田 豐，孫 海，馬立強，韓 杰，陳咪咪，杜園園，付 煜，王 飛

(1.遼寧石油化工大學 土木工程學院 石油化工特種建筑材料重點實驗室，遼寧 撫順 113001；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.德國弗賴貝格工業(yè)大學 巖土工程研究所，德國 弗賴貝格 09596)

在巖土工程和采礦工程領域，煤巖受力破裂災變是引發(fā)煤(巖)爆、礦井突水等災害的根本原因。對煤巖破裂失穩(wěn)過程進行監(jiān)測預警，是煤礦保水開采和巖層控制研究的基礎[1]。

研究發(fā)現(xiàn)，紅外輻射溫度變化規(guī)律與煤巖裂紋的萌生、擴展和貫通過程密切相關[2-4]。Ⅰ型裂紋是一些復合型裂紋形成的基礎，因此對其發(fā)育過程的溫度變化特征進行研究，不僅是研究其他類型裂紋發(fā)育溫度變化的基礎，也能為煤巖體受力破裂預警技術研究提供試驗依據和經驗。Ⅰ型裂紋的試驗研究可采用V形切口三點彎曲試樣和V形切口短棒試樣、預制裂隙V形切槽巴西圓盤和巴西平臺圓盤等方式。巴西平臺圓盤可以保證試樣加載過程均勻穩(wěn)定，使試驗結果更加準確。

煤巖在承載受力、變形及破裂過程中，會產生紅外輻射異常和物理溫度變化等現(xiàn)象[5-9]。鄧明德等[10]發(fā)現(xiàn)表面巖體裂隙(斷層)在失穩(wěn)拓展臨界點會出現(xiàn)紅外信息異常，而此時正對應于裂紋應力強度因子的臨界值；程富起等[2]對預制裂紋試樣加載過程中的紅外輻射溫度變化規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)預制裂紋試樣在產生主破裂時的紅外輻射溫度突變率與預制裂紋角度有關，紅外輻射溫度突變率會隨預制裂紋角度的增大先升后降。

從上述現(xiàn)象捕捉巖石失穩(wěn)破壞的特征信息，準確地預測煤巖災變，對研究巖石破裂機制及工程災害預警技術具有重要的理論和實踐意義[10-12]。

研究人員在分析探討溫度效應對煤巖力學性質的影響[13]和煤巖受載破壞的紅外輻射溫度特征[14-16]方面取得了豐富的成果。目前的研究主要集中在巖石破壞過程單一物理場信息變化規(guī)律[17-18]方面。然而，針對巖石破裂過程的物理溫度和紅外輻射溫度的對應變化關系，以及二者相關性在煤巖破裂中的演化特征方面的研究較少。此外，現(xiàn)有研究主要是對預制裂紋巖樣破壞過程中的紅外輻射方面進行研究，對平臺巴西圓盤砂巖加載破壞的紅外輻射規(guī)律研究較少。

筆者將熱電偶多路溫度測試儀和紅外熱像儀兩種探測手段相結合，對平臺巴西圓盤法、Ⅰ型裂紋發(fā)育過程中的溫度場進行測試，研究成果可為礦山災害及地震等自然災害的監(jiān)測監(jiān)控提供借鑒。

1 試驗設計

1.1 砂巖試樣準備

設計有中心孔平臺巴西圓盤(HFBD)試樣 10個，編號Ai(i=1～10)，圓盤半徑R1為40 mm，中心孔半徑R2為16 mm，圓盤厚度t為28 mm，加載角2β為20°；設計無中心圓孔平臺巴西圓盤(FBD)試樣10個，編號Bi(i=1～10)，圓盤半徑R3為40 mm，圓盤厚度t為28 mm，加載角2β為20°。具體試樣設計如圖1所示[19]。

(a)HFBD試樣

為了避免機械加工導致試樣加工面的破損和微觀裂紋的產生，減少試驗過程中的受力不均現(xiàn)象，本試驗采用水刀加工技術對試樣進行加工。

1.2 試驗設備

試驗系統(tǒng)主要包括巖石壓力機、紅外熱像儀、熱電偶多路溫度儀及配套的數(shù)據處理系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)設備安裝如圖2所示。

圖2 試驗系統(tǒng)設備安裝示意圖

加載系統(tǒng)采用CMT5305微機控制電子萬能壓力機，其最大垂直載荷300 kN，控制速率≥0.01 mm/min時，誤差在±0.2%以內。

溫度測試系統(tǒng)采用TWC-2A多路溫度測試儀，其測量范圍為0～100 ℃，分辨率0.01 ℃，掃描速度為1～255 s。

紅外輻射探測系統(tǒng)采用FLIR A615型紅外熱像儀，其熱靈敏度(NETD)<0.05 ℃，紅外分辨率為640像素×480像素，圖像最大采集速率25幀/s，波長范圍7.5～14.0 μm。

1.3 試驗方法

為了使熱電偶與試樣接觸良好，利用導熱膠帶將熱電偶粘貼在圓盤試樣上。在HFBD試樣中心孔上下兩側對稱位置分別布置1號和2號熱電偶。HFBD試樣具體熱電偶安裝位置如圖3(a)所示。FBD試樣沿著垂直水平面的直徑方向上從上到下等距離布置1號、2號和3號熱電偶。FBD試樣具體熱電偶安裝位置如圖3(b)所示。1號、2號和3號熱電偶分別對應CH1、CH2和CH3測溫通道。

(a)HFBD熱電偶安裝位置

將粘貼好熱電偶的試樣放置在壓力機工作臺上，保證試樣的上下平臺平行于加載平臺。將紅外熱像儀放置在試樣正前方0.2 m處。試驗開始前，將熱像儀和壓力機的時鐘調整一致，待電腦上顯示的試樣紅外熱像圖無明顯變化時開始試驗[20]。壓力機以0.05 mm/min的等位移速率對試樣進行單軸加載，紅外熱像儀的采集速率設置為15幀/s。

2 試驗結果與分析

2.1 砂巖起裂時的物理溫度變化

試樣載荷—時間曲線及物理溫度—時間曲線如圖4所示?？梢钥闯觯斣嚇覣2和試樣B10分別加載到668.2 s和651.5 s時，載荷發(fā)生了明顯的應力調整(ab段)，試樣第一次產生裂紋起裂，與此同時，試樣物理溫度發(fā)生突增(試樣A2突增0.27 ℃；試樣B10突增0.45 ℃)。在隨后對試樣加載的整個過程中，雖然裂紋繼續(xù)擴展，且在試樣加載到最后時刻再次發(fā)生明顯的應力調整(c點)，但這個過程中試樣物理溫度沒有發(fā)生突變。

(a)試樣A2

試樣裂紋起裂時各通道測得的溫度突增幅度見表1。約95%的試樣物理溫度發(fā)生了突增，最高升溫幅度為0.74 ℃，平均升溫幅度為0.16 ℃。

表1 試樣起裂時各通道溫度增幅

2.2 砂巖起裂時的紅外輻射特征

由于紅外熱像儀在拍攝過程中易受到環(huán)境輻射及測試儀器電子元件的噪聲干擾[8]，為此在處理數(shù)據時，取能覆蓋裂紋發(fā)育區(qū)的矩形區(qū)域作為紅外熱像的數(shù)據來源，取與上述相同尺寸矩形的背景區(qū)域作為本底噪聲數(shù)據來源，如圖5所示。依據本底噪聲數(shù)據對試樣紅外輻射溫度進行了本底場畸變和零漂校正。

(a)有中心孔平臺圓盤試樣

去噪后的試樣紅外輻射溫度與載荷的變化曲線如圖6所示?？梢钥闯?，有4個砂巖試樣(試樣總數(shù)的20%)裂紋起裂時(ab段)，砂巖載荷發(fā)生了明顯的突降(應力調整)，與此同時，平均紅外輻射溫度也發(fā)生了突升。例如，砂巖B6在1 191.1 s時、砂巖B7在636.9 s時，試樣在裂紋起裂(ab段)的同時，其平均紅外輻射溫度發(fā)生了突升。在此之后的裂紋擴展過程中，擴展裂紋附近的平均紅外輻射溫度無突變發(fā)生。

(a)砂巖B6

試樣裂紋起裂時刻的平均紅外輻射溫度增幅范圍0.01～0.05 ℃(平均增幅0.03 ℃)，具體的平均紅外輻射溫度增幅如表2所示。可以看出，平均紅外輻射溫度增幅與試樣起裂時的載荷值、物理溫度增幅沒有線性關系。

表2 物理溫度和紅外輻射溫度增幅

2.3 砂巖裂紋拓展過程的紅外輻射特征

為監(jiān)測砂巖裂紋拓展不同階段的紅外輻射特征，沿裂紋拓展長度方向設置等面積5個監(jiān)測區(qū)域，從上到下為MR1～MR5(如圖7所示)，分區(qū)域對裂紋的拓展進行更加細致的分析。

圖7 砂巖試樣A3裂紋拓展區(qū)分段示意圖

因篇幅有限，僅以砂巖試樣A3為例，繪制砂巖A3起裂后MR1～MR5區(qū)域平均紅外輻射溫度變化曲線圖(如圖8所示)，以及砂巖A3起裂后的荷載—時間曲線(如圖9所示)。對試樣裂紋拓展區(qū)進行分析，所有砂巖的MR1～MR5均未出現(xiàn)紅外輻射平均溫度突增的現(xiàn)象，表明砂巖平臺巴西圓盤試樣的 Ⅰ型裂紋拓展并不會使整體紅外輻射特征呈現(xiàn)升高趨勢，且應力不是導致試樣紅外輻射溫度變化的唯一因素，可能與裂紋的生成方式和速度有關。

(a)MR1

圖9 砂巖試樣A3荷載—時間曲線

3 討論

1)約20%的砂巖平臺巴西圓盤試樣在其Ⅰ型裂紋起裂時，不僅物理溫度發(fā)生了突增，紅外輻射溫度也發(fā)生了突增。但本試驗中的紅外熱像儀分辨率(NETD)偏低，今后應提高紅外監(jiān)測設備的靈敏度，以便識別出更加細微的紅外輻射溫度變化。

2)煤巖破裂過程中，紅外輻射溫度的增幅和物理溫度的增幅沒有明顯的線性相關關系。一是因為兩種溫度的數(shù)據分別來自砂巖試樣的前后兩面，難以保證裂紋起裂時在厚度方向釋放的熱量均勻傳導；二是熱電偶的接觸區(qū)域和紅外熱像數(shù)據來源區(qū)域不完全對應。

3)在裂紋起裂前和裂紋擴展這兩個過程中，試樣物理溫度與紅外輻射溫度均沒有異常變化。在起裂時刻，發(fā)生了試樣物理溫度和紅外輻射溫度升高現(xiàn)象，物理測溫技術和紅外測溫技術可以捕捉到煤巖破裂前產生裂紋的溫度變化信息，可以監(jiān)測到煤巖裂紋發(fā)育的關鍵時刻(破裂之前的起裂時刻)。

4 結論

1)在裂紋起裂時刻，約95%的砂巖試樣Ⅰ型裂紋發(fā)生了應力調整且試樣的物理溫度突增；最高升溫幅度為0.74 ℃，平均升溫幅度為0.16 ℃。

2)在砂巖試樣的Ⅰ型裂紋起裂時刻，約20%的砂巖試樣的紅外輻射溫度發(fā)生突增(平均為0.03 ℃)。

3)砂巖試樣的Ⅰ型裂紋在整個裂紋發(fā)育的過程中，僅在裂紋起裂時刻，裂紋附近有物理溫度和紅外輻射溫度突增現(xiàn)象；裂紋發(fā)育階段物理溫度和紅外輻射溫度無明顯變化。