遥感-岩石力学(VIII)——论岩石破裂的热红外前兆

岩石破裂存在多种前兆,它是岩石力学和岩石工程中的一项重要研究内容。在总结多年遥感-岩石力学基础实验研究的基础上,对岩石破裂的热红外前兆进行了系统总结与分析,包括:前兆表现形式及其类型、前兆的时间及空间特征、前兆的机理等。研究表明:(1) 岩石破裂的热红外前兆有平均红外幅射温度-时间曲线异常和热像异常2种形式,分别反映前兆的时空特征;(2) 热像异常分为高温条带和低温条带两种类型,平均红外幅射温度-时间曲线异常分为降温、升温加速和降温转升3种类型;(3) 前兆出现在岩石载荷峰前s = (0.77～0.87)sp 的应力区间内,与微破裂带的形成密切相关;(4) 高围压和压性强的剪性破裂出现前兆的几率要大于低围压和压性弱的剪性破裂,而随着破裂向纯剪过渡,前兆出现的几率降低,且前兆发生的时间越接近岩石破裂时刻;(5) 岩石破裂热红外前兆机理是岩石热弹和摩擦热效应的综合。     

多暗色矿物类岩石单轴加载过程中红外辐射定量研究

对首都圈地区的多暗色矿物类岩石(花岗闪长岩、辉长岩及片麻岩)进行了单轴加载至破裂过程的热红外遥感监测实验,发现:(1) 在加载至应力峰值过程中,岩石平均红外辐射温度与应力呈线性正相关关系;(2) 在加载至应力峰值过程中,岩石平均红外辐射温度与所受机械功呈三次曲线关系;(3) 应力峰后-破裂过程中,岩石沿剪切破裂带辐射温度升高,而在应力松弛或张性区,辐射温度有所降低;(4) 损伤岩石在单轴加载过程中红外辐射温度变化与完整岩石相比总体规律相似,但波动性较大。基于实验分析,建立了岩石应力与红外辐射温度以及机械能与红外辐射温度的定量关系;并对地震遥感及其热红外前兆的物理-力学机制进行了讨论。     

遥感-岩石力学(I)——非连续组合断层破裂的热红外辐射规律及其构造地震前兆意义

以构造地震孕震机制之一即非连续组合断层破裂发震为模拟对象，利用双轴加载实验系统和红外热像仪，对雁列和同线非连通这两种非连续组合断层在双轴加载破裂失稳过程中的红外辐射特征进行了模拟实验研究。研究表明：双轴加载过程中岩石表面红外辐射温度的变化对应岩石应力变化，具有阶段性规律，包括初始、弹性、应力闭锁、解锁和屈服破裂5个阶段。自弹性阶段开始至解锁阶段，岩石表面的平均红外辐射温度(AIRT)的动态曲线表现为“上升-下降-再上升”的演变特征：而断层雁列区和非连通区在解锁阶段其热像出现高温异常条带，非连通区的高温异常条带还具有“增强-减弱(平静)-再增强”的演变特征。其地震前兆的时空意义为：(1)构造地震活动区卫星遥感AIRT的上升趋势可作为地震中期预警指标；(2)热像局部正异常条带预示未来震源位置；(3)AIRT下降与热像局部热异常条带的减弱(平静)一起，可作为构造地震的短临前兆。     

基于阈值降噪的测量机器人监测基础数据粗差剔除方法研究

在露天矿及排土场的边坡监测中由于放炮震动等因素影响使得测量机器人监测基础数据中总是含有一定量的粗差。针对如何快速而准确的剔除监测数据中的粗差,文中提出利用小波阈值降噪的方法剔除数据中的粗差,该方法通过有用信号最小频率确定分解层数,根据确定的分解层数对含有粗差的监测基础数据进行软阈值消噪处理。该方法取得良好效果,为基于测量机器人监测基础数据的粗差剔除提供了一种有效的方法。     

遥感-岩石力学在矿山应用的试验研究

遥感-岩石力学的试验研究表明,岩石在受力与灾变过程中存在特征性的红外辐射变化,利用红外手段可以监测岩石应力与灾变问题。在过去遥感-岩石力学试验研究的基础上,针对矿山与岩石破裂失稳有关的安全隐患问题,利用红外热像仪对河北省峪耳崖金矿和辽宁省齐大山铁矿进行了现场检测,结果表明,利用热像仪可以检测井下高矿压部位、冒落和片帮等危险性的部位、渗水部位以及露天矿中断层和滑坡危险区,这些区域在热像中呈现不同于周围正常岩石的温度色调。如果结合长时间动态观测,可以对这些矿山灾害进行预测预警。研究结果为矿山安全及防灾减灾提供了新的监测预警手段。     

岩石破裂失稳声发射监测频段信息识别研究

首先对声发射信号进行分频处理,分析岩石损伤破裂演化过程中声发射信号频段分布规律。根据岩石断裂模式与声发射频率存在一定的对应关系,证明了岩石破裂监测中声发射前兆优势频段的存在,进一步构建前兆优势频段的计算方法,确定声发射监测岩石破裂的最优短临预报参数。通过开展花岗岩圆形隧洞模型水平卸荷试验,分析整个过程的声发射信号,寻找前兆优势频段,以此验证方法的可靠性。研究结果表明,水平方向卸荷瞬间,隧洞两壁发生劈裂破坏,频段(31.25~62 k Hz)的小波能量占比达73%以上。临近最终破裂,频段(7.8125~15.625 k Hz)变能系数CD6?由前一刻的0.5突增到15,具有典型的灾变响应特征,可以确定该频段为声发射前兆优势频段。选择CD6??作为宏观破裂的短临预报参数,再结合临近最终破裂前声发射主频在频段(90~105 k Hz)和(13~20 k Hz)所出现的响应突现规律,可以为预测花岗岩圆形隧洞模型的失稳破坏提供预警参量。     

遥感-岩石力学（V）——岩石粘滑过程中红外辐射的影响因素分析

利用双轴加载实验装置和热红外成像仪器对岩石剪切滑移过程中的红外辐射进行了成像实验。研究表明，摩擦速率、正应力、摩擦面粗糙度、岩石强度与矿物颗粒硬度是影响岩石粘滑过程红外辐射的重要因素：(1)摩擦以等速率进行时，岩石摩擦裂隙表面平均红外辐射温度的时间曲线为直线型，局部最高温度的时间曲线为3次曲线型，而岩石表面平均红外辐射温度与所受机械功线性相关。当所受机械功相等时，摩擦速率越高，温升幅度越小；(2)红外辐射强度与正应力线性相关；(3)摩擦面粗糙度对平均红外辐射温度影响不大，但对局部最高辐射温度影响较大；(4)岩石强度或其矿物颗粒硬度越高，红外辐射温度就越高。     

遥感一岩石力学（VII）——岩石低速撞击的热红外遥感成像实验研究

利用热红外遥感成像技术进行岩石低速撞击瞬间的遥感监测，分别进行了以大理岩为主的不同岩性的垂直撞击实验、不同角度的倾斜撞击实验以及不同表面条件(潮湿度)的垂直撞击实验。发现：(1)岩石垂直撞击时，均存在一临界速度，不同岩性岩石的临界速度值有所差异，以大理岩为例，其临界速度约为15m/s；(2)辐射特征与撞击因子相关，大理岩在临界速度以内垂直撞击时，热红外辐射通量增量与弹体动能线性相关，热红外辐射温度增量与撞击速度二次相关；(3)不同角度撞击时，热红外辐射特征各不相同，其辐射强度基本上都比相同速度下垂直撞击时强，且在45^。角入射时达到峰值；(4)潮湿与干燥火理岩在垂直撞击时具有不同的热红外辐射特征，且其变化趋势与速度相关。     

地震红外遥感实验的热像处理系统与关键技术

为满足地震遥感基础实验研究中的红外热像处理要求，研究了实验红外热像数据的提取、增强显示和温度场分析等关键问题，通过引入最佳灰度域和动态值域概念，解决了实验热像分析处理所要求的最佳伪彩色显示与动态局部增强显示等关键技术，采用面向对象的程序设计方法开发了一套红外热像处理系统。并应用于模拟地震孕育的若石单轴压缩破裂过程及岩石双剪摩擦滑移过程的红外热像处理与分析研究。     

岩体稳定性评价的物元分析法

本文提出了岩体稳定性评价的物元分析法，并经实测数据进行验证，说明此方法是科学可靠的。