煤岩破裂过程中应力对红外辐射的控制效应试验

马立强，张 垚，孙 海，王烁康，NAJEEM Adeleke

(1.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116;2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；3.College of Earth and Mineral Sciences,Pennsylvania State University,State College,PA 16802,USA)

煤岩破裂过程中应力对红外辐射的控制效应试验

马立强1,2，张 垚1,2，孙 海1,2，王烁康1,2，NAJEEM Adeleke3

(1.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116;2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；3.College of Earth and Mineral Sciences,Pennsylvania State University,State College,PA 16802,USA)

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。

红外辐射；应力；方差突变系数；控制效应；滞后性；保水开采

煤炭资源开采中，水资源的流失与煤岩(岩石)破裂紧密相关。同时，煤岩破裂也是引发矿井突水及煤柱失稳等灾害的根本原因[1]。

如何准确有效地对煤岩受力破裂过程进行监测预警，是实现矿山保水采煤和岩层控制的重要理论基础[2]。岩石在受力破裂过程中，包括红外波段在内的电磁辐射强度会发生变化[3-7]。红外技术具有实时、无损、非接触和全场性监测等优点，且方便、快捷和经济[8-10]。通过研究煤岩受力破裂过程中的红外辐射特征，可对由煤岩破裂导致的矿山灾害进行监测预警[11-16]。为获得水作用下煤岩加载过程中的红外辐射特征，并利用该特征对保水采煤中的采动裂隙进行监测，邓明德、吴立新和刘善军等[17-18]先后进行了多种煤岩、不同含水率作用下的红外辐射观测试验研究。在上述研究过程，发现潮湿岩石加载过程中的红外辐射变化幅度大于干燥岩石,水对岩石受力时的红外辐射起到了推动作用。在平均红外辐射温度(AIRT)与应力变化的一致性方面，潮湿岩石优于干燥岩石，岩石失稳前单位载荷下潮湿岩石的AIRT升温幅度高于干燥岩石。

耿乃光、吴立新、刘善军和赵毅鑫等[19-22]，先后进行了多种煤岩、不同加载方式下的红外辐射观测试验研究，获得了煤岩破裂过程中红外辐射特征。在上述研究过程，发现岩石受力破裂过程中的红外辐射特征与应力作用方式及应力状态有关。随着压应力、剪应力上升，岩石表面AIRT总体呈上升趋势。随着拉应力上升，AIRT总体呈下降趋势。双轴加载试验时，岩石表面AIRT与正应力线性相。

但煤岩在受力破裂过程中，随着应力变化及裂隙的发育，其(表面)不同区域的温度场可能会产生相反的变化趋势。煤岩表面AIRT，以及最大红外辐射温度及最小红外辐射温度等指标只能反映岩石表面总体或局部的红外辐射状况，无法反映温度场的分异特征，不能很好地对岩石应力与红外辐射之间的定量关系进行描述，更不能有效表述岩石的裂隙发育与破裂状况。为此，刘善军、张艳博等提出红外辐射方差、熵、特征粗糙度等指标，定量研究了煤岩红外辐射的量化特征，发现随着应力变化，上述3个指标都对应表出现了明显的阶段性变化特征[23]。表明承载煤岩在裂隙发育及破裂过程中，其红外辐射能力会受到应力变化的影响，如能提取出合适的红外辐射指标，应可以发现承载煤岩的应力对其红外辐射能力的影响程度。

本文提出红外辐射方差突变系数新指标，通过煤岩单轴加载红外辐射观测实验，对岩石破裂过程中应力和红外辐射之间的定性与定量关系进行研究。

1 实验设计

1.1 实验设备及材料

实验加载设备采用SANS万能试验机，最大载荷300 kN。

红外辐射探测装置采用FLIR A615型红外热像仪，热灵敏度(NETD)< 0.05 ℃，红外分辨率为640×480像素，像素间距为17 μm，时间常数为8 ms，图像采集速率25帧/s，波长范围7.5～14 μm。

实验采用的煤样来自两个不同煤矿的整块煤，将其中一个整块煤加工成5块50 mm×50 mm×50 mm长方体标准试块，编号为An(n=1～5)；将另一个整块煤加工成16块50 mm×50 mm×100 mm长方体标准试块，编号为Bn(n=1～16)。

在实验前24 h将煤样放置在实验室中，使试样的温度与实验室的温度环境一致。

1.2 实验过程

试验开始前，将煤样放置在压力机加载平台上，在试样上、下端面各垫一层塑料薄膜以减小端部效应和热传导，使煤样的上、下端面与压力机充分接触压实。

将红外热像仪放置在距煤样正前方1 m处，采集速率设置为25帧/s；压力机设置为0.2 mm/min的等位移速率加载方式[24]。

将红外热象仪和压力机的时钟调整一致，红外热像仪和压力机同步记录煤样的红外辐射、应力和位移等信息。

图1 煤加载红外辐射观测系统示意

2 指 标

2.1 煤样原始红外热像序列矩阵及其方差

从红外热像仪录制成的煤样表面红外热像序列图(图2)中，导出二维温度矩阵，第z帧的温度矩阵为

式中，z为红外热像序列的帧数索引；x和y分别为第z帧温度矩阵的行号和列号。

图2 B4煤样红外热像序列

煤样二维温度矩阵的方差可以反映整个煤样表面温度场分异和离散程度，定义为

2.2 应力变化量与应力调整(突变)系数

煤岩在加载受力直至达到应力峰值并破裂的过程中。当煤岩内部发生(微)破裂时，应力会发生相应的调整[25]。应力变化量是指岩石应力调整前、后的绝对差值，定义为

式中,Δσ为岩石应力变化量;σ2为变化后的岩石应力值；σ1为变化前的岩石应力值。

应力调整(突变)系数是指应力变化量与调整前应力值的比值，定义为：

2.3 红外辐射方差变化幅度及其突变系数

红外辐射方差变化幅度是指岩石在加载过程中，煤样表面相邻两个时刻红外辐射温度方差变化量的绝对值，定义为

其中,ΔV为红外辐射热像温度方差变化幅度；V2为红外热像序列温度方差变化后的值；V1为红外热像序列温度方差变化前的值。

方差突变系数是指方差发生突变时，红外辐射方差变化幅度与岩石在整个加载过程中红外方差平均变化幅度的比值，定义为

其中,V′为红外辐射热像序列温度方差发生突变后的值;V为红外辐射热像序列温度方差发生突变前的值。

3 实验结果分析

3.1 应力对红外辐射的控制效应

绘制加载煤样的时间-应力曲线和时间-红外辐射方差曲线，如图3所示。

在煤样单轴加载整个过程中，当应力发生调整时，红外辐射方差几乎总是伴随着也发生突变，应力对红外辐射表现出了明显的控制效应。例如，A3煤样在应力调整的214.5,239.5,261.5,274.5和329.5 s等时刻，红外辐射方差几乎均对应发生了明显突变，如图3(a)，(b)所示。B6煤样在应力调整的458.3,505.5,543.4和568.8 s等时刻，红外辐射方差也对应发生了明显突变，如图3(c)，(d)所示。

3.2 红外辐射方差突变的普遍性

为全面分析煤样加载过程中应力与红外辐射的关系，尤其是应力突变和红外辐射突变的对应关系，将煤样应力调整系数统计临界值设为Eσ≥1%。

在单轴加载过程中，伴随着裂隙的发育扩展，煤样应力调整系数主要分布在20%以内。将应力调整系数划分为1%～5%(1%≤Eσ<5%),5%～10%,10%～15%,15%～20%和>20%五个级别。

表1统计了50 mm×50 mm×50 mm煤样承载过程中应力调整的次数、对应发生红外辐射方差突变的次数，以及红外辐射方差突变的次数占应力调整次数的百分比。表2统计了50 mm×50 mm×100 mm煤样的上述指标。

50 mm×50 mm×50 mm煤样共发生了15次应力调整，对应有14次红外辐射方差突变发生，比例达93.3%，可见应力对红外辐射方差具有很好的控制作用。其中应力调整系数介于1%～5%时，应力对红外辐射方差的控制比例为90.9%；当应力调整系数大于5%时，应力对红外辐射方差的控制比例均为100%。随着应力调整系数增大(突变程度大)，煤样应力调整次数在减少，但应力对红外辐射方差的控制比例在上升。

图3 加载煤样的时间-应力曲线和时间-红外辐射方差曲线

表1 50 mm×50 mm×50 mm煤样应力和红外辐射方差突变统计

注：统计红外辐射方差突变均是随应力调整而发生突变，表2同。

表2 50 mm×50 mm×100 mm煤样应力和红外辐射方差突变统计

Table 2 Sudden change of infrared radiation variance and stress of 50 mm×50 mm×100 mm coal specimens

Eσ1%～5%5%～10%10%～15%15%～20%≥20%总计应力调整次数19843640红外辐射方差突变次数14743634百分比/%73.787.510010010085.0

50 mm×50 mm×100 mm煤样共发生40次应力调整，对应发生了34次红外辐射方差突变，控制比例为85.0%。应力调整系数介于1%～5%时，应力对红外辐射方差的控制比例为73.7%。当应力调整系数在5%～10%时，应力对红外辐射方差的控制比例为87.5%；当应力调整系数大于10%时，应力对红外辐射方差的控制比例均为100%。随着应力调整系数增大，应力调整次数呈在下降，但应力对红外辐射方差的控制比例在上升。

3.3 红外辐射方差突变的显著性

表3统计了50 mm×50 mm×50 mm煤样应力调整时的时刻、Eσ、EV、及EV对Eσ的比值。表4统计了50 mm×50 mm×100 mm煤样的上述指标。

随着裂隙的发育以及微破裂的产生，当煤样应力发生调整时，50 mm×50 mm×50 mm煤样对应红外辐射方差突变系数是其应力调整系数的97.8～1 411.5倍(平均为362.1倍)，其中86.7%的红外辐射突变系数均在应力调整系数的两个数量级以上，非常显著。

表3 50 mm×50 mm×50 mm煤样Eσ与EV

Table 3EσandEVof 50 mm×50 mm×50 mm coal specimens

试件号时间/sEσ/%EV/%EV/Eσ试件号时间/sEσ/%EV/%EV/EσA1388.51.9673.0354.2512.52.8337.4120.5537.09.2900.097.8A3261.53.8463.4121.9274.52.41038.9432.9329.57.1800.0112.7A2A3241.51.01411.51411.5249.53.0——395.013.21734.6108.4214.53.1375.1121.0239.51.4680.1485.8A4A5平均值290.02.1564.7282.4355.52.4623.5311.8519.01.0905.3905.3603.096.119557.9203.510.02147.5362.1

注：“—”表示没有测得数值。

表4 50 mm×50 mm×100 mm煤样Eσ与EV

Table 4EσandEVof 50 mm×50 mm×100 mm coal specimens

试件号时间/sEσ/%EV/%EV/Eσ试件号时间/sEσ/%EV/%EV/EσB1B2B3B4B5B6B7412.12.8646.2230.7496.34.3584.6135.9538.518.01638.591.0743.510.01267.9126.8398.53.5——227.23.5442.4126.4316.298.53475.835.3224.11.1315.8287.1252.46.9368.453.4404.51.7——458.37.22344325.6505.55.41824337.8543.43.4564165.9568.864.12719884243.2433.71.4——475.05.5——B10B11B12B13B14B15374.61.7395232.4430.917.51125.064.3224.03.41157.1340.3324.99.71823.8188.0341.92.2395.2179.7412.922.71481.065.2544.07.02166.7309.5596.722.35752.4257.9230.58.11008.7124.5341.56.62173.9329.4547.913.92608.7187.7578.43.9651.9167.2725.42.3488.9212.6734.31.9481.5253.4767.511.31337.3118.3————B8B9371.41.2589.094.637015391.3364.32.9774.1266.9421.32.3——434.696.41603.716.6B16平均值639.81.3954.9734.5644.912.99409.8729.4701.31.73025.51779.7719.318.655198.02967.615.112249.6472.8

50 mm×50 mm×100 mm对应红外辐射方差突变系数是其应力调整系数的16.6～4 243.2倍(平均为520.5倍)，其中70%的红外辐射突变系数在应力调整系数的两个数量级以上，非常显著。

煤样的应力对红外辐射有很好的控制作用，且应力调整系数越大，这种控制效应越显著(红外辐射突变系数平均约是应力调整系数的两个数量级，相当于将应力突变程度放大了)。可以利用该特征，通过红外技术监测红外辐射方差的突变，发现承载煤岩的应力调整现象，进而反演承载煤岩的裂隙发育及破裂状态。

3.4 红外辐射方差突变的时间滞后性

表5统计了50 mm×50 mm×50 mm煤样Eσ≥1%时的应力调整时刻，对应红外辐射方差突变时刻，以及两者的差值(滞后时间)。表6统计了50 mm×50 mm×100 mm煤样的上述指标。

50 mm×50 mm×50 mm煤样红外辐射方差突变滞后于其应力调整时刻1.0～7.6 s，平均为2.7 s。50 mm×50 mm×100 m煤样红外辐射方差突变滞后于其应力调整时刻0.4～8.3 s，平均为2.9 s。

表5 50 mm×50 mm×50 mm煤样红外辐射方差滞后时间

Table 5EVhysteretic time of 50 mm ×50 mm×50 mm coal specimens

试件号应力调整时间/s红外辐射方差突变时间/s滞后时间/s试件号应力调整时间/s红外辐射方差突变时间/s滞后时间/sA1388.5396.17.6512.5517.04.5537.0542.45.4A3261.5263.21.7274.5275.51.0329.5331.62.1A2A3241.5243.21.7249.5——395.0396.61.6214.5216.52.0239.5240.61.1A4A5平均值290.0291.61.6355.5356.71.2519.0521.32.9603.0606.43.42.7

表6 50 mm×50 mm×100 mm煤样红外辐射方差滞后时间

Table 6EVhysteretic time of 50 mm ×50 mm×100 mm coal specimens

试件号应力调整时间/s红外辐射方差突变时间/s滞后时间/s试件号应力调整时间/s红外辐射方差突变时间/s滞后时间/sB1B2B3B4B5B6B7412.1417.35.2496.3497.00.7538.5540.43.9743.5744.51.0398.5——227.2228.31.1316.2317.00.8224.1224.80.7252.4256.64.2404.5——458.3460.01.7505.5506.61.1543.4544.61.2568.8570.20.4433.7——475.0——B10B11B12B13B14B15374.6376.01.4430.9432.92.0224.0225.31.3324.9326.92.0341.9345.63.7412.9414.92.0544.0545.81.8596.7600.43.7230.5231.91.4341.5343.31.8547.9550.32.4578.4580.31.9725.4726.71.3734.3737.33.0767.5775.17.6———B8B9371.4——589.0590.21.2364.3364.70.4421.3——434.6439.85.2B16平均值639.8647.98.1644.9652.98.0701.3709.68.3719.3726.97.62.9

4 讨 论

(1)50 mm×50 mm×50 mm煤样、50 mm×50 mm×100 mm煤样的应力对红外辐射方差的控制比例分别为93.3%,85%。煤样的红外辐射方差突变系数均在应力调整系数的一个数量级以上(最低16.6倍，平均两个数量级以上)。相对于应力指标，红外辐射方差指标能更好地反映出煤岩承载的变化状态，可用以实时监测煤岩破裂过程。

(2)承载煤岩应力发生调整的根本原因是煤样内部有(微)破裂发生，导致其整体承载能力降低。在这个过程中，对应有(新)裂隙产生和发育。裂隙面之间会摩擦生热，该热量逐步传递到煤样表面后，煤样表面各处温度发生改变，会导致煤样表面红外辐射方差出现突变。由于煤的热传导系数较低，热量传递到煤样表面需要时间，所以红外辐射方差突变具有时间滞后性。

(3)通过红外辐射方差监测煤岩破裂及裂隙发育状况时，不可忽略其时间滞后效应(滞后时间最高达8.3 s)。声发射监测技术可以探测煤岩体内部产生(微)破裂的时间，并能定位破裂位置。因此，在后续实验和现场保水开采与岩层控制实践中，应将声发射监测和红外监测两种手段相结合，以完整描述煤岩体破裂及裂隙发育过程，可弥补红外辐射方差突变具有时间滞后性，准确的预警煤岩破裂，预防突水并实现保水采煤。

(4)红外辐射方差反映的是煤岩表面温度场的分异和离散化程度，而不是温度场本身。红外辐射方差突变意味着煤样表面温度发生了较明显的分异现象，而不是表面温度场的整体上升(下降)。本文提出的红外辐射方差突变程度指标，不仅兼顾了煤样表面温度的分异，同时还很好地反映了应力与红外辐射之间的定性与定量关系。已有研究表明，承载煤岩表明红外辐射变化主要由形变摩擦机理和机械能(应力)激发机理引起[3,21,26-28]。本文实验发现，应力调整导致的红外辐射方差突变具有滞后性，间接证明本次实验中所观测到的煤单轴压缩红外辐射突变主要是由形变摩擦机理引起的。

(5)采用红外热成像技术对煤样进行监测，具有非接触、抗干扰性强等优点。不像声发射需要接触式观测且结果易受机械振动的干扰，也不像应力应变易受外界力的干扰。

5 结 论

(1)应力对红外辐射方差的控制效应具有普遍性，50 mm×50 mm×50 mm煤岩应力对红外辐射方差的控制比例达93.3%；50 mm×50 mm×100 mm煤样的控制比例为85.0%。

(2)应力对红外辐射方差的控制效应具有显著性，50 mm×50 mm×50 mm煤样的红外辐射方差突变系数是其应力调整系数的97.8～1 411.5倍(平均362.1倍)；50 mm×50 mm×100 mm煤样红外辐射方差突变系数是其应力调整系数的16.6～4 243.2倍(平均520.5倍)。

(3)煤样红外方差突变时间滞后于其应力调整时间，50 mm×50 mm×50 mm煤样的滞后时间1.0～7.6 s(平均2.7 s)；50 mm×50 mm×100 mm煤样的滞后时间0.4～8.3 s(平均2.9 s)。

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Experimental study on dependence of infrared radiation on stress for coal fracturing process

MA Li-qiang1,2，ZHANG Yao1,2，SUN Hai1,2，WANG Shuo-kang1,2，NAJEEM Adeleke3

(1.SchoolofMines,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;2.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducation,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221116,China;3.CollegeofEarthandMineralSciences,PennsylvaniaStateUniversity,StateCollege,PA16802,USA)

Coal rock fracture is the major factor of disasters which occurred because of mine water bursting and the unstability of coal pillar.Effectively supervising the process of it is extremely important to the water conservation and strata control in mine.It is known that infrared radiation changes with the stress when coal rock is loading.The sudden change index of the variance of infrared radiation temperature of coal under uniaxial compressive loading was proposed to study the quantitative relationship between stress and infrared radiation.The result of this study shows the ratios of IR controlled by stress in cubic coal specimens (50 mm×50 mm×50 mm) and rectangular coal specimens were 93% and 85%.Sudden change coefficient of the variance of infrared radiation temperature which occurs after stress adjustment is two orders of magnitude than the coefficient of stress adjustment.Also this control effect has a characteristic of hysteretic,the average hysteretic time of infrared radiation of cubic coal specimens and rectangular coal specimens were about 2.7 s and 2.9 s.

infrared radiation；stress；sudden change index of variance；control effect；hysteretic；water conservation mining

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5003

2016-08-01

2016-11-14责任编辑:常 琛

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2015CB251600)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

马立强(1979—)，男，宁夏吴忠人，教授，博士生导师。E-mail:ckma@cumt.edu.cn

TD315

A

0253-9993(2017)01-0140-08

马立强，张垚，孙海，等.煤岩破裂过程中应力对红外辐射的控制效应试验[J].煤炭学报,2017,42(1):140-147.

Ma Liqiang，Zhang Yao，Sun Hai，et al.Experimental study on dependence of infrared radiation on stress for coal fracturing process[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):140-147.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5003