图1 实验系统组成
Fig.1 Composition of experimental system
实验研究
程富起1,3， 李忠辉1,2,3， 殷山1,3， 魏洋1,3， 孙英豪1,3
(1.中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室， 江苏 徐州 221116)
摘要：对预制裂纹煤样进行了单轴压缩实验，研究了预制裂纹煤样受载破坏过程中红外辐射温度及其变化规律。实验结果表明：预制裂纹煤样在受载破坏过程中，红外辐射温度曲线出现突变现象，主破裂时不同预制裂纹角度煤样的红外辐射温度均突升；主破裂时预制裂纹煤样的红外辐射温度突变率随预制裂纹角度的增大先升后降，45°预制裂纹煤样的红外辐射温度突变率最大。预制裂纹煤样的红外辐射变化规律与载荷及预制裂纹密切相关，能够很好地反映含宏观缺陷煤样受载时内部破裂的情况。
关键词：煤岩动力灾害； 预制裂纹煤样； 受载破坏； 红外辐射温度； 单轴压缩
随着煤矿开采深度延伸和开采强度增加，煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害日趋严重，对煤矿安全生产造成极大威胁[1-3]。在煤岩动力灾害发展过程中，煤岩内储存的能量会以电磁能、热能、弹性能、声能等能量形式释放出来[4-5]。电磁辐射作为煤岩动力灾害的一种能量耗散形式，已经应用于动力灾害的监测预防，并取得了较好效果[6-8]。
由于地壳运动和沉积作用的影响，煤岩层内多裂隙和断层结构，是引发煤岩失稳破坏的主要原因。预制裂纹煤样单轴压缩破坏实验为研究煤岩中裂隙和断层结构对煤岩稳定性的影响过程及机理提供了一种实验模拟方法。刘杰等[9]研究了预制裂纹煤样单轴压缩条件下表面电位的变化规律及预制裂纹对煤样表面电位的影响机理。宋晓艳等[10]研究了含预制裂纹煤系岩石单轴压缩破坏的电磁辐射规律及其影响机制。任学坤等[11]研究了预制裂纹岩板单轴压缩条件下的电位与电磁辐射规律及其特征。李银平、邵冬亮等[12-13]研究了含预制裂纹的不同岩石材料破坏过程中的声发射特征。
红外辐射作为电磁辐射的一种形式，也是煤岩受载变形破坏过程中一种能量耗散形式。Liu Peixun等[14]揭示岩石不同位置温度变化情况反映了应力分布不同。李忠辉等[15]研究发现在岩样受载过程中，红外辐射温度曲线呈降转升型，发生破坏时岩样平均红外辐射温度增加0.1～0.3 ℃，最高红外辐射温度增加1.07～2.09 ℃。张艳博等[16]测试了含圆孔岩石在加载过程中红外辐射温度场，发现岩石剪性破裂区升温条带为岩石破裂失稳的前兆。谭志宏等[17]发现花岗岩板状试样在加载过程中，红外辐射强度随试样微破裂的增强而增加。
上述文献分别在预制裂纹和红外辐射方面对煤岩破坏过程进行了研究，但预制裂纹煤样受载破坏的红外辐射规律研究还较少。在前人研究的基础上，本文搭建了实验系统，对预制裂纹煤样进行了单轴压缩实验，研究了预制裂纹煤样受载破坏过程中红外辐射特征及其变化规律。
1.1 实验系统
实验系统主要由加载控制系统、红外监测系统和摄像系统组成，如图1所示。加载控制系统采用YAW型微机控制试验机。红外监测系统采用Optris PI450高分辨率红外热像仪，其光学分辨率为382×288像素，测温范围为-20～100 ℃，0～250 ℃，150～900 ℃(分段调温)，光谱范围为7.5～13 μm，帧频为80 Hz，视场角为30°×23°，热灵敏度为0.04 K。摄像系统采用尼康D5300相机，其分辨率为1 920×1 080像素，图像传感器类型为23.5 mm×13.6 mmCMOS传感器，ISO感光范围为100～12 800，数据接口为USB 3.0，数据传输速率为54 Mbit/s。
图1 实验系统组成
Fig.1 Composition of experimental system
1.2 实验样品制备及实验方法
实验所需煤样均取自河南神火集团有限公司梁北煤矿，将大块煤样加工成100 mm×30 mm×100 mm(长×宽×高)的长方体，煤样端面平整度误差小于0.02 mm。选取20个煤样，分成4组，采用水刀割缝技术对4组煤样分别进行0，15，45，60°预制裂纹的加工。预制裂纹长30 mm，宽2 mm，中心孔直径为6 mm。
为减少环境对煤样红外辐射的影响，煤样提前24 h放在实验室内，以保证实验时煤样温度与环境温度一致。实验期间关闭实验室门窗，禁止人员走动。在压力试验机周围围上白色湿布，正对红外热像仪和相机的一端敞开。红外热像仪和相机均布置在距煤样50 cm处，红外热像仪和相机的图像采集速率均为1 帧/s。煤样的加载方式为位移控制加载，加载速率为0.1 mm/min。实验前先用红外热像仪检测煤样表面红外辐射的变化，待煤样表面红外辐射稳定后开始实验。实验开始时同步打开加载控制系统、红外监测系统和摄像系统采集数据。
2.1 预制裂纹煤样的破坏特征
含预制裂纹的煤样受载时会在预制裂纹处形成应力集中带，特别是裂纹尖端，主要表现为新裂纹在预制裂纹尖端处生成扩展，最终导致煤样脆性断裂。预制裂纹煤样破坏特征表现为预制裂纹与在预制裂纹处扩展的新裂纹组合的复合破裂。预制裂纹煤样受载破坏裂隙示意如图2所示。0°预制裂纹煤样的预制裂纹角度与载荷方向一致，预制裂纹尖端处未形成应力集中，新裂纹未在预制裂纹处发育，煤样最终呈拉裂破坏。15°预制裂纹煤样首先以翼裂纹起裂，在翼裂纹扩展一段距离后，剪裂纹迅速发展，煤样最终呈剪切破坏。45°预制裂纹煤样由剪裂纹和拉裂纹综合作用，煤样最终呈拉剪复合破坏。60°预制裂纹煤样以剪裂纹起裂，剪裂纹发育很短距离后，拉裂纹扩展发育，煤样最终呈拉裂破坏。
图2 预制裂纹煤样受载破坏裂隙示意
Fig.2 Crack of pre-cracked coal samples under loaded breaking
2.2 预制裂纹煤样受载破坏的红外辐射特征
为降低环境和仪器因素对实验结果的影响，实验中所述红外辐射温度为最大相对温度，即以煤样红外热像第1帧的红外辐射温度为基准，其他每一帧的红外辐射温度减去第1帧的红外辐射温度后所得相对温度最大值。预制裂纹煤样受载破坏的红外辐射实验结果如图3所示，预制裂纹煤样主破裂时红外热像及红外云图如图4所示。
(a) 0°预制裂纹煤样
(b) 15°预制裂纹煤样
(c) 45°预制裂纹煤样
(d) 60°预制裂纹煤样
图3 预制裂纹煤样受载破坏的红外辐射实验结果
Fig.3 Infrared radiation experimental results of pre-cracked coal samples under loaded breaking
(a) 0°预制裂纹煤样
(b) 15°预制裂纹煤样
(c) 45°预制裂纹煤样
(d) 60°预制裂纹煤样
图4 预制裂纹煤样主破裂时红外热像及红外云图
Fig.4 Infrared thermal images and infrared cloud images of pre-cracked coal samples during main rupture
由图3(a)可看出，0°预制裂纹煤样在878.14 s时，载荷达到峰值36.09 kN，随后载荷突降7.37 kN，红外辐射温度突升0.29 ℃；在941.49 s时，载荷突降6.09 kN，红外辐射温度在2.64 s内突升0.94 ℃，达到峰值2.51 ℃。对比图2(a)和图 4(a)可得，0°预制裂纹煤样的破坏裂隙主要分布在预制裂纹两侧，而煤样在主破裂时红外高温区域也分布在预制裂纹两侧，这是由于煤样两侧裂隙发育较充分，在主破裂时煤样两侧众多的裂隙破裂面发生剧烈错动摩擦，从而出现煤样两侧的红外高温区域。
由图3(b)可看出，15°预制裂纹煤样在490.90 s时，载荷下降1.55 kN，红外辐射温度突降0.45 ℃；其后随着载荷的增大，红外辐射温度继续上升；在672.30 s时，载荷下降0.53 kN，红外辐射温度降低0.18 ℃；在753.70 s时，载荷下降1.29 kN，红外辐射温度上升0.25 ℃；在968.22 s时，载荷达到峰值18.64 kN，随后载荷小幅降低，红外辐射温度在2.64 s内突升1.24 ℃，达到2.31 ℃；在985.76 s时，红外辐射温度达到峰值2.51 ℃。对比图2(b)和图 4(b)可得，15°预制裂纹煤样右上方出现较多的破坏裂隙，煤样主破裂时红外热像及红外云图右上方也出现了红外高温区域，煤样的破坏裂隙区域与红外高温区域有良好的对应性。
由图3(c)可看出，45°预制裂纹煤样在617.43 s时，红外辐射温度降低0.53 ℃，但载荷未有明显变化；在698.61 s时，红外辐射温度在0.66 s内突升0.79 ℃，达到2.01 ℃，载荷未有明显变化；在716.76 s时，载荷达到峰值21.71 kN，随后载荷下降5.79 kN，红外辐射温度达到峰值2.10 ℃。对比图2(c)和图 4(c)可得，45°预制裂纹煤样右侧拉剪裂隙发育较好，煤样在主破裂时红外热像及红外云图右侧出现高温区域，说明煤样拉剪裂隙发育较好区域在主破裂时会产生热量，形成红外高温区域。
由图3(d)可看出，60°预制裂纹煤样在816.31 s时，载荷达到峰值23.94 kN，随后载荷下降5.26 kN，红外辐射温度在2.97 s内突升0.65 ℃，达到峰值2.79 ℃。对比图2(d)和图 4(d)可得，60°预制裂纹煤样左下侧出现贯通性拉裂，右上侧出现局部剪裂纹，由于拉裂破坏会使物体降温，剪切破坏会使物体升温，所以出现了煤样主破裂时红外热像及红外云图左下侧红外辐射温度较低、右上侧红外辐射温度较高的现象。
由图3可得预制裂纹煤样主破裂时红外辐射实验结果，见表1。可看出0°预制裂纹煤样的载荷峰值明显比15，45，60°预制裂纹煤样的载荷峰值大，说明预制裂纹显著降低了煤样的承载能力；预制裂纹煤样主破裂时，红外辐射温度突变率随着预制裂纹角度的增大呈先升后降趋势，0，15，60°预制裂纹煤样主破裂时红外辐射温度突变率较小，45°预制裂纹煤样主破裂时红外辐射温度突变率最大，说明不同预制裂纹角度对煤样红外辐射温度突变率具有显著影响。
表1 预制裂纹煤样主破裂时红外辐射实验结果
Table 1 Infrared radiation experimental results of pre-cracked coal samples during main rupture
预制裂纹煤样内部存在大量裂隙孔洞，初期受载时，裂隙孔洞受力闭合，煤样受载发生微破裂，破裂面错动摩擦，产生热量，煤样红外辐射温度开始升高；随着载荷的增加，含预制裂纹的煤样在预制裂纹处，特别是在预制裂纹尖端处，产生应力集中，新裂纹在预制裂纹处扩展发育，新裂纹因受不同的剪应力和拉应力作用而发育成不同类型的裂纹，剪应力较大时产生剪裂纹，煤样红外辐射温度上升，拉应力较大时产生拉裂纹，煤样红外辐射温度下降；载荷继续增大，裂纹大范围扩展，裂纹的2个破裂面错动摩擦产生大量热量，煤样红外辐射温度继续上升；主破裂时，煤样内部宏观裂隙贯通，弹性势能急剧释放，宏观裂隙破裂面发生强烈错动摩擦，单位时间内释放大量能量，红外辐射温度发生突变。
预制裂纹煤样受载破坏过程中，因预制裂纹角度不同会产生不同类型的破坏，导致红外辐射温度特征不同。一方面表现为红外辐射温度突变形式不同：0，60°预制裂纹煤样红外辐射温度在主破裂时发生突升；15，45°预制裂纹煤样红外辐射温度在受载初期发生突降，在主破裂时发生突升。另一方面表现为煤样主破裂时红外辐射温度突变率不同：0，15，60°预制裂纹煤样分别趋向于拉裂破坏、剪切破坏和拉裂破坏，煤样在受载过程中新裂纹发育较少，主破裂时，宏观裂隙贯通时间较长，导致煤样主破裂时红外辐射温度突变率较小；45°预制裂纹煤样趋向于拉剪复合破坏，煤样在受载过程中裂隙充分发育扩展，主破裂时宏观裂隙瞬间贯通，导致红外辐射温度突变率较大。
(1) 预制裂纹的存在显著降低了煤样的承载能力；不同预制裂纹角度煤样在受载破坏过程中，煤样红外辐射温度与载荷具有良好的一致性，并随着煤样的破坏而发生温度突变；预制裂纹煤样红外辐射温度在主破裂时均发生突升。
(2) 预制裂纹煤样受载破坏过程中会因预制裂纹角度不同产生不同类型的破坏，导致红外辐射温度特征不同。一方面表现为不同预制裂纹角度煤样主破裂时红外辐射温度突变形式不同，0，60°预制裂纹煤样红外辐射温度在主破裂时发生突升，15，45°预制裂纹煤样红外辐射温度在受载初期发生突降，在主破裂时发生突升；另一方面表现为不同预制裂纹角度煤样主破裂时红外辐射温度突变率不同，0，15，60°预制裂纹煤样分别趋向于拉裂破坏、剪切破坏和拉裂破坏，煤样主破裂时红外辐射温度突变率较小，45°预制裂纹煤样趋向于拉剪复合破坏，煤样主破裂时红外辐射温度突变率较大。
(3) 根据预制裂纹煤样受载破坏的红外辐射特征及其产生机理，发现预制裂纹煤样的红外辐射变化规律与载荷及预制裂纹密切相关。预制裂纹煤样受载破坏的红外辐射特征能够很好地反映含宏观缺陷煤样受载时破裂的情况，有望为煤岩动力灾害的监测预警提供新的监测手段。
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Research on infrared radiation characteristics of pre-cracked coal sample under loaded breaking
CHENG Fuqi1,3, LI Zhonghui1,2,3, YIN Shan1,3, WEI Yang1,3, SUN Yinghao1,3
(1.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)
Abstract：Uniaxial compression test was conducted on pre-cracked coal sample, and infrared radiation temperature and its change rule of the pre-cracked coal sample under loaded breaking were researched. The experimental results show that infrared radiation temperature curve will mutate in process of loaded breaking of the pre-cracked coal sample, and the infrared radiation temperatures of the pre-cracked coal samples with different angles will suddenly increase during main rupture. The mutation rate of infrared radiation temperature increases first and then decreases with increase of pre-cracked angle during main rupture, and the mutation rate of infrared radiation temperature of the pre-cracked coal sample with 45° is the largest. The change rule of infrared radiation of the pre-cracked coal sample is closely related to load and pre-crack, which can reflect internal rupture of macroscopic defective coal sample under load.
Key words：coal-rock dynamic disaster; pre-cracked coal sample; loaded breaking; infrared radiation temperature; uniaxial compression
收稿日期：2017-04-11；
修回日期：2017-06-22；责任编辑：盛男。
基金项目：“十三五”国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801404)；国家自然科学基金资助项目(51674254)；中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主研究课题资助项目(SKLCRSM15X03)。
作者简介：程富起(1992-)，男，山东菏泽人，硕士研究生，主要研究方向为煤岩动力灾害监测，E-mail:499263267@qq.com。
引用格式：程富起，李忠辉，殷山，等.预制裂纹煤样受载破坏的红外辐射特征研究[J].工矿自动化，2017,43(8)：44-49. CHENG Fuqi, LI Zhonghui, YIN Shan, et al. Research on infrared radiation characteristics of pre-cracked coal sample under loaded breaking[J].Industry and Mine Automation，2017,43(8)：44-49.
文章编号：1671-251X(2017)08-0044-06
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.08.009
中图分类号：TD313
文献标志码：A 网络出版时间：2017-07-27 09:59
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170727.0959.009.html