加载砂岩破坏能量和红外前兆特征试验研究

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2024.03.008

摘要/Abstract

摘要：

红外热成像技术广泛应用于岩石破坏的前兆特征及预警方法研究。然而，红外辐射前兆特征具有多种形式，因此对岩石失稳的准确预警有一定的影响。岩石破坏失稳与应变能的演化存在密切联系，而岩石的红外辐射信息与应变能的耗散、释放有关。若将应变能与红外辐射信息相结合，则可准确地对岩石破坏失稳进行监测预警。以能量演化特征为切入点，采用尖点突变理论确定弹性应变能的释放时间，并将其与红外辐射异常信息相结合，确定了岩石破坏失稳的前兆。结果表明，当弹性应变能骤降时，红外辐射信息也发生突变；通过构建尖点突变模型预测的砂岩弹性应变能释放时间，超前或滞后于红外辐射首次突变时间；可将弹性应变能释放时间附近发生的红外辐射突变作为砂岩的破坏前兆。研究结果可为矿山灾害监测及预警提供一种新思路。

关键词: 破裂, 应变能, 红外辐射, 前兆, 预警

Abstract:

Infrared thermal imaging technology is widely used in the study of precursor characteristics and early warning methods of rock failure. However, infrared radiation precursory features have many forms, so it has certain influence on the accurate early warning of rock instability. The failure and instability of rock are closely related to the evolution of strain energy, and the infrared radiation information of rock is related to the dissipation and release of strain energy. If the strain energy is combined with infrared radiation information, the rock failure and instability can be monitored and warned accurately. Based on this, in this paper, the release time of elastic energy is determined by the cusp mutation theory based on the energy evolution characteristics, which is combined with the infrared radiation anomaly information to determine the precursor of rock failure and instability. The results show that with the sudden drop of the elastic energy curve, the infrared radiation synchronization appears abrupt change. The elastic energy release time of sandstone predicted by constructing the sharp point mutation model can be divided into two situations: leading and lagging the first mutation time of infrared radiation. Taking the elastic energy release time as the standard, the infrared radiation mutation near the sandstone can be regarded as the precursor of sandstone failure. The results can provide a new idea for mine disaster monitoring and early warning.

Key words: Fracture, Strain energy, Infrared radiation, Precursor, Early warning

中图分类号:

TE21

蒋睿智, 付煜, 法艳鹏, 韩宜成, 赵露雨, 孙海. 加载砂岩破坏能量和红外前兆特征试验研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2024, 44(3): 54-60.

Ruizhi JIANG, Yu FU, Yanpeng FA, Yicheng HAN, Luyu ZHAO, Hai SUN. Experimental Study on the Energy and Infrared Precursors of Failure Sandstone During Loading[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2024, 44(3): 54-60.

图/表 9

参考文献 17

1	杨天鸿，唐春安，谭志宏，等.岩体破坏突水模型研究现状及突水预测预报研究发展趋势［J］.岩石力学与工程学报， 2007，26（2）：268-277.
	YANG T H，TANG C A，TAN Z H，et al.State of the art of inrush models in rock mass failure and developing trend for prediction and forecast of groundwater inrush［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（2）：268-277.
2	赵志红，郭建春，杨经栋，等.页岩储层微观破裂特征实验研究［J］.石油钻采工艺，2014，36（3）：68-71.
	ZHAO Z H，GUO J C，YANG J D，et al.Experimental study of microscopic fracture characteristics of shale reservoirs［J］. Oil Drilling & Production Technology，2014，36（3）：68-71.
3	秦浩，汪道兵，郑臣，等.高温作用下干热岩物理性质实验［J］.东北石油大学学报，2022，46（4）：105-116.
	QIN H，WANG D B，ZHENG C，et al.Experiment on physical properties of hot dry rock under high temperature action［J］. Journal of Northeast Petroleum University，2022，46（4）：105-116.
4	李庆辉，李少轩，刘伟洲.深层页岩气储层岩石力学特性及对压裂改造的影响［J］.特种油气藏，2021，28（3）：130-138.
	LI Q H，LI S X，LIU W Z.Rock mechanical properties of deep shale gas reservoirs and their influence on fracturing stimulation［J］.Special Oil & Gas Reservoirs，2021，28（3）：130-138.
5	赵士龙，李维军，石成江.基于红外成像技术的铝箔封口密封完整性检测研究［J］.辽宁石油化工大学学报，2018，38（2）： 80-84.
	ZHAO S L，LI W J，SHI C J.Research on the integrity detection of aluminum foil sealing based on infrared imaging technology［J］.Journal of Liaoning Shihua University，2018，38（2）：80-84.
6	李周，余毅，何锋赟，等.一种基于定标变积分时间的均匀校正算法［J］.辽宁石油化工大学学报，2020，40（4）：130-134.
	LI Z，YU Y，HE F Y，et al.A variable integration time non-uniformity correction algorithm based on calibration［J］.Journal of Liaoning Shihua University，2020，40（4）：130-134.
7	WU L X，WANG J Z.Infrared radiation features of coal and rocks under loading［J］.International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，1998，35（7）：969-976.
8	刘善军，吴立新，王川婴，等.遥感-岩石力学（Ⅷ）-论岩石破裂的热红外前兆［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（10）：1621-1627.
	LIU S J，WU L X，WANG C Y，et al.Remote sensing-rock mechanics（Ⅷ）-tir omens of rock fracturing［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（10）：1621-1627.
9	刘善军，魏嘉磊，黄建伟，等.岩石加载过程中红外辐射温度场演化的定量分析方法［J］.岩石力学与工程学报，2015，34（S1）：2968-2976.
	LIU S J，WEI J L，HUANG J W，et al.Quantitative analysis methods of infrared radiation temperature field variation in rock loading process［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2015，34（S1）：2968-2976.
10	MA L Q，SUN H，ZHANG Y，et al.Characteristics of infrared radiation of coal specimens under uniaxial loading［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，2016，49（4）：1567-1572.
11	吴贤振，高祥，赵奎，等.岩石破裂过程中红外温度场瞬时变化异常探究［J］.岩石力学与工程学报，2016，35（8）：1578-1594.
	WU X Z，GAO X，ZHAO K，et al.Abnormality of transient infrared temperature field（ITF） in the process of rock failure［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2016，35（8）：1578-1594.
12	SUN H，MA L Q，KONIETZKY H，et al.Characteristics and generation mechanisms of key infrared radiation signals during damage evolution in sandstone［J］.Acta Geotechnica，2022，17（5）：1753-1763.
13	谢和平，鞠杨，黎立云.基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（17）：3003-3010.
	XIE H P，JU Y，LI L Y.Criteria for strength and structural failure of rocks based on energy dissipation and energy release principles［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（17）：3003-3010.
14	张艳博，吴文瑞，姚旭龙，等.单轴压缩下花岗岩声发射、红外特征及损伤演化试验研究［J］.岩土力学，2020，41（S1）： 139-146.
	ZHANG Y B，WU W R，YAO X L，et al.Acoustic emission， infrared characteristics and damage evolution of granite under uniaxial compression［J］.Rock and Soil Mechanics，2020，41（S1）：139-146.
15	徐晓冬，孙光华，姚旭龙，等.基于能量耗散与释放的充填体失稳尖点突变预警模型［J］.岩土力学，2020，41（9）：3003-3012.
	XU X D，SUN G H，YAO X L，et al.A cusp catastrophe warning model for instability of backfill based on energy dissipation and release［J］.Rock and Soil Mechanics，2020，41（9）：3003-3012.
16	江新，罗东立，李炜，等.水利工程高危作业突发事件演化机理尖点突变模型研究［J］.长江科学院院报，2020，37（7）：75-81.
	JIANG X，LUO D L，LI W，et al.Cusp catastrophe model of the evolution mechanism of high-risk operations in water conservancy projects［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2020，37（7）：75-81.
17	罗周全，李艳艳，秦亚光，等.基于尖点突变模型与D-S证据融合理念的地下矿山岩体失稳预警方法［J］.中国地质灾害与防治学报，2020，31（5）：60-69.
	LUO Z Q，LI Y Y，QIN Y G，et al.A method developed for early warning of under ground rock mass instability in mining area based on cusp catastrophe model and D-S fusion evidence theory［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2020，31（5）：60-69.

预测次数	预测时间范围/s	a₁	a₂	a₃	a₄	分叉集	释放情况
第1次	0～447.040	－4.769×10^－4	6.853×10^－6	－2.170×10^－8	1.934×10^－11	＜0	释放
第2次	0～223.520	3.677×10^－6	－4.699×10^－8	2.991×10^－9	1.520×10^－12	＞0	未释放
第3次	0～335.380	4.701×10^－4	－1.026×10^－5	6.704×10^－8	－1.192×10^－10	＜0	释放
第4次	0～279.500	1.178×10^－5	－2.705×10^－7	4.761×10^－9	－2.705×10^－12	＞0	未释放
第5次	0～307.440	3.300×10^－5	－7.683×10^－7	8.100×10^－9	－9.429×10^－12	＞0	未释放
第6次	0～321.410	2.343×10^－4	－5.206×10^－6	3.605×10^－8	－6.226×10^－11	＜0	释放
第7次	0～314.425	6.388×10^－5	－1.461×10^－6	1.254×10^－8	－1.798×10^－11	＞0	未释放
第8次	0～317.918	1.292×10^－4	－2.905×10^－6	2.166×10^－8	－3.526×10^－11	＜0	释放
第9次	0～316.171	8.721×10^－5	－1.979×10^－6	1.583×10^－8	－2.422×10^－11	＜0	释放
第10次	0～315.300	7.303×10^－5	－1.665×10^－6	1.383×10^－8	－2.044×10^－11	＜0	释放

预测次数	预测时间范围/s	a₁	a₂	a₃	a₄	分叉集	释放情况
第1次	0～447.040	－4.769×10^－4	6.853×10^－6	－2.170×10^－8	1.934×10^－11	＜0	释放
第2次	0～223.520	3.677×10^－6	－4.699×10^－8	2.991×10^－9	1.520×10^－12	＞0	未释放
第3次	0～335.380	4.701×10^－4	－1.026×10^－5	6.704×10^－8	－1.192×10^－10	＜0	释放
第4次	0～279.500	1.178×10^－5	－2.705×10^－7	4.761×10^－9	－2.705×10^－12	＞0	未释放
第5次	0～307.440	3.300×10^－5	－7.683×10^－7	8.100×10^－9	－9.429×10^－12	＞0	未释放
第6次	0～321.410	2.343×10^－4	－5.206×10^－6	3.605×10^－8	－6.226×10^－11	＜0	释放
第7次	0～314.425	6.388×10^－5	－1.461×10^－6	1.254×10^－8	－1.798×10^－11	＞0	未释放
第8次	0～317.918	1.292×10^－4	－2.905×10^－6	2.166×10^－8	－3.526×10^－11	＜0	释放
第9次	0～316.171	8.721×10^－5	－1.979×10^－6	1.583×10^－8	－2.422×10^－11	＜0	释放
第10次	0～315.300	7.303×10^－5	－1.665×10^－6	1.383×10^－8	－2.044×10^－11	＜0	释放

类别	试样编号	弹性应变能释放时间/s	IRC首次突变时间/s
应变能释放超前状态	A-1	403.510～404.420	414.733
	A-2	413.307～415.201	435.800
	A-3	529.510～530.710	549.220
	A-6	335.578～336.084	355.479
	A-7	409.700～411.300	419.730
	A-8	457.609～459.220	479.370
	A-9	708.500～710.100	732.050
	A-10	521.400～522.607	550.700
	A-11	344.170～345.645	362.945
	A-12	414.302～416.002	432.800
	A-13	473.905～475.304	495.210
应变能释放滞后状态	A-4	314.425～315.300	307.061
	A-5	351.819～352.542	343.704
	A-14	316.165～317.535	308.844

类别	试样编号	弹性应变能释放时间/s	IRC首次突变时间/s
应变能释放超前状态	A-1	403.510～404.420	414.733
	A-2	413.307～415.201	435.800
	A-3	529.510～530.710	549.220
	A-6	335.578～336.084	355.479
	A-7	409.700～411.300	419.730
	A-8	457.609～459.220	479.370
	A-9	708.500～710.100	732.050
	A-10	521.400～522.607	550.700
	A-11	344.170～345.645	362.945
	A-12	414.302～416.002	432.800
	A-13	473.905～475.304	495.210
应变能释放滞后状态	A-4	314.425～315.300	307.061
	A-5	351.819～352.542	343.704
	A-14	316.165～317.535	308.844

[1]	韩长霖, 付煜, 厚欣怡, 李佳琦, 王伟, 孙海. 含水率对单轴加载砂岩红外辐射特性的影响[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(6): 60-66.
[2]	朱媛媛,王莉华. 基于相关利益者的财务危机预警体系研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2016, 36(1): 80-84.
[3]	钱光明,陈德艳. 非财务指标对我国上市公司财务预警的影响[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2010, 30(2): 89-92.