紅外輻射探測預測煤礦沖擊地壓試驗研究

李凌烜　梁云超

摘? 要：沖擊電壓是礦山壓力的一種特殊顯現，它嚴重威脅了礦山安全。而紅外輻射探測預測作為防治沖擊地壓工作的重要內容，其在某種程度上可以避免沖擊危害。該文對紅外輻射探測預測煤礦沖擊地壓進行了試驗研究，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，并具體闡述實驗過程，以供參考。

關鍵詞：紅外輻射;探測預測;煤礦;沖擊地壓

中圖分類號：TD324? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著科技的迅猛發展，各行各業不斷飛躍前進，人們對煤礦的需求量越來越大。然而在實際開采中，煤礦產業經常會引發各種災難，所以需要制定相應的預測方法，目前應用較為廣泛的預測方法都有一定誤差。而紅外輻射則不同，其極大地提高了預測準確率，降低了煤礦開采中沖擊地壓導致的人員傷亡與經濟損失。由此可見，對紅外輻射探測預測煤礦沖擊地壓進行試驗研究十分重要。

1 沖擊地壓特征

沖擊地壓又被稱為煤礦的冷血殺手。近年來，我國很多煤礦都發生了沖擊地壓，比較突出的有四川省天池煤礦、撫順礦務局龍風煤礦、大同礦務局忻州窯煤礦等。從目前來看，我國煤礦沖擊地壓的特征主要有以下3點。1） 突發性。通常情況下，發生前沒有明顯征兆，沖擊過程短暫，持續時間為幾秒到幾十秒。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）復雜性[1]。在自然地質條件上，除揭煤以外的各種煤，地質構造從簡單到復雜，煤層厚度從薄層到特厚層，頂板包括灰巖、砂巖等都發生過沖擊地壓。

2 紅外理論

2.1 紅外熱成像原理

紅外熱成像運用光電技術，對物體熱輻射的紅外線特定波段信號進行檢測，將該信號轉換成輻射圖像，并可以進一步計算出溫度值。紅外熱成像原理并不神秘，借助紅外探測器上的光學鏡頭，將從物體發出的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上。探測器接收器會把接收到的信息轉換成電信號發送給傳感器電子元件。而電子元件會將探測器發來的數據，經過復雜的算法轉譯成可在標準視頻監視器上查看的圖像[2]，物體表面溫度如果超過絕對零度就會輻射出大量電磁波，隨著溫度的不斷變化，電磁波的輻射強度與波長分布特性也會隨之發生改變。紅外線在地表傳送時，會被大氣組成物質吸收，強度明顯下降。

2.2 巖石破裂的紅外前兆

近年來，隨著熱紅外技術的蓬勃發展，張艷博、景廣輝等一批學者，借助熱成像技術對巖石及混凝土在破裂過程中的熱紅外輻射現象進行了研究。后續崔承禹、耿乃光、鄧明德等一批學者[3]，先后進行了相關研究，并發現了一些巖石破裂前的紅外前兆現象[4]，這也為該實驗提供了切實可行的方法。

3 實驗

3.1 實驗準備

為保證實驗的可行性，實驗樣本取自現場并經過鑒定證明其具有良好的沖擊傾向性。為確保實驗進行中條件的相同性，所有進行實驗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。為貼切最真實的情況，在受理監測樣本時使用垂直節理方向。

3.2 實驗設備

實驗設備主要采用的是法國ROCK 600-50三軸實驗儀。實驗固定靜水壓力為5 MPa，抗壓強度加載速度為1.5 MPa/min，采樣周期為5 s。紅外輻射探測裝置采用的是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60 F/s。

3.3 實驗過程

為保證實驗的貼切性，實驗開始時應當雙向同時加載，當橫向載荷達到規定要求后，保持橫向位移不變，并采用垂直基理進行加載，逐漸增壓，直至樣本破壞。在該過程中，還應當采用型紅外熱像儀實時監測樣本內部及表面的紅外輻射情況，間隔時間為5 s/次，用于進行實驗比對與分析。

3.4 實驗數據采集

運用相關軟件來讀取實驗記錄的紅外數據，每組都記錄著從開始加壓直至樣本破裂的數據，讀取數據的采樣周期為5 s/次，每組數據依據實驗情況即巖石破裂周期的不同，記錄次數為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，從剛開始的深藍色，由外向內逐漸變淡，直到全部是淡藍色。由此可以總結出其主要特征為：在加載后期熱像上藍色斑點逐漸變淡，加載到一定程度，巖石瞬間爆裂。表現在紅外熱像的前兆，其特征是巖石在加載后期，紅外熱像的輻射溫度場發生分異，出現淡藍色的斑點，這些斑點對應的是巖石發生破裂的位置。并且不同性質溫度場斑點對應不同性質的破裂，高溫斑點對應剪性破裂，低溫斑點對應張性破裂。應力狀態與紅外輻射溫度之間的關系十分密切。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，要用相關軟件記錄下來，并進一步測出一個平均溫度。數據分為5組，每組數據每隔5 s記錄一次，記錄130次數據之后算出平均值，具體見表2。與此同時，根據表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，一直在穩速增長。在巖石20次加載、第60次加載和第120次加載的過程中，溫度繼續呈上升趨勢，并增長快速。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，隨著微裂紋的產生，摩擦效應占主導作用，紅外輻射溫度以升高為主。彈性階段壓應力集中區的巖石試件表面，紅外輻射溫度升高，而拉應力集中作用區溫度降低。

3.5 實驗結果

紅外輻射出現的階段性變化特征與巖石應力應變的階段性發展有關。在初始階段，紅外輻射基本上沒有發生變化。在彈性階段，紅外輻射發生了一點變化。在塑性階段，紅外輻射發生了非常明顯的變化。實驗結果顯示，紅外輻射與載荷有著十分密切的關系，利用熱紅外手段，可以對巖石的應力變化進行檢測，從而更好地捕捉巖石破裂異常的前兆。實驗表明，增加巖石應力，就會升高巖石內部溫度。與此同時，表面溫度和紅外輻射能量也會增高，這也為紅外遙感用于監測巖石應力的變化提供了可靠數據。

4 結語

綜上所述，用紅外輻射法預測沖擊地壓危險是非常可行的，其不僅可以節省時間，還可以提高回采速度，在一定程度上降低了預測成本。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

[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].巖石力學與工程學報，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研究[J].巖士力學，2001，22（2）：134-137.

[4]耿乃光，崔承禹，鄧明德.巖石破裂實驗中的遙感觀測與遙感巖石力學的開端[J].地震學報，1992（S1）：645-652.