单轴压缩下岩石红外辐射试验研究

2020-11-05皇甫润闫顺玺李傲蒋鹏程

华北理工大学学报(自然科学版) 2020年4期

皇甫润，闫顺玺，李傲，蒋鹏程

(1. 华北理工大学矿业工程学院，河北唐山 063210；2. 山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266510)

近年来，矿产资源的开采规模不断扩大，在开发过程中会面临许多矿山灾害问题，而由岩石破裂引发的灾害严重影响了人们的生产安全，因此，研究岩石破裂特征、前兆预警具有重要意义。红外监测技术具有全天候、实时性、被动式等优点被广泛运用到岩石灾变预警中。

许多学者对岩石加载过程红外辐射特征进行了分析。刘善军等[1]研究了岩石破裂前红外热像的演化特征，试验结果表明：随微破裂产生热像会出现高温异常条带，临破裂前会出现短暂降温现象。吴立新等[2]对干燥和潮湿砂岩的红外辐射特征进行比较分析，发现潮湿岩石的平均红外辐射升温幅度大于干燥岩石。马立强等[3]对煤岩和泥岩试件的平均红外辐射温度进行分析，发现煤样和泥岩中出现破裂前兆均为突然升温型。田贺等[4]将平均温、最高温、方差以及自相关系数作为分析指标，研究了煤岩破坏过程中的前兆信息，发现方差对破坏的预测更加精准。张艳博等[5]通过红外辐射技术监测了巷道围岩红外辐射温度场的变化，验证了辐射温度场与巷道破坏特征具有良好的对应关系。吴贤振等[6]以水浸透粉砂岩为实验对象，提出了“红外辐射温度突变”指标，探究了岩石加载失稳过程中红外辐射温度场的突变异常。

以上述研究为基础，该项目进一步对岩石破裂过程红外辐射特征进行研究。采用片麻岩为试验样品，利用红外热像仪监测的方式进行单轴压缩试验，研究红外辐射特征与力学特征的关系，为矿山灾害、岩体失稳等红外监测提供参考。

1 试验方案

1.1 试样制备

本次试验选用片麻岩作为试样，共选取6块岩样，根据样品制备准则，将试件加工成50 mm×50 mm×100 mm(长×宽×高)的标准长方体，并将试件加载两端抛光，使其平行度小于0.02。岩样呈青灰色，结构均匀，外观完整。岩石试件如图1所示。

图1 片麻岩岩石试件

1.2 试验设备

该项研究的岩石试验系统主要由岩石加载装置、可见高速摄影机和红外热像仪等组成。装岩设备为ATW-3000单轴试验机，高速数码相机为德国AVT公司生产的Pike F-421B相机，红外热像仪为德国Infortec公司的Infra Tec Image IR 8325中波热像仪。

首先在室温下，将试件放入加载装置下，将高速数码相机放置在离试样1 m的地方对其破裂情况进行监测，红外热像仪正面对准试件观测面，采集速率设置为50 Hz，将红外热像仪提前30 min打开进行预热，在热像仪中对岩石表面的红外辐射变化进行观测，待试件表面红外辐射温度稳定后开始试验。用2台计算机分别采集力学数据和红外数据，使用相机附带的Altair 5.0软件进行热成像分析。试验期间，要避免人员来回走动，拉好窗帘关灯关门，以减少室内环境温度对试验结果产生影响。

图2 片麻岩单轴加载试验装置

2 试验结果与分析

2.1 应力-时间曲线

通过对片麻岩试件开展红外辐射单轴压缩试验，能够得到岩石的应力-时间曲线，它是描述岩石在加载过程中变形和破裂的重要手段。应力随时间的变化曲线见图3。

图3 片麻岩应力-时间曲线

由图3可知，应力-时间曲线可分为4个阶段：

Ⅰ压密阶段(0～102 s)：该阶段岩石中的微裂隙和孔隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形，应力-时间曲线呈上凹形，应力上升缓慢。

Ⅱ线弹性阶段(102～299 s)：当岩石内部存在的孔隙和裂隙渐渐被压密之后，由于轴向位移连续变大，载荷不断增加，使得弹性变形发生，该阶段应力-时间曲线呈近似直线形。

Ⅲ塑性阶段(299～360 s)：随载荷不断增加，应力-时间曲线持续直线上升，上升的斜率逐渐变缓，该阶段岩石内部积累了大量裂纹，并在力的作用下不断萌生、扩展和贯通，形成多条宏观裂纹，逐渐形成大面积破裂，从而塑性变形在岩石内部发生。

IV临失稳阶段(360～392 s)：载荷到达峰值后，试件的宏观裂纹和破裂面相互发展贯通，导致岩石出现了最终的失稳破坏，应力值迅速下降，其破坏方式表现为脆性破坏特征。

2.2 岩石红外辐射温度变化特征

2.2.1 平均红外辐射温度

平均红外辐射温度(AIRT)是指某一时刻岩石表面红外热像上全部像素点所对应红外辐射温度的平均值，能够从整体上分析岩石表面红外辐射温度场的变化特征[7]。计算热像序列矩阵的平均红外辐射温度值公式如下：

(1)

式中，Ti为温度场中第i个像元(共n个像元)的辐射温度值；Tave为Ti的均值。为减少环境辐射等因素的干扰，将实际获取的红外温度序列矩阵都与第一张温度矩阵相减。利用差值后的红外温度进行温度场变化分析。平均红外辐射温度随时间的变化曲线见图4。

由图4可知，试件在加载期间AIRT整体上呈线性增长的趋势，并随时间推移逐步升高，上升速度较快，说明在载荷作用下片麻岩表面整体红外辐射温度在升高。加载初期，岩石内部裂隙压密时溢出大量气体，产生吸热效应，AIRT出现短暂下降，温度值下降了0.012 K，a点辐射温度达到最小。之后，岩石受力引起热弹效应和摩擦热效应，产生一定热量，使得试件温度值出现直线上升，辐射温度值持续升温到最大值b点，较初始值上升了0.084 8 K。在试件破坏失稳后温度值出现小幅度下降。

2.2.2最高红外辐射温度

最高红外辐射温度(MAIRT)是指红外热像仪监测受压岩石表面温度场内温度的最大值，能够反映岩石表面红外辐射的最大强度[8]，通过MAIRT也可以反映岩石表面某一区域的温度异常变化。最高红外辐射温度随时间的变化曲线见图5。

图5 最高红外辐射温度变化趋势

由图5可知，试件在加载期间，最高红外辐射温度呈小幅度起伏波动的上升趋势，在试件临失稳时产生一个大幅度的突升。加载初期，温度曲线表现为连续上下起伏波动，加载至250 s左右，温度开始缓慢上升，升温幅度较小，变化较为平缓。加载后期，岩石内部微破裂大量发育，剪破裂面摩擦加剧，使得试件在破坏瞬间红外辐射温度出现突然升高的异常现象，温度从0.51 K突增到1.67 K，增加幅度达到1.16 K，这一异常现象可作为岩石失稳破坏的前兆特征。岩石破坏失稳后，温度曲线出现快速下降。

2.2.3 温度变化与力学量变化的关系

为更好地探究岩石破裂失稳的红外辐射特征，采用平均红外辐射温度与应力之间的对应关系进行分析。应力及红外温度随时间的变化曲线见图6。

图6 应力及温度随时间变化曲线

由图6可知，压密阶段A点之前(0～102 s)，岩石处于低应力水平，岩石内部的孔隙由于受压逐渐被压密闭合，应力上升缓慢。这一阶段岩石内部的气体被排出，部分热量被带走，出现吸热现象，且试件的破裂尚未开始，产生的热量也微乎其微，因此平均红外辐射温度曲线出现短暂下降现象，温度值下降了0.012 K。之后随时间的增加红外温度出现上升，这一阶段应力值从0增加至23 MPa。线弹性阶段AB段(102～299 s)，试件内部孔隙渐渐被压密之后，应力上升的速度明显加快，应力曲线呈线性增长。这一阶段岩石受压变形产生热弹效应，释放出热量，红外温度曲线近似呈直线上升趋势，波动幅度较大，和A点相比辐射温度上升了0.046 K，这一阶段应力值从23 MPa增加到106 MPa。塑性阶段BC段(299～360 s)，应力上升速率减小，随应力上升试件积累大量裂纹，并在力的作用下开始扩展、连接、丛集。试件内部产生大量微破裂，破裂面之间会发生摩擦触碰，产生摩擦热效应，红外温度曲线伴随“V”字型小幅度变化继续呈线性升温，较B点相比辐射温度上升了0.016 6 K，这一阶段应力值从106 MPa增加至118 MPa。C点为峰值应力点对应加载时间359 s，应力值达到最大118.864 MPa。越过峰值应力点26 s左右，其表面辐射温度变化值达到最大(对应加载时间386 s，辐射温度0.084 8 K)。C点之后，试件进入临失稳阶段，应力迅速下降，岩石发生失稳破坏。

2.3 岩石加载过程红外热像空间演化

红外热像能够反映岩石在加载过程中红外辐射强度在试件表面的空间分布特征，采用matlab软件对实际获得的热像进行差值、中值以及高斯高通滤波处理，以减少试验过程中环境辐射差异和仪器各部位辐射差异所带来的影响。岩石加载过程红外热像随时间的演化见图7。

图7 岩石加载过程红外热像演化图

从图7可以看出，初始阶段1～180 s，试件表面的红外辐射温度变化较小，温度整体呈均匀上升，没有分异现象出现；对应时间181～270 s，岩石表面温度继续均匀缓慢上升，随载荷的不断增加升温现象逐渐明显；加载时间271～320 s，试件表面的升温现象趋于显著，且岩石表面中间部位开始出现高温集中，岩石的下部辐射温度偏低，红外温度场出现分异现象；对应时间321～361 s，岩石表面的高温区域持续升温，岩石左上方受压出现微破裂造成部分低温区域弹射而出，出现高低温相间分布状态，温度场分异程度进一步扩大。随后在389 s试件沿高温条带发生瞬间失稳破裂，破坏瞬间出现大量高温辐射点，生成剪切滑移破坏的断裂面。