遥感-岩石力学(III)——交汇断层粘滑的热红外辐射与声发射规律及其构造地震前兆意义

以构造地震孕震机制之三即交汇断层粘滑发震为模拟对象,利用双轴加载实验系统和红外热像仪对自然界经常出现的断层组合模式--不同交汇角度的组合断层的物理模型进行了室内加载实验,利用红外热像仪和声发射仪分别测定了加载过程中试样表面的红外辐射及断层活动的声发射时间序列.结果表明(1) 声发射及红外辐射的时间序列特征受加载过程中试样的力学行为所控制,并表现出阶段性变化特点;(2) 声发射与红外辐射特征与断层几何结构有密切关系,当主应力与主断层成45°角时,红外辐射异常区主要沿主断层发育;(3) 垂直交汇的断层与斜交断层的声发射及红外辐射特征有明显差异,交汇角度(1°～90°)越大,交汇点处的红外辐射异常越明显.     

岩石真三轴加载破坏的热–声前兆信息链初探

硬脆性岩石的突发性失稳往往会带来灾难性的后果,因而研究硬脆性岩石突发性失稳破坏的前兆信息是十分有意义的。为此对红砂岩试样开展不同中间主应力条件下的真三轴加载试验,结合红外热像技术研究岩石破裂的热红外热像演化和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像技术分析岩石真三轴加载下的裂纹扩展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及破裂演化机制,提出基于热红外的非接触式岩石破裂前兆预警指标,可在岩石因破裂而导致的温度异常变化前对岩石的破坏做出预警。研究表明:岩石破裂前存在四类前兆信息,依次为热红外温度前兆、声发射前兆、热像异常前兆及岩石宏观裂纹前兆。热红外温度前兆和声发射前兆出现时间相对较早,能优先从时间上预警岩石的破坏,热像异常前兆和宏观裂纹前兆的出现时间则较晚,也距离试件破坏较近,热像异常能指示岩石未来潜在的破裂区域。从岩石的内部、外部、时间和空间上初步建立硬脆性岩石的热–声前兆信息链,研究成果可为岩石突发性失稳破坏的分析和防治提供有益参考。     

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。     

节理岩桥裂纹扩展的热红外前兆信息研究

由于岩质边坡内部锁固段岩桥应力聚集较高,含节理的岩质边坡易发生突发性失稳。对含不同岩桥长度花岗岩试件开展单轴试验,采用红外热像仪全程监测,研究岩质边坡破裂前的热红外热像和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像机分析裂纹开展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及演变机制。研究表明:岩桥试件破裂前存在两种热红外前兆,未来破裂处热像异常前兆和热红外平均温度-时间曲线异常;热红外前兆出现时间提前于声发射前兆,随着岩桥长度的增加,热红外前兆提前性变得更为突出;下部预制节理裂隙尖端处的热像变化可以预测未来裂纹扩展方向,定位表面裂纹开展源头;利用断裂力学应变能密度因子理论,揭示了单轴应力状态下岩桥长度对起裂扩展的影响机制。热红外前兆相较于其他前兆形式更提前可靠,采用红外热像仪监测岩桥试件破裂前的变化特征,研究结果为节理岩质边坡的防治提供理论依据。     

岩石加载过程中红外辐射温度场演化的定量分析方法

为探讨岩石加载过程表面红外辐射温度场演化的定量分析方法,引入分形、熵和统计学理论,提出用特征粗糙度、熵和方差作为指标定量描述岩石加载过程中红外辐射温度场的演化特征,并以含孔岩石试样加载过程热成像观测试验结果为例,对3种指标的定量刻画能力及特点进行对比分析。结果表明:(1)3种指标都能较好地定量刻画岩石加载过程中红外辐射温度场的演化与分异特征,在岩石加载过程中随着应力变化出现阶段性变化特征,在破坏前出现红外异常前兆,且效果均好于以往使用的指标AIRT;(2)3种指标有不同的特点,熵对于试样加载过程红外辐射的阶段性特征刻画较好,随应力增加各个阶段的红外辐射变化分界明显;而特征粗糙度和方差在临近岩石破裂时发生大幅度突然性升高,对于岩石破裂的红外前兆的识别更具优势。研究结果为岩石受力与灾变过程红外辐射的定量分析提供了新的方法。     

含缺陷花岗岩破坏过程中的红外热像试验研究

在实验室通过红外热像仪对7块含相同预制单裂纹缺陷的花岗岩板状试样单轴压缩载荷下破裂过程的红外热像进行了试验研究(其中有一块试样中途折断,没有取得红外热像特征)。试验结果表明:试件加载过程中,微破裂越强,其红外辐射也就越强;在主破裂时,试件在局部破坏区域会产生高温条带的红外热像特征。试件受压过程中的红外温度异常表现为3种类型:(1)先降温,临破裂升温;(2)温度交替升降,破裂前升温;(3)缓慢升温,破裂前快速升温。同一种岩石,其破坏时的红外辐射表现不一定相同。     

拐折非连通断层加载失稳的热辐射演化特征

 为研究构造活动及其失稳过程的红外异常特征,选择拐折非连通断层作为模拟对象,利用单轴加载试验系统和红外热像仪,对模型受力及失稳过程的热辐射时空演化特征进行试验研究。结果表明：(1) 随着应力的增高及阶段性变化,热像首先在下部断层出现1个高温异常点,强度逐渐增强,临近失稳前在岩桥端部又出现2个高温异常点,并具有交替出现的特征,最终演化为一热条带,继而断层连通失稳。“三点高温”和“交替演化”的红外辐射异常特征,与断层预滑、岩桥区应力集中及迁移有因果关系;(2) 岩桥区的平均红外辐射温度(AIRT)在断层活动过程中呈现3个阶段的变化特征,表现为低应力阶段的基本不变或变化很小、中间应力阶段的缓慢上升和临失稳阶段的加速上升。AIRT短暂降温之后的加速上升是断层破裂失稳的重要前兆;(3) 断层周围不同区域的AIRT变化特征不同,与不同区域应力性质差异存在密切关系。应力、应变、红外辐射等多参数的对地集成观测是未来构造活动及其灾变分析的关键。     

瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应研究

为探索瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应特征，利用自主研发的含瓦斯煤岩破裂温度变化检测实验系统，以平煤十一矿煤样作为研究对象，分析其在不同瓦斯压力下力学性质和红外辐射特性，并对差分最高辐射温度ΔT_MIR、累计差分温度ΣΔT_MIR、热像演化等在不同瓦斯压力下的时变特性进行对比分析。结果表明：随着瓦斯压力的增大，试样破坏形态从单斜面剪切破坏向剪张性失稳破坏转变，破坏发展明显增强；试样的峰值抗压强度、弹性模量随着瓦斯压力的增大而降低，峰值应变表现为先增加后快速降低；不同瓦斯压力下，试样整体上表现出增温趋势，低瓦斯压力(0～0.4 MPa)条件下临破裂前出现升温前兆，而高瓦斯压力(0.6,0.8 MPa)则表现为降温前兆；试样加载过程中出现低温异常条带和高温异常区域，且与宏观裂纹走向及位置一致；并揭示了瓦斯影响下煤岩红外辐射的响应机制：热弹效应、摩擦热效应、瓦斯膨胀吸热效应及吸附瓦斯解吸吸热效应，不同加载阶段热效应的影响程度不同。研究结果解释了煤岩瓦斯动力灾害温度异常变化的原因，明确了不同瓦斯压力下的红外预警前兆特征，可以根据矿井瓦斯压力的大小有针对性...     

混凝土的微波辐射和红外辐射随应力变化的实验研究

对混凝土的微波辐射和红外辐射在实验室进行了加载实验，发现混凝土的微波辐射能量和红外辐射能量随混凝土应力状态变化而显著变化，且混凝土试件临破裂前，微波辐射和红外辐射出现多种破裂前兆异常。这表明微波遥感和红外遥感可用于混凝土工程应力和应力场分布测量，并可用于混凝土工程因应力集中造成工程可能发生危险或遭到破坏时的监测和预报。     

考虑应变速率效应的煤岩能量演化和红外辐射特征分析研究

为了研究煤岩材料破坏的加载速率效应,利用岩石力学加载试验系统及红外辐射监测平台,开展不同等级速率的单轴压缩试验,并从破坏形态、力学性质、能量演化和红外辐射特征等角度进行分析。研究结果表明：随着应变速率增加,试样破坏形态由中、低速率下的剪切破坏向高应速下的全面剪胀失稳破坏转变;试样应变速率的对数与峰值强度呈正相关,可以采用二项式描述;应变速率与能量演化密切相关,存在塑性向脆性转变的临界速率;高应变速率试样0.75σ_c 时热像图上出现高温异常突变点,低应变速率试样0.98σ_c 时才出现高温异常区域;低应变速率试样最高温值出现在应力峰值前几秒,中、高应变速率试样最高温值与应力峰值几乎同时到达,临破裂前出现了“V”型异常转折现象。研究结果可以为岩石动力灾变预警提供参考。     

隧道渗漏水红外辐射特征模型试验及图像处理

 对室外大型混凝土模型墙体注水模拟隧道衬砌渗漏水,利用红外热像仪观测渗漏水的红外辐射特征,获取红外热图像,研究混凝土渗漏水过程中的红外辐射规律,并编写MATLAB图像处理程序提取混凝土渗漏水红外热图像特征。混凝土一般渗漏水试验结果表明：渗漏水热图像呈现高温区域包围低温区域的温度场特征,渗漏水区域边缘温度梯度较大;混凝土渗漏水过程试验结果表明：渗水流量越大,渗漏水区域和基底混凝土的红外辐射温差越大,水域温度越均匀,水域边缘温度场变化越剧烈;试验结果可以为混凝土工程(如地下建筑、隧道等)渗漏水的检测和预警提供指导。针对渗漏水红外图像特征,利用MATLAB编写的程序能够提取热图像中的渗水面积等信息,为隧道渗漏水车载动态检测软件系统开发奠定基础。     

Remote sensing rock mechanics (RSRM) and associated experimental studies

The development of remote sensing rock mechanics (RSRM) was stimulated by meteorological satellite observations using infrared (IR) thermal images during earthquakes. The experimental methods, instruments, and some typical results concerning the relations between the IR radiation and rock stress are introduced. This paper explains that: (1) the IR radiation energy including IR radiation temperature and IR spectral radiation intensity increases with loading; (2) the IR radiation temperature increases with depth inside the rock specimen surface; (3) the IR radiation temperature increases with rock strength and; (4) the IR thermal image can anticipate the stress transfer process and rock fracturing location. Thus, the study and application of RSRM includes detection of material behaviour resulting from heterogeneity and/or stress application as well as mechanical failure and collapse as a time–space forecast. The experiment results have been supported by successful earthquake forecasts. The key issues and future research directions for RSRM are suggested.     

基于多物理场参数变化的花岗岩巷道岩爆前兆模拟实验研究

 通过室内实验以及数值模拟研究构造应力对花岗岩巷道岩爆的影响,从可见光图像、声发射、远红外的变化规律入手,分析三者与巷道岩爆的内在联系,揭示巷道岩爆的孕育机制。实验选择的花岗岩岩爆倾向性指数为13.84～18.02,属于中等程度岩爆倾向性岩石。研究结果表明：由于岩石破裂过程中的能量耗散,发生岩爆前均会出现多种物理参数突变现象;岩爆发生前,巷道围岩将出现大范围应力转移和应力集中,岩爆发生时巷道左右以及上下边帮将有岩屑弹出,并且侧压越高,岩爆的烈度越强;岩爆发生前至少出现2次大范围温度跳变,即温度初始异常点与岩爆前兆点;声发射绝对能量b值的跳变和平静期的出现可作为大破裂的前兆信息;经统计分析,这3种监测手段对岩爆的响应敏感顺序为：可见光图像＞远红外＞声发射。由于岩体内部观测的复杂性,采用多种监测手段,建立岩爆监测的多物理场参数联合预警方法,可为岩爆监测提供更准确地预警信息。     

A novel true triaxial test system for microwave-induced fracturing of hard rocks

This study introduces a test system for microwave-induced fracturing of hard rocks under true triaxial stress. The test system comprises a true triaxial stress loading system, an open-ended microwaveinduced fracturing system, a data acquisition system, an acoustic emission(AE) monitoring system, and an auxiliary specimen loading system. Microwave-induced surface and borehole fracturing tests under true triaxial stress were fulfilled for the first time, which overcomes the problem of microwave leakage in the coupling loading of true triaxial stress and microwave. By developing the dynamic monitoring system, the thermal response and fracture evolution were obtained during microwave irradiation. The monitoring system includes the infrared thermometry technique for monitoring rock surface temperature, the distributed optic fiber sensing technique for monitoring temperature in borehole in rock, the AE technique and two-dimensional digital speckle correlation technique for monitoring the evolution of thermal damage and the rock fracturing process. To validate the advantages of the test system and investigate the characteristics of microwave-induced fracturing of hard rocks, the study demonstrates the experimental methods and results for microwave-induced surface and borehole fracturing under true triaxial stress. The results show that thermal cracking presented intermittent characteristics(calm eactiveecalm) during microwave-induced surface and borehole fracturing of basalt. In addition, true triaxial stress can inhibit the development and distribution of thermal cracks during microwave-induced surface fracturing. When microwave-induced borehole fracturing occurs, it promotes the distribution of thermal cracks in rock, but inhibits the width of cracks. The results also prove the reliability of the test system.     

急倾斜坚硬岩柱动态破裂“声–热”演化特征试验

急倾斜坚硬岩柱稳定性预测对科学采矿具有重要意义。以乌鲁木齐矿区急倾斜特厚煤层安全开采为背景,基于平面组合加载试验平台,构建急倾斜坚硬岩柱动态破裂"声–热"演化特征模型试验,采用岩石破裂声发射和红外热像综合监测方法,揭示开采扰动作用下岩柱破裂过程中的声发射与温度演化规律。研究表明:坚硬岩柱破裂过程中红外热像呈现温度辐射区(可分为低温边界区、中温过渡区和高温中心区);岩柱破裂经历弹性变形、微破裂至破裂失稳过程,该过程中温度辐射区温度逐渐降低,AE能率呈持续性增长;动态破裂"声–热"演化实质为热弹效应和摩擦热效应。这对急倾斜特厚煤层安全开采具有科学意义。     

基于有效应力概念的矿井临界突水系数修正及应用

 矿井底板突水和水压致裂具有同源的力学机制,都是确定岩石(体)破坏的临界水压(突水系数为单位厚度的临界水压)。从水压致裂理论分析得出,有效应力系数对其作用显著。针对矿井底板破坏突水问题,通过对突水实例模拟分析,从稳态和瞬态两方面深入探讨有效应力系数变化对煤矿底板破断突水过程的影响。基于有效应力概念,推导煤层底板在不同渗透状态下临界突水系数的公式。最后,根据矿井底板不同的渗透特性,提出修正突水系数的计算方法和现场测试使用方法,对深刻理解岩体破坏突水的渗流力学本质、突水系数的内涵、指导底板注浆防渗设计,具有重要的理论和实用价值。     

遥感-岩石力学(IV)--岩石压剪破裂的热红外辐射规律及其地震前兆意义

完整岩体压剪破裂失稳是构造地震的另一种可能孕震机制。以此为模拟对象,采集中国首都圈地区的5种典型岩石,进行了岩石压剪破裂过程的红外辐射成像实验。研究发现:(1) 岩石压剪破裂过程存在热弹和摩擦热两种热-力耦合效应,且压剪作用越强,压剪破裂过程中红外辐射升温现象就越明显。(2) 压应变占优势时,岩石压剪破裂存在红外辐射异常破裂前兆。(3) 压剪破裂前兆有明显的“时空”特征,即:时间上,当载荷增加到约80%破坏应力时,沿剪切区域的平均红外辐射温度开始出现加速升温前兆,且压剪比越高,出现前兆的时间越早;空间上,破裂前沿剪切区域出现的高温异常条带具有前沿推进即“由一端向另一端迁移、扩展”的特点。本研究结果对地震、岩爆、矿爆、边坡滑移等自然与岩石工程灾害的遥感与预报具有重要的基础意义。     

Acoustic emission monitoring of hydraulic fracturing in laboratory and field

In the hydraulic fracturing tests, water was injected into four kinds of granitic rock specimens with different grain sizes. The fault plane solutions of acoustic emission (AE) indicated that the shear fracturing is dominant in the specimens with larger grains whereas the tensile fracturing is dominant in those of smaller grains. In addition, the experiments were conducted in granitic rock specimens of the same kind, under three different conditions: injection of water, injection of viscous oil and pressurization via a urethane sleeve. The shear fracturing was dominant due to water injection and the pressurization whereas the tensile fracturing was dominant due to viscous oil injection. Further in a field, AE was monitored by a borehole sonde in the hydraulic fracturing to measure rock stress. The AE count rates increased with closing and reopening hydraulically induced cracks. The result suggested that AE monitoring could improve the reliability and the accuracy of hydraulic fracturing stress measurements.     

单轴加载下热处理混凝土声电信号特征

为研究火灾发生后混凝土力学性能变化及结构失稳的前兆特征,对混凝土试样进行20、100、200、300、400 ℃的热处理,并进行单轴压缩实验,监测试样受载破坏过程的声电响应信号,识别结构失稳的前兆特征。结果表明：高温热处理后,混凝土试样的外观颜色、内部结构及力学性质均发生了变化,且目标温度越高,试样外观的色变越显著,裂隙发育越丰富,峰值应力越低,而峰值应变越高;随着目标温度的增高,声发射信号和表面电位信号更加活跃,且两种信号的响应与裂纹的扩展密切相关,能够反映试样内部结构损伤演化的过程;对声发射及电位的时序信号进行变异性系数统计,结果表明声发射的变异性系数在试样受载过程中相对稳定,并在试样失稳前具有快速增大至峰值的异常响应,可作为判断试样结构稳定性的前兆。相比声发射信号,电位信号的变异性特征在试样受载初期处于较高值,随后下降,并在试样失稳前快速增大至峰值。