煤损伤演化过程中的红外辐射响应特征研究

杜园园，孙 海，马立强，韩 杰，付 煜，李佳琦，王 伟

(1.辽宁石油化工大学 土木工程学院，辽宁 抚顺 113001;2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221116)

0 引 言

煤体损伤演化是严重影响煤矿安全生产的煤柱失稳、冲击矿压等动力灾害研究中亟待突破的基础理论和共性问题[1-2]。研究结果表明，红外热成像技术(可实现无损、遥感探测)已成为确定煤体损伤破裂范围、检测煤岩损伤与疲劳强度，乃至进行矿井瓦斯突出、突水和岩爆预警预测的潜在有效手段[3-5]。

煤岩的损伤演化过程与其表面的红外辐射响应信息紧密相关[6-7]。为了描述煤岩损伤演化过程中的红外辐射现象，学者进行了煤岩不同加载方式下的红外辐射监测试验[8-10]，发现了煤岩损伤破裂过程中的红外辐射时空分布特征，以及煤岩破坏失稳前的红外辐射前兆。吴立新等[11]发现煤岩红外辐射的变化特征与应力作用方式及应力状态有关，并将塑性阶段高应力区出现的平均红外辐射温度(AIRT)异常信息作为煤岩破坏前兆，并且尝试探讨了红外前兆出现的机制。吴贤振等[12]发现了岩石破裂失稳的红外温度瞬时变化特征。马立强等[13-14]发现了应力对红外辐射的控制效应。上述研究成果对煤岩损伤演化过程中的红外辐射特征后续研究奠定了基础。煤样不同损伤演化阶段的损伤机制是不同的，红外辐射响应特征和机制也会不同，需要分阶段研究损伤演化的红外辐射响应特征和机制。煤样不同破坏形式下损伤演化与红外辐射变化内在联系的研究，是理解煤岩裂纹形成和扩展机理的必要基础。

为此，笔者研究了煤样不同破坏形式下各个损伤阶段其表面AIRT和红外热像的响应特征，并尝试揭示煤样损伤演化的红外辐射响应机制。研究成果将为矿井水害和煤岩动力灾害红外辐射遥感监测预警提供理论基础与技术支持。

1 损伤试验设计

1.1 试验煤样

试验采用的煤样由同一整块煤体加工而成。按照《煤岩和岩石物理力学性质测定方法》，将煤块加工尺寸为50 mm×50 mm×100 mm的长方体煤样(13块)，编号为Ai(i=1～13)。试验前将煤样放置在实验室中，使煤样的温度与实验室的温度环境一致。

1.2 煤样微观结构

煤是典型的非均质各向异性体，自然状态下其内部本身就存在微缺陷。微缺陷是煤样物理力学性质的重要影响因素之一，在煤样损伤演化过程中起决定性作用。采用Quanta TM 250电子扫描显微镜对试验煤样不同区域的微观结构进行扫描观察，可以发现煤样内部的颗粒形状和大小是不同的，且存在较多微裂纹(图1a)和微孔洞(图1b)。

图1 煤样不同区域的电镜扫描照片Fig.1 SEM pictures of different regions of coal

1.3 试验方法

图2为煤样单轴加载的红外辐射和应变联合监测系统。试验加载设备采用MTS C64.106液压万能试验机，最大载荷1 000 kN；应变测量设备采用TS3890N型号静态电阻应变仪，分辨率10-6；红外辐射观测设备采用VarioCAM© HD head 800型号红外热像仪，空间分辨率1 240 pix×768 pix，热灵敏度优于0.02 ℃，图像采集速率为25 帧/s，光谱范围7.5～14 μm。

试验开始前，在煤样与试验机上下接触面各布置层塑料薄膜，以减小试验过程中的煤样与压头间的摩擦力和热传导效应，既可降低端部效应，也不会改变加载煤样的力学性能。

红外热成像技术监测煤样损伤演化的试验过程中，不可避免地存在各种噪声的干扰。故试验系统中需要设置参照煤样，利用参照煤样红外辐射的噪声对加载煤样的红外辐射信息进行去噪[15]。在承载煤样的左右两侧平行放置参照煤样，但不对参照煤样进行加载，如图2所示。A1～A11为加载煤样，A12和A13作为参照煤样。

图2 试验系统Fig.2 Experimental system diagram

试验过程中禁止人员走动，关闭实验室的窗户、窗帘以及所有可以产生辐射的照明灯光源。试验机以0.1 mm/min的等位移速率对煤样进行加载。将红外热像仪放置在距煤样正前方1 m处，采集速率为25 帧/s。同步记录煤样的红外辐射以及应力应变信息，直至煤样破坏失稳。

2 煤样损伤演化阶段

采用裂纹应变法确定压密强度σcc和起裂强度σci，采用应变测量法确定损伤强度σcd[16]。煤样的体积应变εv可表达为

εv=εve+εvc

(1)

式中:εve为弹性体积应变；εvc为裂纹体积应变。

根据胡克定律，煤样单轴压缩条件下的弹性体积应变和裂纹体积应变可表达为

(2)

(3)

式中：σ1为轴向应力；E为弹性模量；μ为泊松比。

起裂强度σci、损伤强度σcd和峰值强度σf表达煤样不同损伤演化状态，基于应力特征强度值，将煤样损伤演化划分为压密阶段、弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段和破坏阶段。

3 煤样损伤演化的红外辐射响应特征

3.1 煤样AIRT去噪效果

相比参照煤样，加载煤样AIRT没有明显变化特征(图3a)。这是因为本底噪声掩盖了AIRT有效信号的变化趋势，故必须对AIRT进行去噪。采用去噪模型校正后，参照煤样AIRT呈水平波动状态，加载煤样AIRT变化特征明显(图3b)。表明去噪效果良好，可以进一步分析煤样加载过程中的AIRT变化特征。

图3 去噪前、后的A7表面平均红外辐射温度Fig.3 AIRT of sample A7 before and after denoising process

3.2 AIRT变化特征

1)剪切破坏型。图4为煤样剪切破坏形式下的应力-时间曲线和AIRT-时间曲线，煤样损伤演化过程中AIRT呈阶段性变化特征。压密阶段，AIRT呈水平波动(或缓慢小幅上升)。弹性阶段，AIRT随应力增加呈线性升高趋势，AIRT平均增幅为0.05 ℃(表1)。裂纹稳定扩展阶段，AIRT继续升高，但升高速度下降。裂纹非稳定扩展阶段，AIRT增幅最小(平均增幅0.03 ℃)。该阶段部分时刻AIRT呈水平波动状态，出现短暂“沉寂期”(图4)。煤样在破坏阶段产生破裂面(引起应力降)，破裂面的微裂纹在压剪应力作用下会相互挤压、错动滑移，导致破裂面产生大量摩擦热效应，使得接触面AIRT升高，因此该阶段AIRT增幅最大(平均增幅0.05 ℃)。

图4 煤样剪切破坏形式下平均红外幅射温度变化特征Fig.4 Variation characteristics of AIRT undershear failure of coal

2)张拉破坏型。张拉破坏煤样损伤演化过程中AIRT呈下降趋势，如图5所示。弹性阶段，AIRT随应力的增大呈下降趋势，但个别煤样AIRT随应力的增大呈上升趋势(图5a)。与剪切破坏煤样相同，张拉破坏煤样AIRT在裂纹非稳定扩展阶段降幅最小(平均降幅0.02 ℃)，且AIRT也出现短暂“沉寂期”(图5)。随后，煤样失去承载能力，AIRT下降(平均降幅0.03 ℃)。

图5 煤样张拉破坏形式下平均红外幅射温度变化特征Fig.5 Variation characteristics of AIRT under tensile failure of coal

发生剪切破坏形式的煤样居多，少量为拉伸破坏形式。相同煤样在同样的加载方式下出现了不同的破坏模式，其根本原因在于，一方面由于煤样是非均质性的，相同加载条件下微裂纹的衍生和拓展规律都不一样，导致裂纹累积成宏观裂纹的结果也不一样[17]；另一方面加工后的煤样是不可能完全相同的，煤样端部细微的差别会使得其两端受压过程中的切向力不一样，导致了最终应力应变行为的差异性。对比张剪煤样损伤演化各阶段的AIRT变化幅度可知(表1)，煤样AIRT在裂纹非稳定扩展阶段变化幅度最小，破坏阶段变化幅度最大。

表1 煤样损伤演化各阶段的AIRT变化幅度

图6 煤样剪切和张拉破坏模式Fig.6 Shearing and tensile failure modes of coal

3.3 红外热像的变化特征

1)剪切破坏型煤样。以煤样A8为例，分析其剪切破坏过程中各个损伤阶段的红外热像演化特征，如图7所示。从初始加载到弹性阶段，煤样的红外热像图由黄色(低温)逐渐变为深红色(高温)，呈均匀性、渐进升温特征。稳定扩展阶段，红外热像图局部开始出现规则的异常条带。非稳定扩展阶段，红外热像图出现显著的异常区域(斜切式高温区和低温区域)，导致热像图温度空间分布的离散程度突升。随后煤样破坏失稳，形成斜切的破裂面。稳定扩展阶段和非稳定扩展阶段，煤样热像图出现的异常条带均在最终破坏失稳时的主破裂面上。

图7 煤样A8剪切破坏形式下的红外热像变化特征Fig.7 Infrared thermal image change characteristics of sample A8 under shear failure

2)张拉破坏型煤样。以煤样A2为例，分析其张拉破坏过程中各个损伤阶段的红外热像演化特征，如图8所示。从初始加载到弹性阶段，煤样红外热像图呈均匀性、渐进升温特征。裂纹稳定扩展阶段，煤样红外热像图整体出现降温特征。该阶段，在将要发生张拉破裂面的位置出现了小范围高温区，表明煤样张拉破坏最初是以剪切或剪切滑移破坏的形式开始的。非稳定扩展阶段，伴随煤样第1次应力降，红外热像图同步出现低温条带和高温区。随后煤样破坏失稳，形成张拉的破裂面。稳定扩展阶段和非稳定扩展阶段，煤样热像图出现的异常条带均在最终破坏失稳时的主破裂面上。

3)煤样破坏的红外辐射前兆。非稳定扩展阶段，张剪破坏煤样的红外热像图出现了2种趋势相反的热效应(升温热效应和降温热效应)，这2种相反趋势的热效应相互抵消，导致AIRT曲线在煤样破坏失稳前出现短暂“沉寂期”。因此，非稳定扩展阶段AIRT曲线出现短暂“沉寂期”和红外热像出现的异常条带，可作为煤样破坏失稳的红外辐射时空前兆。

图8 煤样A2张拉破坏形式下的红外热像变化特征Fig.8 Infrared thermal image change characteristics of coal sample A2 under tensile failure

4 煤样损伤演化的红外辐射响应机制

4.1 热力耦合效应

煤在应力作用下会导致其内部矿物晶体发生位错滑移、晶体形态改变，使得物理温度发生改变，这种现象称为热力耦合效应(包含热弹效应、摩擦热效应以及裂纹扩展热效应)[18]。煤损伤过程中，其发射率基本不变，根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，当煤自身物理温度的变化时，红外辐射信息也会发生变化[19-20]。

1)热弹效应。单轴加载煤样在弹性变形时是一个等熵可逆过程，物理温度变化量(ΔT)与应力变化量(Δσ1)之间的关系为

(4)

式中：α为热膨胀系数；Cp为定压热容；ρ为密度；T为物理温度。

由式(4)可知，对于绝热可逆过程，当加载煤样应力变化量较小时，煤样物理温度变化量与应力变化量为线性关系，具体物理现象表现为压应力使得煤样升温和张拉应力使得煤样降温。

2)摩擦热效应。随着煤样局部区域的微裂纹密度增加到一定程度时，大量的微裂纹在应力集中部位集结为尺度较大的宏观裂纹，当形成宏观临界尺度的局部弱化时，煤样产生破裂面。对于剪切破坏形式煤样，产生破裂面的位置，微裂纹在压剪应力作用下会相互挤压、错动滑移，导致微裂纹接触面产生摩擦热效应而引起接触面红外辐射温度升高。

3)裂纹扩展热效应。煤样裂纹扩展是一个非平衡的不可逆热力学过程和能量耗散过程。裂纹扩展过程中远离裂纹尖端的粘弹性区变形为塑性区，裂纹尖端附近的塑性区变形为过渡区。裂纹尖端变形过程中会同时伴随能量的释放，使得裂纹尖端位置呈高温状态[21-22]。

4.2 损伤演化不同阶段的红外辐射响应机制

热弹效应、摩擦热效应以及裂纹扩展热效应，都可能会引起煤样红外辐射信息发生变化。煤样损伤演化的不同阶段，导致红外辐射信息变化的主因不同。压密阶段，煤样红外辐射变化是由初始微裂纹闭合带走热量导致的。弹性阶段，煤样红外辐射变化是由热弹效应主导。裂纹稳定扩展阶段和裂纹非稳定扩展阶段，剪切破坏煤样由摩擦热效应和裂纹扩展热效应主导；张拉破坏煤样由张性变形产生的吸热效应主导。

1)压密阶段。由于煤样本身多孔、质脆，在应力作用下微裂纹闭合过程中原有气体散出带走了部分热量，产生降温热效应。

2)弹性变形阶段。煤样内部绝大多数微元处于弹性变形状态，红外辐射温度变化是由热弹效应主导的。由式(4)可知对于绝热可逆过程，煤样红外辐射变化量与应力变化量呈线性关系，表面红外辐射温度场呈整体性的均匀升降温变化，具体物理现象表现为压缩升温和张拉降温。由于煤样内部的颗粒形状和大小不同的，且存在较多微裂纹和微孔隙(图1)，因此损伤演化过程中的热弹效应较为复杂，即使同类型煤样相同破坏形式、相同应力状态下，AIRT变化幅度也不尽相同。

3)裂纹稳定扩展阶段和非稳定扩展阶段。煤样发生张性变形过程中，内部微裂纹和微孔洞体积膨胀，气体体积也会随之膨胀。根据绝热过程方程，如式(5)所示，气体体积膨胀会导致煤样物理温度降低，使得煤样张性变形产生吸热效应[23]。

(5)

式中：T1为煤样内部膨胀前物理温度；T2为煤样内部膨胀后物理温度；V1为煤样内部膨胀前体积；V2为煤样内部膨胀后体积；γ为绝热指数。

另一方面，当煤样产生拉应力时，即Δσ1>0，根据热弹效应公式，如式(4)所示，ΔT<0，即煤样张性变形时物理温度降低(吸热效应)。

对于张拉破坏形式煤样，其破裂面不发生摩擦、且破裂过程产生张性变形。张性变形会使煤样体积扩张产生吸热效应，使得张拉破裂面红外辐射温度降低[6]。

对于剪切破坏形式煤样，一方面，破裂面在压剪应力作用下相互挤压、错动滑移产生摩擦热效应，因此破裂面处的红外辐射温度升高。图9是煤样剪切破坏面的摩擦热效应(以热像图的形式体现)，剪切破裂面形成过程中产生了大量的摩擦热，红外热像图中的高温条带是煤样剪切破裂面的空间表现，条带的形成过程可以用来表征剪切破裂面发展的时空过程。摩擦热效应与正应力的大小、摩擦速度、摩擦系数、微元强度及颗粒粗糙度有关，其中正应力的大小、煤样微元强度及颗粒粗糙度是影响摩擦热效应的重要因素，正应力越大、微元强度及颗粒粗糙度越高，产生的摩擦热效应越强。另一方面，煤样裂纹扩展是一个非平衡的不可逆热力学过程和能量耗散过程，裂纹尖端变形过程中塑性功会以热的形式释放出来，使得裂纹尖端位置呈高温状态。裂纹尖端温度会传导至周围，在裂纹尖端位置形成一定范围的温度场[21-22]。

图9 煤样A11剪切破坏面的摩擦热效应Fig.9 Frictional heating at shear failure of sample A11

5 结 论

1)煤样的红外辐射响应特征与其破坏形式有关，剪切破坏煤样AIRT总体呈上升趋势，张拉破坏煤样AIRT总体呈下降趋势。

2)损伤演化各个阶段，煤样AIRT在裂纹非稳定扩展阶段变化幅度最小(剪切破坏煤样平均温度增幅0.03 ℃；张拉破坏煤样平均降幅0.02 ℃)，在破坏阶段变化幅度最大。

3)煤样破坏失稳前，张拉破坏和剪切破坏煤样的红外热像图中2种趋势相反的热效应(升温热效应和降温热效应)相互抵消，导致AIRT曲线在会出现“沉寂期”，这种现象可作为煤样破坏失稳的红外辐射前兆。

4)煤样损伤演化的不同阶段，导致红外辐射信息变化的主因不同。弹性阶段，煤样红外辐射信息变化是由热弹效应主导。裂纹稳定扩展阶段和裂纹非稳定扩展阶段，剪切破坏煤样由摩擦热效应和裂纹扩展热效应主导；张拉破坏煤样由张性变形产生的吸热效应主导。