巷道围岩红外温度场特征粗糙度演化过程研究

开展巷道岩爆室内模拟实验,利用红外辐射技术监测岩爆过程巷道围岩红外辐射温度场变化。模拟结果表明,岩爆过程中,巷道围岩红外辐射温度场值具有明显的阶段性演化特征,且在时序上与巷道破坏特征良好对应,可分为红外辐射温度场Ra稳定阶段,红外辐射温度场Ra下降阶段,红外辐射温度场Ra回升阶段,红外辐射温度场Ra激增阶段4个阶段。其中,临近岩爆时Ra值出现了"下降-回升"的特征,这一特征可作为岩爆发生之前红外辐射温度场的特异性前兆,对巷道岩爆预警具有借鉴意义。     

单轴压綊下片麻岩紎外辐射特征研究

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紧性关系,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.方差曲紧随应力变化可分为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、二紓预警信号;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.     

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。     

水岩耦合巷道掌子面破裂的红外时空演化特征

利用红外热像仪进行无水、无压水、承压水作用下石灰岩双轴加载破裂失稳观测实验,研究巷道掘进时掌子面破裂过程中的红外辐射时空演化规律,以此识别掘进方向的水体情况。实验结果表明:掘进前方不含水体时,掌子面破裂在时序上表现为温度线性升高,破裂前升温加速,在空间上表现为前期均匀升温,临近破裂前出现温度场分异,形成局部高温区,升温加速;掘进前方存在无压水时,温度曲线呈"一级台阶"状上升,热像表现为高温场包围低温场;掘进前方存在承压水时,温度曲线呈"波浪"状上升,热像交替升降温,最终大幅度降温。研究结果可为巷道开挖的遥感观测及巷道渗漏水预测提供理论指导。     

高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究

为了研究岩爆灾害的发生过程及其时空演化规律,通过含圆孔花岗岩试件进行不同侧向载荷下的岩爆模拟试验,利用微型摄像机、声发射(AE)系统和红外热像仪等监测系统,分析岩爆过程中的声发射时序、时频、时空特征及热成像温度运移规律。研究结果表明:孔洞的岩爆可分为平静期、颗粒弹射期、稳定破坏期、全面崩塌期4个阶段,岩爆试验演化过程及结果与工程现场相符,围岩曲屈破坏时σ_(θmax)≈(1. 38～1. 85)σ_c;随着侧向载荷的升高,孔洞在平静期积累的弹性应变能增加,颗粒弹射期能量释放率增大,岩爆进程加快,稳定破坏期持续时间先增加后减小,侧向载荷的增大对孔洞的承载能力起到先增强后弱化的效果;声发射振铃计数率的平静期可作为孔洞全面崩塌的前兆信号,围岩屈曲破坏前定位点开始局部集中,孔洞坍塌后定位点集中条带与试件主破裂面基本吻合,形成以圆孔为中心的"X"型共轭剪切破裂,稳定破坏期较颗粒弹射期低频比例增加,高频比例降低,低侧向载荷时破坏以中高频为主,高侧向载荷时破坏以中频为主;应力集中促使围岩红外温度场整体温度逐渐升高,呈现高温区嵌套低温条带的特点,岩爆时高温区由表面浅部向深部运移,在孔洞整体失稳坍塌前,岩爆坑温度急剧上升。     

花岗岩破裂及突水红外时空演化实验研究

通过对无水、无压水、承压水作用下花岗岩加载破裂失稳实验进行红外监测,研究花岗岩破裂及突水过程中红外辐射时空演化特征,以此实现对巷道掌子面破裂及突水灾害的监测和预报。实验结果表明:掌子面前方不含水体时,时序特征表现为前期线性升温,破裂前升温加速;空间上表现为破裂前高温区包围低温区。含无压水体时,时序上表现为温度曲线呈锯齿状;空间上表现为高、中、低温度区域划分,高温场破裂。含承压水体时,时序上表现为红外曲线呈升、降温交替变化,空间上表现为温度大幅度降低,呈现破裂低温场。利用红外监测技术,从时空特征角度综合分析,提取花岗岩巷道破裂及突水的前兆信息,可以降低实际工程中巷道突水事故的发生。     

软岩巷道掘进突水过程红外时空演化特征研究

为了获取软岩巷道掘进工作面突水过程的红外时空演化特征,为实际工程巷道开挖过程中突水事故以及隧道渗漏水的时空预测与遥感监测提供理论基础,研究了粉砂岩双轴加载突水过程的红外辐射特征,从时、空要素综合预测识别突水信息。试验结果表明:1根据突水量的大小,将粉砂岩突水演化过程划分为"渗水→滴水→淋水→涌水"4个阶段;2粉砂岩突水不同阶段红外辐射温度曲线特征各不相同,其中升温速率加快可作为突水量增大的前兆,最低辐射温度出现骤升骤降预示突水的发生;3加载过程中,高温异常区即为渗水的发生位置,也是最终突水位置。渗水前10 s左右,对应渗水部位会出现高温异常,渗水发生后,高温异常转低温异常,且随着水量增大,降温幅度越大。利用红外热像仪,从时空综合预测角度研究突水的识别和监测预报,在一定程度上可以减少实际工程中突水事故带来的损失。     

断裂滑移型岩爆风险评价和预警方法研究现状

地下工程需要频繁穿越地质构造区域,断裂滑移型岩爆频发,严重威胁地下工程结构的稳定和安全。为了揭示断裂滑移型岩爆诱发致灾机理,本文系统分析了触发断裂滑移型岩爆的地质构造条件、时空孕育特征、扰动触发机理、风险评价指标和预警方法等。研究结果表明:断裂滑移型岩爆多发生于含软弱结构面或层理面的地质构造带附近,岩体硬性结构面可以在一定程度内控制岩爆爆坑边界;断裂滑移型岩爆在临界失稳触发阶段存在典型的时空前兆特征,声发射(微震)监测参数在临界滑移失稳阶段存在“相对平静期”破坏前兆,红外热像温度存在短暂异常后随即迅速消失的破坏前兆;岩体内部天然层理面等缺陷结构为触发断裂滑移型岩爆提供了地质构造条件,巷道开挖和掘进等为触发断裂滑移型岩爆提供了滑移失稳空间,外界动力扰动等为触发断裂滑移型岩爆提供了诱发条件。     

水环境影响下花岗岩巷道岩爆红外辐射特性试验研究

以红外热像仪为观测手段,在室内进行了自然和饱水状态下花岗岩试样的巷道岩爆模拟试验,对水环境效应下花岗岩巷道岩爆的红外辐射特性进行了研究。研究发现饱水试样岩爆发生剧烈程度有所减弱,能量释放速率更为缓慢。水环境影响下,岩石试样的红外三种辐射温度(平均、最高、最低红外辐射温度)具有不同的变化规律:岩爆过程中,饱水花岗岩AIRT与载荷的关系更为密切,增温幅度大于自然试样。在岩爆发生时,饱水花岗岩MAIRT升温幅度小,MIIRT的下降幅度大于自然状态下试样。该研究为地下工程中岩爆红外辐射预警技术提供理论基础。     

花岗岩破裂渗水过程红外辐射与声发射特征研究

通过声发射仪、红外热像仪观测有水压条件下的花岗岩试样单轴加载实验,研究加载过程中试样的声发射与红外辐射特征以及花岗岩破裂与渗水的红外及声发射异常前兆。研究结果显示：随着应力的逐步增加,试样的红外辐射表现为早期均匀上升、中期局部高温异常、后期渗水区低温异常;在破裂及渗水过程中,红外辐射表现为高温辐射场包围低温辐射场;花岗岩破裂-渗水的红外异常前兆为渗水点出现明显的“先升后降”红外辐射现象; 32～128 kHz频段是花岗岩破裂渗水时声发射信号的特征频带,且在渗水前夕该频带能量呈百分比下降趋势,并在渗水发生时降至最低点。上述实验结果对巷道开挖过程中透水事故的遥感监测预警具有重要的意义。     

矿山岩体破坏微震分异速率特征及预警研究

在矿山岩体破坏预警研究中,探究岩体损伤特征规律及给出具体预警参数值对保障矿山安全至关重要。本文以某金属矿山为例,基于微震监测技术建立地压监测系统,结合该矿山某次顶板大范围冒落事件,采用主成分分析法确定最佳统计时间窗口,对顶板冒落事件前后微震时空演化特征进行分析。分析表明微震事件密度云图中心位置与破坏位置相一致,在岩体破坏前微震数量有持续增多,达到峰值后又迅速下降的前兆信息。以微震数量方差表示微震分异程度,以此表征岩体受损程度,采用有限差分法得出微震事件分异速率指标,研究表明岩体破坏过程微震分异速率分为稳定分异阶段、加速分异阶段和岩体破坏3个阶段。稳定分异阶段分异速率呈正态分布,采用Gauss Amp函数对其进行拟合,最终得出置信度为0.99的将区间上限0.306确定为分异速率预警值。该研究为采用微震监测技术的矿山灾害预警系统建立提供理论基础,对矿山安全生产管理具有一定借鉴意义。     

不同加载速率下花岗岩巷道岩爆破坏特征研究

采用双轴伺服实验机开展不同加载速率下花岗岩巷道岩爆模拟实验,分别采用红外热像技术和岩石颗粒筛分方法获取花岗岩巷道岩爆岩石碎屑温度和不同粒度等级岩屑质量,重点研究速率效应影响下巷道岩爆岩石碎屑温度变化特征和碎屑粒度-质量分布规律,揭示不同加载速率条件下的巷道岩爆破坏特征。研究结果表明:随着加载速率的增加,花岗岩巷道岩爆产生的岩石碎屑温度随之升高、质量随之增大,说明加载速率的增加促进了巷道围岩损伤破坏;随着加载速率增大,微粒岩屑质量占比保持不变,细粒岩屑和中粒岩屑质量占比随之减小,粗粒岩屑质量占比随之增大,说明加载速率增大,岩爆过程中用于切割岩块的能量占比减小,转化为其他形式的能量占比增大。     

切顶卸压自成巷覆岩运动红外辐射特征试验研究

以店坪煤矿5-200工作面为背景开展物理模拟试验,通过沿煤层走向逐步开挖模拟切顶卸压自成巷覆岩运动全过程。采用石膏粉、细河沙、重晶石粉等相似材料构造砂质泥岩、中砂岩、石灰岩以及煤岩4种岩层;根据不同推进尺度沿煤层走向设计6种开挖步骤,用于观测有不同开挖阶段下的上覆岩层的垮落规律。采用红外热像仪和高精度散斑系统为主要观测手段,选取红外辐射温度、红外热像和岩层位移量为监测指标,重点研究覆岩运动过程红外辐射时空特征。结果表明,受切顶卸压影响,切缝侧与非切缝侧覆岩运动红外辐射特征不同,结合覆岩运动过程可分为4个阶段:(1)有限变形阶段,切缝侧与非切缝侧覆岩表面温度均呈现"上升→下降→上升→下降"的M形变化特点,红外热像无明显分异;(2)直接顶破断垮落阶段,两侧覆岩均呈现红外辐射温度突降特点,最大温度突降幅度为1.8℃,红外热像中垮落矸石上部出现低温带;(3)基本顶破断阶段,切缝侧红外辐射温度突增转缓降,红外热像呈现局部高温区与低温区共存特点,非切缝侧红外辐射温度突增转缓增,之后由稳定转突降,红外热像呈现低温带层叠分布特征;(4)覆岩趋稳阶段,切缝侧红外热像存在局部块状高温区,红外热像整体逐渐呈...     

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。     

屈曲型岩爆的发生机制及其时效性研究

为分析深部巷道围岩层裂薄板结构的形成机制和屈曲型岩爆发生的力学机理,采用数值模拟方法对深部巷道开挖过程中围岩主应力的分异演化规律进行了研究。基于三参量黏弹性本构关系,以屈曲型岩爆的层裂薄板结构为力学模型,推导出了二向受力下屈曲型岩爆的压屈时效方程,探讨了不同应力状态下屈曲型岩爆的时效特征。结果表明:在以垂直应力为主导的巷道在掘进过程中,巷道顶部和底部的主应力水平在逐步减小,岩体能量逐步释放;而巷道两侧边墙的主应力出现严重的分异现象,切向应力变大而轴向应力减小,岩体能量向两侧转移并大量积聚。以水平应力为主的巷道在掘进过程中,围岩应力状态的演化过程及能量积聚特征与此相反。围岩层裂薄板结构形成后,在切向应力和轴向应力的二向应力作用下发生蠕变弯曲变形,经过一段时间,当变形达到某一限值时,层裂薄板结构就会发生屈曲失稳破坏并释放岩体内积聚的弹性变形能,产生延迟岩爆现象。     

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。     

裂隙煤体受载破坏红外辐射特征规律研究

为了研究裂隙煤体受载破坏红外辐射变化特征规律,进行了单轴压缩条件下预制裂隙煤样红外辐射实验,对比分析了预制裂隙煤样与完整煤样受载破坏过程红外辐射温度以及红外热像云图的变化特征。结果表明：相对于完整煤样,预制裂隙煤样受载破坏过程中最高红外辐射温度突增量相对较小,而平均红外辐射温度突增量相对较大,且在主破裂发生前,红外辐射温度曲线波动较小;红外热像云图的变化更加明显,主破裂发生前,白色和深蓝色低温区域逐渐缩小,可以作为预测煤体失稳破坏的前兆信息。     

基于物元分析模型的生态安全预警研究-以河北山区为例

从生态安全预警出发,构筑河北山区生态安全预警指标体系,根据预警标准确定各预警指标的阈值,采用物元分析模型进行量化研究,分析河北山区生态安全警情的时空特征,揭示其分异规律,从预警指标的主导因素、不同区域生态安全的差异以及生态安全演化的历史渊源等方面探讨河北山区生态安全警情的演化机制。研究结果表明,基于物元分析模型进行生态安全预警研究,有利于揭示该区域生态安全存在风险的原因,有利于提出更具有针对性的整治措施,对于我国山区开发和经济可持续发展具有良好的警示作用。     

基于微震监测的千米井采场地压监测与预警技术

千米井矿区深部开采过程中,易发生冒顶、片帮等地压灾害,对后续采矿的进度与安全影响较大.针对哈图金矿千米井矿区,通过微震事件时空演化规律,分析了围岩变形特征,划分出了地压活动较强的重点区域.通过微震事件累积视体积—能量指数变化规律分析岩爆和大尺度岩体破裂的预警前兆信息,根据预警前兆信息及时采取加强支护等保护措施,取得了良...