李凌烜　梁云超

摘? 要：沖擊電壓是礦山壓力的一種特殊顯現(xiàn)，它嚴(yán)重威脅了礦山安全。而紅外輻射探測(cè)預(yù)測(cè)作為防治沖擊地壓工作的重要內(nèi)容，其在某種程度上可以避免沖擊危害。該文對(duì)紅外輻射探測(cè)預(yù)測(cè)煤礦沖擊地壓進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過介紹沖擊地壓的特征，分析紅外理論，淺議巖石破裂的紅外前兆，并具體闡述實(shí)驗(yàn)過程，以供參考。

關(guān)鍵詞：紅外輻射;探測(cè)預(yù)測(cè);煤礦;沖擊地壓

中圖分類號(hào)：TD324? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著科技的迅猛發(fā)展，各行各業(yè)不斷飛躍前進(jìn)，人們對(duì)煤礦的需求量越來越大。然而在實(shí)際開采中，煤礦產(chǎn)業(yè)經(jīng)常會(huì)引發(fā)各種災(zāi)難，所以需要制定相應(yīng)的預(yù)測(cè)方法，目前應(yīng)用較為廣泛的預(yù)測(cè)方法都有一定誤差。而紅外輻射則不同，其極大地提高了預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，降低了煤礦開采中沖擊地壓導(dǎo)致的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。由此可見，對(duì)紅外輻射探測(cè)預(yù)測(cè)煤礦沖擊地壓進(jìn)行試驗(yàn)研究十分重要。

1 沖擊地壓特征

沖擊地壓又被稱為煤礦的冷血?dú)⑹帧＝陙?，我?guó)很多煤礦都發(fā)生了沖擊地壓，比較突出的有四川省天池煤礦、撫順礦務(wù)局龍風(fēng)煤礦、大同礦務(wù)局忻州窯煤礦等。從目前來看，我國(guó)煤礦沖擊地壓的特征主要有以下3點(diǎn)。1） 突發(fā)性。通常情況下，發(fā)生前沒有明顯征兆，沖擊過程短暫，持續(xù)時(shí)間為幾秒到幾十秒。2）破壞性。往往造成支架折損、頂板下沉、人員傷亡、煤壁片幫、巷道堵塞等。3）復(fù)雜性[1]。在自然地質(zhì)條件上，除揭煤以外的各種煤，地質(zhì)構(gòu)造從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，煤層厚度從薄層到特厚層，頂板包括灰?guī)r、砂巖等都發(fā)生過沖擊地壓。

2 紅外理論

2.1 紅外熱成像原理

紅外熱成像運(yùn)用光電技術(shù)，對(duì)物體熱輻射的紅外線特定波段信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成輻射圖像，并可以進(jìn)一步計(jì)算出溫度值。紅外熱成像原理并不神秘，借助紅外探測(cè)器上的光學(xué)鏡頭，將從物體發(fā)出的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上。探測(cè)器接收器會(huì)把接收到的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)發(fā)送給傳感器電子元件。而電子元件會(huì)將探測(cè)器發(fā)來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過復(fù)雜的算法轉(zhuǎn)譯成可在標(biāo)準(zhǔn)視頻監(jiān)視器上查看的圖像[2]，物體表面溫度如果超過絕對(duì)零度就會(huì)輻射出大量電磁波，隨著溫度的不斷變化，電磁波的輻射強(qiáng)度與波長(zhǎng)分布特性也會(huì)隨之發(fā)生改變。紅外線在地表傳送時(shí)，會(huì)被大氣組成物質(zhì)吸收，強(qiáng)度明顯下降。

2.2 巖石破裂的紅外前兆

近年來，隨著熱紅外技術(shù)的蓬勃發(fā)展，張艷博、景廣輝等一批學(xué)者，借助熱成像技術(shù)對(duì)巖石及混凝土在破裂過程中的熱紅外輻射現(xiàn)象進(jìn)行了研究。后續(xù)崔承禹、耿乃光、鄧明德等一批學(xué)者[3]，先后進(jìn)行了相關(guān)研究，并發(fā)現(xiàn)了一些巖石破裂前的紅外前兆現(xiàn)象[4]，這也為該實(shí)驗(yàn)提供了切實(shí)可行的方法。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為保證實(shí)驗(yàn)的可行性，實(shí)驗(yàn)樣本取自現(xiàn)場(chǎng)并經(jīng)過鑒定證明其具有良好的沖擊傾向性。為確保實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中條件的相同性，所有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的巖石樣品全部取自同一塊巖石且樣本形狀大小差距在合理范圍內(nèi)。為貼切最真實(shí)的情況，在受理監(jiān)測(cè)樣本時(shí)使用垂直節(jié)理方向。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要采用的是法國(guó)ROCK 600-50三軸實(shí)驗(yàn)儀。實(shí)驗(yàn)固定靜水壓力為5 MPa，抗壓強(qiáng)度加載速度為1.5 MPa/min，采樣周期為5 s。紅外輻射探測(cè)裝置采用的是TVS-8100MKⅡ型紅外熱像儀，溫度靈敏度為0.025 ℃，圖像分辨率為320 px×240 px，圖像采集速率最高可達(dá)60 F/s。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

為保證實(shí)驗(yàn)的貼切性，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)應(yīng)當(dāng)雙向同時(shí)加載，當(dāng)橫向載荷達(dá)到規(guī)定要求后，保持橫向位移不變，并采用垂直基理進(jìn)行加載，逐漸增壓，直至樣本破壞。在該過程中，還應(yīng)當(dāng)采用型紅外熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣本內(nèi)部及表面的紅外輻射情況，間隔時(shí)間為5 s/次，用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比對(duì)與分析。

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

運(yùn)用相關(guān)軟件來讀取實(shí)驗(yàn)記錄的紅外數(shù)據(jù)，每組都記錄著從開始加壓直至樣本破裂的數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)的采樣周期為5 s/次，每組數(shù)據(jù)依據(jù)實(shí)驗(yàn)情況即巖石破裂周期的不同，記錄次數(shù)為110次～140次不等。表1是一塊從完整的煤巖到破裂的加載過程，從剛開始的深藍(lán)色，由外向內(nèi)逐漸變淡，直到全部是淡藍(lán)色。由此可以總結(jié)出其主要特征為：在加載后期熱像上藍(lán)色斑點(diǎn)逐漸變淡，加載到一定程度，巖石瞬間爆裂。表現(xiàn)在紅外熱像的前兆，其特征是巖石在加載后期，紅外熱像的輻射溫度場(chǎng)發(fā)生分異，出現(xiàn)淡藍(lán)色的斑點(diǎn)，這些斑點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是巖石發(fā)生破裂的位置。并且不同性質(zhì)溫度場(chǎng)斑點(diǎn)對(duì)應(yīng)不同性質(zhì)的破裂，高溫斑點(diǎn)對(duì)應(yīng)剪性破裂，低溫斑點(diǎn)對(duì)應(yīng)張性破裂。應(yīng)力狀態(tài)與紅外輻射溫度之間的關(guān)系十分密切。巖石試件加載過程中的彈性階段，紅外輻射溫度特征與熱彈定律所描述的材料“受壓升溫，受拉降溫”這一規(guī)律完全符合。

值得注意的是，巖石加載過程中的平均溫度，要用相關(guān)軟件記錄下來，并進(jìn)一步測(cè)出一個(gè)平均溫度。數(shù)據(jù)分為5組，每組數(shù)據(jù)每隔5 s記錄一次，記錄130次數(shù)據(jù)之后算出平均值，具體見表2。與此同時(shí)，根據(jù)表2中所得的巖石加載過程中的平均溫度值，巖石加載過程中的溫度變化為：在巖石第1次加載到第120次加載的過程中，溫度呈上升趨勢(shì)，一直在穩(wěn)速增長(zhǎng)。在巖石20次加載、第60次加載和第120次加載的過程中，溫度繼續(xù)呈上升趨勢(shì)，并增長(zhǎng)快速。由此還可以看出，巖石破壞過程中整體以升溫為主，塑性及屈服階段，隨著微裂紋的產(chǎn)生，摩擦效應(yīng)占主導(dǎo)作用，紅外輻射溫度以升高為主。彈性階段壓應(yīng)力集中區(qū)的巖石試件表面，紅外輻射溫度升高，而拉應(yīng)力集中作用區(qū)溫度降低。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

紅外輻射出現(xiàn)的階段性變化特征與巖石應(yīng)力應(yīng)變的階段性發(fā)展有關(guān)。在初始階段，紅外輻射基本上沒有發(fā)生變化。在彈性階段，紅外輻射發(fā)生了一點(diǎn)變化。在塑性階段，紅外輻射發(fā)生了非常明顯的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，紅外輻射與載荷有著十分密切的關(guān)系，利用熱紅外手段，可以對(duì)巖石的應(yīng)力變化進(jìn)行檢測(cè)，從而更好地捕捉巖石破裂異常的前兆。實(shí)驗(yàn)表明，增加巖石應(yīng)力，就會(huì)升高巖石內(nèi)部溫度。與此同時(shí)，表面溫度和紅外輻射能量也會(huì)增高，這也為紅外遙感用于監(jiān)測(cè)巖石應(yīng)力的變化提供了可靠數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

綜上所述，用紅外輻射法預(yù)測(cè)沖擊地壓危險(xiǎn)是非常可行的，其不僅可以節(jié)省時(shí)間，還可以提高回采速度，在一定程度上降低了預(yù)測(cè)成本。由此可見，采用紅外輻射法是一種很有前途的方法。

參考文獻(xiàn)

[1]劉善軍，吳立新，吳煥萍，等.多暗色礦物類巖石單軸加載過程中紅外輻射定量研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21（11）：1585-1589.

[2]Freund F.On the electrical conductivity structure of the stable continental crust[J].Journal of Geodynamics，2003，35（3）：353—388.

[3]王來貴，劉向峰.巖石變形過程中紅外輻射的試驗(yàn)研究[J].巖士力學(xué)，2001，22（2）：134-137.

[4]耿乃光，崔承禹，鄧明德.巖石破裂實(shí)驗(yàn)中的遙感觀測(cè)與遙感巖石力學(xué)的開端[J].地震學(xué)報(bào)，1992（S1）：645-652.