单轴压缩下片麻岩红外辐射特征研究

为探究不同层理方向岩石变形破坏过程中的红外异常,开展了单轴压缩下片麻岩红外辐射试验,结合应力、平均温度、方差、温度场分异速率、热像图多种指标研究了破裂过程红外辐射温度的演化特征。结果表明:不同层理片麻岩加载过程红外辐射温度场的演化特征具有相似的阶段性和变化趋势。发现平均红外辐射温度和应力二者之间有较强的线性关系,相关系数均在0.90以上;水平层理试件辐射温度升温速度高于竖直层理试件。方差曲线随应力变化可分为3个阶段,压密及弹性阶段较小且变化平缓,破坏阶段发生大幅度陡升;加载中期和后期出现的异常特征点可作为岩石失稳的前兆信息。对方差求导获取温度场分异速率,定义其第1次偏移0值的点和临破坏偏移0值的点为一、二级预警信号;得出时间预警优于应力预警,且竖直层理试件能达到损伤最低值。红外图像经过多步骤算法降噪处理,图像质量明显增强;前期热像表面呈均匀缓慢变化,中期随应力增加逐渐升温,临近破坏时,热像在破裂位置出现高温辐射异常,其他区域出现低温异常,这种分异现象是岩石失稳的重要红外前兆特征。     

基于极差的受载含孔洞岩石红外辐射温度场的定量分析

以岩石含孔结构模拟地下巷道,开展了含孔洞岩石加载过程的红外辐射监测实验。对含孔洞岩石加载的红外辐射温度场的时空变化特征进行了研究,引入极差参数作为红外辐射温度场的定量刻画指标,重点讨论了极差曲线的变化特征,以及极差与特征粗糙度、熵和方差的异同。结果表明：①极差曲线随应变的变化具有明显的阶段性特征,表现为低水平发展、稳定上升和快速上升 3 个阶段;②在最后阶段,极差曲线加速上升并出现突跳点,反映了温度场的分异现象和前兆特征,前兆时间点平均为 0.88 峰值应力;③在特征粗糙度、熵、方差和极差这 4 个参数中,特征粗糙度和极差的阶段性变化特征最明显,有利于岩石加载阶段的识别与判定,方差次之,熵最差;特征粗糙度和极差波动性最大,对岩石加载过程的红外温度场变化更为敏感,熵次之,方差最光滑;极差的前兆点易识别性最大,特征粗糙度次之,熵和方差最小;在前兆时间上,4 个参数处于 0.87~1 峰值应力区间,平均为 0.94σmax,其中极差最早,特征粗糙度次之,熵和方差最晚,不同参数的前兆时间差有利于增强岩石破裂预警的临近渐进性和识别可靠性;从计算的难易程度上看,特征粗糙度和熵最复杂,方差次之,极差最为简单。本研究成果丰富了遥感 —岩石力学的内容和红外辐射温度场定量表达方法,为岩巷岩体失稳破坏的红外监测及预警提供了实验基础。     

基于极差的受载含孔洞岩石红外辐射温度场的定量分析

以岩石含孔结构模拟地下巷道，开展了含孔洞岩石加载过程的红外辐射监测实验。对含孔洞岩石加载的红外辐射温度场的时空变化特征进行了研究，引入极差参数作为红外辐射温度场的定量刻画指标，重点讨论了极差曲线的变化特征，以及极差与特征粗糙度、熵和方差的异同。结果表明：①极差曲线随应变的变化具有明显的阶段性特征，表现为低水平发展、稳定上升和快速上升 3 个阶段；②在最后阶段，极差曲线加速上升并出现突跳点，反映了温度场的分异现象和前兆特征，前兆时间点平均为 0.88 峰值应力；③在特征粗糙度、熵、方差和极差这 4 个参数中，特征粗糙度和极差的阶段性变化特征最明显，有利于岩石加载阶段的识别与判定，方差次之，熵最差；特征粗糙度和极差波动性最大，对岩石加载过程的红外温度场变化更为敏感，熵次之，方差最光滑；极差的前兆点易识别性最大，特征粗糙度次之，熵和方差最小；在前兆时间上，4 个参数处于 0.87~1 峰值应力区间，平均为 0.94σmax，其中极差最早，特征粗糙度次之，熵和方差最晚，不同参数的前兆时间差有利于增强岩石破裂预警的临近渐进性和识别可靠性；从计算的难易程度上看，特征粗糙度和熵最复杂，方差次之，极差最为简单。本研究成果丰富了遥感 —岩石力学的内容和红外辐射温度场定量表达方法，为岩巷岩体失稳破坏的红外监测及预警提供了实验基础。     

岩巷岩体失稳破坏的红外和声发射联合监测预警技术研究

对岩巷工程灾害的预警预报和应急响应是减少人员伤亡和经济损失的重要途径,通过红外辐射和声发射联合监测含孔岩石在受力过程中的物理变化可以有效地模拟岩巷工程灾害演化与爆发。为此,开展了 含孔洞岩石加载过程的红外辐射和声发射联合监测试验,对含孔洞岩石加载的红外辐射和声发射特征以及二者之间的关系进行了研究。结果表明：①极差曲线随应变的变化具有明显的阶段性特征,特别在最后阶段, 极差曲线加速上升并出现突跳点,反映了温度场的分异现象和前兆特征,前兆时间平均为95.71%峰值应力;②声发射能率和声发射率曲线具有阶段性变化特征,在后期阶段普遍存在岩石破坏的前兆特征,前兆时间平 均为82.68%峰值应力;③岩石加载后期,红外与声发射前兆具有递进性,即声发射前兆早于红外前兆,两者的时间分界线在92%~95%峰值应力;④红外和声发射变化特征的关系与岩石的损伤破裂演化以及两种监测技术 的特点有密切关系。根据试验结果,提出了岩巷岩体失稳破坏的红外和声发射联合监测预警技术,讨论了两种技术的互补性,并给出了联合监测预警的技术流程,供相关研究和现场监测参考。     

煤样单轴压缩破坏红外温度临界慢化前兆研究

为研究煤样受载破坏过程中有效前兆信息,开展了煤样单轴压缩加载试验,分析了在相同加载方式下煤样红外辐射温度变化特征,运用临界慢化理论对煤样最高红外辐射温度进行处理,比较了最高红外辐射温度的方差和自相关系数,分析了方差、最高红外辐射温度以及载荷在时间上的变化特征。结果表明:煤样在受载前期和中期最高和平均红外温度变化趋势基本保持一致,受载后期最高红外温度在煤样损伤点处呈上升趋势,主破裂发生时,最高红外辐射温度急剧上升,而平均红外温度在主破裂时并未表现出明显变化;方差和自相关系数均受窗口长度和滞后步长的影响,但方差曲线受窗口长度影响较大;对比红外降温前兆点和红外升温突增点,方差对煤样失稳破坏的预测更加的精准。     

粉砂岩破裂失稳过程的红外高温区域异常前兆

临破裂岩石自身突变所引起的红外温度场异常可能主要集中于某一较小区域内。为从局部层面探寻岩石破裂失稳过程的红外异常前兆,进行了粉砂岩单轴压缩下的红外监测实验,根据直方分布特征将红外温度场划分为包括高温区域在内的三个温度区域,并以高温区域特征值变化异常为重点展开研究。结果表明:粉砂岩破坏失稳过程中存在红外高温区域异常前兆,其表征形式主要包括高温区域面积比、温均面积比(面积比/极差)等形式;面积比、温均面积比异常前兆表现为临破裂突增异常,出现频率分别可达80%和60%;另外,高温区域异常前兆普遍晚于峰值应力出现。研究结果对岩石受力灾变的红外监测及预警具有一定的工程应用价值。     

采动裂隙煤岩破裂过程热红外辐射异化特征

高应力强卸荷下煤岩动力破坏现象频发,明确煤岩破裂前兆信息是保障深部煤炭安全开采的重要内容。为定量研究采动裂隙煤岩破裂过程热红外辐射异化特征,采用实验手段分析受载下裂隙煤岩体损伤直至破裂过程热红外辐射温度时域演化规律与异常区域迁移特征,对比分析预制结构面对红外辐射异化特征的影响,揭示热红外辐射温度场与声发射耗散能量间的关系。结果表明:裂隙煤岩破裂过程热红外辐射温度时域演化规律划分为Tave的平静、小幅波动、快速增加和快速降低4个阶段。Tave极值出现在0.77σp,可作为煤岩临近破裂的前兆特征;热红外辐射异常区域的迁移特征可作为煤岩破裂的重要前兆现象,σ≥0.30σp开始出现大面积整体性升温,σ≥0.77σp温度仍保持整体性增加,但温度最大值开始降低,σ≥σp以热红外辐射低温异常区域为主;预制结构面的存在对裂隙煤岩的力学响应特征起到决定性作用,且平行结构面造成的强度劣化最为显著,对岩石工程的安全影响最大。裂隙煤岩破裂红外辐射异常区域集于制结构面附近,红外辐射温度异常区域迁移与声发射能量突变基本保持一致。     

饱水粉砂岩破裂失稳过程中红外温度突变异常

岩石加载条件下微破裂的发育将引起岩石表面红外温度发生变化,临破裂岩石微破裂的加剧发育可能导致其红外温度发生突变异常。为从红外温度突变的角度探寻岩石受力灾变前兆,进行了粉砂岩单轴压缩红外-声发射实验,对热图像序列按1 s/帧进行重采样与差分处理,并从升温和降温2个过程、幅值和规模2个角度对受力岩石的红外温度突变特征进行研究。结果表明,临破裂粉砂岩存在红外温度突变异常前兆,包括突升异常、突降异常前兆与突变极值异常、突变点量异常前兆;对于低强度的粉砂岩,因张破裂较为发育而导致红外温度突降异常前兆的出现概率普遍高于突升异常前兆;突升异常、突降异常前兆之间具有负相关性,突变极值、突变点量异常前兆之间具有正相关性,4种形式的红外温度突变异常前兆既能相互补充,又能相互验证。     

饱水粉砂岩破裂过程中红外温度突变异常

岩石加载条件下微破裂的发育将引起岩石表面红外温度发生变化,临破裂岩石微破裂的加剧发育可能导致其红外温度发生突变异常。为从红外温度突变的角度探寻岩石受力灾变前兆,进行了粉砂岩单轴压缩红外-声发射实验,对热图像序列按1 s/帧进行重采样与差分处理,并从升温和降温2个过程、幅值和规模2个角度对受力岩石的红外温度突变特征进行研究。结果表明,临破裂粉砂岩存在红外温度突变异常前兆,包括突升异常、突降异常前兆与突变极值异常、突变点量异常前兆;对于低强度的粉砂岩,因张破裂较为发育而导致红外温度突降异常前兆的出现概率普遍高于突升异常前兆;突升异常、突降异常前兆之间具有负相关性,突变极值、突变点量异常前兆之间具有正相关性,4种形式的红外温度突变异常前兆既能相互补充,又能相互验证。     

单轴压缩条件下饱水粉砂岩红外温度场的分形特征研究

为探寻单轴压缩下饱水粉砂岩破裂过程中的红外辐射特性,引入分形理论,通过盒维数法计算出饱水粉砂岩红外温度场的分形维数,结合方差对单轴压缩下饱水粉砂岩的分形特征进行分析。结果表明:红外温度场的分形维数不仅能够表征饱水粉砂岩变形过程中裂纹发育的几何特征,同时也体现了裂纹发育过程中的动力学特征;较方差而言,分形维数对岩石加载过程的红外温度场变化更为敏感;分形维数在弹性阶段以及表征饱水粉砂岩试样破裂的红外前兆方面刻画效果优于方差。