不同加载速率下粉砂岩受载破坏过程红外辐射能量变化规律试验研究

雷跃宇 ，李忠辉 ,3，田 贺 ，艾克热木江·艾合麦提 ，李雪丽 ，娄 全

（1.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 煤矿瓦斯治理国家工程研究中心，江苏 徐州 221116；4.河南城建学院 市政与环境工程学院，河南 平顶山 467036）

煤炭是我国的主题能源，随着浅部资源逐渐枯竭，开采深度和强度逐年增大，赋存环境的改变致使煤岩力学性质改变，进而会诱发煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害，对煤矿安全高效生产造成严重威胁。煤矿采掘过程引起煤体及围岩受力状态产生剧烈变化，产生损伤和破坏，从而引发煤岩动力灾害。研究人员对煤岩体承载受力、变形及破裂特征进行了大量的研究和探讨。不同加载速率会对岩石材料的力学状态、能量演化及红外响应等产生重要影响[1]。同时，在生产实际中，岩石内部存在大量孔裂隙和天然缺陷，裂隙是岩体力学指标的重要影响因素，对破坏过程中应力集中与能量变化起着控制作用[2-4]。

20 世纪90 年代初，法国学者[5]率先进行岩石、混凝土等非均质材料受载破裂过程的红外辐射实验。国内学者基于发生地震时地面增温及红外异常现象的观测，同样对岩石进行了不同条件下的红外辐射实验。徐秀登等[6-8]对发生在我国及周边地区40 多次地震震前的卫星热红外图像进行分析，发现热红外异常多在震前1 个月内突然出现，且异常幅度显著，与震级一般呈正相关性；WU等[9-10]、刘善军等[11-12]进行了多种煤岩、不同加载方式下的红外辐射试验研究，发现煤岩破裂前存在升温或降温异常前兆，表面红外热像能够反映破裂的位置和破坏形式，在此基础上，提出了利用熵值、分型维度及方差3 种新的指标反映煤岩破裂过程中的红外辐射演化规律；杨志良等[13]对不同类型砂岩进行红外辐射观测实验，研究表明砂岩的AIRT 总体呈波浪下降趋势，红外效应与颗粒大小密切相关，颗粒越大，红外热效应越明显；徐忠印等[14]发现红外辐射可以有效监测岩石的应力变化，而微波辐射能够探测试样裂纹的发育过程，二者在岩石破裂前均出现了早期异常前兆；周子龙等[15]开展了不同加载速率下花岗岩的红外辐射观测试验，发现随加载速率的变化，平均红外温度变化量与红外热像的演化均表现出规律性特征，红外辐射效应随加载速率的增大愈发明显；闫顺玺等[16]、皇甫润等[17-18]对片麻岩变形过程红外辐射特征进行了研究，发现红外辐射温度与应力有良好的对应关系，最高温度在岩石失稳时会有大幅温度提升，并在之后的研究中利用方差、分形维数及分异速率等指标反映红外辐射演化特征；马立强等[19]、田丰等[20]分别对泥岩和砂岩试样的红外辐射规律进行研究，发现试样失稳破裂时均出现突然升温现象，之后利用热电偶多路温度测试仪对裂纹发育过程中试样的物理温度进行测量，证明了裂纹起裂前物理温度与红外温度均出现突增现象，能够借此监测岩石裂纹发育的关键时刻；SHEININ 等[21]研究了不同加载速率下力学性能与红外辐射特征的时空关联性，研究表明岩石应力状态的变化会使其对应的红外辐射信息产生变化，证明了利用红外辐射数据识别材料变形过程的不同阶段是具有可行性的；姜永鑫等[22]研究了不同加载速率下的声热特征及破坏前兆信息，研究表明不同加载速率下的声热变化规律基本一致，煤岩发生失稳破裂时，温度突变，最高红外温度的峰值随加载速率的增大而增大；MINEO 等[23]提出了1 种通过红外热像间接评估孔隙度的新测试方法，为进一步细化已有成果，进行更大规模的模型验证奠定了基础。从上述实验室试验捕捉煤岩失稳破裂的前兆信息，以及测试现场真实条件下煤岩采动破坏过程的红外辐射信号，能够准确地预测煤岩动力灾害发生的危险性；对研究煤岩力学破坏机制及动力灾害预警技术具有重要的理论和实践意义[24-25]。

综上所述，对不同加载速率下岩石力学特性及能量演化的研究已经取得了一定的成果，同时，红外辐射技术的深入发展为精准识别灾害异常信息提供了可能。目前的研究主要集中于煤岩破坏过程中红外辐射温度及热像云图研究，对岩石破裂过程中的红外辐射能量化分析的研究较少。基于此，对不同加载速率下的粉砂岩进行单轴压缩实验，分析加载速率对试样破坏过程中红外辐射能演化特征的影响，研究机械功与红外辐射能之间的时空关联性，从能量角度解释了岩石破坏机制及红外辐射温度变化规律。

1 红外辐射测试系统与实验方案

1）试样制备。实验岩石取自内蒙古鄂尔多斯薛家湾露天矿，岩样为结构均匀、具备层理的粉砂岩。为了使试样破坏状态统一可控，保证实验结果相对一致，将新采岩石送至实验室加工成50 mm×50 mm×100 mm 的预制裂隙试样，预制裂隙角度α为45°，裂隙尺寸l=20 mm×1 mm，并利用磨石机将试样两端打磨平整。提前48 h 将岩样放置于屏蔽室内，保证岩样温度与环境温度保持一致。

2）实验系统。单轴压缩条件下岩石破坏红外辐射实验系统包括：红外辐射数据采集系统、加载系统、电磁屏蔽系统以及摄像系统。实验在GP6 电磁屏蔽室内进行，能够极大地降低外部对实验的各种干扰信号。利用YAW4306 型压力试验机进行加载，能够将实验过程中的时间、载荷及位移数据记录进行导出；红外热像仪为Optris PI450，其光学分辨率为382×288 像素，光谱测量范围为7.5～13 μm，最大拍摄帧频为80 Hz，热灵敏度为0.04 K。

3）实验方案。为保证红外数据的准确性，在压力机周围布置1 块浸水的遮光布，以防环境温度对实验结果产生干扰，只留1 个方向用于红外监测。将试样分为4 组，实验采用力控制加载，分别以200、250、300、350 N/s 的速率加载至试样破坏，根据加载速率对试样进行编号。实验开始后将加载设备和红外热像仪调整为统一时间并同时开启，使各系统的数据保持同步，以便后期实验数据处理。

2 粉砂岩受载破坏红外辐射特性

2.1 粉砂岩受载压缩热力响应特性

为了减少环境对红外辐射效应的影响，采用红外软件PI connection 的差值模式，加载过程中热像图上像素点显示的温度值为当前时刻温度减去第一帧对应的温度计算得到的温度值。ΔTmax为差值模式下某一时刻试样表面红外热像上所有像素点对应红外辐射温度的最大值；ΔTave为差值模式下某一时刻试样表面红外热像上所有像素点对应红外辐射温度的平均值。本研究使用ΔTmax、ΔTave来描述加载过程中表面温度场的变化规律，不同加载速率下应力、温度与时间的关系曲线如图1。

图1 岩样载荷-温度曲线Fig.1 Load-temperature curves of rock specimens

分析图1 可以看出：加载速率为350 N/s 岩样的峰值应力最小，为10.31 MPa；而200 N/s 的岩样峰值应力最大，为15.590 MPa；随着加载速率的增加，峰值应力整体表现出减小的趋势。周洋等[26]认为砂岩内部结构不够致密，孔隙较多，应力释放速率并不会随加载速率的增大出现显著下降，反而大孔隙会增大应力释放速率，导致抗压强度下降。

不同加载速率下的岩样，整个加载过程中表面温度均呈现缓慢增温趋势，临近破裂时刻急剧增长，最高温差突增范围为1.0～1.7 ℃，预示着岩样失稳破裂。试样抗压强度较低，结合试样破坏的形态特征，整体表现出塑性变形特征。ΔTave相对于ΔTmax来说，破裂时刻的变化幅度很小，这是由于裂隙扩展阶段的温度变化主要由摩擦热效应和断裂效应主导，岩石破裂伴随有不同类型裂纹的增多和贯通，张拉裂纹的产生吸收能量，而剪切裂纹壁之间的频繁摩擦错动导致裂纹处形成热量积聚，两相平衡、抵消并随加载过程而动态变化，导致试样破裂时ΔTave小幅度变化。

试样V250-1 不同受载时刻下的实物破坏图与红外热像差值云图如图2 和图3。

图2 岩样不同受载时刻下实物破坏图Fig.2 Physical damage diagrams of rock samples under different loading times

图3 岩样不同受载时刻下的红外热像差值云图Fig.3 Infrared thermal difference cloud images of rock specimens at different loading times

从裂纹演化特征分析，载荷水平较低时，试样表面红外温度整体偏低，且分布均匀；之后，表面温度随着载荷的增加而升高。试样的破坏形态表现为翼型裂纹，以预制裂隙尖端为初始点的剪切破坏为主，云图同样表现出高温异常区域，随后裂纹不断扩展，并伴随有岩石碎片的崩落，最终形成高温条带状区域。

2.2 红外辐射能的定量关系

岩石受载压缩过程中引起的红外温度变化实际上是1 个能量积蓄及转化的复杂效应，其发生的过程自始至终都伴随着能量的积累与释放。1879 年，斯蒂芬通过实验计算证明了黑体的辐射强度与温度四次方线性相关，即[27]：

式中：ET为温度为T时黑体的总体辐射强度；σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，σ=5.669 6×10-8W/(m2·K4)。

该公式只适用于黑体辐射，但在自然界中，黑体几乎是不存在的，一般物体辐射能量总要比黑体辐射能量小，表达式为：

式中：Wλ为温度为T时一般物体的总体辐射强度；ε为物体的发射率。

试样在加载过程中的红外辐射能量能够通过计算材料的总体辐射强度与面积的乘积并积分获得，表示为：

式中：Q为物体在温度为T时的累计红外辐射能量；Wλi、ti分别为Wλ-t曲线上对应的辐射强度、时间值；S为试样正对红外热像仪的表面面积。

普雷夫定则[28]认为，单位时间内，如果2 个物体吸收的能量不同，则它们放出的能量也不同。即在单位时间内，一个物体发出的能量等于它吸收的能量。将初始温度T0定义为岩样在常态下的表面温度，则累计红外辐射能增量ΔQ的表达式为：

式中：Q0为指岩石在常态温度T0时的累计红外辐射能量。

累计红外辐射能增量ΔQ定量反映了岩石受力加载过程中获得的红外辐射能的变化特征，能够有效表征岩体温度场阶段性的演化特征和空间分布。

不同加载速率下岩样受载过程中预制裂隙处积累的红外辐射能增量随时间变化的关系曲线如图4。

图4 不同加载速率下岩样的累计红外辐射能增量变化曲线Fig.4 Curves of cumulative infrared radiation energy increment of rock specimens under different loading rates

可以看出：加载速率在较低范围时，累计红外辐射能增量在孔裂隙压缩阶段呈现缓慢增长的趋势，这是由于试样内部存在大量的孔裂隙和原生缺陷，压缩闭合过程中发生错动摩擦，形成热量积聚，引起红外辐射能增长；而随着加载速率超过300 N/s 后，孔裂隙压缩阶段的红外辐射能增量则基本在0 值附近小幅波动。试样进入线弹性阶段后，红外辐射能与时间整体表现为线性关系，呈正相关性。

不同加载速率下试样失稳破裂时的红外参数变化见表1。

表1 不同加载速率下岩样红外参数试验结果Table 1 Test results of infrared parameters of rock specimens under different loading rates

由表1 可以看出：累计红外辐射能增量随加载速率增大呈现出减小的趋势，说明了加载速率会对岩样表面和微破裂发生热传递产生影响，速率过快抑制了岩石的热耗散。

2.3 机械功与红外辐射能之间的定量关系

通过对红外辐射能增量随机械功的变化规律进行研究并揭发其性质，有助于判断粉砂岩压缩破裂等前兆信息。计算压机的轴向压力与压头位移的乘积并积分获得试样在受载过程中所接受的机械功，可表示为：

式中：W为试样在受载过程中所接受的机械功；Fi、li分别为载荷-位移曲线上对应的压机轴向压力、位移值。

绘制的不同加载速率下岩样受载过程中累计红外辐射能增量与机械功的关系曲线如图5。

图5 不同加载速率下累计红外辐射能增量与机械功的曲线Fig.5 Curves of cumulative infrared radiation energy increment and mechanical work under different loading rates

图5 中红外辐射能随机械功的变化可以分为3 个阶段：①压密阶段：岩石内部存在微孔裂隙，错动摩擦引起红外辐射能缓慢增长；②持续增长阶段：试样的初始红外辐射能增量变化速率较快，但升高速率逐渐变小；③失稳破裂阶段：试样失稳破裂后，红外辐射能增量增长速率几乎为0，趋于平缓，转化效率逐渐减小，此时红外差值云图中呈现出显著的高温条带状区域分布。

单轴加载过程中，岩石的机械功与红外辐射能对试样内部裂纹的萌生及扩展有所响应，将不同加载速率下在临近岩样破坏前红外辐射能增量的增长速率明显下降点作为岩样的“临界前兆点”对图5 的数据进行采集分析得到了不同速率下岩样破坏的临界前兆点，红外热效应试验结果见表2。

表2 红外热效应试验结果Table 2 Test results of infrared thermal effect

红外前兆比为试样失稳破裂时对应的机械功减去临界前兆点再与失稳破裂时对应机械功的比值，能够有效衡量岩石材料的破坏形态，其值越小表明脆性越强，反之塑性越强；并且能够反映岩体失稳破裂时的激烈程度，其值越小表明岩体发生主破裂时越激烈。不同加载速率下试样损伤临界前兆点的波动范围为9.519～11.466 J，红外前兆比的范围为0.02～0.285。随着加载速率的增大，临界前兆点距岩样失稳破坏的间隔逐渐减小。

综上所述，不同加载速率下岩样的累计红外辐射能量增量与机械功之间呈幂函数关系，随着岩样在受载过程中所接受的机械功不断增加，试样表面监测得到的累计红外辐射能增量呈现出先增大后缓慢增长的趋势，而红外前兆比随加载速率的增大逐渐减小。

3 结语

1）随着加载速率的增加，峰值应力表现出减小的趋势。相对于差值模式下红外辐射温度平均值ΔTave，差值模式下红外辐射温度最大值ΔTmax更能反映试样的失稳破坏情况，ΔTmax的最高温差突增范围为1.0～1.7 ℃。试样发生主破裂时，裂隙尖端开始出现对应于裂纹的高温异常区域，并不断扩展发育呈现高温条带状区域。

2）低加载速率下的累计红外辐射能增量在孔裂隙压缩阶段缓慢增长，随着加载速率的增大，累计红外辐射能增量波动幅度减小；进入线弹性阶段后，曲线关系整体表现为线性关系，呈正相关性。破裂时对应的累计红外辐射能增量随加载速率增大逐渐减小。

3）不同加载速率下岩样的累计红外辐射能量增量与机械功之间呈幂函数关系。累计红外辐射能量增量随机械功的增长呈现出先增大后缓慢增长趋势。不同加载速率下试样损伤红外前兆比的范围为0.02～0.285，且随加载速率逐渐减小。