水岩耦合巷道掌子面破裂的红外时空演化特征

利用红外热像仪进行无水、无压水、承压水作用下石灰岩双轴加载破裂失稳观测实验,研究巷道掘进时掌子面破裂过程中的红外辐射时空演化规律,以此识别掘进方向的水体情况。实验结果表明:掘进前方不含水体时,掌子面破裂在时序上表现为温度线性升高,破裂前升温加速,在空间上表现为前期均匀升温,临近破裂前出现温度场分异,形成局部高温区,升温加速;掘进前方存在无压水时,温度曲线呈"一级台阶"状上升,热像表现为高温场包围低温场;掘进前方存在承压水时,温度曲线呈"波浪"状上升,热像交替升降温,最终大幅度降温。研究结果可为巷道开挖的遥感观测及巷道渗漏水预测提供理论指导。     

软岩巷道掘进突水过程红外时空演化特征研究

为了获取软岩巷道掘进工作面突水过程的红外时空演化特征,为实际工程巷道开挖过程中突水事故以及隧道渗漏水的时空预测与遥感监测提供理论基础,研究了粉砂岩双轴加载突水过程的红外辐射特征,从时、空要素综合预测识别突水信息。试验结果表明:1根据突水量的大小,将粉砂岩突水演化过程划分为"渗水→滴水→淋水→涌水"4个阶段;2粉砂岩突水不同阶段红外辐射温度曲线特征各不相同,其中升温速率加快可作为突水量增大的前兆,最低辐射温度出现骤升骤降预示突水的发生;3加载过程中,高温异常区即为渗水的发生位置,也是最终突水位置。渗水前10 s左右,对应渗水部位会出现高温异常,渗水发生后,高温异常转低温异常,且随着水量增大,降温幅度越大。利用红外热像仪,从时空综合预测角度研究突水的识别和监测预报,在一定程度上可以减少实际工程中突水事故带来的损失。     

花岗岩破裂渗水过程红外辐射与声发射特征研究

通过声发射仪、红外热像仪观测有水压条件下的花岗岩试样单轴加载实验,研究加载过程中试样的声发射与红外辐射特征以及花岗岩破裂与渗水的红外及声发射异常前兆。研究结果显示：随着应力的逐步增加,试样的红外辐射表现为早期均匀上升、中期局部高温异常、后期渗水区低温异常;在破裂及渗水过程中,红外辐射表现为高温辐射场包围低温辐射场;花岗岩破裂-渗水的红外异常前兆为渗水点出现明显的“先升后降”红外辐射现象; 32～128 kHz频段是花岗岩破裂渗水时声发射信号的特征频带,且在渗水前夕该频带能量呈百分比下降趋势,并在渗水发生时降至最低点。上述实验结果对巷道开挖过程中透水事故的遥感监测预警具有重要的意义。     

多场前兆信息辨识粉砂岩巷道突水模拟实验研究

采用高速照相机、红外热像仪和声发射系统对巷道掘进面突水过程进行监测,总结加载过程中可见光图像、红外辐射温度以及声发射参数变化规律,寻找粉砂岩巷道突水的前兆信息。研究结果显示,突水发生前,巷道掘进面的渗水面积因渗水量增大而出现扩大情况。随载荷的增加,突水呈现2种模式,即"渐变型"和"突增型"。2种模式的突水发生前均存在多场信息变化的前兆。"渐变型"突水发生前红外最低温曲线呈现"降转升"波动,声发射出现大量低能率事件。"突增型"突水发生前红外最低温曲线为"突升转平静"变化,声发射表现为大量高能率事件。经统计分析,3种监测手段对突水前兆响应顺序为:红外可见光声发射。由于巷道突水的复杂性,建议采用多场联合监测方法,为突水监测提供更可靠的预警信息。     

基于红外辐射时空演化的巷道岩爆实时预警方法实验研究

开展花岗岩巷道岩爆模拟实验,利用红外热像仪监测巷道岩爆全过程。分析岩爆过程中红外热像空间演化过程,引入统计学中方差理论,定量刻画岩爆过程温度场的时序演化特征。在此基础上,采用有限差分法,实时获取红外热像温度场分异速率,应用区间估计理论提取岩爆预警特征信号,建立岩爆实时预警方法。研究结果表明,岩爆过程和红外辐射时空演化存在对应关系:岩爆孕育阶段,红外温度场全局低温,无分异现象;颗粒弹射期,温度场开始出现高温集中,高、低温区域点状交替分布,温度场开始出现分异;片状剥离伴随颗粒混合弹射期,片状高温区域出现,随后高温区域短暂降温、扩散,分异程度急速上升后短暂下降;岩爆发生时,温度场内高温区域消失,分异程度骤降。基于温度场时序演化特征的量化研究,采用有限差分法实时获取温度场分异速率,将温度场稳定分异阶段分异速率数学期望置信度为0.99的置信区间上、下限设定为阈值,进行岩爆预警特征信号提取,将岩爆预警特征信号的第1次出现作为预警系统触发信号,建立基于红外时空演化的实时预警方法,为矿山灾害预警系统的建立提供理论指导。     

岩质边坡滑坡模拟及红外监测试验研究

边坡滑坡不仅对矿山生产安全形成威胁,甚至对本区域的脆弱生态环境带来极大的破坏,因此边坡稳定监测具有重要意义。通过再现某金属露天矿岩质边坡岩质试件的破坏演化过程,采用红外辐射热像仪对整个过程进行监测分析。研究结果表明,岩质边坡模型破坏过程中,红外辐射温度曲线的契合性较好,随着损伤破裂的发展,总体呈温度上升趋势。临近滑坡发生前,两种含水状态的边坡模型均出现了平均红外辐射温度AIRT曲线的跳变,其中饱水状态的边坡模型跳变幅度较大。当滑坡区域出现时,从红外热像图上表现为区域高温现象。为此,采用红外技术可从时间和空间上捕捉破裂发展信息,为矿山岩质边坡滑移及其它次生灾害的预防与监测提供了一定的理论依据。     

微地震监测在特厚煤层底板突水评价中的应用

特厚煤层综放开采对底板扰动大,在底板下方有承压含水层时,存在原生裂隙导水、采动裂隙导水、构造活化导水等底板突水灾害,动态监测底板裂隙的萌生、发展、贯通直至破坏过程是底板突水灾害有效预测、预警的关键。以平朔地区特厚煤层综放工作面回采过程中底板突水问题为研究背景,在工作面建立了一套自主研发的高精度微地震监测系统,实时获取采动过程中采场围岩破裂的三维特征,采用动突水系数法,对该工作面底板突水可能性进行了分析。研究表明:工作面向斜轴部以西90 m突水危险性增大,动突水系数达到峰值,但小于带压开采突水危险标准,认为工作面回采期间无突水危险。通过对比,动突水系数峰值位置与底板最大破裂深度位置具有明显的时空差异,且底板破裂深度峰值超前于动突水系数峰值,为通过底板破裂深度进行突水危险的实时预警提供了依据。     

水环境影响下花岗岩巷道岩爆红外辐射特性试验研究

以红外热像仪为观测手段,在室内进行了自然和饱水状态下花岗岩试样的巷道岩爆模拟试验,对水环境效应下花岗岩巷道岩爆的红外辐射特性进行了研究。研究发现饱水试样岩爆发生剧烈程度有所减弱,能量释放速率更为缓慢。水环境影响下,岩石试样的红外三种辐射温度(平均、最高、最低红外辐射温度)具有不同的变化规律:岩爆过程中,饱水花岗岩AIRT与载荷的关系更为密切,增温幅度大于自然试样。在岩爆发生时,饱水花岗岩MAIRT升温幅度小,MIIRT的下降幅度大于自然状态下试样。该研究为地下工程中岩爆红外辐射预警技术提供理论基础。     

基于极差的受载含孔洞岩石红外辐射温度场的定量分析

以岩石含孔结构模拟地下巷道,开展了含孔洞岩石加载过程的红外辐射监测实验。对含孔洞岩石加载的红外辐射温度场的时空变化特征进行了研究,引入极差参数作为红外辐射温度场的定量刻画指标,重点讨论了极差曲线的变化特征,以及极差与特征粗糙度、熵和方差的异同。结果表明：①极差曲线随应变的变化具有明显的阶段性特征,表现为低水平发展、稳定上升和快速上升 3 个阶段;②在最后阶段,极差曲线加速上升并出现突跳点,反映了温度场的分异现象和前兆特征,前兆时间点平均为 0.88 峰值应力;③在特征粗糙度、熵、方差和极差这 4 个参数中,特征粗糙度和极差的阶段性变化特征最明显,有利于岩石加载阶段的识别与判定,方差次之,熵最差;特征粗糙度和极差波动性最大,对岩石加载过程的红外温度场变化更为敏感,熵次之,方差最光滑;极差的前兆点易识别性最大,特征粗糙度次之,熵和方差最小;在前兆时间上,4 个参数处于 0.87~1 峰值应力区间,平均为 0.94σmax,其中极差最早,特征粗糙度次之,熵和方差最晚,不同参数的前兆时间差有利于增强岩石破裂预警的临近渐进性和识别可靠性;从计算的难易程度上看,特征粗糙度和熵最复杂,方差次之,极差最为简单。本研究成果丰富了遥感 —岩石力学的内容和红外辐射温度场定量表达方法,为岩巷岩体失稳破坏的红外监测及预警提供了实验基础。     

基于极差的受载含孔洞岩石红外辐射温度场的定量分析

以岩石含孔结构模拟地下巷道，开展了含孔洞岩石加载过程的红外辐射监测实验。对含孔洞岩石加载的红外辐射温度场的时空变化特征进行了研究，引入极差参数作为红外辐射温度场的定量刻画指标，重点讨论了极差曲线的变化特征，以及极差与特征粗糙度、熵和方差的异同。结果表明：①极差曲线随应变的变化具有明显的阶段性特征，表现为低水平发展、稳定上升和快速上升 3 个阶段；②在最后阶段，极差曲线加速上升并出现突跳点，反映了温度场的分异现象和前兆特征，前兆时间点平均为 0.88 峰值应力；③在特征粗糙度、熵、方差和极差这 4 个参数中，特征粗糙度和极差的阶段性变化特征最明显，有利于岩石加载阶段的识别与判定，方差次之，熵最差；特征粗糙度和极差波动性最大，对岩石加载过程的红外温度场变化更为敏感，熵次之，方差最光滑；极差的前兆点易识别性最大，特征粗糙度次之，熵和方差最小；在前兆时间上，4 个参数处于 0.87~1 峰值应力区间，平均为 0.94σmax，其中极差最早，特征粗糙度次之，熵和方差最晚，不同参数的前兆时间差有利于增强岩石破裂预警的临近渐进性和识别可靠性；从计算的难易程度上看，特征粗糙度和熵最复杂，方差次之，极差最为简单。本研究成果丰富了遥感 —岩石力学的内容和红外辐射温度场定量表达方法，为岩巷岩体失稳破坏的红外监测及预警提供了实验基础。     

潮湿煤体压缩破裂过程中红外辐射演化特征研究

为探寻水分对煤体破裂过程表面温度分布的影响,对不同含水率试样进行加载破裂试验,研究其表面红外辐射温度的演化特征,并以平均红外辐射温度AIRT、温度极差R、分形维数D、红外热像特征进行分析研究.结果 表明:干燥、潮湿试样表面平均红外辐射温度总体上均表现为随载荷增加呈下降趋势,但在临近破裂时出现了明显异常:干燥试样表现为升...     

煤样单轴压缩破坏红外温度临界慢化前兆研究

为研究煤样受载破坏过程中有效前兆信息,开展了煤样单轴压缩加载试验,分析了在相同加载方式下煤样红外辐射温度变化特征,运用临界慢化理论对煤样最高红外辐射温度进行处理,比较了最高红外辐射温度的方差和自相关系数,分析了方差、最高红外辐射温度以及载荷在时间上的变化特征。结果表明:煤样在受载前期和中期最高和平均红外温度变化趋势基本保持一致,受载后期最高红外温度在煤样损伤点处呈上升趋势,主破裂发生时,最高红外辐射温度急剧上升,而平均红外温度在主破裂时并未表现出明显变化;方差和自相关系数均受窗口长度和滞后步长的影响,但方差曲线受窗口长度影响较大;对比红外降温前兆点和红外升温突增点,方差对煤样失稳破坏的预测更加的精准。     

单轴压缩下片麻岩红外辐射特征研究

为探究不同层理方向岩石变形破坏过程中的红外异常,开展了单轴压缩下片麻岩红外辐射试验,结合应力、平均温度、方差、温度场分异速率、热像图多种指标研究了破裂过程红外辐射温度的演化特征。结果表明:不同层理片麻岩加载过程红外辐射温度场的演化特征具有相似的阶段性和变化趋势。发现平均红外辐射温度和应力二者之间有较强的线性关系,相关系数均在0.90以上;水平层理试件辐射温度升温速度高于竖直层理试件。方差曲线随应力变化可分为3个阶段,压密及弹性阶段较小且变化平缓,破坏阶段发生大幅度陡升;加载中期和后期出现的异常特征点可作为岩石失稳的前兆信息。对方差求导获取温度场分异速率,定义其第1次偏移0值的点和临破坏偏移0值的点为一、二级预警信号;得出时间预警优于应力预警,且竖直层理试件能达到损伤最低值。红外图像经过多步骤算法降噪处理,图像质量明显增强;前期热像表面呈均匀缓慢变化,中期随应力增加逐渐升温,临近破坏时,热像在破裂位置出现高温辐射异常,其他区域出现低温异常,这种分异现象是岩石失稳的重要红外前兆特征。     

基于瞬变电磁法的矿井含水体探测及水害防治研究

为了准确探测矿井含水体的特征并提出有效的矿井防治水方案,基于瞬变电磁法原理,利用地面半空间和井下全空间两种探测方法建立含水体与巷道之间的空间位置关系。通过对两种方法探测的结果进行解释分析,确定含水体位置。分析认为3条导水断层及巷道开挖引起的围岩裂隙扩展是导致巷道两帮涌水量大、顶板淋水的主要原因,断层3与巷道2之间形成的裂隙带是含水体与巷道连通的唯一主要导水通道。通过对补给水源、导水通道、水害原因等分析提出相应的注浆截水方案,取得了良好的效果。     

岩石破裂过程声发射和红外辐射特性及相关性实验研究

通过对花岗岩、粉砂岩和煤岩进行单轴加载声发射和红外观测实验,研究岩石破裂过程中声发射和红外辐射特性及二者的相关性。研究结果表明:岩石破裂过程中,声发射和红外辐射具有阶段性的特征,二者的变化规律与力学的阶段性变化有良好的同步性;岩石破裂前,声发射平静期和岩性有关,花岗岩破裂前出现易识别的声发射平静期,粉砂岩和煤岩无明显声发射平静期;岩石从弹性阶段进入塑性阶段,岩石的增温速率降低,应力致热效应降低。提出:以声发射事件率和平均红外辐射温度的空间相关性由连续有规律向离散无规律转变,相关系数在时间上持续降低作为岩石破裂前兆特征。由于实际应用时岩石破裂的复杂性,故可将声发射和红外两种手段相结合,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。     

巷道围岩红外温度场特征粗糙度演化过程研究

开展巷道岩爆室内模拟实验,利用红外辐射技术监测岩爆过程巷道围岩红外辐射温度场变化。模拟结果表明,岩爆过程中,巷道围岩红外辐射温度场值具有明显的阶段性演化特征,且在时序上与巷道破坏特征良好对应,可分为红外辐射温度场Ra稳定阶段,红外辐射温度场Ra下降阶段,红外辐射温度场Ra回升阶段,红外辐射温度场Ra激增阶段4个阶段。其中,临近岩爆时Ra值出现了"下降-回升"的特征,这一特征可作为岩爆发生之前红外辐射温度场的特异性前兆,对巷道岩爆预警具有借鉴意义。     

单轴压綊下片麻岩紎外辐射特征研究

为探究不同层理方向岩石变形破坏过程中的红外异常,开展了单轴压缩下片麻岩红外辐射试验,结合应力、平均温度、方差、温度场分异速率、热像图多种指标研究了破裂过程红外辐射温度的演化特征.结果表明:不同层理片麻岩加载过程红外辐射温度场的演化特征具有相似的阶段性和变化趋势.发现平均红外辐射温度和应力二者之间有较强的紧性关系,相关系数均在0.90以上;水平层理试件辐射温度升温速度高于竖直层理试件.方差曲紧随应力变化可分为3个阶段,压密及弹性阶段较小且变化平缓,破坏阶段发生大幅度陡升;加载中期和后期出现的异常特征点可作为岩石失稳的前兆信息.对方差求导获取温度场分异速率,定义其第1次偏移0值的点和临破坏偏移0值的点为一、二紓预警信号;得出时间预警优于应力预警,且竖直层理试件能达到损伤最低值.红外图像经过多步骤算法降噪处理,图像质量明显增强;前期热像表面呈均匀缓慢变化,中期随应力增加逐渐升温,临近破坏时,热像在破裂位置出现高温辐射异常,其他区域出现低温异常,这种分异现象是岩石失稳的重要红外前兆特征.     

花岗岩热冲击前后导热性能与特征对比试验研究

热冲击破裂对花岗岩的热物理性质造成了很大影响。为了探明热冲击对花岗岩的导热性能、导热特征的影响,对热冲击处理前后的花岗岩在传导加热条件下的温度场、温度梯度场进行试验测定。研究结果标明:(1)冲击热应力破坏了花岗岩矿物颗粒之间的结合状态,导致花岗岩固体骨架发生破裂,形成大量热冲击裂纹,最终导致花岗岩导热性能变差、导热特征异常;(2)热冲击破裂产生的裂纹对温度、温度梯度的分布有很大影响,且温度、温度梯度的分布与裂纹产生的位置具有高度相关性;(3)传导加热下花岗岩的升温过程可按照升温速率分为快速升温、缓慢升温、稳定3个阶段。(4)热冲击后花岗岩在传导加热过程中温度梯度到达峰值、稳定值的时间均受到热冲击前的用时长。热冲击对花岗岩导热性能的影响的研究促进了岩石热破坏理论的进一步发展。     

高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究

为了研究岩爆灾害的发生过程及其时空演化规律,通过含圆孔花岗岩试件进行不同侧向载荷下的岩爆模拟试验,利用微型摄像机、声发射(AE)系统和红外热像仪等监测系统,分析岩爆过程中的声发射时序、时频、时空特征及热成像温度运移规律。研究结果表明:孔洞的岩爆可分为平静期、颗粒弹射期、稳定破坏期、全面崩塌期4个阶段,岩爆试验演化过程及结果与工程现场相符,围岩曲屈破坏时σ_(θmax)≈(1. 38～1. 85)σ_c;随着侧向载荷的升高,孔洞在平静期积累的弹性应变能增加,颗粒弹射期能量释放率增大,岩爆进程加快,稳定破坏期持续时间先增加后减小,侧向载荷的增大对孔洞的承载能力起到先增强后弱化的效果;声发射振铃计数率的平静期可作为孔洞全面崩塌的前兆信号,围岩屈曲破坏前定位点开始局部集中,孔洞坍塌后定位点集中条带与试件主破裂面基本吻合,形成以圆孔为中心的"X"型共轭剪切破裂,稳定破坏期较颗粒弹射期低频比例增加,高频比例降低,低侧向载荷时破坏以中高频为主,高侧向载荷时破坏以中频为主;应力集中促使围岩红外温度场整体温度逐渐升高,呈现高温区嵌套低温条带的特点,岩爆时高温区由表面浅部向深部运移,在孔洞整体失稳坍塌前,岩爆坑温度急剧上升。     

深部采场突水构造矿井瞬变电磁法探查理论及应用

在分析深部采场水文地质特征基础上，采用矿井瞬变电磁探查技术查明深部采场突水构造位置.根据井下巷道的实际应用条件，将瞬变电磁技术应用到井下巷道内进行探测，开发了采用非接触式、多匝数和小回线（边长2 m左右）井下测量装置; 根据瞬变电磁场“烟圈效应”理论，推导出全空间瞬变电磁视电阻率计算公式和由视电阻率-时间曲线计算视电阻率-深度曲线的数学模型，对矿井瞬变电磁探查技术进行了研究;研究出应用于井下探测巷道周围空间不同位置、不同形态突水构造瞬变电磁探测装置、探查技术及资料处理和解释方法.采用矿井瞬变电磁法在多个矿井探测深部采场突水构造进行了实际应用，通过井下注浆或疏放降压钻孔验证，该方法探查深部采场突水构造位置是非常有效的矿井地球物理方法之一.