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。     

岩巷岩体失稳破坏的红外和声发射联合监测预警技术研究

对岩巷工程灾害的预警预报和应急响应是减少人员伤亡和经济损失的重要途径,通过红外辐射和声发射联合监测含孔岩石在受力过程中的物理变化可以有效地模拟岩巷工程灾害演化与爆发。为此,开展了 含孔洞岩石加载过程的红外辐射和声发射联合监测试验,对含孔洞岩石加载的红外辐射和声发射特征以及二者之间的关系进行了研究。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,特别在最后阶段, 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,前兆时间平均为95.71%峰值应力;②声发射能率和声发射率曲线具有阶段性变化特征,在后期阶段普遍存在岩石破坏的前兆特征,前兆时间平 均为82.68%峰值应力;③岩石加载后期,红外与声发射前兆具有递进性,即声发射前兆早于红外前兆,两者的时间分界线在92%~95%峰值应力;④红外和声发射变化特征的关系与岩石的损伤破裂演化以及两种监测技术 的特点有密切关系。根据试验结果,提出了岩巷岩体失稳破坏的红外和声发射联合监测预警技术,讨论了两种技术的互补性,并给出了联合监测预警的技术流程,供相关研究和现场监测参考。     

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。     

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.     

单轴压缩条件下饱水粉砂岩红外温度场的分形特征研究

为探寻单轴压缩下饱水粉砂岩破裂过程中的红外辐射特性,引入分形理论,通过盒维数法计算出饱水粉砂岩红外温度场的分形维数,结合方差对单轴压缩下饱水粉砂岩的分形特征进行分析。结果表明:红外温度场的分形维数不仅能够表征饱水粉砂岩变形过程中裂纹发育的几何特征,同时也体现了裂纹发育过程中的动力学特征;较方差而言,分形维数对岩石加载过程的红外温度场变化更为敏感;分形维数在弹性阶段以及表征饱水粉砂岩试样破裂的红外前兆方面刻画效果优于方差。     

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。     

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。     

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。     

粉砂岩破裂失稳过程的红外高温区域异常前兆

临破裂岩石自身突变所引起的红外温度场异常可能主要集中于某一较小区域内。为从局部层面探寻岩石破裂失稳过程的红外异常前兆,进行了粉砂岩单轴压缩下的红外监测实验,根据直方分布特征将红外温度场划分为包括高温区域在内的三个温度区域,并以高温区域特征值变化异常为重点展开研究。结果表明:粉砂岩破坏失稳过程中存在红外高温区域异常前兆,其表征形式主要包括高温区域面积比、温均面积比(面积比/极差)等形式;面积比、温均面积比异常前兆表现为临破裂突增异常,出现频率分别可达80%和60%;另外,高温区域异常前兆普遍晚于峰值应力出现。研究结果对岩石受力灾变的红外监测及预警具有一定的工程应用价值。     

基于欧氏距离的单轴压缩下粉砂岩热图像演化特性研究

为探寻粉砂岩破裂失稳过程红外异常,引入欧氏距离的方法,通过计算粉砂岩试样各相邻时刻欧氏距离,对单轴压缩条件下粉砂岩红外辐射温度场演化特性进行研究,结合熵值、方差两种指标演化趋势验证欧氏距离方法的可用性。结果表明:欧氏距离、熵值法和方差均能较好地刻画粉砂岩红外辐射温度场各个阶段;压密阶段至弹性阶段前期,欧氏距离存在较多大幅度突升值,表征这一时段内试件自身存在的微裂隙被压缩,产生热摩擦效应,欧氏距离与熵值、方差刻画能力相当;弹性阶段后期至塑性阶段,欧氏距离呈较为平稳起伏交替,表征裂隙稳定发育,欧氏距离刻画能力劣于熵值、方差;峰后阶段,欧氏距离出现大幅度突升,且幅度、频率均大于前面的阶段,表征粉砂岩试样即将破裂,欧氏距离刻画能力优于熵值、方差。     

不同加载速率下煤岩声发射与红外辐射特征研究

为了研究煤岩受载破坏过程中不同加载速率下的声发射和红外辐射特征以及破坏前兆信息,进行煤岩在不同加载速率下的单轴压缩试验。试验结果表明:在煤岩试样变形破坏的4个典型阶段,每个阶段的煤岩具有不同的声发射和红外辐射特征,不同加载速率下的声发射和红外辐射规律各基本一致。线弹性阶段红外辐射温度的下降趋势较初始压密阶段略有减缓,在塑性阶段煤岩试样持续升温,温度最低点在线弹性阶段。随着加载速率的增加,平均AE计数和平均AE能量均增大,峰值点附近的声发射活动更为剧烈,峰值处释放的能量的最大值呈递增趋势;红外辐射温度呈现典型的降转升型,温度由降转升点提前;煤岩发生破坏时,温度发生突变,最高红外辐射温度的最大值随加载速率的增大而增大。红外辐射温度与声发射计数呈较高的正相关关系,相关系数达0.79～0.99。不同加载速率下声发射测试结果反映出的试样损伤临界前兆点的波动率为71.3%～95.6%,红外临界前兆点的标准差为0.75～0.92。     

受载岩石红外辐射的影响因素及机理分析

在总结过去实验的基础上，对岩石在加载过程中产生红外辐射的影响因素（加载速率、加载方式及岩性）及机理进行了分析和讨论。认为：1）随着加载速率的上升，温度上升加快。但在加载速率2.75×10-5/s到1.65×10-4/s的变化范围，单位应变内岩石红外辐射无明显规律性的变化；2）岩石压缩加载辐射温度上升，而拉伸加载辐射温度下降；3）不同岩性的岩石，因其矿物成分、结构及构造的差异，使得加载过程中的红外辐射规律不同；4）加载岩石红外辐射变化规律受两种热效应——热弹效应和摩擦热效应控制，两种热效应在不同的加载阶段所起的作用不同。     

煤岩破裂过程中应力对红外辐射的控制效应试验

煤岩破裂是引发突水与煤柱失稳等矿山灾害的根本原因,准确有效地对煤岩受力破裂过程(裂隙发育过程)进行监测预警,是实现矿山保水开采和岩层控制的重要基础。煤岩在受力破裂过程中,伴随着应力调整会发生红外辐射变化,为探索应力变化与红外辐射变化之间的量化关系,提出煤样表面红外辐射方差突变系数新指标,进行煤单轴加载红外辐射观测实验研究。研究结果表明,应力对单轴加载煤样的红外辐射普遍具有控制效应,50 mm×50 mm×50 mm煤样表现出控制效应的比例约为93%;50 mm×50 mm×100 mm煤样表现出控制效应的比例约为85%。在红外辐射试验中,煤样表面红外辐射方差突变系数平均达到煤样应力调整系数的2个数量级,可运用此特征对承载煤岩体裂隙发育及破裂状况进行红外实时监测。同时,应力对红外射的控制效应具有时间滞后性,50 mm×50 mm×50 mm煤样的红外辐射方差突变平均滞后其应力调整时刻约2.7 s,50 mm×50 mm×100 mm煤样的红外辐射方差突变平均滞后其应力调整时刻约2.9 s。     

采动裂隙煤岩破裂过程热红外辐射异化特征

高应力强卸荷下煤岩动力破坏现象频发,明确煤岩破裂前兆信息是保障深部煤炭安全开采的重要内容。为定量研究采动裂隙煤岩破裂过程热红外辐射异化特征,采用实验手段分析受载下裂隙煤岩体损伤直至破裂过程热红外辐射温度时域演化规律与异常区域迁移特征,对比分析预制结构面对红外辐射异化特征的影响,揭示热红外辐射温度场与声发射耗散能量间的关系。结果表明:裂隙煤岩破裂过程热红外辐射温度时域演化规律划分为Tave的平静、小幅波动、快速增加和快速降低4个阶段。Tave极值出现在0.77σp,可作为煤岩临近破裂的前兆特征;热红外辐射异常区域的迁移特征可作为煤岩破裂的重要前兆现象,σ≥0.30σp开始出现大面积整体性升温,σ≥0.77σp温度仍保持整体性增加,但温度最大值开始降低,σ≥σp以热红外辐射低温异常区域为主;预制结构面的存在对裂隙煤岩的力学响应特征起到决定性作用,且平行结构面造成的强度劣化最为显著,对岩石工程的安全影响最大。裂隙煤岩破裂红外辐射异常区域集于制结构面附近,红外辐射温度异常区域迁移与声发射能量突变基本保持一致。     

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。     

基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究

在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。结果表明：在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。     

花岗岩破裂及突水红外时空演化实验研究

通过对无水、无压水、承压水作用下花岗岩加载破裂失稳实验进行红外监测,研究花岗岩破裂及突水过程中红外辐射时空演化特征,以此实现对巷道掌子面破裂及突水灾害的监测和预报。实验结果表明:掌子面前方不含水体时,时序特征表现为前期线性升温,破裂前升温加速;空间上表现为破裂前高温区包围低温区。含无压水体时,时序上表现为温度曲线呈锯齿状;空间上表现为高、中、低温度区域划分,高温场破裂。含承压水体时,时序上表现为红外曲线呈升、降温交替变化,空间上表现为温度大幅度降低,呈现破裂低温场。利用红外监测技术,从时空特征角度综合分析,提取花岗岩巷道破裂及突水的前兆信息,可以降低实际工程中巷道突水事故的发生。     

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。     

饱水粉砂岩破裂过程中红外温度突变异常

岩石加载条件下微破裂的发育将引起岩石表面红外温度发生变化,临破裂岩石微破裂的加剧发育可能导致其红外温度发生突变异常。为从红外温度突变的角度探寻岩石受力灾变前兆,进行了粉砂岩单轴压缩红外-声发射实验,对热图像序列按1 s/帧进行重采样与差分处理,并从升温和降温2个过程、幅值和规模2个角度对受力岩石的红外温度突变特征进行研究。结果表明,临破裂粉砂岩存在红外温度突变异常前兆,包括突升异常、突降异常前兆与突变极值异常、突变点量异常前兆;对于低强度的粉砂岩,因张破裂较为发育而导致红外温度突降异常前兆的出现概率普遍高于突升异常前兆;突升异常、突降异常前兆之间具有负相关性,突变极值、突变点量异常前兆之间具有正相关性,4种形式的红外温度突变异常前兆既能相互补充,又能相互验证。