岩巷岩体失稳破坏的红外和声发射联合监测预警技术研究

杨 正 仓 纪 刘 一 舒 郭 卫 刘 培 马 松

（中建七局第一建筑有限公司，北京 102600）

矿井深部开采带来了一系列灾害问题，如岩爆、冒顶、地表沉陷、突水、煤与瓦斯突出等，这些都是由开采过程中的应力场扰动引起的微破裂产生、发展和贯通所导致的岩石失稳破坏所致。文献［1］指出，一些岩石工程，如巷道、硐室、隧道等通常可以被简化为一个含圆孔岩石结构进行力学分析。因此，开展含孔洞岩石破裂过程的特征研究，不仅对含孔洞岩石的破坏机理分析有着重要意义，而且可为岩巷工程灾害预测提供一定的理论和试验依据。

含孔洞岩石破裂过程中会产生多种物理效应，如应力、应变、温度、声发射、电磁辐射（包括红外辐射）等物理信息的变化，通过多手段的联合监测和多物理信息的关联与结合分析，有助于提高受力岩石灾变前兆识别的可靠性，解决单一物理信息无法识别或无法准确识别的岩石受力灾变前兆问题。基于该理念，近年来，一些学者开展了岩石加载的红外和声发射联合监测研究。吴立新等［2-3］研究发现，数值试验的非连续断层声发射场和实际试验中所测得的红外辐射温度场的时序变化阶段相似，分别对应弹性变形阶段，损伤积累、弱化阶段和断裂滑移阶段；交汇型组合断层试件在双轴加载过程中声发射及红外辐射存在不同的阶段性变化特征。魏嘉磊［4］开展了含孔、直剪和雁列3种岩石加载模型试验，分析了岩石加载过程中的红外和声发射多参数变化规律和前兆特征，发现3种岩石模型的声发射前兆时间为85%～89%，红外为96%～100%，并且声发射都早于红外；特征粗糙度、熵和方差在第3个阶段出现加速上升现象，声发射出现能量参数快速增加、事件转为平静、熵快速上升、b值快速下降现象，这些现象反映了岩石加载临破裂阶段的前兆特征。姜耀东等［5］、吕玉凯［6］研究发现，煤样在失稳破坏前红外辐射和声发射都存在前兆现象，平均温度表现为突降，声发射检测参数（能量、幅度、振铃计数）突增，相比而言，声发射具有遍历特性，可以较好地反映前兆信息。吴立新等［7］研究了煤岩受压过程中的红外和声发射特征，从统计角度发现，屈服前兆的出现时间不同，声发射为0.76σc，热红外为 0.81σc，声发射早于热红外。张艳博等［8］开展了花岗岩巷道岩爆模拟试验，发现岩爆发生前声发射和红外依次出现异常前兆特征，声发射能量加速释放可作为岩爆发生的早期预警信号，声发射平静期为岩爆中期预警与采取控制措施的关键时期，最低温突降和最高温突增可作为岩爆短临预警信息，这些是岩爆发生的不同临近前兆。赵毅鑫等［9］开展了“砂岩—煤”及“砂岩—煤—泥岩”两类组合体的压缩试验，发现组合体失稳破坏前兆的响应按时间先后顺序排列为声发射在前，热红外在后。

已往研究中，利用热成像技术与声发射技术对岩石受力灾变过程的研究取得了丰富的成果，但是将两种技术同时应用于岩石受力灾变过程的监测，尤其是含孔洞岩石破裂过程的监测，进而对岩石破裂过程中的红外辐射和声发射信息进行综合分析和前兆对比的研究涉及较少。本研究选择含孔洞花岗岩开展红外辐射和声发射同步加载试验，系统分析双轴加载过程中岩石的红外辐射温度场时空演化特征和声发射参数时序变化特征；重点分析红外和声发射多参数前兆的关系，为利用红外和声发射技术联合监测矿山深部地质灾害提供一定的依据。

1 试验方案

1.1 岩石种类选择及样品制备

巷道、硐室、隧道等岩巷工程在应力作用下会发生损伤破坏，继而产生地质灾害，巷道、硐室、隧道等通常可以被简化为一个含圆孔岩石结构进行力学分析，为此，本研究设计了含孔洞岩石破裂试验。试验岩石试件采用花岗岩，其主要成分是长石和石英。岩石试件尺寸为150 mm×150 mm×50 mm（长×宽×高）。角部切去，切去的三棱柱底面直边长为25 mm。在试件中心钻取圆孔，为模拟真实巷道相对岩体的尺寸，圆孔直径不宜大于50 mm，本研究取20 mm。仔细打磨试件的侧面和两端面，以保证表面平行度满足试验要求。试件截面如图1所示，中间空心大圆为圆孔，实心小圆为声发射探头。

1.2 实验仪器

试验用的压力加载系统是RLW-3000型伺服试验机（图2），该型试验机能够进行双轴加载，载荷测量精度为±1%。红外辐射探测装置采用美国SC3000型红外热像仪，波长为8～12 μm，热像仪的温度灵敏度为0.03 K，图像分辨率为240×320，图像最大采集速率可达50 fps。声发射系统采用美国PAC公司生产的PCI-2声发射测试分析系统，试验采用2个通道采集数据，声发射探头使用R6α型，工作频率为35～100 kHz，前置增益为40 dB，门槛值为45 dB。声发射探头布置在试件背面圆孔上下两侧（图1）。相机使用德国AVT公司生产的一款型号为Pike F-421B的工业数字摄像机。分辨率为2 048×2 048像素，最大采集速率为15 fps。

1.3 试验方法与步骤

试验前，校对各台设备的显示时间。试验时，先将水平载荷加载至100 kN保持恒定，然后以1.2 kN/s的等载荷速率进行垂向加载，直至试件破坏。试验中共进行了3块岩石试件的加载。

在岩石试件加载的同时，利用声发射仪、红外热像仪和数字摄像机对受力岩石进行同步观测。热像仪与数字摄像机的图像采集速率均为10 fps，加载现场如图2所示。

2 试验结果与分析

2.1 应力—应变曲线变化特征

含孔洞岩石试件变形破坏过程的应力—应变曲线如图3所示。

由图3可知：各个试件的应力—应变曲线类似，变形破坏过程中的应力—应变大致可以分为4个阶段，即初始压密（I）、弹性变形（II）、塑性变形（III）和峰后破坏阶段（IV）。为了便于分析花岗岩试件的变形特征，以hk1试件（图3（a））为例，对各阶段的试件变形特征进行分析。

在阶段I，岩石内部的微裂隙逐渐被压密，应力—应变曲线略微下凹。在阶段II，岩石内部空隙已被压实和闭合，此时，试件表现为弹性体，随着应力增加，应变等比例增加，应力—应变曲线呈线性变化。在阶段III，包括裂纹稳定扩展和失稳扩展阶段。这一阶段应力处于较高水平，并呈现出上升速率减缓甚至下降的趋势。这是因为随着加载的进行，岩石内的应力不断增加，当接近其极限承载能力时，岩石内部的微破裂发育增强，导致岩石出现宏观永久变形。随着应变继续累积，微裂纹出现扩展、合并和贯通，从而导致宏观裂纹产生。该阶段，由于局部应力集中，在圆孔左右两侧的压应力区出现碎屑崩落现象，在离孔稍远的部位产生远场裂纹，并且分布于最大剪应力方向。在阶段IV，远场裂纹发展迅速，并与圆孔两侧的剪切裂纹贯通，岩石强度急剧下降，很快就失去了承载能力，最后，岩石在峰值应力后很快产生破坏，持续时间不到3 s。

2.2 红外辐射时空演化特征

2.2.1 含孔洞岩石加载过程的红外热像空间演化特征

为了减少试件各部分辐射率差异和环境辐射差异的影响，对加载过程中获得的热图像进行差分处理，即将加载开始时的第一幅热图像作为背景，加载后的每幅热图像都与第一幅相减。试件hk3加载过程中的典型热像序列（热像时间为峰值应力占比）如图4所示。

由图4可知：含孔洞岩石在加载后期出现了温度场分异特征和高温条带，高温条带在峰值应力前呈“V”字型，随着加载的进行而逐渐发展为未来破裂位置。为了提取高温条带，以0.2～0.3 K为红外温度阈值，对85%σmax（峰值应力）之后的若干红外热像进行高温点提取。试验发现，0.23 K对3个试件的高温点提取综合效果最好。

2.2.2 含孔洞岩石加载过程的红外辐射温度场参数变化特征

为定量分析红外辐射温度场的演化，使用极差对其进行分析，计算了岩石加载过程中每幅热图像极差，并分别绘制了其随应变的变化曲线，如图5所示。分析图5可知：3条曲线的形态相似，都可以分为3个阶段，即低水平发展阶段（阶段I）、稳定上升阶段（阶段II）和快速上升阶段（阶段III）。本研究以试件hk1为例对极差随应变的变化曲线进行分析。

第I阶段—低水平发展阶段，对应于应力—应变曲线的初始压密阶段。由于应力比较小，岩石表面的温度变化很小，温度场分布均匀、没有分异现象。第II阶段—稳定上升阶段，对应于应力—应变曲线的弹性变形阶段。随着应力增加，由于岩石不同区域有不同的应力性质，即压性区和张性区。根据热弹定律，圆孔左右为压性区，温度升高，圆孔上下为张性区，温度下降，温度场因而出现分异现象。第III阶段—快速上升阶段，对应于应力—应变曲线的塑性—峰后破坏阶段。岩石处于高应力水平，热像分异现象加剧，极差曲线上升速率加快。在该阶段，极差发生多次突跳，这是因为圆孔周围由于局部应力集中而发生破裂，出现高温热点，导致极差突然增加，但随着局部应力的松弛，高温热点逐渐降温，曲线回到原来水平。在试件彻底失稳瞬间，由于大量应力集中而产生很多高温点，极差发生了大幅度异常跳变。第III阶段，典型突跳点（图5（a）箭头所指处）可作为岩石失稳破坏的前兆。本研究对3条曲线的前兆点增幅进行了统计，结果见表1。

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由表1可知：不同试件前兆点的增幅和时间具有一定的离散性。增幅变化范围为0.10～0.22 K，平均为0.16 K；峰值应力占比变化范围为92.48%～99.82%，平均为95.72%。为了估算前兆出现时的应力，以所有试件极差前兆点增幅的近似最小值0.08作为阈值和前兆判据（后文的声发射率和声发射能率参数也是如此），此时应力强度可预估为92.48%峰值应力，可有效实现对含孔洞岩石破坏的预警。

2.3 声发射时序参数变化特征

2.3.1 声发射能率

声 发 射能 率（Acoustic Emission Energy Rate，AEER）是指单位时间内声发射释放的能量，是衡量声发射活动强度的参数。本研究取单位时间为1 s，为提高应力—应变参数与红外热像参数的可比性，横坐标取为各时间点所对应的应变，并且叠加应力—应变曲线，后文的声发射率也进行了类似处理。试验结果表明，各试件的声发射能率曲线变化形态基本相同，都表现出4阶段的变化特征。

试件hk1的声发射能率随应变的变化特征如图6所示。

分析图6可知：声发射能率曲线可分为4个阶段：升降期（I）、平静期（II）、相对活跃期（III）和异常活跃期（IV）。在阶段I升降期（初始压密），从整条曲线来看，阶段I产生的声发射能量极小，表现为接近0的水平直线，但从放大图上可以明显看出声发射能率曲线具有先升后降的变化特征。在阶段II平静期（弹性前期），由于没有原生裂纹闭合且没有新裂纹产生，所以不产生声发射，声发射能率处于平静状态。在阶段III相对活跃期（弹性后期—塑性前期），前期由于矿物之间发生相对错动、摩擦和分离，故产生一定的声发射，该阶段的声发射能率相对于阶段I已经大幅增加。本阶段后期（塑性前期），随着应力增加，岩石发生塑性变形，产生较多的声发射。在阶段IV异常活跃期，大量矿物颗粒发生破碎、分离，裂纹不断扩展、合并和贯通，并产生宏观裂纹，声发射能量出现加速释放，是全程的最高潮部分。峰值应力以后，岩石很快失去承载能力，发生失稳破坏，相应地，声发射能量骤减到0。可见，岩石在临破坏前声发射能量出现了加速释放现象，反映了岩石破裂失稳前兆特征。

阶段III中声发射能率存在突跳点，并且明显大于阶段I和II。以其中典型的突跳点（图6箭头所指处）作为前兆点，对3个试件的声发射能率前兆点幅值和时间进行了统计，结果见表2。

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由表2可知：不同试件前兆点的幅值和时间具有较大的离散性。幅值变化范围为（1.05～3.45）×109aJ/s，平均为1.95×109aJ/s；峰值应力占比变化范围为87.74～95.89%，平均为91.04%。以所有试件声发射能率前兆点幅值的近似最小值即1.0×109作为阈值和前兆判据，此时应力强度可预估为87.74%峰值应力。

2.3.2 声发射率

声发射率（Acoustic Emission Rate，AER）是单位时间内的声发射振铃计数，表征了声发射活动的频次特征，是能较好反映材料性能变化的特征参数之一［10］。试验结果表明，各试件的声发射率曲线变化形态基本相同，都表现出4个阶段的变化特征。

试件hk1加载过程的声发射率变化特征如图7所示。

分析图7可知：曲线可分为4个阶段：升降期（I）、平静期（II）、异常活跃期（III）和相对活跃期（IV）。在阶段I升降期（初始压密），声发射率变化趋势与声发射能率相同，为先升后降，升降的原因也相同。在阶段II平静期（弹性前期），声发射率处于接近0的水平直线，该阶段几乎不产生声发射。在阶段III异常活跃期（弹性后期—塑性前期），声发射率打破阶段II的平静，出现声发射活动增加和异常活跃现象。前期由于矿物之间的作用并不剧烈，所以声发射率增加较小。本阶段后期（塑性前期），在各种塑性变形机制作用下产生大量声发射事件，并且作用剧烈，声发射率出现大幅度剧烈跳变，是全程的最高潮部分。在阶段IV相对活跃期，大量矿物颗粒发生破碎、分离，裂纹出现扩展、合并和贯通，产生宏观裂纹，声发射能量很高，但事件数并不是最高，从整条曲线来看处于中等水平。峰值应力以后，岩石很快失去承载能力，发生失稳破坏，相应地，声发射事件骤减到0。岩石破坏前，声发射率存在异常前兆，表现为第III阶段的大幅度跳变。

阶段III中声发射率打破阶段II的平静，开始出现增长和突跳点。以其中典型的突跳点（图7箭头所指处）作为前兆点，对3个试件的声发射率进行了统计，结果见表3。

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由表3可知：不同试件前兆点的幅值和时间具有一定的离散性。幅值变化范围为（2.61～3.90）×104s-1，平均为3.07×104s-1；峰值应力占比变化范围为73.41～75.04%，平均为74.31%。以所有试件声发射率前兆点幅值的近似最小值即2.5×104作为阈值和前兆判据，此时应力强度可预估为73.41%峰值应力。

2.4 红外辐射与声发射多参数前兆对比

结合表1、2、3，对红外和声发射两类参数前兆点进行了统计，结果见表4。

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分析表4可知：对于3个试件，声发射频次参数、强度参数和红外热像参数的前兆点依次出现，具有递进性，平均时间分别为74.31%、91.04%和95.71%，分别反映了3种参数对于岩石失稳破坏的不同临近前兆现象。总体来说，声发射和红外前兆具有递进性，声发射参数前兆时间早于热像，两者的分界线为92%～95%。

3 岩巷岩体失稳破坏的红外和声发射联合监测预警技术

结合表4，根据对红外极差参数和声发射能率与声发射率前兆点的对比分析，发现红外和声发射具有两重关系：在岩石加载后期，两者存在岩石破裂的异常前兆，前兆具有递进性，声发射前兆早于红外。岩巷岩体失稳破坏是实际存在的矿山灾害，实验室开展的含孔洞岩石的受力破坏试验是对它的一个简化近似模拟，为其研究提供有益参考。在利用红外和声发射技术手段进行岩石破坏的联合监测与前兆识别方面，魏嘉磊［4］、张艳博等［11］和 XIAO等［12］开展了卓有成效的研究，为本研究岩巷岩体失稳破坏监测预警方法研究提供了有益借鉴。

红外和声发射两种技术手段监测岩巷岩体变形破坏具有不同的特点。热像仪获得的是岩体表面的红外辐射温度，能够反映岩体表面不同区域的温度分布情况以及同一区域不同时刻的温度演化情况，对能量聚集、耗散和外界做功的响应敏感，红外热像能清晰地反映岩体监测区由变形、破裂导致的能量转移及其路径［9］。声发射仪获得的是岩石内部局部变形释放的应力波信号，其携带了波源（幅值、强度、频率）、岩体（衰减特性、声波传播速度）及其应力状态等信息。根据声发射信号特征可以判别岩体的微破裂起始、损伤演化和最终失稳破坏［13］。两种技术手段监测岩巷岩体具有一定的重叠性、互补性和局限性，其中重叠性和局限性广为人知，在此不做赘述，本研究重点对两种技术的互补性进行分析，结果见表5。

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由表5可知：红外相对于声发射的优势体现在非接触性和抗干扰性强，而声发射较红外的优势体现在监测的整体性、时效性、几何形态敏感性、阶段性变化特征和背景辐射影响。将两种技术联合应用，有助于实现两者优势互补，更加全面了解岩石所处的应力状态和变形损伤阶段，提高岩石破裂前兆识别的可靠性，解决单一信息无法准确识别岩石破坏前兆的问题。

本研究基于含孔洞岩石加载过程的红外和声发射联合监测试验，获取了岩石变形破裂各阶段的红外和声发射演化特征和前兆特征，并给出了实用性的前兆识别方法。试验中的加载试件为岩石，实际岩巷工程的监测对象则是具有结构面的岩体，结合试验流程和张艳博等［11］给出的岩爆破坏物理场多参数预警方法，本研究提出了一种利用热成像技术和声发射技术对岩巷岩体失稳破坏过程进行联合监测与预警的技术方法，流程如图8所示。

图8中技术流程主要分为如下4个环节：

（1）现场监测与数据获取。首先对岩巷岩体工程现场进行勘查，确定岩体的地质年代，取样并测定其物理力学性质，选定适于监测的区域。安置热像仪并观测监测区岩体表面的红外辐射温度，布设若干声发射探头监测其声发射信号，布设应力计和应变计并测量其应力和应变，获取监测区岩体的红外热像、声发射、应力和应变等数据。

（2）数据处理。根据应力计和应变计的监测数据，实时计算应力—应变曲线和应变率—时间（或应变）曲线，初步判断监测区岩体所处的应力状态和阶段。跟据采集的声发射数据，实时计算各声发射参数（声发射能率和声发射率）随时间（或应变）的变化曲线。对红外热像数据进行初始差分，获取监测区岩体表面的红外热像序列，并计算热像参数（极差）随时间（或应变）的变化曲线。对计算的声发射参数、红外热像序列和热像极差参数，结合应力—应变曲线，核算监测区岩体所处的应力状态和阶段。

（3）阈值设定与判断。结合试验结果和监测区岩体实际地质条件，为声发射参数、热像序列和红外热像参数设定合适的阈值，并对热像序列和各监测参数进行判断。

（4）前兆识别与联合预警。根据环节（3）的分析结果，识别声发射和红外各种前兆信息。利用声发射参数进行岩体失稳破坏的早中期预警，随着变形破裂的演化，利用热像序列提取监测区岩体的高温条带和破裂空间位置，结合热像参数进行短临预警，实现红外和声发射技术对巷道岩体失稳破坏的联合监测与预警。

进一步分析图8可知：通过声发射和红外两种技术手段进行联合监测，能够实现岩巷失稳破坏不同临近前兆的识别与捕捉，提高前兆识别的准确性和可靠性；两者的有机结合可从时间、空间和强度三方面实现对岩巷失稳破坏的监测预警。但是，由于实际岩巷工程监测流程较图8复杂，需要结合现场实际条件（地质条件、应力条件、岩体结构特征、岩体物理力学性质等）确定岩体监测区，选取合理的阈值和相关监测参数，并对图8所示流程进行进一步优化。

4 结语

通过开展含孔岩石受力的红外辐射和声发射联合监测试验，将红外辐射和声发射两种数据进行分析，从阶段性、前兆性和幅值特性等方面进行了对比和关联，讨论了红外和声发射两种技术监测岩巷岩体变形破坏的特点和适用性，在此基础上，分析了岩巷岩体失稳破坏的红外和声发射联合监测与预警技术流程。由于岩巷现场的红外辐射和声发射监测结果受到开采扰动、热量流动、噪声污染等复杂条件的影响，使得监测效果难以符合预期，因而在具体实践中有必要结合现场实际条件合理确定相关参数，并不断优化监测技术流程，提高监测预警效果。