单轴压缩下片麻岩红外辐射特征研究

皇甫润，闫顺玺，王晓雷，蒋鹏程，詹思博

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210 )

中国是世界采矿大国，矿山灾害频繁发生，而引起矿山灾害发生的主要原因之一是岩石失稳破坏，因此在矿山开采过程中如何有效地进行监测与前兆识别，对矿山稳定性监测和灾害预警具有重要意义。

红外热成像技术具有全天候、实时性、非接触等优点。许多学者利用热成像技术对岩石的破裂过程进行了监测，主要从时序变化和空间演化两方面进行研究。BRADY B T[1]等以花岗岩、玄武岩为研究对象，利用光学摄谱方法开展了单轴压缩条件岩石破裂过程中的电磁辐射研究，根据岩石的电磁波辐射特征来预报岩石的破裂；FREUND F T[2]开展了花岗岩受力灾变的红外辐射观测试验，研究震前的红外异常现象的机理，发现随着受力的不断变化其岩石外缘表面的红外辐射温度也跟着不断变化；刘善军[3-4]等将平均红外辐射温度作为量化表征指标，将岩石破坏失稳的前兆类型分为2种：降温型前兆和升温加快型前兆，后期提出了熵值、分形维度、方差3种新的指标反映岩石破坏过程中的红外辐射规律；杨阳[5]等引入“欧氏距离”的算法研究了粉砂岩破坏过程的红外辐射响应特征；程富起[6]等利用最高红外辐射温度对煤岩破裂过程进行分析，发现最高温能够反映煤岩受载破坏情况；马立强[7-8]等对煤岩和泥岩试件的平均红外辐射温度进行分析，发现煤样和泥岩中出现破裂前兆均为突然升温型，之后引入差分红外方差定量分析指标，对煤破裂时的红外辐射特征进行了量化表达；周子龙[9-10]等以花岗岩和砂岩为研究对象开展了单轴压缩试验，提出了随加载速率的提高平均红外辐射温度逐渐增大，且不同含水率岩石红外辐射特征有所不同，含水率越多升温幅度越大；田贺[11]等将平均温、最高温、方差以及自相关系数作为分析指标，研究了煤岩破坏过程中的前兆信息，发现方差对破坏的预测更加精准；吴立新[12-13]等发现煤岩压缩屈服过程中存在3类辐射热像前兆特征；徐忠印[14]等发现，岩石在加载后期，红外热像会发生分异现象，高温条带对应剪性破裂，低温条带对应张性破裂；张艳博[15]等对粉砂岩突水过程的热像图进行分析，发现红外热像出现高温异常条带即为渗水发生位置，也是最终突水位置；姚旭龙[16]等将傅里叶频谱运用到红外热像中，对岩爆过程的红外辐射温度场频谱演化特征进行了定量研究；来兴平[17]等定量研究了煤岩体损伤直至失稳过程红外辐射时序变化与热像空间变化的异同点，将二者结合有效地捕捉了失稳前兆点，并分析了预制结构面对红外辐射异常特征的影响。

上述研究工作取得了许多有意义的成果，但对于不同层理方向岩石红外辐射演化特征等问题鲜有研究。基于此，本文以上述研究为基础，选取水平和竖直2种层理方向的片麻岩进行单轴压缩试验，以红外热像仪作为观测手段，旨在探究层状片麻岩红外辐射演化特征。针对试验过程产生的脉冲噪声和设备自身的周期性噪声，引入多步骤算法在Matlab平台对获取的原始红外热像进行降噪处理，以准确探测岩石破裂过程的时空演化特征。

1 试验方案

1.1 试样制备

本次试验选用的片麻岩试件层理结构明显，胶结状态良好。将片麻岩加工成尺寸为50 mm×50 mm×100 mm的长方体｡ 将试件加载两端仔细打磨，使其表面不平行度小于0.02 mm。如图1所示，试件表面分布着宽度不同、深浅不一的条带状矿物。本次试验选用水平层理和竖直层理2组试件，分别制备试件4块，按PM-0-1，PM-90-1对其进行编号并依此类推。

图1 层状片麻岩试件Fig.1 Banded gneiss specimen

1.2 试验设备

本次试验主要由加载系统、红外热像仪组成。加载系统采用TAW-3000型刚性伺服试验机，单轴压缩试验加载采用等位移控制方式，在试验过程中试验机采用底座上升方式对片麻岩试件施加压力。红外热像仪采用德国Infra Tec Image IR 8325红外热像仪，分别采用320×256像素和640×512像素探测器，具有帧频高、灵敏度高、测量精度高、解析度高等特性，热灵敏度优于20 mK@30 ℃。试验开始时，将试验机的加载速率设置为0.02 mm/s，红外热像仪的采集频率设置为50帧/s，加载设备和红外热像仪调整为统一时间并同时开启，使二者的时间保持同步，以便于后期试验数据处理，试验装置布置如图2所示。

2 试验结果和分析

2.1 应力与平均红外辐射温度的拟合关系

图2 片麻岩单轴加载试验装置Fig.2 Gneiss uniaxial loading test device

岩石在应力作用下的宏观反映是变形或破裂，应力曲线是描述岩石力学特征的重要手段。平均红外辐射温度( AIRT )考虑了温度场内所有像素的温度值，能够反映岩石表面红外辐射的整体强度。从理论角度来讲，随着应力的增加，初始阶段因试件内部孔隙被压密，孔隙内会排出部分热量，AIRT一般表现为短暂下降；进入弹性阶段，AIRT受到热弹效应影响表现为直线上升；加载后期由于摩擦效应的影响，AIRT继续升温。由此得出，岩石表面的红外辐射温度随应力的升高而上升，二者之间存在一定的线性关系。分别选取水平和竖直层理各1块试件，试件的应力和平均红外辐射温度的关系曲线如图3所示。

图3 红外辐射温度与应力的拟合关系Fig.3 Infrared radiation temperature-stress fitting relationship

由图3可以看出，散点遍布于直线周围和直线非常接近，且有大量点与直线重合，随着应力增加平均红外辐射温度近似呈线性增长，这表明岩石的平均红外辐射温度与应力呈较强的线性相关性。

根据试件辐射温度与应力的拟合关系建立的平均红外辐射温度与应力线性表达式为

式中，T为加载过程的平均辐射温度，K；0T 为初始温度，K；k为拟合直线的斜率；为应力，MPa。

经计算PM-0-1，PM-90-1的线性表达式分别为

由上述关系式可知，水平层理方向的试件随应力的增加红外辐射温度升温较快。

表1列出了8块试件平均红外辐射温度与应力的线性拟合参数。运用最小二乘估计法验证二者拟合结果的精度，但由于外界条件的干扰，以及仪器本身缺陷等因素的影响，导致实际测得的温度矩阵含有一定误差，影响拟合结果的可靠性，而最小二乘法没有抗差能力，因此引入稳健估计的方法对数据进行处理，真实反映应力和平均红外辐射温度拟合结果的可靠性。

表1 红外辐射温度与应力的线性拟合参数Table 1 Linear fitting parameters of infrared radiation temperature and stress

由表1得出，试件拟合得到的线性正相关系数均在0.90以上，表明平均红外辐射温度与应力密切相关。上述试件中，水平层理岩石的直线斜率较高，这表明随着应力的增加其辐射温度的升温速度高于竖直层理岩石。这是因为在试验过程中水平层理试件的抗压强度较弱，率先发生变形破裂，破裂面之间相互错动摩擦产生大量热量，使其升温速度加快；竖直层理试件的抗压强度较强，可能是岩石基质内含有竖向排列的硬质矿物，间接提高了岩石的轴向承载能力，未发生明显变形破裂，微裂隙摩擦产生的热量相对较少，热弹效应起主导作用，因此水平层理试件的辐射温度升温速度高于竖直层理试件。由表1也可以发现由于粗差的存在，最小二乘估计法计算得到的误差较大，而经过稳健估计选权迭代法运算得到的误差较小，精度较高。因此，经过精度的检验，证实二者之间存在较强的线性相关性。

2.2 温度场时序演化特征

对岩石受力加载过程中获得的红外辐射温度进行定量特征描述，能够有效反映温度场阶段性的演化特征和空间分布。本文引入方差理论作为分析指标，对破裂阶段产生的温度场分异现象进行表达。方差是概率论中常用的统计量，反映了随机变量和其数学期望之间的偏离程度。其表达式为

式中，S2为方差；Xk为辐射温度场中第k个像元的辐射温度值，T；Xave为红外辐射温度的均值，T。

岩石加载过程中，方差能表征红外辐射温度场的离散程度，方差越大，分异现象越明显[4]。应力、方差随时间的变化曲线如图4，5所示，限于篇幅，各层理角度选取1块进行描述。

图4 水平层理试件应力、方差与时间曲线Fig.4 Stress，variance and time curves of horizontal bedding specimen

由图4可知，方差随应力变化大致分为3个阶段，第1阶段( 1～107 s )缓慢上升，该阶段岩石受载应力较小，试件内部没有裂纹萌生，红外辐射温度分布均匀，没有分异现象出现，方差上升趋势总体较平缓；第2阶段( 107～347 s )稳定上升，随荷载增加，在外力作用下试件内部开始产生应力集中，裂纹开始萌生，加载至264 s时方差曲线出现小幅度起伏变化，此时红外温度场分异现象逐渐明显，方差整体呈起伏上升趋势；第3阶段( 347～368 s )急速上升，随荷载到达峰值后，方差出现突升异常，数值迅速增大，最大值为0.006 11，此时热像温度场分异程度加剧。之后试件宏观裂纹相互贯通，彻底失去承载能力，应力值迅速下降，试件失稳破坏，且高温红外辐射出现减弱趋势，方差出现下降现象。

图5 竖直层理试件应力、方差与时间曲线Fig.5 Stress，variance and time curves of vertical bedding specimen

由图5可知，竖直层理试件方差曲线随应力的变化趋势和水平层理试件总体相似，均经历了3个阶段，第1阶段( 1～113 s )缓慢上升，曲线维持平稳发展状态，温度场分布均匀没有分异现象出现；第2阶段( 113～390 s )稳定上升，曲线上升幅度呈微小起伏变化，加载至293 s时，方差出现突跳现象，此时试件内部产生应力集中发生微破裂，引起高温辐射点出现，使得方差出现异常特征点，之后高温热点逐渐降温，曲线再次回到平稳上升的水平，该阶段温度场分异现象逐渐明显；第3阶段( 390～403 s )急速上升，随应力达到峰值后，试件内部能量释放，宏观裂纹迅速扩展、贯通，导致方差加速上升，出现突增异常，最大值为0.006 29。之后岩石失稳破坏，方差曲线出现下降。

综上所述，岩石在加载过程中方差能有效反映红外辐射温度场的阶段特征，2种层理方向下的红外辐射温度场方差总体呈现相似的演化特征，即第1阶段由于应力较小，无分异现象，方差平稳上升；第2阶段随着应力的增加，开始出现分异现象，方差起伏上升；第3阶段随着应力到达顶峰，分异现象加剧，方差急速上升。此外，岩石试件的方差曲线和应力曲线在时域上具有良好的一致性，弹性阶段后期，方差出现起伏变化，临近应力达到峰值时，方差出现递增。在红外前兆方面，试件加载中期出现的异常特征点( 图4，5中a点 )，可作为识别岩石破裂失稳的早期前兆特征，加载后期出现加速上升的异常特征点( 图4，5中b点 )可作为岩石临近破坏的晚期前兆信息。

2.3 温度场分异速率演化分析

方差能够有效衡量红外辐射温度场阶段性特征和分异程度的变化，对方差求导可定量描述岩石破裂过程中温度场的分异速率[18]，这对于捕捉岩石破裂的前兆信息，建立实时预警方法有重要意义。对各试件方差指标进行求导运算，其表达式为

式中，v为温度场分异速率；ti为温度场第i个像元对应的时间，s；S2(it）为 ti对应的方差序列；h为 ti的步长。

温度场方差、分异速率随时间的变化曲线如图6所示。

图6 方差和分异速率随时间变化曲线Fig.6 Variance and differentiation rate with time curves

由图6得出，温度场分异速率随时间变化分为2个阶段，分别为温度场稳定分异和加速分异阶段。由于方差概括的演化特征在1，2这2个阶段的红外辐射温度变化较小，分异现象不明显，因此将这2个阶段统称为温度场稳定分异。方差曲线在第3阶段出现飞速上升，出现显著分异现象，将第3阶段概括为加速分异。在稳定分异阶段，由于应力较小，红外辐射温度维持小幅度变化，辐射温度由低温逐渐向高温扩展，方差缓慢平稳上升，红外温度场分异速率比较稳定，在0点周围呈小幅波动，此阶段分异现象不明显。在加速分异阶段，试件处于高应力水平，红外辐射温度迅速升高，出现大量辐射高温点。方差曲线出现快速上升，导致红外温度场分异速率偏移0值呈大幅波动上升，此阶段温度场分异现象非常明显。

通过以上分析可以发现，当红外辐射温度产生异常特征时，温度场分异速率会偏移0值，因此可以定义曲线中第1次出现偏离0值的点( A点 )为突变点1，临近破坏偏离0值的点( B点 )为突变点2。片麻岩曲线特征点时间与应力占比见表2。

表2 温度场特征点时间与应力占比Table 2 Time and stress proportions of the characteristic points of temperature field

由表2可知，水平和竖直层理试件的时间预警均早于应力预警，但两种预警差距较小，这是因为受应力集中的影响试件达到应力峰值后瞬间失稳破坏，失去了承载能力，应力值立即陡降，故2种预警差距较小。在突变点1，2中，竖直层理试件的时间和应力占比均早于水平层理试件，这表明竖直层理较水平层理试件能达到损伤最低值。当突变点1出现时，岩石内部产生大量微裂纹等不稳定因素，可作为一级预警信号；当突变点2出现时，岩石内部裂纹瞬间汇聚、贯通，形成宏观破裂面，岩石临近破坏，可作为二级预警信号。

2.4 温度场空间演化特征

红外热像仪在探测岩石变形破裂过程中遇到的主要问题是采集到的红外图像具有低对比度、低信噪比和目标易被噪声干扰等[19-20]，为获得岩石受载变形破坏的准确信息和全过程，需要采用多步骤算法对红外图像进行降噪处理。图7为PM-90-4试件在峰值荷载的红外热像降噪效果。

图7 红外热像降噪前后对比Fig.7 Infrared thermal image comparison pre and post noise reduction

图7 ( a )为热像仪直接获取的图像；图7( b )为采用差值处理的算法，即将不同时相的热像都与第1帧热像作减运算处理获取的图像，目的是去除环境辐射噪声的影响；图7( c )为运用中值滤波和高斯高通算法获取的图像，目的是先抑制脉冲噪声，即将热像上常见的白色斑点消除，然后去除周期性噪声干扰，即消除红外传感器等引起的差异辐射。对比3幅热像，发现原始热像边缘模糊、对比度低，还有大量噪点，只能观察到试件的大体轮廓；图7( b )可以较明显地看到1条亮温条带和局部降温区域，但高温与低温区域难以区别；图7( c )能够明显观察到热像上有1条贯穿试件的斜列式亮温条带，高温区域表面应力集中，低温区域清晰可见，且图像中的一些细节信息也得到增强。

红外热像能够反映红外辐射强度在试件表面的空间分布特征。竖直和水平层理试件热像演化特征总体规律一致，故选择1个角度进行分析。图8为水平层理试件降噪处理后的热像演化。

由图8可以看出，初始加载1～217 s时间段，岩石表面温度整体均匀缓慢下降，试件表面红外辐射变化较小，温度场分布较为均匀；217～264 s时间段，岩石表面上下端部温度开始上升，出现高温区域，中部区域红外辐射温度因张性变形整体出现下降现象，红外温度场开始出现局部分异；264～311 s时间段，岩石表面红外温度整体出现回升，试件中部温度升温速度较快；311～348 s时间段，红外热像沿剪切面出现1条斜列式的高温条带，高温条带两侧区域辐射温度较低，表明温度场分异现象趋于明显；348～359 s时间段，高温条带持续升温更加明显，试件剪切面因局部破裂产生少量高温热点，温度场分异现象显著；试件在362 s沿斜列式高温条带发生破坏失稳，破裂瞬间沿着宏观剪切破裂带出现显著亮色高温条带，生成斜切的断裂面，在左下端破裂面位置有大量岩石颗粒瞬间弹射、崩落。

图8 红外热像演化Fig.8 Infrared thermal image evolution

综上所述，可以发现原始图像经过多步骤算法的降噪处理，图像质量明显增强，高温条带显著，高低温分布清晰，能够很好地提供关于岩石破坏逐步发展的信息。

3 结 论

( 1 ) 片麻岩平均红外辐射温度与应力线性拟合，发现二者具有较强的线性相关性，相关系数均在0.9以上。水平层理试件的直线斜率高于竖直层理试件，表明随应力的增加其辐射温度升温速度高于竖直层理试件。

( 2 ) 水平和竖直层理试件温度场方差总体呈现相似的演化特征，加载初期变化平稳，中期呈缓慢上升，加载后期呈急速上升。在中期和后期出现的异常特征点可作为岩石失稳的前兆信息。

( 3 ) 温度场分异速率可分为2个阶段，稳定分异阶段红外辐射温度维持小幅度变化，分异现象不明显；加速分异阶段红外辐射温度迅速升高，分异现象显著。

( 4 ) 定义温度场分异速率第1次出现偏移0值的点和临破坏偏移0值的点为一、二级预警信号，受应力集中影响时间预警整体早于应力预警，且竖直层理试件能达到损伤最低值。

( 5 ) 红外热像经过多步骤算法降噪处理，图像质量明显增强，高温条带显著，高低温分布清晰，能准确探测岩石变形的发生和破坏的全过程。

( 6 ) 红外热像空间演化规律为：前期，热像表面呈缓慢变化，温度场比较均匀；中期，随着应力增加逐渐升温，产生高温条带；后期，高温条带升温加剧，形成低温场嵌套于高温条带间的温度场格局，这种分异现象是岩石失稳的重要红外前兆特征。

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