不同加載速率下粉砂巖受載破壞過程紅外輻射能量變化規(guī)律試驗(yàn)研究

雷躍宇 ，李忠輝 ,3，田 賀 ，艾克熱木江·艾合麥提 ，李雪麗 ，婁 全

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯治理國家工程研究中心，江蘇 徐州 221116；4.河南城建學(xué)院 市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南 平頂山 467036）

煤炭是我國的主題能源，隨著淺部資源逐漸枯竭，開采深度和強(qiáng)度逐年增大，賦存環(huán)境的改變致使煤巖力學(xué)性質(zhì)改變，進(jìn)而會誘發(fā)煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動力災(zāi)害，對煤礦安全高效生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。煤礦采掘過程引起煤體及圍巖受力狀態(tài)產(chǎn)生劇烈變化，產(chǎn)生損傷和破壞，從而引發(fā)煤巖動力災(zāi)害。研究人員對煤巖體承載受力、變形及破裂特征進(jìn)行了大量的研究和探討。不同加載速率會對巖石材料的力學(xué)狀態(tài)、能量演化及紅外響應(yīng)等產(chǎn)生重要影響[1]。同時，在生產(chǎn)實(shí)際中，巖石內(nèi)部存在大量孔裂隙和天然缺陷，裂隙是巖體力學(xué)指標(biāo)的重要影響因素，對破壞過程中應(yīng)力集中與能量變化起著控制作用[2-4]。

20 世紀(jì)90 年代初，法國學(xué)者[5]率先進(jìn)行巖石、混凝土等非均質(zhì)材料受載破裂過程的紅外輻射實(shí)驗(yàn)。國內(nèi)學(xué)者基于發(fā)生地震時地面增溫及紅外異常現(xiàn)象的觀測，同樣對巖石進(jìn)行了不同條件下的紅外輻射實(shí)驗(yàn)。徐秀登等[6-8]對發(fā)生在我國及周邊地區(qū)40 多次地震震前的衛(wèi)星熱紅外圖像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)熱紅外異常多在震前1 個月內(nèi)突然出現(xiàn)，且異常幅度顯著，與震級一般呈正相關(guān)性；WU等[9-10]、劉善軍等[11-12]進(jìn)行了多種煤巖、不同加載方式下的紅外輻射試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)煤巖破裂前存在升溫或降溫異常前兆，表面紅外熱像能夠反映破裂的位置和破壞形式，在此基礎(chǔ)上，提出了利用熵值、分型維度及方差3 種新的指標(biāo)反映煤巖破裂過程中的紅外輻射演化規(guī)律；楊志良等[13]對不同類型砂巖進(jìn)行紅外輻射觀測實(shí)驗(yàn)，研究表明砂巖的AIRT 總體呈波浪下降趨勢，紅外效應(yīng)與顆粒大小密切相關(guān)，顆粒越大，紅外熱效應(yīng)越明顯；徐忠印等[14]發(fā)現(xiàn)紅外輻射可以有效監(jiān)測巖石的應(yīng)力變化，而微波輻射能夠探測試樣裂紋的發(fā)育過程，二者在巖石破裂前均出現(xiàn)了早期異常前兆；周子龍等[15]開展了不同加載速率下花崗巖的紅外輻射觀測試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨加載速率的變化，平均紅外溫度變化量與紅外熱像的演化均表現(xiàn)出規(guī)律性特征，紅外輻射效應(yīng)隨加載速率的增大愈發(fā)明顯；閆順璽等[16]、皇甫潤等[17-18]對片麻巖變形過程紅外輻射特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)紅外輻射溫度與應(yīng)力有良好的對應(yīng)關(guān)系，最高溫度在巖石失穩(wěn)時會有大幅溫度提升，并在之后的研究中利用方差、分形維數(shù)及分異速率等指標(biāo)反映紅外輻射演化特征；馬立強(qiáng)等[19]、田豐等[20]分別對泥巖和砂巖試樣的紅外輻射規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)試樣失穩(wěn)破裂時均出現(xiàn)突然升溫現(xiàn)象，之后利用熱電偶多路溫度測試儀對裂紋發(fā)育過程中試樣的物理溫度進(jìn)行測量，證明了裂紋起裂前物理溫度與紅外溫度均出現(xiàn)突增現(xiàn)象，能夠借此監(jiān)測巖石裂紋發(fā)育的關(guān)鍵時刻；SHEININ 等[21]研究了不同加載速率下力學(xué)性能與紅外輻射特征的時空關(guān)聯(lián)性，研究表明巖石應(yīng)力狀態(tài)的變化會使其對應(yīng)的紅外輻射信息產(chǎn)生變化，證明了利用紅外輻射數(shù)據(jù)識別材料變形過程的不同階段是具有可行性的；姜永鑫等[22]研究了不同加載速率下的聲熱特征及破壞前兆信息，研究表明不同加載速率下的聲熱變化規(guī)律基本一致，煤巖發(fā)生失穩(wěn)破裂時，溫度突變，最高紅外溫度的峰值隨加載速率的增大而增大；MINEO 等[23]提出了1 種通過紅外熱像間接評估孔隙度的新測試方法，為進(jìn)一步細(xì)化已有成果，進(jìn)行更大規(guī)模的模型驗(yàn)證奠定了基礎(chǔ)。從上述實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)捕捉煤巖失穩(wěn)破裂的前兆信息，以及測試現(xiàn)場真實(shí)條件下煤巖采動破壞過程的紅外輻射信號，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測煤巖動力災(zāi)害發(fā)生的危險性；對研究煤巖力學(xué)破壞機(jī)制及動力災(zāi)害預(yù)警技術(shù)具有重要的理論和實(shí)踐意義[24-25]。

綜上所述，對不同加載速率下巖石力學(xué)特性及能量演化的研究已經(jīng)取得了一定的成果，同時，紅外輻射技術(shù)的深入發(fā)展為精準(zhǔn)識別災(zāi)害異常信息提供了可能。目前的研究主要集中于煤巖破壞過程中紅外輻射溫度及熱像云圖研究，對巖石破裂過程中的紅外輻射能量化分析的研究較少。基于此，對不同加載速率下的粉砂巖進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，分析加載速率對試樣破壞過程中紅外輻射能演化特征的影響，研究機(jī)械功與紅外輻射能之間的時空關(guān)聯(lián)性，從能量角度解釋了巖石破壞機(jī)制及紅外輻射溫度變化規(guī)律。

1 紅外輻射測試系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)方案

1）試樣制備。實(shí)驗(yàn)巖石取自內(nèi)蒙古鄂爾多斯薛家灣露天礦，巖樣為結(jié)構(gòu)均勻、具備層理的粉砂巖。為了使試樣破壞狀態(tài)統(tǒng)一可控，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對一致，將新采巖石送至實(shí)驗(yàn)室加工成50 mm×50 mm×100 mm 的預(yù)制裂隙試樣，預(yù)制裂隙角度α為45°，裂隙尺寸l=20 mm×1 mm，并利用磨石機(jī)將試樣兩端打磨平整。提前48 h 將巖樣放置于屏蔽室內(nèi)，保證巖樣溫度與環(huán)境溫度保持一致。

2）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。單軸壓縮條件下巖石破壞紅外輻射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：紅外輻射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、電磁屏蔽系統(tǒng)以及攝像系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)在GP6 電磁屏蔽室內(nèi)進(jìn)行，能夠極大地降低外部對實(shí)驗(yàn)的各種干擾信號。利用YAW4306 型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，能夠?qū)?shí)驗(yàn)過程中的時間、載荷及位移數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行導(dǎo)出；紅外熱像儀為Optris PI450，其光學(xué)分辨率為382×288 像素，光譜測量范圍為7.5～13 μm，最大拍攝幀頻為80 Hz，熱靈敏度為0.04 K。

3）實(shí)驗(yàn)方案。為保證紅外數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在壓力機(jī)周圍布置1 塊浸水的遮光布，以防環(huán)境溫度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾，只留1 個方向用于紅外監(jiān)測。將試樣分為4 組，實(shí)驗(yàn)采用力控制加載，分別以200、250、300、350 N/s 的速率加載至試樣破壞，根據(jù)加載速率對試樣進(jìn)行編號。實(shí)驗(yàn)開始后將加載設(shè)備和紅外熱像儀調(diào)整為統(tǒng)一時間并同時開啟，使各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保持同步，以便后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

2 粉砂巖受載破壞紅外輻射特性

2.1 粉砂巖受載壓縮熱力響應(yīng)特性

為了減少環(huán)境對紅外輻射效應(yīng)的影響，采用紅外軟件PI connection 的差值模式，加載過程中熱像圖上像素點(diǎn)顯示的溫度值為當(dāng)前時刻溫度減去第一幀對應(yīng)的溫度計算得到的溫度值。ΔTmax為差值模式下某一時刻試樣表面紅外熱像上所有像素點(diǎn)對應(yīng)紅外輻射溫度的最大值；ΔTave為差值模式下某一時刻試樣表面紅外熱像上所有像素點(diǎn)對應(yīng)紅外輻射溫度的平均值。本研究使用ΔTmax、ΔTave來描述加載過程中表面溫度場的變化規(guī)律，不同加載速率下應(yīng)力、溫度與時間的關(guān)系曲線如圖1。

圖1 巖樣載荷-溫度曲線Fig.1 Load-temperature curves of rock specimens

分析圖1 可以看出：加載速率為350 N/s 巖樣的峰值應(yīng)力最小，為10.31 MPa；而200 N/s 的巖樣峰值應(yīng)力最大，為15.590 MPa；隨著加載速率的增加，峰值應(yīng)力整體表現(xiàn)出減小的趨勢。周洋等[26]認(rèn)為砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)不夠致密，孔隙較多，應(yīng)力釋放速率并不會隨加載速率的增大出現(xiàn)顯著下降，反而大孔隙會增大應(yīng)力釋放速率，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。

不同加載速率下的巖樣，整個加載過程中表面溫度均呈現(xiàn)緩慢增溫趨勢，臨近破裂時刻急劇增長，最高溫差突增范圍為1.0～1.7 ℃，預(yù)示著巖樣失穩(wěn)破裂。試樣抗壓強(qiáng)度較低，結(jié)合試樣破壞的形態(tài)特征，整體表現(xiàn)出塑性變形特征。ΔTave相對于ΔTmax來說，破裂時刻的變化幅度很小，這是由于裂隙擴(kuò)展階段的溫度變化主要由摩擦熱效應(yīng)和斷裂效應(yīng)主導(dǎo)，巖石破裂伴隨有不同類型裂紋的增多和貫通，張拉裂紋的產(chǎn)生吸收能量，而剪切裂紋壁之間的頻繁摩擦錯動導(dǎo)致裂紋處形成熱量積聚，兩相平衡、抵消并隨加載過程而動態(tài)變化，導(dǎo)致試樣破裂時ΔTave小幅度變化。

試樣V250-1 不同受載時刻下的實(shí)物破壞圖與紅外熱像差值云圖如圖2 和圖3。

圖2 巖樣不同受載時刻下實(shí)物破壞圖Fig.2 Physical damage diagrams of rock samples under different loading times

圖3 巖樣不同受載時刻下的紅外熱像差值云圖Fig.3 Infrared thermal difference cloud images of rock specimens at different loading times

從裂紋演化特征分析，載荷水平較低時，試樣表面紅外溫度整體偏低，且分布均勻；之后，表面溫度隨著載荷的增加而升高。試樣的破壞形態(tài)表現(xiàn)為翼型裂紋，以預(yù)制裂隙尖端為初始點(diǎn)的剪切破壞為主，云圖同樣表現(xiàn)出高溫異常區(qū)域，隨后裂紋不斷擴(kuò)展，并伴隨有巖石碎片的崩落，最終形成高溫條帶狀區(qū)域。

2.2 紅外輻射能的定量關(guān)系

巖石受載壓縮過程中引起的紅外溫度變化實(shí)際上是1 個能量積蓄及轉(zhuǎn)化的復(fù)雜效應(yīng)，其發(fā)生的過程自始至終都伴隨著能量的積累與釋放。1879 年，斯蒂芬通過實(shí)驗(yàn)計算證明了黑體的輻射強(qiáng)度與溫度四次方線性相關(guān)，即[27]：

式中：ET為溫度為T時黑體的總體輻射強(qiáng)度；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.669 6×10-8W/(m2·K4)。

該公式只適用于黑體輻射，但在自然界中，黑體幾乎是不存在的，一般物體輻射能量總要比黑體輻射能量小，表達(dá)式為：

式中：Wλ為溫度為T時一般物體的總體輻射強(qiáng)度；ε為物體的發(fā)射率。

試樣在加載過程中的紅外輻射能量能夠通過計算材料的總體輻射強(qiáng)度與面積的乘積并積分獲得，表示為：

式中：Q為物體在溫度為T時的累計紅外輻射能量；Wλi、ti分別為Wλ-t曲線上對應(yīng)的輻射強(qiáng)度、時間值；S為試樣正對紅外熱像儀的表面面積。

普雷夫定則[28]認(rèn)為，單位時間內(nèi)，如果2 個物體吸收的能量不同，則它們放出的能量也不同。即在單位時間內(nèi)，一個物體發(fā)出的能量等于它吸收的能量。將初始溫度T0定義為巖樣在常態(tài)下的表面溫度，則累計紅外輻射能增量ΔQ的表達(dá)式為：

式中：Q0為指巖石在常態(tài)溫度T0時的累計紅外輻射能量。

累計紅外輻射能增量ΔQ定量反映了巖石受力加載過程中獲得的紅外輻射能的變化特征，能夠有效表征巖體溫度場階段性的演化特征和空間分布。

不同加載速率下巖樣受載過程中預(yù)制裂隙處積累的紅外輻射能增量隨時間變化的關(guān)系曲線如圖4。

圖4 不同加載速率下巖樣的累計紅外輻射能增量變化曲線Fig.4 Curves of cumulative infrared radiation energy increment of rock specimens under different loading rates

可以看出：加載速率在較低范圍時，累計紅外輻射能增量在孔裂隙壓縮階段呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢，這是由于試樣內(nèi)部存在大量的孔裂隙和原生缺陷，壓縮閉合過程中發(fā)生錯動摩擦，形成熱量積聚，引起紅外輻射能增長；而隨著加載速率超過300 N/s 后，孔裂隙壓縮階段的紅外輻射能增量則基本在0 值附近小幅波動。試樣進(jìn)入線彈性階段后，紅外輻射能與時間整體表現(xiàn)為線性關(guān)系，呈正相關(guān)性。

不同加載速率下試樣失穩(wěn)破裂時的紅外參數(shù)變化見表1。

表1 不同加載速率下巖樣紅外參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of infrared parameters of rock specimens under different loading rates

由表1 可以看出：累計紅外輻射能增量隨加載速率增大呈現(xiàn)出減小的趨勢，說明了加載速率會對巖樣表面和微破裂發(fā)生熱傳遞產(chǎn)生影響，速率過快抑制了巖石的熱耗散。

2.3 機(jī)械功與紅外輻射能之間的定量關(guān)系

通過對紅外輻射能增量隨機(jī)械功的變化規(guī)律進(jìn)行研究并揭發(fā)其性質(zhì)，有助于判斷粉砂巖壓縮破裂等前兆信息。計算壓機(jī)的軸向壓力與壓頭位移的乘積并積分獲得試樣在受載過程中所接受的機(jī)械功，可表示為：

式中：W為試樣在受載過程中所接受的機(jī)械功；Fi、li分別為載荷-位移曲線上對應(yīng)的壓機(jī)軸向壓力、位移值。

繪制的不同加載速率下巖樣受載過程中累計紅外輻射能增量與機(jī)械功的關(guān)系曲線如圖5。

圖5 不同加載速率下累計紅外輻射能增量與機(jī)械功的曲線Fig.5 Curves of cumulative infrared radiation energy increment and mechanical work under different loading rates

圖5 中紅外輻射能隨機(jī)械功的變化可以分為3 個階段：①壓密階段：巖石內(nèi)部存在微孔裂隙，錯動摩擦引起紅外輻射能緩慢增長；②持續(xù)增長階段：試樣的初始紅外輻射能增量變化速率較快，但升高速率逐漸變小；③失穩(wěn)破裂階段：試樣失穩(wěn)破裂后，紅外輻射能增量增長速率幾乎為0，趨于平緩，轉(zhuǎn)化效率逐漸減小，此時紅外差值云圖中呈現(xiàn)出顯著的高溫條帶狀區(qū)域分布。

單軸加載過程中，巖石的機(jī)械功與紅外輻射能對試樣內(nèi)部裂紋的萌生及擴(kuò)展有所響應(yīng)，將不同加載速率下在臨近巖樣破壞前紅外輻射能增量的增長速率明顯下降點(diǎn)作為巖樣的“臨界前兆點(diǎn)”對圖5 的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析得到了不同速率下巖樣破壞的臨界前兆點(diǎn)，紅外熱效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 紅外熱效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of infrared thermal effect

紅外前兆比為試樣失穩(wěn)破裂時對應(yīng)的機(jī)械功減去臨界前兆點(diǎn)再與失穩(wěn)破裂時對應(yīng)機(jī)械功的比值，能夠有效衡量巖石材料的破壞形態(tài)，其值越小表明脆性越強(qiáng)，反之塑性越強(qiáng)；并且能夠反映巖體失穩(wěn)破裂時的激烈程度，其值越小表明巖體發(fā)生主破裂時越激烈。不同加載速率下試樣損傷臨界前兆點(diǎn)的波動范圍為9.519～11.466 J，紅外前兆比的范圍為0.02～0.285。隨著加載速率的增大，臨界前兆點(diǎn)距巖樣失穩(wěn)破壞的間隔逐漸減小。

綜上所述，不同加載速率下巖樣的累計紅外輻射能量增量與機(jī)械功之間呈冪函數(shù)關(guān)系，隨著巖樣在受載過程中所接受的機(jī)械功不斷增加，試樣表面監(jiān)測得到的累計紅外輻射能增量呈現(xiàn)出先增大后緩慢增長的趨勢，而紅外前兆比隨加載速率的增大逐漸減小。

3 結(jié)語

1）隨著加載速率的增加，峰值應(yīng)力表現(xiàn)出減小的趨勢。相對于差值模式下紅外輻射溫度平均值ΔTave，差值模式下紅外輻射溫度最大值ΔTmax更能反映試樣的失穩(wěn)破壞情況，ΔTmax的最高溫差突增范圍為1.0～1.7 ℃。試樣發(fā)生主破裂時，裂隙尖端開始出現(xiàn)對應(yīng)于裂紋的高溫異常區(qū)域，并不斷擴(kuò)展發(fā)育呈現(xiàn)高溫條帶狀區(qū)域。

2）低加載速率下的累計紅外輻射能增量在孔裂隙壓縮階段緩慢增長，隨著加載速率的增大，累計紅外輻射能增量波動幅度減小；進(jìn)入線彈性階段后，曲線關(guān)系整體表現(xiàn)為線性關(guān)系，呈正相關(guān)性。破裂時對應(yīng)的累計紅外輻射能增量隨加載速率增大逐漸減小。

3）不同加載速率下巖樣的累計紅外輻射能量增量與機(jī)械功之間呈冪函數(shù)關(guān)系。累計紅外輻射能量增量隨機(jī)械功的增長呈現(xiàn)出先增大后緩慢增長趨勢。不同加載速率下試樣損傷紅外前兆比的范圍為0.02～0.285，且隨加載速率逐漸減小。