不同水温浸泡后粉砂岩破裂过程红外辐射特性研究

杨 阳，梅 力，刘 浩，吴贤振，周伶杰(1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000)

不同水温浸泡后粉砂岩破裂过程红外辐射特性研究

杨 阳1，2，梅 力1，2，刘 浩1，2，吴贤振1，2，周伶杰1，2
(1.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000；2.江西省矿业工程重点实验室，江西 赣州 341000)

为探寻温度条件对粉砂岩破裂过程红外辐射特性，分别对50℃、100℃水中浸泡过的粉砂岩试样进行单轴压缩试验，通过平均红外温度(AIRT)、方差、欧氏距离三项指标对两组试样加载过程的红外辐射温度场特性进行定量分析，得出不同水温浸泡下粉砂岩破裂过程红外辐射特性。结果表明：三项指标对50 ℃、100 ℃水浸泡粉砂岩试件红外辐射温度场的刻画整体趋势大体一致，但100 ℃水浸泡试件在单轴加载破坏过程中裂隙的发育的剧烈程度远远低于50 ℃水浸泡试件，且发育过程趋向于平缓稳定发育，同时在一定程度上存在裂隙发育滞后的现象。

岩石力学；破裂失稳；红外热图像；水温

0 引 言

中国矿产资源储量丰富，而在矿产资源开发过程中面临的灾害问题正成为制衡资源开采的一大难关。岩石破裂灾害是引发矿山灾害的主要原因，因此矿山资源开采过程中的岩石破裂监测预警是其防灾减灾的关键，成为国内外研究的焦点。红外监测技术具有实时、连续、非接触等优点，在岩石灾变预警领域正受到越来越多学者的青睐。

过去的几十年间，许多学者对不同条件下岩石破裂的红外辐射异常前兆进行了广泛的研究并取得了一定的成就。吴立新等通过实验指出，煤岩和砂岩在受压破裂期间产生了热图像和平均红外温度(AIRT)异常先兆[1]。刘善军等通过对花岗岩受压破裂红外热成像实验，分别应用特征粗糙度、熵、方差作为指标来描述红射温度场的演化特性[2]。吴贤振等通过实验研究从升温、降温以及幅值、规模四个方面对受压岩石的红外辐射温度场进行研究，得出破坏前粉砂岩红外辐射温度出现突变异常先兆，其中包含突升异常等四种红外辐射温度场异常前兆[3]。吴贤振等通过实验研究，提出“红外温变场”的概念，指出饱水粉砂岩破坏失稳进程中红外温变场的特征参数出现陡增的变化异常，同时提出在延性岩石破坏过程中ITF变化的异常现象具有一定的普遍性[4]。刘善军等通过对干燥和潮湿砂岩单轴压缩下红外辐射特征试验，提出水对岩石受力时的红外辐射具有明显的推动作用，但会导致破坏瞬间红外温度均值特性变化不明显[5]。张艳博等通过花岗岩破坏渗水过程红外辐射试验，指出花岗岩破坏-渗水过程的红外温度异常先兆为渗水点出现显著的“先升高后降低”温度变化现象[6]。刘善军等通过对内含水体的混凝土材料施加单轴压缩的试验，得出加载中、后期红外温度场出现部分区域辐射温度“先升高后降低”是混凝土破坏渗水的主要红外异常先兆，其出现的时间点要先于应力和声发射先兆[7]。张艳博等采用对含水粉砂岩进行单轴压缩的方法，得出水对粉砂岩破坏过程的红外辐射特性有显著的影响，并且出现了一个极限的转换值[8]。张艳博等采用对自然以及饱水花岗岩进行岩爆模拟的方法，得出饱水花岗岩红外温度均值比自然花岗岩高，且在单位载荷下AIRT增量更大；接近岩爆发生时，花岗岩试件表面辐射温度呈现出临界减慢特性，系统内在改变速度降低，与前一时间所处形态越来越接近，其自相关系数转变为增大的趋势[9]。

随着矿产资源的深部开采加剧以及地下工程、水利水电工程等的不断发展，深部高地应力高水温环境条件下岩体稳定性问题受到越来越多的关注，岩石破裂失稳是多因素影响的过程，除了应力水平、岩体物理力学性质，水和温度也是诱发岩体强度改变的重要因素。而目前针对岩石加载破裂的红外辐射实验大部分只考虑了水对岩石红外辐射的作用，较少考虑温度条件对红外辐射的影响作用。

本文基于以往研究中的不足，进行粉砂岩不同水温浸泡后单轴加载红外热成像实验，模拟不同水温环境下岩石失稳变化的过程，分析其红外辐射特性的不同，研究结果能对不同水温环境下岩石受压破坏红外先兆的确定提供一定的指导和借鉴作用。

1 试验过程

1.1 试验设计

采用粉砂岩作为试验试样，将其加工成50 mm×50 mm×100 mm规格的标准柱体试件6块，分别编号为S1、S2、S3、C1、C2、C3，即分成S组和C组，打磨上下两端平面，使上下两端面平整度符合要求。将S组试样放置在50 ℃水中煮0.5 h，将C组试样放置在100 ℃水中煮0.5 h，试件表面干燥后做密封处理。试验应用单轴压缩，在RLW-3000型伺服机上完成，使用位移控制方法进行加载，先预加压到1.5 kN，然后以1.5 mm/min恒速加载，直到试件破坏，实验室内温度约为29 ℃。利用美国生产的SC3000热成像仪对试件进行正面实时监测，生成试件加载至破坏的热图像。

1.2 试验数据处理

根据实验需要，首先对试验中得到的热图像进行1帧/s的重采样，并按照时间升序排成红外温度矩阵序列；然后应用matlab软件将每个时刻红外温度矩阵按照从上到下、从左到右的顺序转化为红外温度向量，通过编程分别求解出三个试件时间升序红外温度向量间的平均红外温度、欧氏距离、方差，并对得到的数据进行定量分析。

2 红外辐射特性分析

2.1 平均红外温度(AIRT)

平均红外温度主要描述粉砂岩试样在加载过程中红外热图像的整体温度水平，平均红外温度见式(1)。

(1)

式中：Cp为平均红外温度，n为红外温度矩阵中温度点个数，xk为红外温度矩阵第k个点的辐射温度值。因此分别作出两组试样平均红外温度(AIRT)随时间变化曲线，如图1所示。

图1 两组试件红外温度均值与时间变化曲线

根据图1，S组和C组试件在整个加载过程中平均红外辐射温度(AIRT)均呈现上升与下降交替，且整体趋势基本保持持续增加，阶段性特征不是很明显。两组试件最大平均红外温度增量保持在0.6 K左右，但由于每个试件的结构内部结构不同，试件最大平均红外温度增量各不相同。相对于S组试件，C组试件平均红外温度呈现的上升与下降交替幅度明显偏小，C组试件的红外温度均值提升趋势更趋近于线性增加。S组试件在岩石临破裂阶段，红外辐射温度存在小幅度的上升或者下降突变，而C组试件基本不存在这种突变。综上所述，100 ℃水中处理的C组试件平均红外温度变化趋势更接近于线性增加，破裂前的红外温度突变前兆更不明显。

2.2 方差

1918年，罗纳德·费雪提出了方差的概念，用来在概率论中度量随机变量和其数学期望之间的偏离程度，见式(2)。

(2)

式中：S2为方差；xk为红外温度矩阵第k个点的辐射温度值；xp为xk的平均值(即某一时刻红外温度矩阵的平均值)。对粉砂岩加载至破坏过程中每张热图像在时间序列下的方差，方差越大热图像上的温度与其平均温度的偏离程度越大，反之则越小。求出两组试件红外温度场方差随时间变化图，见图2和图3。

图2 S组粉砂岩方差与应力随时间变化曲线

图3 C组粉砂岩方差和应力与时间变化曲线

图2和图3中A点表示压密阶段，B点表示弹性阶段、C点表示塑性阶段、D点表示峰后阶段。根据图2和图3，S组和C组试件在整个加载过程中方差均呈现先上升后下降的趋势，在峰值压力C点后均出现一个较为明显的陡降。加载初期，粉砂岩处于压密阶段，方差均迅速增加，S组试件方差增加的幅度远远大于C组试件，在A点之前就达到峰值，而C组试件一般在A点之后达到峰值。之后试件进入弹性-塑性阶段，S组试件在该阶段方差开始呈缓慢下降，C组试件在该阶段成先升后降的趋势。最后试件进入塑性-峰后阶段，S组试件在该阶段呈剧烈下降趋势，而C组试件在该阶段呈缓慢下降趋势。同时总体上来对比图2和图3，C组试件的方差值远远小于S组方差值，结合各阶段方差变化趋势可以得出，C组试件在单轴加载破坏过程中裂隙的发育程度远远低于S组试件，并且存在裂隙发育滞后的现象。

2.3 欧氏距离

欧式距离是应用范围最为广泛的一种距离定义，指在空间坐标系中两个点或者向量之间的绝对距离。将岩石受压破裂过程中同一时刻试样表面所有测得的温度数据按照从上到下、从左到右的顺序构成某一时刻的温度向量，由于剪切破裂发育导致红外温度升高、张性破裂发育导致红外温度降低，岩石试样相邻时刻间温度向量间的欧氏距离表征单位时间内岩石试样裂隙的发育情况，其计算式见式(3)。

(3)

式中：d为相邻时刻两温度向量的欧氏距离；t为不同时刻；k为岩石试样测温点编号；xtk为t时刻k号测温点温度。

由于整个岩石加载破裂过程中红外温度场出现的温变现象，主要是由于剪切破裂与张性破裂发育导致的，相邻时刻温度向量的欧氏距离越大表示裂隙发育越剧烈，反之则是裂隙发育越轻微，所以可以利用相邻时刻温度向量的欧氏距离表征红外温度场的温变现象，求出两组试件红外温度场的欧氏距离，见图4和图5。

图4 S组粉砂岩欧氏距离和应力随时间变化曲线

图5 C组粉砂岩欧氏距离和应力随时间变化曲线

图4和图5中A点表示压密阶段，B点表示弹性阶段、C点表示塑性阶段、D点表示峰后阶段。根据图4和图5，S组试件和C组试件欧氏距离在时间序列上成上下起伏交替，当试件完全破坏后欧氏距离出现一个峰值并迅速回落至较低程度。加载前期，粉砂岩位于压密-弹性前期阶段，欧氏距离在该阶段存在较多突升值，突升值改变越大表示相邻时刻试件红外温度场变化程度越剧烈，S组试件欧氏距离变化幅度以及频率远远大于C组试件。之后粉砂岩处于弹性后期-塑性阶段，S组试件欧氏距离呈先剧烈突变后趋于平缓，而C组试件一直处于较为平缓的上下起伏交替，基本没有剧烈突升。最后粉砂岩处于峰后-破坏阶段，两组试件在峰值点C之后欧氏距离开始重新出现较为剧烈的突升，由于试件内部结构不同，突升幅度有所差别，在试件破坏之后欧氏距离产生一个极大值波动，幅值远远大于前面各阶段的欧氏距离，该极大值波动表征试件已经完全破坏。对比图4和图5，C组试件在时间序列上欧氏距离值以及变化幅度都远远小于S组试件，表明C组试件在单轴加载破裂过程中裂隙的发育程度远远低于S组试件，表证方差图中得到的对比结论的合理性。

3 讨 论

岩石加载至破坏过程中，一般经过弹性阶段、塑性阶段、塑性-峰后阶段。针对S组和C组试件单轴加载过程中热图像的三项指标分析可得：S组和C组试件平均红外温度增量保持在0.6 K左右，S组试件相邻时间点平均红外温度增量可达0.01 K，而C组试件相邻时间点平均红外温度增量基本上低于0.005 K。S组试件方差在加载过程中增加幅度均在0.08左右，而C组试件方差在加载过程中增加幅度在0.06左右。S组试件欧氏距离最大波动幅度的平均值为0.9左右。而C组试件欧氏距离最大波动幅度的平均值为0.7左右。岩石一般都属于含孔隙的材料，且由多种矿物成份组成，不同矿物成份在各温度条件下的热膨胀系数不相同，从而致使岩石内部颗粒的热膨胀不均匀。当温度较高时，由于岩石颗粒热膨胀系数的不同产生的热应力可能会高于颗粒连接处的极限强度，从而使颗粒间产生连接断裂形成微裂隙。基于上述阐述的机理，经过100 ℃水处理的试件可能是在100 ℃水的环境下由于岩石的温度效应产生了较多的微裂隙，从而导致单轴加载破坏试验过程中的温变程度不剧烈。

4 结 论

本文针对不同水温浸泡下粉砂岩加载至破坏各阶段红外辐射温度场变化情况进行研究，通过对平均红外温度(AIRT)、方差、欧氏距离三项指标的对比分析，得出以下结论。

1)针对平均红外温度(AIRT)指标，100 ℃水中处理的C组试件平均红外温度变化趋势更接近于线性增加，破裂前的红外温度突变前兆更不明显。

2)针对方差指标，100 ℃水中处理的C组试件的方差值远远小于50 ℃水中处理的S组方差值，且C组试件变化的幅度远远小于S组试件。

3)针对欧氏距离指标，100 ℃水处理的C组试件在时间序列上欧氏距离值以及变化幅度都远远小于50℃水处理的S组试件，在试件临近破裂前的欧氏距离值异常表征不明显。

4)总体来看，三项指标对50 ℃、100 ℃水浸泡粉砂岩试件红外辐射温度场的刻画整体趋势大体一致，但100 ℃水浸泡试件在单轴加载破坏过程中裂隙的发育的剧烈程度远远低于50 ℃水浸泡试件，且发育过程趋向于平缓稳定发育，同时在一定程度上存在裂隙发育滞后的现象。

[1] 吴立新，王金庄.煤岩受压红外热象与辐射温度特征实验[J].中国科学(D辑)：地球科学，1998，28(1)：41-46.

[2] 刘善军，魏嘉磊，黄建伟，等.岩石加载过程中红外辐射温度场演化的定量分析方法[J].岩石力学与工程学报，2015，34(S1)：2968-2976.

[3] 吴贤振，高祥，刘祥鑫，等.饱水粉砂岩破裂过程中红外温度突变异常[J].煤炭学报，2015，40(S2)：328-336.

[4] 吴贤振，高祥，赵奎，等.岩石破裂过程中红外温度场瞬时变化异常探究[J].岩石力学与工程学报，2016，35(8)：1578-1594.

[5] 刘善军，吴立新，张艳博，等.潮湿岩石受力过程红外辐射的变化特征[J].东北大学学报：自然科学版，2010，31(2)：265-268.

[6] 张艳博，陈宾宾，景广辉.花岗岩破裂渗水过程红外辐射与声发射特征研究[J].金属矿山，2013(4)：65-68.

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[8] 张艳博，刘翠萍，梁鹏，等.水对粉砂岩受力破裂红外辐射温度敏感性实验[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2016(3)：259-264.

[9] 张艳博，李健，刘祥鑫，等.水对花岗岩巷道岩爆红外辐射特征的影响[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2015(4)：453-458.

Study on infrared radiation characteristics of siltstone after process of different temperature soaking

YANG Yang1，2，MEI Li1，2，LIU Hao1，2，WU Xianzhen1，2，ZHOU Lingjie1，2

(1.College of Resources and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.Jiangxi Provincial Key Laboratory of Mining Engineering，Ganzhou 341000，China)

In order to investigate the infrared radiation characteristics of the siltstone during the process of temperature，the uniaxial compression tests were carried out on the siltstone samples soaked in water at 50℃ and 100℃.The average infrared temperature(AIRT)，variance，Euclidean distance The infrared radiation temperature field characteristics of the two groups of samples were analyzed quantitatively，and the infrared radiation characteristics of the siltstone under different water temperature were obtained.The results show that the three indexes have the same general trend in the infrared radiation temperature field of water-soaked siltstone specimen at 50℃，100℃，but the development of 100℃ water immersion specimen is far from violent in uniaxial loading failure process Water immersion specimens below 50℃，and the development process tends to be stable and stable development，at the same time to some extent，there is the phenomenon of fissure development lag.

rock mechanics；fracture instability；infrared thermal image；water temperature

2016-11-29 责任编辑：赵奎涛

江西省教育厅科技计划项目资助(编号：GJJ12336)；江西省研究生创新专项资金项目资助(编号：YC2016-S303)

杨阳(1989-)，男，硕士研究生，主要从事岩石力学，采矿理论与技术研究，E-mail：625406641@qq.com。

TD315

A

1004-4051(2017)06-0149-05