关于粉砂岩破裂失稳过程的红外高温区域异常前兆的研究

作者：张毅  

  岩石受力灾变是复杂环境中的复杂现象，岩石灾变特征与可测物理量表现为多模式、多层次、多尺度，包括红外辐射在内的电磁辐射是岩石破裂前兆研究的重要内容”（钱鸣高院士）。

  吴立新、刘善军、张艳博等，对不同物理力学条件下岩石破裂失稳过程的红外辐射异常特征进行了大量的探索性研究并取得了许多重要成果。文献[1]通过实验研究发现，煤岩和砂岩受压破裂过程中，具有热图像和平均红外温度( AIRT)异常前兆，且晚于声发射和电阻率前兆出现。文献[2]对辉长岩等多暗色矿物类岩石单轴加载过程的红外温变特征进行了实验研究，发现在峰后破裂阶段，存在沿剪切破裂带AIRT升高、在张性区AIRT降低的红外温变异常现象。文献[3]对含交汇预裂缝花岗岩在双轴破裂粘滑过程中的红外辐射特征进行的研究表明，进入重复粘滑阶段之后，试件表面沿主裂隙带上及交汇处出现了高温辐射异常。文

献[4]进行了5种常规岩石压剪破裂过程的红外监测实验，发现若压应变占优势，则达到峰值应力的80%时存在沿剪切区域的AIRT加速升温的红外辐射异常前兆。文献[5]指出，岩石破裂红外前兆包括AIRT时序特征异常和热像异常2种表征形式；前者分为降温、升温加速和降温转升3种类型；后者分为高温条带和低温条带2种类型。文献[6]利用接触式测温仪和红外热像仪对花岗岩和大理岩在单轴加载过程的温变特征进行了研究，表明岩石在破坏前存在温度奇变点。文献[7]对岩石破裂前红外热像的时空演化特征分析的结果表明，岩石在塑性变形阶段随着微破裂的产生而出现的热图像空间分异现象，临失稳前热图像整体短暂降温现象可分别作为岩石宏观破裂的早、晚期红外前兆。文献[8]研究指出：煤样表面的AIRT随着冲击倾向程度升高而升高，并且冲击倾向性煤体在破坏前存在升温前兆。文献[9]研究了双轴加载下含孑L花岗岩岩爆发生过程的红外温变特征，指出岩爆发生前至少出现两次大范围温度跳变异常，且此异常早于声发射前兆出现。可见，岩石破裂失稳过程存在红外异常前兆，其表征形式主要集中于AIRT时序特征异常和热像异常2种形式。

  AIRT代表岩石总的红外辐射强度，也是红外温度场的算术平均数，表征红外温度场统计分布集中趋势。它可削弱红外温度场的偶然性揭示必然性，尤其便于研究加载过程中红外温变趋势，但也会抑制红外前兆的突变性。根据帕累托定律，临破裂岩石自身突变所引起的红外温度场明显异常可能主要集中于某一较小区域内；加载后期，微破裂大量发育，剪破裂面摩擦加剧，可能导致高温区域异常。此异常对岩石受力灾变预测具有一定的指示性意义，而关于受载岩石红外温度场高温区域变化特征的文献却鲜有报道。因此，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了研究。

1  实验部分

  选用粉砂岩（泥质含量约32%），制备50mm×50mm×lOOmm规格的标准柱体试件5块，分别表号为S1、S2、S3、S4、S5，仔细研磨两端，使上下表面平等度符合试验要求。为增强岩石红外辐射效应，将试件置于50。纯水中浸泡4h，待试件表面干燥后，用保鲜膜密封。实验在RIJW-3000型伺服试验系统上完成，先预加载至1. 5kN，以保证试件与加载面完全接触，随后以1.5 mm／min匀速加载，开启美国SC3000红外实时成像系统进行监测，直到试件破坏。

2  实验结果与分析

2.1  高温区划

  以热像仪温度灵敏度(0. 03 K)为组距可画出各时刻的红外温度场的频数直方图，通过观察对比发现，不同粉砂岩试件单轴压缩过程的温度场统计分布变化特征较为相似，限于篇幅现以S2试件为例说明试件加载过程的温度场统计分布变化特征，以加载350秒时刻温度场为例说明不同试件温度场统计分布的共性特征。

2.1.1  荷载一时间曲线

图1是试件S2加载过程的荷载一时间曲线，从中可知，加载过程可分成初始压密、弹性、塑性和峰后破坏4个阶段。初始压密阶段，曲线下凹，荷载处于较低水平；弹性阶段，曲线近似于直线状；塑性阶段，曲线略微上凸，荷载处于较高水平；峰后破坏阶段，试件强度逐渐降低。为研究不同阶段的红外温度场直方图特征，分别对S2试件加载过程中A(lOOs)、B(230s)、C(340s)、D(440s)、E(475s)、F(530s)六个代表性时刻（见图1标号）的温度场进行了统计分析。

2.1.2温度场频数直方图分析

在直角坐标系中，以组距为横坐标，以频数为纵坐标，以各组中值为中心、组距为底、各组频数为高，做出矩形，即可得到频数直方图。它既能简化数据又可突出数据的统计分布及结构特征。图2、图3分别为同一试件不同时刻温度场频数直方分布图、同一时刻不同试件温度场直方分布图，它们均为非对称右偏分布，观察其共性特征，可将温度场的频数直方分布图可分成三个区间（图2A），分别称为低温、中温和高温区间；在低温区间内，以温度最小值为区间下限，温度最小值到众数的距离关于众数对称的区间内，温度场近似服从高斯分布；在中温区间内，温度场直方分布图类似于直角梯形，并且明显存在某一临界温度，临界值以前频数稳定且普遍处于较高水平，之后频数亦较为稳定但普遍处于较低水平；对于高温区间，可定性地看出，试件不同时刻区间长度及累计频数变化较为明显，临近破裂或存在明显异常前兆。

2.1.3温度场区域划分

  根据以上分析，三个温度区间可分别定量表示为[Tmin，2 TM -Tmin]、[2TM - Tmin,T+kÓÓ]、[T

+kÓÓ，Tmax]，其中，Tmin、TM、T、ÓÓ、Tmax、k分别为温度场最小值、众数、均值、标准差、最大值和待定系数。根据分布图中的高温区间下临界温度，经计算得K值介于[1.8，2.1]，之间；通常将符合高斯分布的统计数据偏离均值超过两个标准差的数据称为异常数据。为此将K值赋为2。对应地，温度场亦可分成低、中、高温三个温度区域。经分析，此次实验温度场中低、中温区的特征值规律性不强，故在此不做讨论。

2.2岩石临失稳的红外高温区域异常

2.2.1  面积比变化异常

  高温区域面积的变化可一定程度上反映岩石升温效应强弱。加载后期，微破裂大量发育，摩擦热效应加强，可能导致高温区域发生面积突变。为便于比较不同试件加载过程中高温区面积变化特征，做出了高温区域面积比（高温区域面积与热图像中岩石面积之比）时间曲线，见图4。经对比分析得，加载过程中高温区域面积比变化特征统计表（表1）。根据荷载一时间曲线，可将应变过程分成压密阶段、弹塑性阶段和塑性一峰后破坏阶段。由表1可知，所统计的面积比变化特征及异常前兆出现概率均大于60%，属于共性特征，据此可将粉砂岩加

载过程的红外高温区域面积比变化的一般特征概括为：全过程可分为三个阶段；阶段工呈递减趋势，阶段Ⅱ波动加剧，阶段Ⅲ呈递增趋势；失稳前存在突增的异常前兆，此前兆倾向于峰值应力附近或之后出现。

2.2.2温均面积比变化异常

极差为区间最大值与最小值之差。为研究高温区单位温度区间内面积比的变化特征，构造了强度相对数一温均面积比（面积比与极差的比值）。图5分别为各试件加载过程的高温区间温均面积比时序曲线图，根据荷载一时间曲线，可将应变过程分成压密一弹性阶段、弹性阶段和塑性峰后破坏阶段。经过对加载过程中高温区温均面积比变化特征进行统计可得到表2，从中可知，所统计的温均面积比变化特征及异常前兆出现概率均大于60%，属于共性特征，据此将粉砂岩加载过程的高温区温均面积比变化的一般特征可概括为：曲线全过程递增并可分为三个阶段；阶段I递增但趋势平缓，阶段Ⅱ递增且斜率较大，阶段Ⅲ递增且斜率更大；失稳前存在突增的异常前兆，此前兆倾向于峰值应力附近或之后出现。

3  结  论

  1)粉砂岩单轴压缩下的红外温度场的统计分布为非对称右偏分布；根据频数分布图的时序特征，可将温度场分成低温、中温、高温三个温度区域，其中高温区间下限可取为均值与2倍标准差之和。

  2)通过比较发现：粉砂岩破坏失稳过程中存在红外高温区域异常前兆，此前兆可由面积比、温均面积比（面积比／极差）等形式表征，面积比和温均面积比异常前兆表现为临破裂突增异常，出现频率较高，分别可达80%和60%；另外，高温区异常前兆普遍晚于峰值应力出现。

3)本文只对单轴压缩条件下的粉砂岩进行了实验研究，不同物理力学条件下、其它岩石的红外高温区域异常前兆是否存在、出现频率等问题还需要进一步研究。

4摘要：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。