研究從升溫、降溫以及幅值、規模四個方面對受壓巖石的紅外輻射溫度場進行研究，得出破壞前粉砂巖紅外輻射溫度出現突變異常先兆，其中包含突升異常等四種紅外輻射溫度場異常前兆[3]。吳賢振等通過實驗研究，提出“紅外溫變場”的概念，指出飽水粉砂巖破壞失穩進程中紅外溫變場的特征參數出現陡增的變化異常，同時提出在延性巖石破壞過程中ITF變化的異常現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，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，指出花崗巖破壞-滲水過程的紅外溫度異常先兆為滲水點出現顯著的“先升高后降低”溫度變化現象[6]。劉善軍等通過對內含水體的混凝土材料施加單軸壓縮的試驗，得出加載中、后期紅外溫度場出現部分區域輻射溫度“先升高后降低”是混凝土破壞滲水的主要紅外異常先兆，其出現的時間點要先于應力和聲發射先兆[7]。張艷博等采用對含水粉砂巖進行單軸壓縮的方法，得出水對粉砂巖破壞過程的紅外輻射特性有顯著的影響，并且出現了一個極限的轉換值[8]。張艷博等采用對自然以及飽水花崗巖進行巖爆模擬的方法，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；接近巖爆發生時，花崗巖試件表面輻射溫度呈現出臨界減慢特性，系統內在改變速度降低，與前一時間所處形態越來越接近，其自相關系數轉變為增大的趨勢[9]。

隨著礦產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展，深部高地應力高水溫環境條件下巖體穩定性問題受到越來越多的關注，巖石破裂失穩是多因素影響的過程，除了應力水平、巖體物理力學性質，水和溫度也是誘發巖體強度改變的重要因素。而目前針對巖石加載破裂的紅外輻射實驗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，進行粉砂巖不同水溫浸泡后單軸加載紅外熱成像實驗，模擬不同水溫環境下巖石失穩變化的過程，分析其紅外輻射特性的不同，研究結果能對不同水溫環境下巖石受壓破壞紅外先兆的確定提供一定的指導和借鑒作用。

1 試驗過程

1.1 試驗設計

采用粉砂巖作為試驗試樣，將其加工成50 mm×50 mm×100 mm規格的標準柱體試件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。試驗應用單軸壓縮，在RLW-3000型伺服機上完成，使用位移控制方法進行加載，先預加壓到1.5 kN，然后以1.5 mm/min恒速加載，直到試件破壞，實驗室內溫度約為29 ℃。利用美國生產的SC3000熱成像儀對試件進行正面實時監測，生成試件加載至破壞的熱圖像。

1.2 試驗數據處理

根據實驗需要，首先對試驗中得到的熱圖像進行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，并對得到的數據進行定量分析。

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個數，xk為紅外溫度矩陣第k個點的輻射溫度值。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)均呈現上升與下降交替，且整體趨勢基本保持持續增加，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構內部結構不同，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·費雪提出了方差的概念，用來在概率論中度量隨機變量和其數學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組粉砂巖方差與應力隨時間變化曲線

圖3 C組粉砂巖方差和應力與時間變化曲線

圖2和圖3中A點表示壓密階段，B點表示彈性階段、C點表示塑性階段、D點表示峰后階段。根據圖2和圖3，S組和C組試件在整個加載過程中方差均呈現先上升后下降的趨勢，在峰值壓力C點后均出現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遠大于C組試件，在A點之前就達到峰值，而C組試件一般在A點之后達到峰值。之后試件進入彈性-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組試件的方差值遠遠小于S組方差值，結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育程度遠遠低于S組試件，并且存在裂隙發育滯后的現象。

2.3 歐氏距離

歐式距離是應用范圍最為廣泛的一種距離定義，指在空間坐標系中兩個點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據按照從上到下、從左到右的順序構成某一時刻的溫度向量，由于剪切破裂發育導致紅外溫度升高、張性破裂發育導致紅外溫度降低，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巖石試樣裂隙的發育情況，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為巖石試樣測溫點編號；xtk為t時刻k號測溫點溫度。

由于整個巖石加載破裂過程中紅外溫度場出現的溫變現象，主要是由于剪切破裂與張性破裂發育導致的，相鄰時刻溫度向量的歐氏距離越大表示裂隙發育越劇烈，反之則是裂隙發育越輕微，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力隨時間變化曲線

圖5 C組粉砂巖歐氏距離和應力隨時間變化曲線

圖4和圖5中A點表示壓密階段，B點表示彈性階段、C點表示塑性階段、D點表示峰后階段。根據圖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，當試件完全破壞后歐氏距離出現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遠大于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C之后歐氏距離開始重新出現較為劇烈的突升，由于試件內部結構不同，突升幅度有所差別，在試件破壞之后歐氏距離產生一個極大值波動，幅值遠遠大于前面各階段的歐氏距離，該極大值波動表征試件已經完全破壞。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遠小于S組試件，表明C組試件在單軸加載破裂過程中裂隙的發育程度遠遠低于S組試件，表證方差圖中得到的對比結論的合理性。

3 討 論

巖石加載至破壞過程中，一般經過彈性階段、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指標分析可得：S組和C組試件平均紅外溫度增量保持在0.6 K左右，S組試件相鄰時間點平均紅外溫度增量可達0.01 K，而C組試件相鄰時間點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不相同，從而致使巖石內部顆粒的熱膨脹不均勻。當溫度較高時，由于巖石顆粒熱膨脹系數的不同產生的熱應力可能會高于顆粒連接處的極限強度，從而使顆粒間產生連接斷裂形成微裂隙。基于上述闡述的機理，經過100 ℃水處理的試件可能是在100 ℃水的環境下由于巖石的溫度效應產生了較多的微裂隙，從而導致單軸加載破壞試驗過程中的溫變程度不劇烈。

4 結 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行研究，通過對平均紅外溫度(AIRT)、方差、歐氏距離三項指標的對比分析，得出以下結論。

1)針對平均紅外溫度(AIRT)指標，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，100 ℃水中處理的C組試件的方差值遠遠小于50 ℃水中處理的S組方差值，且C組試件變化的幅度遠遠小于S組試件。

3)針對歐氏距離指標，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遠小于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，三項指標對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育的劇烈程度遠遠低于50 ℃水浸泡試件，且發育過程趨向于平緩穩定發育，同時在一定程度上存在裂隙發育滯后的現象。

[1] 吳立新，王金莊.煤巖受壓紅外熱象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，魏嘉磊，黃建偉，等.巖石加載過程中紅外輻射溫度場演化的定量分析方法[J].巖石力學與工程學報，2015，34(S1)：2968-2976.

[3] 吳賢振，高祥，劉祥鑫，等.飽水粉砂巖破裂過程中紅外溫度突變異常[J].煤炭學報，2015，40(S2)：328-336.

[4] 吳賢振，高祥，趙奎，等.巖石破裂過程中紅外溫度場瞬時變化異常探究[J].巖石力學與工程學報，2016，35(8)：1578-1594.

[5] 劉善軍，吳立新，張艷博，等.潮濕巖石受力過程紅外輻射的變化特征[J].東北大學學報：自然科學版，2010，31(2)：265-268.

[6] 張艷博，陳賓賓，景廣輝.花崗巖破裂滲水過程紅外輻射與聲發射特征研究[J].金屬礦山，2013(4)：65-68.

[7] 劉善軍，張艷博，吳立新，等.混凝土破裂與滲水過程的紅外輻射特征[J].巖石力學與工程學報，2009，28(1)：53-58.

[8] 張艷博，劉翠萍，梁鵬，等.水對粉砂巖受力破裂紅外輻射溫度敏感性實驗[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2016(3)：259-264.

[9] 張艷博，李健，劉祥鑫，等.水對花崗巖巷道巖爆紅外輻射特征的影響[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2015(4)：453-458.

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 責任編輯：趙奎濤

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：YC2016-S303)

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

TD315

A

1004-4051(2017)06-0149-05