煤損傷演化過程中的紅外輻射響應特征研究

杜園園，孫 海，馬立強，韓 杰，付 煜，李佳琦，王 偉

(1.遼寧石油化工大學 土木工程學院，遼寧 撫順 113001;2.中國礦業(yè)大學 深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤體損傷演化是嚴重影響煤礦安全生產(chǎn)的煤柱失穩(wěn)、沖擊礦壓等動力災害研究中亟待突破的基礎理論和共性問題[1-2]。研究結果表明，紅外熱成像技術(可實現(xiàn)無損、遙感探測)已成為確定煤體損傷破裂范圍、檢測煤巖損傷與疲勞強度，乃至進行礦井瓦斯突出、突水和巖爆預警預測的潛在有效手段[3-5]。

煤巖的損傷演化過程與其表面的紅外輻射響應信息緊密相關[6-7]。為了描述煤巖損傷演化過程中的紅外輻射現(xiàn)象，學者進行了煤巖不同加載方式下的紅外輻射監(jiān)測試驗[8-10]，發(fā)現(xiàn)了煤巖損傷破裂過程中的紅外輻射時空分布特征，以及煤巖破壞失穩(wěn)前的紅外輻射前兆。吳立新等[11]發(fā)現(xiàn)煤巖紅外輻射的變化特征與應力作用方式及應力狀態(tài)有關，并將塑性階段高應力區(qū)出現(xiàn)的平均紅外輻射溫度(AIRT)異常信息作為煤巖破壞前兆，并且嘗試探討了紅外前兆出現(xiàn)的機制。吳賢振等[12]發(fā)現(xiàn)了巖石破裂失穩(wěn)的紅外溫度瞬時變化特征。馬立強等[13-14]發(fā)現(xiàn)了應力對紅外輻射的控制效應。上述研究成果對煤巖損傷演化過程中的紅外輻射特征后續(xù)研究奠定了基礎。煤樣不同損傷演化階段的損傷機制是不同的，紅外輻射響應特征和機制也會不同，需要分階段研究損傷演化的紅外輻射響應特征和機制。煤樣不同破壞形式下?lián)p傷演化與紅外輻射變化內在聯(lián)系的研究，是理解煤巖裂紋形成和擴展機理的必要基礎。

為此，筆者研究了煤樣不同破壞形式下各個損傷階段其表面AIRT和紅外熱像的響應特征，并嘗試揭示煤樣損傷演化的紅外輻射響應機制。研究成果將為礦井水害和煤巖動力災害紅外輻射遙感監(jiān)測預警提供理論基礎與技術支持。

1 損傷試驗設計

1.1 試驗煤樣

試驗采用的煤樣由同一整塊煤體加工而成。按照《煤巖和巖石物理力學性質測定方法》，將煤塊加工尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的長方體煤樣(13塊)，編號為Ai(i=1～13)。試驗前將煤樣放置在實驗室中，使煤樣的溫度與實驗室的溫度環(huán)境一致。

1.2 煤樣微觀結構

煤是典型的非均質各向異性體，自然狀態(tài)下其內部本身就存在微缺陷。微缺陷是煤樣物理力學性質的重要影響因素之一，在煤樣損傷演化過程中起決定性作用。采用Quanta TM 250電子掃描顯微鏡對試驗煤樣不同區(qū)域的微觀結構進行掃描觀察，可以發(fā)現(xiàn)煤樣內部的顆粒形狀和大小是不同的，且存在較多微裂紋(圖1a)和微孔洞(圖1b)。

圖1 煤樣不同區(qū)域的電鏡掃描照片F(xiàn)ig.1 SEM pictures of different regions of coal

1.3 試驗方法

圖2為煤樣單軸加載的紅外輻射和應變聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)。試驗加載設備采用MTS C64.106液壓萬能試驗機，最大載荷1 000 kN；應變測量設備采用TS3890N型號靜態(tài)電阻應變儀，分辨率10-6；紅外輻射觀測設備采用VarioCAM? HD head 800型號紅外熱像儀，空間分辨率1 240 pix×768 pix，熱靈敏度優(yōu)于0.02 ℃，圖像采集速率為25 幀/s，光譜范圍7.5～14 μm。

試驗開始前，在煤樣與試驗機上下接觸面各布置層塑料薄膜，以減小試驗過程中的煤樣與壓頭間的摩擦力和熱傳導效應，既可降低端部效應，也不會改變加載煤樣的力學性能。

紅外熱成像技術監(jiān)測煤樣損傷演化的試驗過程中，不可避免地存在各種噪聲的干擾。故試驗系統(tǒng)中需要設置參照煤樣，利用參照煤樣紅外輻射的噪聲對加載煤樣的紅外輻射信息進行去噪[15]。在承載煤樣的左右兩側平行放置參照煤樣，但不對參照煤樣進行加載，如圖2所示。A1～A11為加載煤樣，A12和A13作為參照煤樣。

圖2 試驗系統(tǒng)Fig.2 Experimental system diagram

試驗過程中禁止人員走動，關閉實驗室的窗戶、窗簾以及所有可以產(chǎn)生輻射的照明燈光源。試驗機以0.1 mm/min的等位移速率對煤樣進行加載。將紅外熱像儀放置在距煤樣正前方1 m處，采集速率為25 幀/s。同步記錄煤樣的紅外輻射以及應力應變信息，直至煤樣破壞失穩(wěn)。

2 煤樣損傷演化階段

采用裂紋應變法確定壓密強度σcc和起裂強度σci，采用應變測量法確定損傷強度σcd[16]。煤樣的體積應變εv可表達為

εv=εve+εvc

(1)

式中:εve為彈性體積應變；εvc為裂紋體積應變。

根據(jù)胡克定律，煤樣單軸壓縮條件下的彈性體積應變和裂紋體積應變可表達為

(2)

(3)

式中：σ1為軸向應力；E為彈性模量；μ為泊松比。

起裂強度σci、損傷強度σcd和峰值強度σf表達煤樣不同損傷演化狀態(tài)，基于應力特征強度值，將煤樣損傷演化劃分為壓密階段、彈性階段、裂紋穩(wěn)定擴展階段、裂紋非穩(wěn)定擴展階段和破壞階段。

3 煤樣損傷演化的紅外輻射響應特征

3.1 煤樣AIRT去噪效果

相比參照煤樣，加載煤樣AIRT沒有明顯變化特征(圖3a)。這是因為本底噪聲掩蓋了AIRT有效信號的變化趨勢，故必須對AIRT進行去噪。采用去噪模型校正后，參照煤樣AIRT呈水平波動狀態(tài)，加載煤樣AIRT變化特征明顯(圖3b)。表明去噪效果良好，可以進一步分析煤樣加載過程中的AIRT變化特征。

圖3 去噪前、后的A7表面平均紅外輻射溫度Fig.3 AIRT of sample A7 before and after denoising process

3.2 AIRT變化特征

1)剪切破壞型。圖4為煤樣剪切破壞形式下的應力-時間曲線和AIRT-時間曲線，煤樣損傷演化過程中AIRT呈階段性變化特征。壓密階段，AIRT呈水平波動(或緩慢小幅上升)。彈性階段，AIRT隨應力增加呈線性升高趨勢，AIRT平均增幅為0.05 ℃(表1)。裂紋穩(wěn)定擴展階段，AIRT繼續(xù)升高，但升高速度下降。裂紋非穩(wěn)定擴展階段，AIRT增幅最小(平均增幅0.03 ℃)。該階段部分時刻AIRT呈水平波動狀態(tài)，出現(xiàn)短暫“沉寂期”(圖4)。煤樣在破壞階段產(chǎn)生破裂面(引起應力降)，破裂面的微裂紋在壓剪應力作用下會相互擠壓、錯動滑移，導致破裂面產(chǎn)生大量摩擦熱效應，使得接觸面AIRT升高，因此該階段AIRT增幅最大(平均增幅0.05 ℃)。

圖4 煤樣剪切破壞形式下平均紅外幅射溫度變化特征Fig.4 Variation characteristics of AIRT undershear failure of coal

2)張拉破壞型。張拉破壞煤樣損傷演化過程中AIRT呈下降趨勢，如圖5所示。彈性階段，AIRT隨應力的增大呈下降趨勢，但個別煤樣AIRT隨應力的增大呈上升趨勢(圖5a)。與剪切破壞煤樣相同，張拉破壞煤樣AIRT在裂紋非穩(wěn)定擴展階段降幅最小(平均降幅0.02 ℃)，且AIRT也出現(xiàn)短暫“沉寂期”(圖5)。隨后，煤樣失去承載能力，AIRT下降(平均降幅0.03 ℃)。

圖5 煤樣張拉破壞形式下平均紅外幅射溫度變化特征Fig.5 Variation characteristics of AIRT under tensile failure of coal

發(fā)生剪切破壞形式的煤樣居多，少量為拉伸破壞形式。相同煤樣在同樣的加載方式下出現(xiàn)了不同的破壞模式，其根本原因在于，一方面由于煤樣是非均質性的，相同加載條件下微裂紋的衍生和拓展規(guī)律都不一樣，導致裂紋累積成宏觀裂紋的結果也不一樣[17]；另一方面加工后的煤樣是不可能完全相同的，煤樣端部細微的差別會使得其兩端受壓過程中的切向力不一樣，導致了最終應力應變行為的差異性。對比張剪煤樣損傷演化各階段的AIRT變化幅度可知(表1)，煤樣AIRT在裂紋非穩(wěn)定擴展階段變化幅度最小，破壞階段變化幅度最大。

表1 煤樣損傷演化各階段的AIRT變化幅度

圖6 煤樣剪切和張拉破壞模式Fig.6 Shearing and tensile failure modes of coal

3.3 紅外熱像的變化特征

1)剪切破壞型煤樣。以煤樣A8為例，分析其剪切破壞過程中各個損傷階段的紅外熱像演化特征，如圖7所示。從初始加載到彈性階段，煤樣的紅外熱像圖由黃色(低溫)逐漸變?yōu)樯罴t色(高溫)，呈均勻性、漸進升溫特征。穩(wěn)定擴展階段，紅外熱像圖局部開始出現(xiàn)規(guī)則的異常條帶。非穩(wěn)定擴展階段，紅外熱像圖出現(xiàn)顯著的異常區(qū)域(斜切式高溫區(qū)和低溫區(qū)域)，導致熱像圖溫度空間分布的離散程度突升。隨后煤樣破壞失穩(wěn)，形成斜切的破裂面。穩(wěn)定擴展階段和非穩(wěn)定擴展階段，煤樣熱像圖出現(xiàn)的異常條帶均在最終破壞失穩(wěn)時的主破裂面上。

圖7 煤樣A8剪切破壞形式下的紅外熱像變化特征Fig.7 Infrared thermal image change characteristics of sample A8 under shear failure

2)張拉破壞型煤樣。以煤樣A2為例，分析其張拉破壞過程中各個損傷階段的紅外熱像演化特征，如圖8所示。從初始加載到彈性階段，煤樣紅外熱像圖呈均勻性、漸進升溫特征。裂紋穩(wěn)定擴展階段，煤樣紅外熱像圖整體出現(xiàn)降溫特征。該階段，在將要發(fā)生張拉破裂面的位置出現(xiàn)了小范圍高溫區(qū)，表明煤樣張拉破壞最初是以剪切或剪切滑移破壞的形式開始的。非穩(wěn)定擴展階段，伴隨煤樣第1次應力降，紅外熱像圖同步出現(xiàn)低溫條帶和高溫區(qū)。隨后煤樣破壞失穩(wěn)，形成張拉的破裂面。穩(wěn)定擴展階段和非穩(wěn)定擴展階段，煤樣熱像圖出現(xiàn)的異常條帶均在最終破壞失穩(wěn)時的主破裂面上。

3)煤樣破壞的紅外輻射前兆。非穩(wěn)定擴展階段，張剪破壞煤樣的紅外熱像圖出現(xiàn)了2種趨勢相反的熱效應(升溫熱效應和降溫熱效應)，這2種相反趨勢的熱效應相互抵消，導致AIRT曲線在煤樣破壞失穩(wěn)前出現(xiàn)短暫“沉寂期”。因此，非穩(wěn)定擴展階段AIRT曲線出現(xiàn)短暫“沉寂期”和紅外熱像出現(xiàn)的異常條帶，可作為煤樣破壞失穩(wěn)的紅外輻射時空前兆。

圖8 煤樣A2張拉破壞形式下的紅外熱像變化特征Fig.8 Infrared thermal image change characteristics of coal sample A2 under tensile failure

4 煤樣損傷演化的紅外輻射響應機制

4.1 熱力耦合效應

煤在應力作用下會導致其內部礦物晶體發(fā)生位錯滑移、晶體形態(tài)改變，使得物理溫度發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為熱力耦合效應(包含熱彈效應、摩擦熱效應以及裂紋擴展熱效應)[18]。煤損傷過程中，其發(fā)射率基本不變，根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，當煤自身物理溫度的變化時，紅外輻射信息也會發(fā)生變化[19-20]。

1)熱彈效應。單軸加載煤樣在彈性變形時是一個等熵可逆過程，物理溫度變化量(ΔT)與應力變化量(Δσ1)之間的關系為

(4)

式中：α為熱膨脹系數(shù)；Cp為定壓熱容；ρ為密度；T為物理溫度。

由式(4)可知，對于絕熱可逆過程，當加載煤樣應力變化量較小時，煤樣物理溫度變化量與應力變化量為線性關系，具體物理現(xiàn)象表現(xiàn)為壓應力使得煤樣升溫和張拉應力使得煤樣降溫。

2)摩擦熱效應。隨著煤樣局部區(qū)域的微裂紋密度增加到一定程度時，大量的微裂紋在應力集中部位集結為尺度較大的宏觀裂紋，當形成宏觀臨界尺度的局部弱化時，煤樣產(chǎn)生破裂面。對于剪切破壞形式煤樣，產(chǎn)生破裂面的位置，微裂紋在壓剪應力作用下會相互擠壓、錯動滑移，導致微裂紋接觸面產(chǎn)生摩擦熱效應而引起接觸面紅外輻射溫度升高。

3)裂紋擴展熱效應。煤樣裂紋擴展是一個非平衡的不可逆熱力學過程和能量耗散過程。裂紋擴展過程中遠離裂紋尖端的粘彈性區(qū)變形為塑性區(qū)，裂紋尖端附近的塑性區(qū)變形為過渡區(qū)。裂紋尖端變形過程中會同時伴隨能量的釋放，使得裂紋尖端位置呈高溫狀態(tài)[21-22]。

4.2 損傷演化不同階段的紅外輻射響應機制

熱彈效應、摩擦熱效應以及裂紋擴展熱效應，都可能會引起煤樣紅外輻射信息發(fā)生變化。煤樣損傷演化的不同階段，導致紅外輻射信息變化的主因不同。壓密階段，煤樣紅外輻射變化是由初始微裂紋閉合帶走熱量導致的。彈性階段，煤樣紅外輻射變化是由熱彈效應主導。裂紋穩(wěn)定擴展階段和裂紋非穩(wěn)定擴展階段，剪切破壞煤樣由摩擦熱效應和裂紋擴展熱效應主導；張拉破壞煤樣由張性變形產(chǎn)生的吸熱效應主導。

1)壓密階段。由于煤樣本身多孔、質脆，在應力作用下微裂紋閉合過程中原有氣體散出帶走了部分熱量，產(chǎn)生降溫熱效應。

2)彈性變形階段。煤樣內部絕大多數(shù)微元處于彈性變形狀態(tài)，紅外輻射溫度變化是由熱彈效應主導的。由式(4)可知對于絕熱可逆過程，煤樣紅外輻射變化量與應力變化量呈線性關系，表面紅外輻射溫度場呈整體性的均勻升降溫變化，具體物理現(xiàn)象表現(xiàn)為壓縮升溫和張拉降溫。由于煤樣內部的顆粒形狀和大小不同的，且存在較多微裂紋和微孔隙(圖1)，因此損傷演化過程中的熱彈效應較為復雜，即使同類型煤樣相同破壞形式、相同應力狀態(tài)下，AIRT變化幅度也不盡相同。

3)裂紋穩(wěn)定擴展階段和非穩(wěn)定擴展階段。煤樣發(fā)生張性變形過程中，內部微裂紋和微孔洞體積膨脹，氣體體積也會隨之膨脹。根據(jù)絕熱過程方程，如式(5)所示，氣體體積膨脹會導致煤樣物理溫度降低，使得煤樣張性變形產(chǎn)生吸熱效應[23]。

(5)

式中：T1為煤樣內部膨脹前物理溫度；T2為煤樣內部膨脹后物理溫度；V1為煤樣內部膨脹前體積；V2為煤樣內部膨脹后體積；γ為絕熱指數(shù)。

另一方面，當煤樣產(chǎn)生拉應力時，即Δσ1>0，根據(jù)熱彈效應公式，如式(4)所示，ΔT<0，即煤樣張性變形時物理溫度降低(吸熱效應)。

對于張拉破壞形式煤樣，其破裂面不發(fā)生摩擦、且破裂過程產(chǎn)生張性變形。張性變形會使煤樣體積擴張產(chǎn)生吸熱效應，使得張拉破裂面紅外輻射溫度降低[6]。

對于剪切破壞形式煤樣，一方面，破裂面在壓剪應力作用下相互擠壓、錯動滑移產(chǎn)生摩擦熱效應，因此破裂面處的紅外輻射溫度升高。圖9是煤樣剪切破壞面的摩擦熱效應(以熱像圖的形式體現(xiàn))，剪切破裂面形成過程中產(chǎn)生了大量的摩擦熱，紅外熱像圖中的高溫條帶是煤樣剪切破裂面的空間表現(xiàn)，條帶的形成過程可以用來表征剪切破裂面發(fā)展的時空過程。摩擦熱效應與正應力的大小、摩擦速度、摩擦系數(shù)、微元強度及顆粒粗糙度有關，其中正應力的大小、煤樣微元強度及顆粒粗糙度是影響摩擦熱效應的重要因素，正應力越大、微元強度及顆粒粗糙度越高，產(chǎn)生的摩擦熱效應越強。另一方面，煤樣裂紋擴展是一個非平衡的不可逆熱力學過程和能量耗散過程，裂紋尖端變形過程中塑性功會以熱的形式釋放出來，使得裂紋尖端位置呈高溫狀態(tài)。裂紋尖端溫度會傳導至周圍，在裂紋尖端位置形成一定范圍的溫度場[21-22]。

圖9 煤樣A11剪切破壞面的摩擦熱效應Fig.9 Frictional heating at shear failure of sample A11

5 結 論

1)煤樣的紅外輻射響應特征與其破壞形式有關，剪切破壞煤樣AIRT總體呈上升趨勢，張拉破壞煤樣AIRT總體呈下降趨勢。

2)損傷演化各個階段，煤樣AIRT在裂紋非穩(wěn)定擴展階段變化幅度最小(剪切破壞煤樣平均溫度增幅0.03 ℃；張拉破壞煤樣平均降幅0.02 ℃)，在破壞階段變化幅度最大。

3)煤樣破壞失穩(wěn)前，張拉破壞和剪切破壞煤樣的紅外熱像圖中2種趨勢相反的熱效應(升溫熱效應和降溫熱效應)相互抵消，導致AIRT曲線在會出現(xiàn)“沉寂期”，這種現(xiàn)象可作為煤樣破壞失穩(wěn)的紅外輻射前兆。

4)煤樣損傷演化的不同階段，導致紅外輻射信息變化的主因不同。彈性階段，煤樣紅外輻射信息變化是由熱彈效應主導。裂紋穩(wěn)定擴展階段和裂紋非穩(wěn)定擴展階段，剪切破壞煤樣由摩擦熱效應和裂紋擴展熱效應主導；張拉破壞煤樣由張性變形產(chǎn)生的吸熱效應主導。