砂岩裂纹发育过程的温度场变化特征

田 丰，孙 海，马立强，韩 杰，陈咪咪，杜园园，付 煜，王 飞

(1.辽宁石油化工大学 土木工程学院 石油化工特种建筑材料重点实验室，辽宁 抚顺 113001；2.中国矿业大学 矿业工程学院 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；3.德国弗赖贝格工业大学 岩土工程研究所，德国 弗赖贝格 09596)

在岩土工程和采矿工程领域，煤岩受力破裂灾变是引发煤(岩)爆、矿井突水等灾害的根本原因。对煤岩破裂失稳过程进行监测预警，是煤矿保水开采和岩层控制研究的基础[1]。

研究发现，红外辐射温度变化规律与煤岩裂纹的萌生、扩展和贯通过程密切相关[2-4]。Ⅰ型裂纹是一些复合型裂纹形成的基础，因此对其发育过程的温度变化特征进行研究，不仅是研究其他类型裂纹发育温度变化的基础，也能为煤岩体受力破裂预警技术研究提供试验依据和经验。Ⅰ型裂纹的试验研究可采用V形切口三点弯曲试样和V形切口短棒试样、预制裂隙V形切槽巴西圆盘和巴西平台圆盘等方式。巴西平台圆盘可以保证试样加载过程均匀稳定，使试验结果更加准确。

煤岩在承载受力、变形及破裂过程中，会产生红外辐射异常和物理温度变化等现象[5-9]。邓明德等[10]发现表面岩体裂隙(断层)在失稳拓展临界点会出现红外信息异常，而此时正对应于裂纹应力强度因子的临界值；程富起等[2]对预制裂纹试样加载过程中的红外辐射温度变化规律进行了研究，发现预制裂纹试样在产生主破裂时的红外辐射温度突变率与预制裂纹角度有关，红外辐射温度突变率会随预制裂纹角度的增大先升后降。

从上述现象捕捉岩石失稳破坏的特征信息，准确地预测煤岩灾变，对研究岩石破裂机制及工程灾害预警技术具有重要的理论和实践意义[10-12]。

研究人员在分析探讨温度效应对煤岩力学性质的影响[13]和煤岩受载破坏的红外辐射温度特征[14-16]方面取得了丰富的成果。目前的研究主要集中在岩石破坏过程单一物理场信息变化规律[17-18]方面。然而，针对岩石破裂过程的物理温度和红外辐射温度的对应变化关系，以及二者相关性在煤岩破裂中的演化特征方面的研究较少。此外，现有研究主要是对预制裂纹岩样破坏过程中的红外辐射方面进行研究，对平台巴西圆盘砂岩加载破坏的红外辐射规律研究较少。

笔者将热电偶多路温度测试仪和红外热像仪两种探测手段相结合，对平台巴西圆盘法、Ⅰ型裂纹发育过程中的温度场进行测试，研究成果可为矿山灾害及地震等自然灾害的监测监控提供借鉴。

1 试验设计

1.1 砂岩试样准备

设计有中心孔平台巴西圆盘(HFBD)试样 10个，编号Ai(i=1～10)，圆盘半径R1为40 mm，中心孔半径R2为16 mm，圆盘厚度t为28 mm，加载角2β为20°；设计无中心圆孔平台巴西圆盘(FBD)试样10个，编号Bi(i=1～10)，圆盘半径R3为40 mm，圆盘厚度t为28 mm，加载角2β为20°。具体试样设计如图1所示[19]。

(a)HFBD试样

为了避免机械加工导致试样加工面的破损和微观裂纹的产生，减少试验过程中的受力不均现象，本试验采用水刀加工技术对试样进行加工。

1.2 试验设备

试验系统主要包括岩石压力机、红外热像仪、热电偶多路温度仪及配套的数据处理系统。试验系统设备安装如图2所示。

图2 试验系统设备安装示意图

加载系统采用CMT5305微机控制电子万能压力机，其最大垂直载荷300 kN，控制速率≥0.01 mm/min时，误差在±0.2%以内。

温度测试系统采用TWC-2A多路温度测试仪，其测量范围为0～100 ℃，分辨率0.01 ℃，扫描速度为1～255 s。

红外辐射探测系统采用FLIR A615型红外热像仪，其热灵敏度(NETD)<0.05 ℃，红外分辨率为640像素×480像素，图像最大采集速率25帧/s，波长范围7.5～14.0 μm。

1.3 试验方法

为了使热电偶与试样接触良好，利用导热胶带将热电偶粘贴在圆盘试样上。在HFBD试样中心孔上下两侧对称位置分别布置1号和2号热电偶。HFBD试样具体热电偶安装位置如图3(a)所示。FBD试样沿着垂直水平面的直径方向上从上到下等距离布置1号、2号和3号热电偶。FBD试样具体热电偶安装位置如图3(b)所示。1号、2号和3号热电偶分别对应CH1、CH2和CH3测温通道。

(a)HFBD热电偶安装位置

将粘贴好热电偶的试样放置在压力机工作台上，保证试样的上下平台平行于加载平台。将红外热像仪放置在试样正前方0.2 m处。试验开始前，将热像仪和压力机的时钟调整一致，待电脑上显示的试样红外热像图无明显变化时开始试验[20]。压力机以0.05 mm/min的等位移速率对试样进行单轴加载，红外热像仪的采集速率设置为15帧/s。

2 试验结果与分析

2.1 砂岩起裂时的物理温度变化

试样载荷—时间曲线及物理温度—时间曲线如图4所示。可以看出，当试样A2和试样B10分别加载到668.2 s和651.5 s时，载荷发生了明显的应力调整(ab段)，试样第一次产生裂纹起裂，与此同时，试样物理温度发生突增(试样A2突增0.27 ℃；试样B10突增0.45 ℃)。在随后对试样加载的整个过程中，虽然裂纹继续扩展，且在试样加载到最后时刻再次发生明显的应力调整(c点)，但这个过程中试样物理温度没有发生突变。

(a)试样A2

试样裂纹起裂时各通道测得的温度突增幅度见表1。约95%的试样物理温度发生了突增，最高升温幅度为0.74 ℃，平均升温幅度为0.16 ℃。

表1 试样起裂时各通道温度增幅

2.2 砂岩起裂时的红外辐射特征

由于红外热像仪在拍摄过程中易受到环境辐射及测试仪器电子元件的噪声干扰[8]，为此在处理数据时，取能覆盖裂纹发育区的矩形区域作为红外热像的数据来源，取与上述相同尺寸矩形的背景区域作为本底噪声数据来源，如图5所示。依据本底噪声数据对试样红外辐射温度进行了本底场畸变和零漂校正。

(a)有中心孔平台圆盘试样

去噪后的试样红外辐射温度与载荷的变化曲线如图6所示。可以看出，有4个砂岩试样(试样总数的20%)裂纹起裂时(ab段)，砂岩载荷发生了明显的突降(应力调整)，与此同时，平均红外辐射温度也发生了突升。例如，砂岩B6在1 191.1 s时、砂岩B7在636.9 s时，试样在裂纹起裂(ab段)的同时，其平均红外辐射温度发生了突升。在此之后的裂纹扩展过程中，扩展裂纹附近的平均红外辐射温度无突变发生。

(a)砂岩B6

试样裂纹起裂时刻的平均红外辐射温度增幅范围0.01～0.05 ℃(平均增幅0.03 ℃)，具体的平均红外辐射温度增幅如表2所示。可以看出，平均红外辐射温度增幅与试样起裂时的载荷值、物理温度增幅没有线性关系。

表2 物理温度和红外辐射温度增幅

2.3 砂岩裂纹拓展过程的红外辐射特征

为监测砂岩裂纹拓展不同阶段的红外辐射特征，沿裂纹拓展长度方向设置等面积5个监测区域，从上到下为MR1～MR5(如图7所示)，分区域对裂纹的拓展进行更加细致的分析。

图7 砂岩试样A3裂纹拓展区分段示意图

因篇幅有限，仅以砂岩试样A3为例，绘制砂岩A3起裂后MR1～MR5区域平均红外辐射温度变化曲线图(如图8所示)，以及砂岩A3起裂后的荷载—时间曲线(如图9所示)。对试样裂纹拓展区进行分析，所有砂岩的MR1～MR5均未出现红外辐射平均温度突增的现象，表明砂岩平台巴西圆盘试样的 Ⅰ型裂纹拓展并不会使整体红外辐射特征呈现升高趋势，且应力不是导致试样红外辐射温度变化的唯一因素，可能与裂纹的生成方式和速度有关。

(a)MR1

图9 砂岩试样A3荷载—时间曲线

3 讨论

1)约20%的砂岩平台巴西圆盘试样在其Ⅰ型裂纹起裂时，不仅物理温度发生了突增，红外辐射温度也发生了突增。但本试验中的红外热像仪分辨率(NETD)偏低，今后应提高红外监测设备的灵敏度，以便识别出更加细微的红外辐射温度变化。

2)煤岩破裂过程中，红外辐射温度的增幅和物理温度的增幅没有明显的线性相关关系。一是因为两种温度的数据分别来自砂岩试样的前后两面，难以保证裂纹起裂时在厚度方向释放的热量均匀传导；二是热电偶的接触区域和红外热像数据来源区域不完全对应。

3)在裂纹起裂前和裂纹扩展这两个过程中，试样物理温度与红外辐射温度均没有异常变化。在起裂时刻，发生了试样物理温度和红外辐射温度升高现象，物理测温技术和红外测温技术可以捕捉到煤岩破裂前产生裂纹的温度变化信息，可以监测到煤岩裂纹发育的关键时刻(破裂之前的起裂时刻)。

4 结论

1)在裂纹起裂时刻，约95%的砂岩试样Ⅰ型裂纹发生了应力调整且试样的物理温度突增；最高升温幅度为0.74 ℃，平均升温幅度为0.16 ℃。

2)在砂岩试样的Ⅰ型裂纹起裂时刻，约20%的砂岩试样的红外辐射温度发生突增(平均为0.03 ℃)。

3)砂岩试样的Ⅰ型裂纹在整个裂纹发育的过程中，仅在裂纹起裂时刻，裂纹附近有物理温度和红外辐射温度突增现象；裂纹发育阶段物理温度和红外辐射温度无明显变化。