红外辐射探测预测煤矿冲击地压试验研究

李凌烜　梁云超

摘  要：冲击电压是矿山压力的一种特殊显现，它严重威胁了矿山安全。而红外辐射探测预测作为防治冲击地压工作的重要内容，其在某种程度上可以避免冲击危害。该文对红外辐射探测预测煤矿冲击地压进行了试验研究，通过介绍冲击地压的特征，分析红外理论，浅议岩石破裂的红外前兆，并具体阐述实验过程，以供参考。

关键词：红外辐射;探测预测;煤矿;冲击地压

中图分类号：TD324            文献标志码：A

0 引言

随着科技的迅猛发展，各行各业不断飞跃前进，人们对煤矿的需求量越来越大。然而在实际开采中，煤矿产业经常会引发各种灾难，所以需要制定相应的预测方法，目前应用较为广泛的预测方法都有一定误差。而红外辐射则不同，其极大地提高了预测准确率，降低了煤矿开采中冲击地压导致的人员伤亡与经济损失。由此可见，对红外辐射探测预测煤矿冲击地压进行试验研究十分重要。

1 冲击地压特征

冲击地压又被称为煤矿的冷血杀手。近年来，我国很多煤矿都发生了冲击地压，比较突出的有四川省天池煤矿、抚顺矿务局龙风煤矿、大同矿务局忻州窑煤矿等。从目前来看，我国煤矿冲击地压的特征主要有以下3点。1） 突发性。通常情况下，发生前没有明显征兆，冲击过程短暂，持续时间为几秒到几十秒。2）破坏性。往往造成支架折损、顶板下沉、人员伤亡、煤壁片帮、巷道堵塞等。3）复杂性[1]。在自然地质条件上，除揭煤以外的各种煤，地质构造从简单到复杂，煤层厚度从薄层到特厚层，顶板包括灰岩、砂岩等都发生过冲击地压。

2 红外理论

2.1 红外热成像原理

红外热成像运用光电技术，对物体热辐射的红外线特定波段信号进行检测，将该信号转换成辐射图像，并可以进一步计算出温度值。红外热成像原理并不神秘，借助红外探测器上的光学镜头，将从物体发出的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上。探测器接收器会把接收到的信息转换成电信号发送给传感器电子元件。而电子元件会将探测器发来的数据，经过复杂的算法转译成可在标准视频监视器上查看的图像[2]，物体表面温度如果超过绝对零度就会辐射出大量电磁波，随着温度的不断变化，电磁波的辐射强度与波长分布特性也会随之发生改变。红外线在地表传送时，会被大气组成物质吸收，强度明显下降。

2.2 岩石破裂的红外前兆

近年来，随着热红外技术的蓬勃发展，张艳博、景广辉等一批学者，借助热成像技术对岩石及混凝土在破裂过程中的热红外辐射现象进行了研究。后续崔承禹、耿乃光、邓明德等一批学者[3]，先后进行了相关研究，并发现了一些岩石破裂前的红外前兆现象[4]，这也为该实验提供了切实可行的方法。

3 实验

3.1 实验准备

为保证实验的可行性，实验样本取自现场并经过鉴定证明其具有良好的冲击倾向性。为确保实验进行中条件的相同性，所有进行实验的岩石样品全部取自同一块岩石且样本形状大小差距在合理范围内。为贴切最真实的情况，在受理监测样本时使用垂直节理方向。

3.2 实验设备

实验设备主要采用的是法国ROCK 600-50三轴实验仪。实验固定静水压力为5 MPa，抗压强度加载速度为1.5 MPa/min，采样周期为5 s。红外辐射探测装置采用的是TVS-8100MKⅡ型红外热像仪，温度灵敏度为0.025 ℃，图像分辨率为320 px×240 px，图像采集速率最高可达60 F/s。

3.3 实验过程

为保证实验的贴切性，实验开始时应当双向同时加载，当横向载荷达到规定要求后，保持横向位移不变，并采用垂直基理进行加载，逐渐增压，直至样本破坏。在该过程中，还应当采用型红外热像仪实时监测样本内部及表面的红外辐射情况，间隔时间为5 s/次，用于进行实验比对与分析。

3.4 实验数据采集

运用相关软件来读取实验记录的红外数据，每组都记录着从开始加压直至样本破裂的数据，读取数据的采样周期为5 s/次，每组数据依据实验情况即岩石破裂周期的不同，记录次数为110次～140次不等。表1是一块从完整的煤岩到破裂的加载过程，从刚开始的深蓝色，由外向内逐渐变淡，直到全部是淡蓝色。由此可以总结出其主要特征为：在加载后期热像上蓝色斑点逐渐变淡，加载到一定程度，岩石瞬间爆裂。表现在红外热像的前兆，其特征是岩石在加载后期，红外热像的辐射温度场发生分异，出现淡蓝色的斑点，这些斑点对应的是岩石发生破裂的位置。并且不同性质温度场斑点对应不同性质的破裂，高温斑点对应剪性破裂，低温斑点对应张性破裂。应力状态与红外辐射温度之间的关系十分密切。岩石试件加载过程中的弹性阶段，红外辐射温度特征与热弹定律所描述的材料“受压升温，受拉降温”这一规律完全符合。

值得注意的是，岩石加载过程中的平均温度，要用相关软件记录下来，并进一步测出一个平均温度。数据分为5组，每组数据每隔5 s记录一次，记录130次数据之后算出平均值，具体见表2。与此同时，根据表2中所得的岩石加载过程中的平均温度值，岩石加载过程中的温度变化为：在岩石第1次加载到第120次加载的过程中，温度呈上升趋势，一直在稳速增长。在岩石20次加载、第60次加载和第120次加载的过程中，温度继续呈上升趋势，并增长快速。由此还可以看出，岩石破坏过程中整体以升温为主，塑性及屈服阶段，随着微裂纹的产生，摩擦效应占主导作用，红外辐射温度以升高为主。弹性阶段压应力集中区的岩石试件表面，红外辐射温度升高，而拉应力集中作用区温度降低。

3.5 实验结果

红外辐射出现的阶段性变化特征与岩石应力应变的阶段性发展有关。在初始阶段，红外辐射基本上没有发生变化。在弹性阶段，红外辐射发生了一点变化。在塑性阶段，红外辐射发生了非常明显的变化。实验结果显示，红外辐射与载荷有着十分密切的关系，利用热红外手段，可以對岩石的应力变化进行检测，从而更好地捕捉岩石破裂异常的前兆。实验表明，增加岩石应力，就会升高岩石内部温度。与此同时，表面温度和红外辐射能量也会增高，这也为红外遥感用于监测岩石应力的变化提供了可靠数据。

4 结语

综上所述，用红外辐射法预测冲击地压危险是非常可行的，其不仅可以节省时间，还可以提高回采速度，在一定程度上降低了预测成本。由此可见，采用红外辐射法是一种很有前途的方法。

参考文献

[1]刘善军，吴立新，吴焕萍，等.多暗色矿物类岩石单轴加载过程中红外辐射定量研究[J].岩石力学与工程学报，2002，21（11）：1585-1589.

[2]Freund F.On the electrical conductivity structure of the stable continental crust[J].Journal of Geodynamics，2003，35（3）：353—388.

[3]王来贵，刘向峰.岩石变形过程中红外辐射的试验研究[J].岩士力学，2001，22（2）：134-137.

[4]耿乃光，崔承禹，邓明德.岩石破裂实验中的遥感观测与遥感岩石力学的开端[J].地震学报，1992（S1）：645-652.