单轴压缩下片麻岩红外辐射特征研究_皇甫润.pdf

第 3 卷第 1 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 3 No. 1 2021 年 2 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING Feb. 2021 013011-1 皇甫润， 闫顺玺， 王晓雷， 等. 单轴压缩下片麻岩红外辐射特征研究[J]. 采矿与岩层控制工程学报， 2021， 31 013011. HUANGFU Run， YAN Shunxi， WANG Xiaolei， et al. Experimental study on infrared radiation characteristics of gneiss under uniaxial compression[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering， 2021， 31 013011. 单轴压綊下片麻岩紎外辐射特征研究 皇甫润 1,2， 闫顺玺1,2， 王晓雷1,2， 蒋鹏程1,2， 詹思博1,2 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 摘 要 为探究不同层理方向岩石变形破坏过程中的紎外异常， 开展了单轴压缩下片麻岩紎外 辐射试验， 结合应力、 平均温度、 方差、 温度场分异速率、 热像图多种指标研究了破裂过程紎外 辐射温度的演化特征。结果表明 不同层理片麻岩加载过程紎外辐射温度场的演化特征具有 相似的阶段性和变化趋势。发现平均紎外辐射温度和应力二者之间有较强的线性关系， 相关 系数均在0.90以上； 水平层理试件辐射温度升温速度高于竖直层理试件。方差曲线随应力变化 可分为3个阶段， 压密及弹性阶段较小且变化平缓， 破坏阶段发生大幅度陡升； 加载中期和后期 出现的异常特征点可作为岩石失稳的前兆信息。对方差求导获取温度场分异速率， 定义其第1 次偏移0值的点和临破坏偏移0值的点为一、 二级预警信号； 得出时间预警优于应力预警， 且竖 直层理试件能达到损伤最低值。紎外图像经过多步骤算法降噪处理， 图像质量明显增强； 前期 热像表面呈均匀缓慢变化， 中期随应力增加逐渐升温， 临近破坏时， 热像在破裂位置出现高温 辐射异常， 其他区域出现低温异常， 这种分异现象是岩石失稳的重要紎外前兆特征。 关键词 紎外辐射温度； 温度场分异速率； 方差； 前兆特征； 紎外热像 中图分类号 TD315.3 文献标志码 A 文章絸号 2096-7187 2021 01-3011-08 Experimental study on infrared radiation characteristics of gneiss under uniaxial compression HUANGFU Run 1,2， YAN Shunxi1,2， WANG Xiaolei1,2， JIANG Pengcheng1,2， ZHAN Sibo1,2 1. College of Mining Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan 063210， China； 2. Hebei Province Key Laboratory of Mining Development and Safety Technique， Tangshan 063210， China Abstract Infrared radiation tests of gneiss under uniaxial compression were pered to explore the infrared anomalies in the process of rock deation and failure in different bedding directions. The evolution characteristics of infrared radiation temperature during the failure process were studied by uating factors including stress， average temperature， variance， differentiation rate of temperature field， and thermal image. The results showed that the evolution characteristics of the infrared radiation temperature field in different bedding gneiss loading processes have similar stages and changing trends. The linear fitting of average infrared radiation temperature and stress has a strong linear relationship. The temperature rise rate of the horizontal bedding specimen is higher than that of the vertical bedding specimen. The variance curve with stress can be divided into three stages. The compaction and 收稿日期 2020-04-28 修回日期 2020-06-05 责任絸辑 李 青 基金项目 国家自然科学基金资助项目 51134005 ； 河北省高等学校科学技术研究资助项目 QN2020125 作緜简介 皇甫润 1995 ， 女， 内蒙古呼和浩特人， 硕士研究生， 主要从事矿山遥感⃩ 地理信息系统等方面的研究工作⃪E-mail 1414077204qq. com 通信作緜 闫顺玺 1981 ， 女， 河北唐山人， 副教授， 硕士， 主要从事矿山遥感⃩ 矿山地理信息系统方面的教学与研究工作⃪E-mail tsyanxizi 皇甫润等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 3， No. 1 2021 013011 013011-2 elastic stage are small and change gently， and a greatly steep rise occurs during the failure stage. The abnormal characteristic points appearing in the middle and later stages of loading can be used as a precursor of rock instability. The variance is derived to obtain the temperature field differentiation rate. The point at which the temperature field differentiation rate shifts to the value of 0 for the first time and the point at which the value of offset to the value of imminent failure shifts to 0 are defined as the first and second warning signals， and it is concluded that time warning is better than stress warning. The infrared image is processed through a multi-step algorithm to reduce noise. The image quality is significantly enhanced. Near the macro-failure， the infrared thermal image has high-temperature radiation anomalies at the fracture position and low-temperature anomalies in other areas. This thermal image differentiation is an important infrared precursor characteristic of rock instability. Key words infrared radiation temperature； differentiation rate of temperature field； variance； precursory character- istics； infrared thermal image 中国是世界采矿大国， 矿山灾害频紇发生， 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 皇甫润等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 3， No. 1 2021 013011 013011-3 50 mm100 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 mm⃪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 号并依此类推⃪ a 水平层理试件 b 竖直层理试件 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320256像糽和640512像糽探 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 mK30 ‣⃪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 试验紻果和分析 2.1 应力与平均紎外辐射温度的拟合关系 岩石在应力作用下的宏观反映是变形或破裂， 应力暗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糽的温 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暗线如 图3所示⃪ 299.38 299.40 299.36 299.34 299.32 299.30 020406080 应力/MPa 应力/MPa 平均红外辐射温度/K平均红外辐射温度/K a PM-0-1 b PM-90-1 306.27 306.26 306.25 306.24 306.23 306.22 306.21 306.20 020406080100120140 图3 红外辐射温度与应力的拟合关系 Fig. 3 Infrared radiation temperature-stress fitting relationship 岩石加载装置 岩石样品 红外热像仪 图2 片麻岩单轴加载试验装置 Fig. 2 Gneiss uniaxial loading test device 皇甫润等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 3， No. 1 2021 013011 013011-4 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 0 TTk 1 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， MPa⃪ 经计算PM-0-1， PM-90-1的线性表达式分别为 4 306 056 67 854 4 10  . . T 2 4 306 209 53 565 3 10  . . T 3 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 器本身缺陷等因糽的影响， 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 紎外辐射温度与应力的紧性拟合参数 Table 1 Linear fitting parameters of infrared radiation temperature and stress 试件 编号 相关 系数 斜率 斜率 均值 最小二乘 标准差 稳健 标准差 温度点 总数 PM-0-1 0.925 8 7.854 4 0.009 0 0.006 2 356 PM-0-2 0.964 0 5.960 9 9.403 5 0.006 6 0.005 1 392 PM-0-3 0.925 7 15.326 3 0.018 9 0.004 7 280 PM-0-4 0.913 4 8.472 3 0.009 7 0.005 6 316 PM-90-1 0.931 5 3.565 3 0.006 0 0.005 6 405 PM-90-2 0.918 3 6.028 2 6.318 2 0.014 5 0.005 6 369 PM-90-3 0.963 7 11.155 6 0.012 3 0.006 9 375 PM-90-4 0.926 9 4.523 5 0.008 3 0.005 4 400 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  2 2 1 1   ave n k k SXX n 4 式中， 2 S为方差； k X为辐射温度场中第k个像元的 辐射温度值， T； ave X为红外辐射温度的均值， T⃪ 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暗线如图4， 5所示， 限于篇幅， 各 层理角度选取1块进行描述⃪ 050100150200250300350 0 10 20 30 40 50 60 70 80 应力/MPa 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 I II III a b 应力 方差 方差 时间/s 图4 水平层理试件应力⃩方差与时间暗线 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时方差暗线出现小幅度起伏变 皇甫润等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 3， No. 1 2021 013011 013011-5 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， 方差出现下降现象⃪ 050100150200250300350400 0 20 40 60 80 100 120 应力/MPa I II III a b 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 应力 方差 方差 时间/s 图5 竖直层理试件应力⃩ 方差与时间暗线 Fig. 5 Stress， variance and time curves of vertical bedding specimen 由图5可知， 竖直层理试件方差暗线随应力的 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， 暗线维持平稳发 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， 暗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， 暗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 29⃪之后岩石失稳破坏， 方差暗 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， 岩石试件的方差暗线和 应力暗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 22 2   ii S thS th v h 5 式中， v为温度场分异速率；it 为温度场第i个像元对 应的时间， s； 2 i S t）为 i t 对应的方差序列； h为 i t 的步 长⃪ 温度场方差⃩ 分异速率随时间的变化暗线如图 6所示⃪ 050100150200250300350 0 0.001 2 I II III 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 A B 温度场分异速率 温度场分异速率 温度场分异速率 温度场分异速率 稳定分异阶段 加速分异阶段 加速分异阶段 稳定分异阶段 方差 方差 方差方差 时间/s 时间/s a 水平层理试件 b 竖直层理试件 050100 150 200250300 350400 0 0.001 0 0.000 5 0.002 0 I II III AB 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.001 5 -0.000 5 -0.000 4 0.000 4 0.000 8 图6 方差和分异速率随时间变化暗线 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 皇甫润等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 3， No. 1 2021 013011 013011-6 阶段统称为温度场稳定分异⃪方差暗线在第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 点⃪方差暗线出现快速上升， 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 定义暗线中第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2⃪片麻岩 暗线特征点时间与应力占比见表2⃪ 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 层理 倾角/ 突变点1 突变点2 时间t/ 应力σ/ 时间t/ 应力σ/ 0 72.46 74.66 97.80 98.95 90 68.97 73.53 90.65 95.59 注 t为每个试件最终破坏的时间；σ为每个试件的峰值应力； 表2中 数据所选角度为所有试件的平均值⃪ 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糽， 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果⃪ a 原始热像 b 差值处理热像 c 降噪处理热像 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 皇甫润等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 3， No. 1 2021 013011 013011-7 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落⃪ 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 紻 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征⃪ 参線文献 References [1] BRADY B T， ROWELL G A. 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