巖巷巖體失穩破壞的紅外和聲發射聯合監測預警技術研究

楊 正 倉 紀 劉 一 舒 郭 衛 劉 培 馬 松

（中建七局第一建筑有限公司，北京 102600）

礦井深部開采帶來了一系列災害問題，如巖爆、冒頂、地表沉陷、突水、煤與瓦斯突出等，這些都是由開采過程中的應力場擾動引起的微破裂產生、發展和貫通所導致的巖石失穩破壞所致。文獻［1］指出，一些巖石工程，如巷道、硐室、隧道等通?？梢员缓喕癁橐粋€含圓孔巖石結構進行力學分析。因此，開展含孔洞巖石破裂過程的特征研究，不僅對含孔洞巖石的破壞機理分析有著重要意義，而且可為巖巷工程災害預測提供一定的理論和試驗依據。

含孔洞巖石破裂過程中會產生多種物理效應，如應力、應變、溫度、聲發射、電磁輻射（包括紅外輻射）等物理信息的變化，通過多手段的聯合監測和多物理信息的關聯與結合分析，有助于提高受力巖石災變前兆識別的可靠性，解決單一物理信息無法識別或無法準確識別的巖石受力災變前兆問題?；谠摾砟?，近年來，一些學者開展了巖石加載的紅外和聲發射聯合監測研究。吳立新等［2-3］研究發現，數值試驗的非連續斷層聲發射場和實際試驗中所測得的紅外輻射溫度場的時序變化階段相似，分別對應彈性變形階段，損傷積累、弱化階段和斷裂滑移階段；交匯型組合斷層試件在雙軸加載過程中聲發射及紅外輻射存在不同的階段性變化特征。魏嘉磊［4］開展了含孔、直剪和雁列3種巖石加載模型試驗，分析了巖石加載過程中的紅外和聲發射多參數變化規律和前兆特征，發現3種巖石模型的聲發射前兆時間為85%～89%，紅外為96%～100%，并且聲發射都早于紅外；特征粗糙度、熵和方差在第3個階段出現加速上升現象，聲發射出現能量參數快速增加、事件轉為平靜、熵快速上升、b值快速下降現象，這些現象反映了巖石加載臨破裂階段的前兆特征。姜耀東等［5］、呂玉凱［6］研究發現，煤樣在失穩破壞前紅外輻射和聲發射都存在前兆現象，平均溫度表現為突降，聲發射檢測參數（能量、幅度、振鈴計數）突增，相比而言，聲發射具有遍歷特性，可以較好地反映前兆信息。吳立新等［7］研究了煤巖受壓過程中的紅外和聲發射特征，從統計角度發現，屈服前兆的出現時間不同，聲發射為0.76σc，熱紅外為 0.81σc，聲發射早于熱紅外。張艷博等［8］開展了花崗巖巷道巖爆模擬試驗，發現巖爆發生前聲發射和紅外依次出現異常前兆特征，聲發射能量加速釋放可作為巖爆發生的早期預警信號，聲發射平靜期為巖爆中期預警與采取控制措施的關鍵時期，最低溫突降和最高溫突增可作為巖爆短臨預警信息，這些是巖爆發生的不同臨近前兆。趙毅鑫等［9］開展了“砂巖—煤”及“砂巖—煤—泥巖”兩類組合體的壓縮試驗，發現組合體失穩破壞前兆的響應按時間先后順序排列為聲發射在前，熱紅外在后。

已往研究中，利用熱成像技術與聲發射技術對巖石受力災變過程的研究取得了豐富的成果，但是將兩種技術同時應用于巖石受力災變過程的監測，尤其是含孔洞巖石破裂過程的監測，進而對巖石破裂過程中的紅外輻射和聲發射信息進行綜合分析和前兆對比的研究涉及較少。本研究選擇含孔洞花崗巖開展紅外輻射和聲發射同步加載試驗，系統分析雙軸加載過程中巖石的紅外輻射溫度場時空演化特征和聲發射參數時序變化特征；重點分析紅外和聲發射多參數前兆的關系，為利用紅外和聲發射技術聯合監測礦山深部地質災害提供一定的依據。

1 試驗方案

1.1 巖石種類選擇及樣品制備

巷道、硐室、隧道等巖巷工程在應力作用下會發生損傷破壞，繼而產生地質災害，巷道、硐室、隧道等通常可以被簡化為一個含圓孔巖石結構進行力學分析，為此，本研究設計了含孔洞巖石破裂試驗。試驗巖石試件采用花崗巖，其主要成分是長石和石英。巖石試件尺寸為150 mm×150 mm×50 mm（長×寬×高）。角部切去，切去的三棱柱底面直邊長為25 mm。在試件中心鉆取圓孔，為模擬真實巷道相對巖體的尺寸，圓孔直徑不宜大于50 mm，本研究取20 mm。仔細打磨試件的側面和兩端面，以保證表面平行度滿足試驗要求。試件截面如圖1所示，中間空心大圓為圓孔，實心小圓為聲發射探頭。

1.2 實驗儀器

試驗用的壓力加載系統是RLW-3000型伺服試驗機（圖2），該型試驗機能夠進行雙軸加載，載荷測量精度為±1%。紅外輻射探測裝置采用美國SC3000型紅外熱像儀，波長為8～12 μm，熱像儀的溫度靈敏度為0.03 K，圖像分辨率為240×320，圖像最大采集速率可達50 fps。聲發射系統采用美國PAC公司生產的PCI-2聲發射測試分析系統，試驗采用2個通道采集數據，聲發射探頭使用R6α型，工作頻率為35～100 kHz，前置增益為40 dB，門檻值為45 dB。聲發射探頭布置在試件背面圓孔上下兩側（圖1）。相機使用德國AVT公司生產的一款型號為Pike F-421B的工業數字攝像機。分辨率為2 048×2 048像素，最大采集速率為15 fps。

1.3 試驗方法與步驟

試驗前，校對各臺設備的顯示時間。試驗時，先將水平載荷加載至100 kN保持恒定，然后以1.2 kN/s的等載荷速率進行垂向加載，直至試件破壞。試驗中共進行了3塊巖石試件的加載。

在巖石試件加載的同時，利用聲發射儀、紅外熱像儀和數字攝像機對受力巖石進行同步觀測。熱像儀與數字攝像機的圖像采集速率均為10 fps，加載現場如圖2所示。

2 試驗結果與分析

2.1 應力—應變曲線變化特征

含孔洞巖石試件變形破壞過程的應力—應變曲線如圖3所示。

由圖3可知：各個試件的應力—應變曲線類似，變形破壞過程中的應力—應變大致可以分為4個階段，即初始壓密（I）、彈性變形（II）、塑性變形（III）和峰后破壞階段（IV）。為了便于分析花崗巖試件的變形特征，以hk1試件（圖3（a））為例，對各階段的試件變形特征進行分析。

在階段I，巖石內部的微裂隙逐漸被壓密，應力—應變曲線略微下凹。在階段II，巖石內部空隙已被壓實和閉合，此時，試件表現為彈性體，隨著應力增加，應變等比例增加，應力—應變曲線呈線性變化。在階段III，包括裂紋穩定擴展和失穩擴展階段。這一階段應力處于較高水平，并呈現出上升速率減緩甚至下降的趨勢。這是因為隨著加載的進行，巖石內的應力不斷增加，當接近其極限承載能力時，巖石內部的微破裂發育增強，導致巖石出現宏觀永久變形。隨著應變繼續累積，微裂紋出現擴展、合并和貫通，從而導致宏觀裂紋產生。該階段，由于局部應力集中，在圓孔左右兩側的壓應力區出現碎屑崩落現象，在離孔稍遠的部位產生遠場裂紋，并且分布于最大剪應力方向。在階段IV，遠場裂紋發展迅速，并與圓孔兩側的剪切裂紋貫通，巖石強度急劇下降，很快就失去了承載能力，最后，巖石在峰值應力后很快產生破壞，持續時間不到3 s。

2.2 紅外輻射時空演化特征

2.2.1 含孔洞巖石加載過程的紅外熱像空間演化特征

為了減少試件各部分輻射率差異和環境輻射差異的影響，對加載過程中獲得的熱圖像進行差分處理，即將加載開始時的第一幅熱圖像作為背景，加載后的每幅熱圖像都與第一幅相減。試件hk3加載過程中的典型熱像序列（熱像時間為峰值應力占比）如圖4所示。

由圖4可知：含孔洞巖石在加載后期出現了溫度場分異特征和高溫條帶，高溫條帶在峰值應力前呈“V”字型，隨著加載的進行而逐漸發展為未來破裂位置。為了提取高溫條帶，以0.2～0.3 K為紅外溫度閾值，對85%σmax（峰值應力）之后的若干紅外熱像進行高溫點提取。試驗發現，0.23 K對3個試件的高溫點提取綜合效果最好。

2.2.2 含孔洞巖石加載過程的紅外輻射溫度場參數變化特征

為定量分析紅外輻射溫度場的演化，使用極差對其進行分析，計算了巖石加載過程中每幅熱圖像極差，并分別繪制了其隨應變的變化曲線，如圖5所示。分析圖5可知：3條曲線的形態相似，都可以分為3個階段，即低水平發展階段（階段I）、穩定上升階段（階段II）和快速上升階段（階段III）。本研究以試件hk1為例對極差隨應變的變化曲線進行分析。

第I階段—低水平發展階段，對應于應力—應變曲線的初始壓密階段。由于應力比較小，巖石表面的溫度變化很小，溫度場分布均勻、沒有分異現象。第II階段—穩定上升階段，對應于應力—應變曲線的彈性變形階段。隨著應力增加，由于巖石不同區域有不同的應力性質，即壓性區和張性區。根據熱彈定律，圓孔左右為壓性區，溫度升高，圓孔上下為張性區，溫度下降，溫度場因而出現分異現象。第III階段—快速上升階段，對應于應力—應變曲線的塑性—峰后破壞階段。巖石處于高應力水平，熱像分異現象加劇，極差曲線上升速率加快。在該階段，極差發生多次突跳，這是因為圓孔周圍由于局部應力集中而發生破裂，出現高溫熱點，導致極差突然增加，但隨著局部應力的松弛，高溫熱點逐漸降溫，曲線回到原來水平。在試件徹底失穩瞬間，由于大量應力集中而產生很多高溫點，極差發生了大幅度異常跳變。第III階段，典型突跳點（圖5（a）箭頭所指處）可作為巖石失穩破壞的前兆。本研究對3條曲線的前兆點增幅進行了統計，結果見表1。

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由表1可知：不同試件前兆點的增幅和時間具有一定的離散性。增幅變化范圍為0.10～0.22 K，平均為0.16 K；峰值應力占比變化范圍為92.48%～99.82%，平均為95.72%。為了估算前兆出現時的應力，以所有試件極差前兆點增幅的近似最小值0.08作為閾值和前兆判據（后文的聲發射率和聲發射能率參數也是如此），此時應力強度可預估為92.48%峰值應力，可有效實現對含孔洞巖石破壞的預警。

2.3 聲發射時序參數變化特征

2.3.1 聲發射能率

聲 發 射能 率（Acoustic Emission Energy Rate，AEER）是指單位時間內聲發射釋放的能量，是衡量聲發射活動強度的參數。本研究取單位時間為1 s，為提高應力—應變參數與紅外熱像參數的可比性，橫坐標取為各時間點所對應的應變，并且疊加應力—應變曲線，后文的聲發射率也進行了類似處理。試驗結果表明，各試件的聲發射能率曲線變化形態基本相同，都表現出4階段的變化特征。

試件hk1的聲發射能率隨應變的變化特征如圖6所示。

分析圖6可知：聲發射能率曲線可分為4個階段：升降期（I）、平靜期（II）、相對活躍期（III）和異常活躍期（IV）。在階段I升降期（初始壓密），從整條曲線來看，階段I產生的聲發射能量極小，表現為接近0的水平直線，但從放大圖上可以明顯看出聲發射能率曲線具有先升后降的變化特征。在階段II平靜期（彈性前期），由于沒有原生裂紋閉合且沒有新裂紋產生，所以不產生聲發射，聲發射能率處于平靜狀態。在階段III相對活躍期（彈性后期—塑性前期），前期由于礦物之間發生相對錯動、摩擦和分離，故產生一定的聲發射，該階段的聲發射能率相對于階段I已經大幅增加。本階段后期（塑性前期），隨著應力增加，巖石發生塑性變形，產生較多的聲發射。在階段IV異?；钴S期，大量礦物顆粒發生破碎、分離，裂紋不斷擴展、合并和貫通，并產生宏觀裂紋，聲發射能量出現加速釋放，是全程的最高潮部分。峰值應力以后，巖石很快失去承載能力，發生失穩破壞，相應地，聲發射能量驟減到0。可見，巖石在臨破壞前聲發射能量出現了加速釋放現象，反映了巖石破裂失穩前兆特征。

階段III中聲發射能率存在突跳點，并且明顯大于階段I和II。以其中典型的突跳點（圖6箭頭所指處）作為前兆點，對3個試件的聲發射能率前兆點幅值和時間進行了統計，結果見表2。

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由表2可知：不同試件前兆點的幅值和時間具有較大的離散性。幅值變化范圍為（1.05～3.45）×109aJ/s，平均為1.95×109aJ/s；峰值應力占比變化范圍為87.74～95.89%，平均為91.04%。以所有試件聲發射能率前兆點幅值的近似最小值即1.0×109作為閾值和前兆判據，此時應力強度可預估為87.74%峰值應力。

2.3.2 聲發射率

聲發射率（Acoustic Emission Rate，AER）是單位時間內的聲發射振鈴計數，表征了聲發射活動的頻次特征，是能較好反映材料性能變化的特征參數之一［10］。試驗結果表明，各試件的聲發射率曲線變化形態基本相同，都表現出4個階段的變化特征。

試件hk1加載過程的聲發射率變化特征如圖7所示。

分析圖7可知：曲線可分為4個階段：升降期（I）、平靜期（II）、異?；钴S期（III）和相對活躍期（IV）。在階段I升降期（初始壓密），聲發射率變化趨勢與聲發射能率相同，為先升后降，升降的原因也相同。在階段II平靜期（彈性前期），聲發射率處于接近0的水平直線，該階段幾乎不產生聲發射。在階段III異?；钴S期（彈性后期—塑性前期），聲發射率打破階段II的平靜，出現聲發射活動增加和異?；钴S現象。前期由于礦物之間的作用并不劇烈，所以聲發射率增加較小。本階段后期（塑性前期），在各種塑性變形機制作用下產生大量聲發射事件，并且作用劇烈，聲發射率出現大幅度劇烈跳變，是全程的最高潮部分。在階段IV相對活躍期，大量礦物顆粒發生破碎、分離，裂紋出現擴展、合并和貫通，產生宏觀裂紋，聲發射能量很高，但事件數并不是最高，從整條曲線來看處于中等水平。峰值應力以后，巖石很快失去承載能力，發生失穩破壞，相應地，聲發射事件驟減到0。巖石破壞前，聲發射率存在異常前兆，表現為第III階段的大幅度跳變。

階段III中聲發射率打破階段II的平靜，開始出現增長和突跳點。以其中典型的突跳點（圖7箭頭所指處）作為前兆點，對3個試件的聲發射率進行了統計，結果見表3。

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由表3可知：不同試件前兆點的幅值和時間具有一定的離散性。幅值變化范圍為（2.61～3.90）×104s-1，平均為3.07×104s-1；峰值應力占比變化范圍為73.41～75.04%，平均為74.31%。以所有試件聲發射率前兆點幅值的近似最小值即2.5×104作為閾值和前兆判據，此時應力強度可預估為73.41%峰值應力。

2.4 紅外輻射與聲發射多參數前兆對比

結合表1、2、3，對紅外和聲發射兩類參數前兆點進行了統計，結果見表4。

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分析表4可知：對于3個試件，聲發射頻次參數、強度參數和紅外熱像參數的前兆點依次出現，具有遞進性，平均時間分別為74.31%、91.04%和95.71%，分別反映了3種參數對于巖石失穩破壞的不同臨近前兆現象?？傮w來說，聲發射和紅外前兆具有遞進性，聲發射參數前兆時間早于熱像，兩者的分界線為92%～95%。

3 巖巷巖體失穩破壞的紅外和聲發射聯合監測預警技術

結合表4，根據對紅外極差參數和聲發射能率與聲發射率前兆點的對比分析，發現紅外和聲發射具有兩重關系：在巖石加載后期，兩者存在巖石破裂的異常前兆，前兆具有遞進性，聲發射前兆早于紅外。巖巷巖體失穩破壞是實際存在的礦山災害，實驗室開展的含孔洞巖石的受力破壞試驗是對它的一個簡化近似模擬，為其研究提供有益參考。在利用紅外和聲發射技術手段進行巖石破壞的聯合監測與前兆識別方面，魏嘉磊［4］、張艷博等［11］和 XIAO等［12］開展了卓有成效的研究，為本研究巖巷巖體失穩破壞監測預警方法研究提供了有益借鑒。

紅外和聲發射兩種技術手段監測巖巷巖體變形破壞具有不同的特點。熱像儀獲得的是巖體表面的紅外輻射溫度，能夠反映巖體表面不同區域的溫度分布情況以及同一區域不同時刻的溫度演化情況，對能量聚集、耗散和外界做功的響應敏感，紅外熱像能清晰地反映巖體監測區由變形、破裂導致的能量轉移及其路徑［9］。聲發射儀獲得的是巖石內部局部變形釋放的應力波信號，其攜帶了波源（幅值、強度、頻率）、巖體（衰減特性、聲波傳播速度）及其應力狀態等信息。根據聲發射信號特征可以判別巖體的微破裂起始、損傷演化和最終失穩破壞［13］。兩種技術手段監測巖巷巖體具有一定的重疊性、互補性和局限性，其中重疊性和局限性廣為人知，在此不做贅述，本研究重點對兩種技術的互補性進行分析，結果見表5。

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由表5可知：紅外相對于聲發射的優勢體現在非接觸性和抗干擾性強，而聲發射較紅外的優勢體現在監測的整體性、時效性、幾何形態敏感性、階段性變化特征和背景輻射影響。將兩種技術聯合應用，有助于實現兩者優勢互補，更加全面了解巖石所處的應力狀態和變形損傷階段，提高巖石破裂前兆識別的可靠性，解決單一信息無法準確識別巖石破壞前兆的問題。

本研究基于含孔洞巖石加載過程的紅外和聲發射聯合監測試驗，獲取了巖石變形破裂各階段的紅外和聲發射演化特征和前兆特征，并給出了實用性的前兆識別方法。試驗中的加載試件為巖石，實際巖巷工程的監測對象則是具有結構面的巖體，結合試驗流程和張艷博等［11］給出的巖爆破壞物理場多參數預警方法，本研究提出了一種利用熱成像技術和聲發射技術對巖巷巖體失穩破壞過程進行聯合監測與預警的技術方法，流程如圖8所示。

圖8中技術流程主要分為如下4個環節：

（1）現場監測與數據獲取。首先對巖巷巖體工程現場進行勘查，確定巖體的地質年代，取樣并測定其物理力學性質，選定適于監測的區域。安置熱像儀并觀測監測區巖體表面的紅外輻射溫度，布設若干聲發射探頭監測其聲發射信號，布設應力計和應變計并測量其應力和應變，獲取監測區巖體的紅外熱像、聲發射、應力和應變等數據。

（2）數據處理。根據應力計和應變計的監測數據，實時計算應力—應變曲線和應變率—時間（或應變）曲線，初步判斷監測區巖體所處的應力狀態和階段。跟據采集的聲發射數據，實時計算各聲發射參數（聲發射能率和聲發射率）隨時間（或應變）的變化曲線。對紅外熱像數據進行初始差分，獲取監測區巖體表面的紅外熱像序列，并計算熱像參數（極差）隨時間（或應變）的變化曲線。對計算的聲發射參數、紅外熱像序列和熱像極差參數，結合應力—應變曲線，核算監測區巖體所處的應力狀態和階段。

（3）閾值設定與判斷。結合試驗結果和監測區巖體實際地質條件，為聲發射參數、熱像序列和紅外熱像參數設定合適的閾值，并對熱像序列和各監測參數進行判斷。

（4）前兆識別與聯合預警。根據環節（3）的分析結果，識別聲發射和紅外各種前兆信息。利用聲發射參數進行巖體失穩破壞的早中期預警，隨著變形破裂的演化，利用熱像序列提取監測區巖體的高溫條帶和破裂空間位置，結合熱像參數進行短臨預警，實現紅外和聲發射技術對巷道巖體失穩破壞的聯合監測與預警。

進一步分析圖8可知：通過聲發射和紅外兩種技術手段進行聯合監測，能夠實現巖巷失穩破壞不同臨近前兆的識別與捕捉，提高前兆識別的準確性和可靠性；兩者的有機結合可從時間、空間和強度三方面實現對巖巷失穩破壞的監測預警。但是，由于實際巖巷工程監測流程較圖8復雜，需要結合現場實際條件（地質條件、應力條件、巖體結構特征、巖體物理力學性質等）確定巖體監測區，選取合理的閾值和相關監測參數，并對圖8所示流程進行進一步優化。

4 結語

通過開展含孔巖石受力的紅外輻射和聲發射聯合監測試驗，將紅外輻射和聲發射兩種數據進行分析，從階段性、前兆性和幅值特性等方面進行了對比和關聯，討論了紅外和聲發射兩種技術監測巖巷巖體變形破壞的特點和適用性，在此基礎上，分析了巖巷巖體失穩破壞的紅外和聲發射聯合監測與預警技術流程。由于巖巷現場的紅外輻射和聲發射監測結果受到開采擾動、熱量流動、噪聲污染等復雜條件的影響，使得監測效果難以符合預期，因而在具體實踐中有必要結合現場實際條件合理確定相關參數，并不斷優化監測技術流程，提高監測預警效果。