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。     

岩石破裂过程声发射和红外辐射特性及相关性实验研究

通过对花岗岩、粉砂岩和煤岩进行单轴加载声发射和红外观测实验,研究岩石破裂过程中声发射和红外辐射特性及二者的相关性。研究结果表明:岩石破裂过程中,声发射和红外辐射具有阶段性的特征,二者的变化规律与力学的阶段性变化有良好的同步性;岩石破裂前,声发射平静期和岩性有关,花岗岩破裂前出现易识别的声发射平静期,粉砂岩和煤岩无明显声发射平静期;岩石从弹性阶段进入塑性阶段,岩石的增温速率降低,应力致热效应降低。提出:以声发射事件率和平均红外辐射温度的空间相关性由连续有规律向离散无规律转变,相关系数在时间上持续降低作为岩石破裂前兆特征。由于实际应用时岩石破裂的复杂性,故可将声发射和红外两种手段相结合,以提高现场岩体稳定性监测的准确性。     

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。     

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。     

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。     

基于欧氏距离的单轴压缩下粉砂岩热图像演化特性研究

为探寻粉砂岩破裂失稳过程红外异常,引入欧氏距离的方法,通过计算粉砂岩试样各相邻时刻欧氏距离,对单轴压缩条件下粉砂岩红外辐射温度场演化特性进行研究,结合熵值、方差两种指标演化趋势验证欧氏距离方法的可用性。结果表明:欧氏距离、熵值法和方差均能较好地刻画粉砂岩红外辐射温度场各个阶段;压密阶段至弹性阶段前期,欧氏距离存在较多大幅度突升值,表征这一时段内试件自身存在的微裂隙被压缩,产生热摩擦效应,欧氏距离与熵值、方差刻画能力相当;弹性阶段后期至塑性阶段,欧氏距离呈较为平稳起伏交替,表征裂隙稳定发育,欧氏距离刻画能力劣于熵值、方差;峰后阶段,欧氏距离出现大幅度突升,且幅度、频率均大于前面的阶段,表征粉砂岩试样即将破裂,欧氏距离刻画能力优于熵值、方差。     

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。     

充填体与围岩组合模型剪切破裂红外辐射特征研究

根据充填矿山实际,设计了充填体与围岩的组合模型。以德国Image IR8325红外成像系统和美国VIC-3D非接触全场应变测量系统为监测手段,对不同条件下的模型进行了剪切破裂试验,并对剪切破裂过程中模型的变形特征和红外辐射变化特征进行了研究。结果表明:在一定范围内,随着灰砂比的减小,充填体AIRT变化幅度越来越小。随着法向应力的增加,所选区域AIRT增加幅度越来越小,剪切过程中更不容易形成剪胀效应而造成AIRT多次的下降。围岩AIRT与充填体AIRT曲线的在临近应力峰值之前的小幅下降,以及模型的红外热像图中温度异常点的出现都可以作为判别组合模型破裂的前兆;法向应力的影响大于灰砂比的影响。在一定范围内,随着灰砂比的增加,剪切力的最大值呈逐渐增大的趋势。法向应力越大,剪切破裂峰值应力越大,V场位移也越大,破坏后的残余强度则越高。模型的破坏模式多呈现雁形剪切破裂,孔洞两侧围岩是应力最薄弱区域。     

红外辐射探测预测煤矿冲击地压的试验研究

利用单轴加载系统和红外热成像技术,对山西水峪矿的煤岩变形过程中的红外辐射变化进行了探测试验研究.研究发现,煤岩表面红外辐射温度随着载荷的增加而出现阶段性变化,裂纹扩展区、应力集中区和破碎区的红外辐射温度变化存在阶段性差异;应力集中区和裂纹扩展区的红外辐射温度比应力松弛区域和破碎区的红外辐射温度高;红外辐射温度变化可以反映出离工作面不同距离处的应力状态,以及应力集中区的范围以及应力转移过程;如果煤岩体红外辐射温度的变化规律是升温-降温-大幅度升温-大幅度降温,则预示着冲击地压发生的危险性.     

急倾斜特厚煤层综放工作面采场运移与巷道围岩破裂特征

急倾斜煤层的赋存环境及水平分段综放的开采方式加剧了综放工作面采场结构与应力演化的复杂性,增加了综放工作面稳定性评估的难度,为此采用多手段联动的方法对煤岩体结构与巷道围岩破裂特征进行综合探测。通过急倾斜煤层综放工作面覆岩结构与应力分析巷道围岩产生分区破裂的力源条件;基于钻孔应力监测、声波探测、光学钻孔摄像等监测方法,获得了巷道围岩质量与离层区分布位置,钻孔内壁裂隙发育程度、裂隙数量与长度以及动态破裂演化特征。综合分析表明：急倾斜特厚煤层巷道围岩破碎具有分区分布特征,顶板与两帮裂隙呈现不规则的分区演化特征,裂隙区与完整区交替出现,煤体侧巷道帮的裂隙分布区域大于岩体侧。     

基于HHT的粉砂岩破裂声发射信号频率特性研究

通过对粉砂岩进行单轴加载声发射实验,基于HHT分析方法,研究岩石破裂过程的声发射信号频率特性。研究结果表明:HHT是一种基于主成分分析的信号时频分析方法,可以确定信号的主次成分,用瞬时频率来精确描述信号的时频特性;粉砂岩破裂过程中声发射信号的时频分布有3个阶段,即初始区、波动区、沉寂区;粉砂岩破裂过程中声发射信号的主频与所处的应力水平有关,在岩石破裂前,随着应力水平的提高,主频逐渐降低;粉砂岩破裂过程中,从裂纹稳定扩展到不稳定扩展,直到岩石破裂,高能量声发射信号由高频率向低频率转移,且持续的时间增加;粉砂岩破裂过程中声发射信号适宜监测频段为20~120 k Hz。     

煤矿冲击地压与冒顶复合灾害研究

随着煤矿向深部发展,矿井动力灾害既表现出冲击地压的部分特征,又表现出冒顶的部分特征。2种典型的灾害打破以往冒顶与冲击地压的发生具有一种互为逆向性的认知规律,在深部高应力煤巷,特别是留顶煤巷道中出现了相互诱导、复合发生的新灾害类型。在总结山东、山西和新疆矿区典型巷道冲击致顶板(顶煤)动力灾害特征的基础上,提出了深部巷道冲击地压与冒顶复合灾害的概念、机理与分类,指出复合灾害机理关键点在于揭示巷道整体系统和破碎区子系统的稳定原理及其2者间的相互影响。建立了巷道发生复合灾害的力学模型,根据扰动响应失稳判据,提出并得到了巷道发生复合灾害的临界应力Pcr、临界软化区半径ρ_cr和最大容许采扰应力增量σ_max,厘清了灾害发生的主控因素,分析了煤岩冲击倾向指数K、支护强度ps、巷道半径ρ₀、煤岩强度σ_c等对灾害发生的影响规律,同时阐明了围岩塑性软化、破碎深度随地应力增加的发育规律。研究结果表明,破碎发育巷道的动力失稳主体为弹性区、软化区与破碎区构成的不稳定系统,垮落主体为破碎区;稳定的破碎区提升了巷道冲击启动临界值,使其启动难度增大,但破碎区的发育又易引起顶煤垮落;巷道稳定支护是解决复合灾害的关键,科学合理支护既能有效调控围岩破碎防冒,又能提升冲击启动临界值。通过理论研究,揭示了巷道冲击地压与冒顶复合灾害的发生机理,阐明了巷道软化与破碎区及其稳控支护对深部破碎发育巷道动力灾害防治的重要性。     

基于震波CT探测的宽煤柱冲击地压防控技术

针对深井区段煤柱冲击地压易发、多发、难防治的难题,以某矿1301工作面80 m区段宽煤柱冲击地压为例,利用数值模拟及微震数据分析,研究了宽煤柱冲击地压致灾机制,采用震波CT原位探测技术评估了宽煤柱区域内冲击危险性,并提出针对性防治方案。结果表明:3号煤层具有弱冲击倾向性,顶板岩层具有强冲击倾向性,已具备发生冲击地压的内在条件,高自重应力、强构造应力提供了基础静载荷,采空区侧向支承压力提供了增量静载荷,当两者叠加导致垂直应力超过冲击临界支承压力时,为宽煤柱静载荷冲击地压的发生提供了力源条件;震波CT原位探测技术以穿透煤岩体的实际震动波射线进行波速反演,反映煤岩体静载荷分布特征及结构特性,建立了以波速异常系数CA和波速梯度系数CG为主要因子的冲击地压危险性评估模型;鉴于宽煤柱冲击区域采掘空间实际条件,设计布置近完全观测系统观测方式,采用震波CT原位探测技术反演评估得到宽煤柱测区内冲击危险指数C=0.5~0.7,表明冲击发生后,宽煤柱仍然存在静载荷集中区域,具有中等冲击危险,并且运输巷侧冲击危险指数较采空区侧高,表明煤柱应力由采空区侧向运输巷侧转移,局部区域煤体破碎易冒顶片帮;制定了基于静载荷疏导的多层次防冲技术:大直径钻孔预卸压转移巷帮集中应力,耗散弹性应变能,确定合理日进尺为2.4 m,降低开采扰动,巷道全断面补强支护,提高围岩抗冲击能力;通过上述措施,现场监测宽煤柱煤体应力未发生突增,微震能量及频次变化平缓,1301工作面已安全回采宽煤柱区,防治效果显著。     

糯东煤矿松软围岩巷道变形破坏研究

针对深部围岩巷道变形破坏的问题,以糯东煤矿北翼轨道巷道围岩为工程背景,采用钻孔窥视成像技术及现场监测相结合研究研究巷道围岩变形破坏特征。研究结果表明:北翼轨道巷道围岩变形量随时间的增加而增加;通过钻孔成像技术可知,北翼轨道帮部围岩在0~3.0 m处为围岩第一破裂化区域（破碎区）,但破碎程度依次减小;4.0 m处为岩层稳定区,局部仍出现离层或破裂现象,但围岩整体稳定;北翼轨道顶板围岩在0~5.0 m处为围岩第一破裂化区域,6.0 m为岩层稳定区。研究可为深部围岩巷道变形控制提供理论依据。     

基于微震监测技术的断层活化规律及预警研究

为更好地研究自然崩落法开采过程中断层活化及顶板冒落规律,并在顶板发生大范围崩落前进行有效预警,利用微震监测技术对岩体活动进行监测。发现大部分微震事件发生在断层附近,且生产过程中主要断层附近岩体破裂较为严重。基于微震监测数据分析得出顶板大范围崩落前兆信息,提出衡量岩体内部损伤程度的能量指数与累积视体积之比EV值,并基于归一化处理量化EV值下降程度,成功对现场顶板冒落进行了预警。     

基于微震监测的矿山开挖扰动岩体稳定性评价

基于已有的微震监测资料,借助有限元数值模拟手段,分析深部矿山开挖条件下围岩裂隙损伤演化机制,同时探寻微震监测数据与应力场变量之间对应关系。研究结果表明：微震监测系统可以有效的识别围岩微破裂孕育机制并圈定岩体潜在失稳区域;结合数值模拟与微震监测结果发现3363号矿房围岩出现潜在失稳主要是由于矿房上覆岩层内部存在高水压含水层,在高水压力和开采扰动作用下,含水层与采空区之间形成条形的应力集中带,诱发微破裂的萌生、扩展和贯通,最终产生潜在失稳区;微震监测数据（累积事件数、累积能量、累积应力降）与应力场变量存在很好的对应关系,根据微震监测数据的时空分布规律可以对高应力区域的转移进行描述,并验证定量分析不同区域的应力状态的可能。研究结果为揭示复杂地质条件下深部矿山开挖岩体失稳机制及微震活动规律提供依据,指导矿山现场短期或者长期开采工艺的选择。