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(華北理工大學(xué) a. 礦業(yè)工程學(xué)院, b. 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室， 河北 唐山 063210)

深部高地應(yīng)力環(huán)境下巖爆災(zāi)害頻發(fā)造成的巖石爆裂、 松脫、飛擲等現(xiàn)象嚴(yán)重威脅地下工程安全施工， 已經(jīng)成為阻礙人類走向地下深部的瓶頸問題， 因此， 開展巖爆災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)測、 預(yù)報研究具有重要意義。

巖石受力破裂過程中，一般伴隨著熱效應(yīng)[1]，前人采用紅外熱像技術(shù)對巖石破裂過程中的溫度變化過程開展了大量研究工作。劉善軍等[2]對北京地區(qū)的多暗色礦物進行了單軸加載至破裂過程的平均紅外輻射溫度變化特征研究，建立了巖石應(yīng)力與紅外輻射溫度的定量關(guān)系，并對地震遙感及其熱紅外前兆的物理-力學(xué)機制進行了探討。張艷博等[3]對巖爆過程中平均紅外輻射溫度變化特征進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)巖爆發(fā)生的熱紅外前兆特征表現(xiàn)為突然升溫型和略降再轉(zhuǎn)上升型2種演化規(guī)律。吳立新等[4]采集5種典型巖石，對巖石壓剪破裂過程的平均紅外輻射溫度及其熱像進行了研究，發(fā)現(xiàn)壓應(yīng)變占優(yōu)勢時，巖石壓剪破裂存在紅外輻射異常破裂前兆。鄧明德等[5]對不同巖性、不同結(jié)構(gòu)的巖石試件進行單軸加載紅外輻射監(jiān)測實驗，發(fā)現(xiàn)試件臨破裂前溫度急速上升，破裂發(fā)生在最高溫度的平穩(wěn)區(qū)間。

前人通過對巖石破裂過程中紅外輻射溫度場響應(yīng)特征進行研究，提取到了巖石破裂的紅外輻射前兆信息，但是，這些研究成果大多建立在平均紅外輻射溫度等簡單參數(shù)的基礎(chǔ)上，而紅外輻射溫度場平均溫度僅僅表達了觀測區(qū)域的總體溫度變化水平，難以對紅外輻射溫度場的空間分布特征進行描述。另外，平均紅外輻射溫度在描述觀測區(qū)域溫度變化特征時，也納入了溫度無明顯變化的無效或干擾信息，難以對這些信息進行有效分離或剔除。

與紅外輻射溫度場平均溫度等時域參數(shù)相比，頻域參數(shù)往往具有本征性、唯一性，小到基本粒子、大到宏觀世界的物體以至天體，都有其固有的頻率特征[6]?；诖?，本文中引入數(shù)字信號處理方法，將紅外熱像矩陣看作二維數(shù)字信號，對紅外熱像信號進行快速傅里葉變換(FFT)，通過FFT將紅外熱像信號轉(zhuǎn)化為紅外頻譜信號，尋找相應(yīng)數(shù)學(xué)方法對巖爆過程的紅外頻譜特征進行定量描述和分析，尋找?guī)r爆發(fā)生前的紅外頻譜異常變化特征，進而實現(xiàn)巖爆災(zāi)害前兆信息的定量提取。

1　巖爆紅外輻射監(jiān)測實驗

1.1　試件制備

實驗采用的花崗巖取自山東萊州， 按照國際巖石力學(xué)試驗規(guī)范加工成長度、 寬度和高度均為150 mm的立方體試件， 同時在試件觀測面的中心鉆直徑45 mm的圓形通孔來模擬圓形巷道。 孔洞內(nèi)采用由水泥、 石英砂等材料按一定比例混合而成的充填料充填， 隨后養(yǎng)護6 d， 充填料的物理力學(xué)性質(zhì)與花崗巖材料相近， 且與孔洞內(nèi)壁接觸良好[7]。 試件模型見圖1。

圖1　巖爆實驗試件模型

1.2　實驗設(shè)備

采用RLW-3000型雙軸伺服實驗機作為實驗加載設(shè)備， 最大軸向壓力為3 000 kN， 最大側(cè)向壓力為1 000 kN， 施加壓力的精度為±1%；采用德國Infra Tec Image IR 8325型紅外熱像儀采集紅外熱成像，該成像系統(tǒng)安裝1 280像素×1 024像素高清、制冷型焦平面探測器，其熱靈敏度為0.02 K，能在高幀頻、高靈敏度和高圖像解析度條件下實現(xiàn)高精度的溫度測量。圖2為實驗系統(tǒng)布置圖。

圖2　巖爆實驗系統(tǒng)布置

1.3　實驗方案

1)為避免接觸、摩擦產(chǎn)生熱效應(yīng)對實驗結(jié)果造成干擾，在開始實驗前在試件的軸向、側(cè)向均預(yù)加載67 kN，同時將紅外熱像儀正面對準(zhǔn)試件觀測面，儀器每秒采樣幅數(shù)設(shè)置為50。

2)雙軸實驗機與紅外熱像儀同步開始實驗。首先采用力控制，以1 kN/s的加載速率進行雙軸加載，側(cè)向加載至200 kN停止加載，軸向以相同速率繼續(xù)加載至800 kN后，保持當(dāng)前載荷，調(diào)整應(yīng)力狀態(tài)5 min。然后，將充填體緩慢鑿出，以模擬巷道開挖過程，再次調(diào)整5 min。二次加載，加載系統(tǒng)采用位移控制，以0.3 mm/min的加載速率加載，當(dāng)圓形通孔壁面出現(xiàn)完整的巖爆過程時停止加載，其加載路徑見圖3。

圖3　巖爆實驗加載路徑

1.4　實驗?zāi)M結(jié)果

通過室內(nèi)實驗得到與前人模擬結(jié)果[8-10]一致的4個階段， 即巷道壁面無任何變形與宏觀破壞的巖爆孕育階段(見圖4(a))，孔壁周圍出現(xiàn)巖石顆粒飛射的顆粒彈射期(見圖4(b))，洞壁有大量碎屑彈出，且彈射劇烈形成“白霧”的片狀剝離伴隨顆?；旌蠌椛淦?見圖4(c))以及巖塊劇烈彈出的全面巖爆時期(見圖4(d))。

2　紅外熱像去噪方法處理方法

2.1　紅外熱像差值去噪

為了減少環(huán)境溫度變化和巖石各部位輻射率的差異給實驗結(jié)果造成的影響，采用圖像差值法對紅外熱像進行去噪處理。

gk(x,y)=fk(x,y)-f1(x,y)

，

(1)

式中：k為紅外熱像序列指標(biāo)；f1(x,y)、fk(x,y)分別為從第1幅和第k幅熱像圖中提取的各個像素點溫度值構(gòu)成的矩陣；gk(x,y)表示以實驗開始后的第1幅熱像作為背景，其后的每一幅熱像都與之相減得到的差值矩陣。利用差值算法對熱像圖去噪，就可以進行熱輻射溫度場的空間演化分析。

2.2　紅外熱像小波去噪

小波變換是一種將函數(shù)轉(zhuǎn)換為頻譜的分析方法，將原函數(shù)拆分成若干函數(shù)后，再對信號和數(shù)據(jù)進行分析處理，其實質(zhì)是將圖像從空間域中轉(zhuǎn)換到頻域。由于小波變換的時間窗口大小不變，而形狀可變，因此具有多分辨率的分析能力。

(a)巖爆孕育階段(b)顆粒彈射期(c)片狀剝離伴隨顆粒混合彈射期(d)全面巖爆期圖4 巖爆模擬結(jié)果

在頻譜圖中噪聲往往存在于高頻變化區(qū)域，即頻譜數(shù)值較大區(qū)域(明亮區(qū)域)；但圖像上的一般像素點變化速率相對穩(wěn)定，通常會集中在低頻變化區(qū)域，所以利用合理的閾值結(jié)合小波變換可以有效地提取出原圖像信息中的高頻噪聲部分，得到便于觀察和分析的去噪圖像。

圖5為小波去噪前、后的紅外輻射熱像圖。從圖中可以看到，通過小波去噪處理的紅外熱像圖對比原熱像圖溫度場具有更加連續(xù)、高低溫區(qū)域分布更加明顯和易于觀察的特點，說明通過小波去噪后的熱像圖可以更為有效地研究紅外熱像圖的時間演化特征。

圖5　小波去噪前、后的紅外熱像圖

3　基于FFT的紅外熱像特征量化提取方法

對于紅外輻射圖像，在空間領(lǐng)域中圖像本身包含有周期、非周期成分以及噪聲等信息，想要在空間域?qū)崿F(xiàn)對紅外輻射熱像的提取有很大的困難。利用FFT技術(shù)實現(xiàn)對紅外輻射圖像在復(fù)頻域下的圖形處理，根據(jù)圖像灰度特征的變化尋找可以描述空間域中紅外特征的參數(shù)。

對于圖像的二維FFT， 用f(x,y)表示一個由M×N個像素點組成的數(shù)字圖像，其中x=1,2,…,M；y=1,2,…,N；F(u,v)是經(jīng)過f(x,y)二維FFT得到的頻譜圖，

(2)

通過二維FFT可以將空間域圖像f(x,y)轉(zhuǎn)換為頻譜圖像F(u,v)，并對熱像進行移頻處理，使得F(u,v)圖像的點位于圖像中心，二維FFT前、后的紅外輻射熱像圖如圖6所示。

圖6　二維快速傅里葉變換前、后的紅外輻射熱像圖

對于二維FFT的頻譜圖像，移頻處理后將原頻域圖的明亮處移至圖像中央。圖像中心的明亮處代表空間的高頻分量，即梯度值較大、明亮部分越多說明空間熱像溫度變化越劇烈；圖像周圍的暗色代表空間域圖像的低頻分量，即梯度較小、暗色部分越多代表空間熱像變化越平緩。

為了增加二維FFT的頻譜對比度，使用對數(shù)變換lg[(1+|F(u,v)|]處理頻譜圖，對圖像的高頻部分進行放大處理。通過觀察巖石破裂過程中隨時間變化的頻譜可以發(fā)現(xiàn)，隨著巖石加載實驗的進行，頻譜中心明亮部分會增大，即對應(yīng)的空間域圖像中的高頻部分在增加，說明圖像的溫度差異更加明顯，且高溫區(qū)域與低溫區(qū)域的過渡邊界短，溫度場的分異現(xiàn)象明顯，頻譜的變化趨勢如圖7所示。

當(dāng)頻譜圖中的亮點越來越多時，頻譜本身所體現(xiàn)在空間上的特征是中心部位F(u±v,v±a)的灰度值(高度)會越來越大，導(dǎo)致頻譜的空間特征上離散程度的增加。根據(jù)頻譜圖的這一特性，利用特征值方差可以有效地解算頻譜的離散程度，從而可以定性描述巖石破裂過程中巖石表面紅外輻射特征的變化規(guī)律。

圖7　巖石破裂過程隨時間變化的頻譜圖

圖8　巖石破裂過程紅外輻射溫度場頻域特征系數(shù)變化趨勢

從圖中可以看到， 在巖石加載過程的平靜期(0～669 s)頻域特征系數(shù)隨著時間的增加在緩慢增大，說明巖石加載過程中處于平靜期時巖石表面的溫度過渡區(qū)域的梯度值逐漸增大，表現(xiàn)在空間域圖像f(x,y)的現(xiàn)象是高溫區(qū)域與低溫區(qū)域的分化。

巖石加載過程的顆粒彈射期(>669～894 s)頻域特征系數(shù)開始呈現(xiàn)微弱的減小， 說明空間域圖像f(x,y)在彈射顆粒期的溫度分布情況較為穩(wěn)定； 觀察片狀剝離期和巖石破裂后2段時間(>894～1 100 s)特征系數(shù)發(fā)現(xiàn)， 在2段時間內(nèi)特征系數(shù)開始增大。在片狀剝離期特征系數(shù)小幅增大，且在巖石破裂時刻迅速增大，說明在巖石破裂前、后的時刻，空間域圖像f(x,y)高、低溫過渡區(qū)域梯度值急速增大，巖石表面的溫度場急速分化。

4　巖爆災(zāi)變前兆特征提取分析

通過前文的分析研究，得到了巖石在加載過程中表面溫度有高、低溫區(qū)域逐漸分化，過渡區(qū)域梯度值逐漸增大的特點，以紅外輻射熱像的這一特點為基本理論，開展對巖石破裂過程前兆特征的分析研究，并建立一套合理的基于紅外輻射熱像的預(yù)測巖石破裂前兆的理論體系。以下以2個花崗巖試件的實驗數(shù)據(jù)為例，分析論證巖石破裂過程的前兆特征。

按照平滑曲線方法分別處理試件1和試件2的實驗數(shù)據(jù)，得到溫度場頻域特征系數(shù)與時間的曲線，如圖9所示。通過對比分析2條曲線可以發(fā)現(xiàn)， 在巖石破裂處于平靜期時特征系數(shù)會整體以線性的規(guī)律逐漸增大；在顆粒彈射期和片狀剝離期呈現(xiàn)出不同的趨勢，其中試件1的特征系數(shù)在該階段仍然緩慢增大，而試件2的特征系數(shù)在該階段緩慢減??；在發(fā)生巖石破裂前，2個試件的特征系數(shù)均小幅減小，并在巖石破裂時迅速增大。

顆粒彈射期和片狀剝離期的巖石紅外特征不唯一，無法直接判斷這一期間的數(shù)據(jù)，但平靜期和巖石破裂期間的規(guī)律則相似。從巖石破裂過程各階段頻域特征系數(shù)(表1)可以看到，處于平靜期的巖石試件特征系數(shù)基本保持在0.10～0.15之間；隨著加載的進行，當(dāng)巖石進入顆粒彈射和片狀剝離期時，特征系數(shù)增大到0.15～0.20之間；在發(fā)生巖石破裂瞬間特征系數(shù)值都急速增大，最終超過0.2。

(a) 試件1

(b) 試件2圖9　花崗巖試件破裂過程紅外輻射溫度場頻域特征系數(shù)變化

花崗巖試件編號特征系數(shù)平靜期顆粒彈射、片狀剝離時期巖石破裂瞬間10.104～0.1410.152～0.1980.21420.112～0.1470.150～0.1940.21730.106～0.1430.157～0.1890.20540.107～0.1390.151～0.1970.21650.121～0.1470.152～0.1950.209

5　結(jié)論

1)經(jīng)過差值、小波變換、FFT、求方差處理，可以實現(xiàn)巖爆過程中紅外熱像的去噪處理和巖爆過程中紅外輻射溫度場演化特征的量化提取。

2)對經(jīng)過FFT后的紅外熱像求方差得到的紅外熱溫度場頻域特征系數(shù)T能夠定量描述紅外輻射溫度場的演化特征，且在巖爆演化的各個時期呈現(xiàn)出明顯的階段性：巖爆平靜期，T值在反復(fù)波動中小幅度增大；顆粒彈射時期，T值小幅度減小；片狀剝離和全面巖爆階段，T值急速增大。

3)巖爆發(fā)生前， 巷道圍巖紅外輻射溫度場頻域特征系數(shù)普遍急速增大， 并開始出現(xiàn)大于或等于0.2的值，故可將紅外輻射溫度場特征系數(shù)大于或等于0.2作為巖爆即將發(fā)生的前兆信息。