煤样单轴压缩破坏红外温度临界慢化前兆研究_田贺.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 煤样单轴压缩破坏红外温度临界慢化前兆研究 田贺 1， 2， 李忠辉1， 2， 3， 殷 山 4， 程富起1， 2， 魏 洋 1， 2， 张 昕 1， 2 （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 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室， 江苏 徐州 221116； 3.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； 4.北京科技大学 土木与资源工程学院， 北京 100083） 摘要 为研究煤样受载破坏过程中有效前兆信息， 开展了煤样单轴压缩加载试验， 分析了在相 同加载方式下煤样红外辐射温度变化特征， 运用临界慢化理论对煤样最高红外辐射温度进行处 理， 比较了最高红外辐射温度的方差和自相关系数， 分析了方差、 最高红外辐射温度以及载荷在 时间上的变化特征。结果表明 煤样在受载前期和中期最高和平均红外温度变化趋势基本保持 一致， 受载后期最高红外温度在煤样损伤点处呈上升趋势， 主破裂发生时， 最高红外辐射温度急 剧上升， 而平均红外温度在主破裂时并未表现出明显变化； 方差和自相关系数均受窗口长度和 滞后步长的影响， 但方差曲线受窗口长度影响较大； 对比红外降温前兆点和红外升温突增点， 方 差对煤样失稳破坏的预测更加的精准。 关键词 单轴压缩； 红外辐射； 临界慢化； 方差； 自相关系数 中图分类号 TD313文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 03-0038-06 Study on Precursor of Infrared Temperature Critical Slowing in Coal Sample Uniaxial Compression Failure TIAN He1,2, LI Zhonghui1,2,3, YIN Shan4, CHENG Fuqi1,2, WEI Yang1,2, ZHANG Xin1,2 （1.School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;2.Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines of the Ministry of Education, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3.State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 4.School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China） Abstract To study the effective precursor ination of the coal sample under loading and damage process, we carried out the uniaxial compression loading experiment of coal sample, analyzed the infrared radiation temperature variation characteristics of the coal sample under the same loading mode, and applied the critical slowing theory to the highest infrared radiation of the coal sample. The temperature was processed, the variance and autocorrelation coefficient of the highest infrared radiation temperature were compared, and the variance, the highest infrared radiation temperature and the variation of the load in time were analyzed. The results show that the highest and average infrared temperature trends of coal samples in the early and middle loading period are basically the same. The highest infrared temperature in the late stage of loading shows an upward trend at the damage point of coal samples. When the main rupture occurs, the highest infrared radiation temperature rises sharply. The average infrared temperature did not show significant changes at the main rupture; the variance and autocorrelation coefficients were affected by the window length and the lag step, but the variance curve was greatly affected by the window length; the contrast infrared precipitation precursor and the infrared temperature rise the increase point, the variance is more accurate in predicting the instability of coal samples. DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.008 田贺， 李忠辉， 殷山， 等.煤样单轴压缩破坏红外温度临界慢化前兆研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 38-43. TIAN He, LI Zhonghui, YIN Shan, et al. Study on Precursor of Infrared Temperature Critical Slowing in Coal Sample Uniaxial Compression Failure ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 38-43. 基金项目国家自然科学基金面上资助项目（51674254） ；“十三 五” 国家重点研发计划资助项目 （2016YFC0801404） ； 煤炭资源与 安全开采国家重点实验室自主资助项目 （SKLCRSM15X03） 移动扫码阅读 38 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 1试验系统 Fig.1Testing system Key words uniaxial compression; infrared radiation; critical slowing; variance; autocorrelation coefficient 煤岩动力灾害是矿井生产中重大自然灾害之 一，能否对煤岩动力灾害的发生进行准确预测， 是 预防煤岩动力灾害关键[1-3]。目前已有多种用于探测 煤岩动力灾害的地球物理学方法， 如 电磁辐射法、 红外法、 声发射法、 表面电位法、 微震法等[1]。作为 1 种监测煤岩动力灾害的非接触方法，红外法具有准 确性高、 可靠性强、 操作便捷的特点。徐子杰等开展 了煤样加载破坏过程中红外辐射特征观测试验， 对 不同冲击倾向性煤样失稳破坏的红外前兆信息进行 探讨，得出煤样在无冲、弱冲和强冲情况下的红外 辐射温度前兆特征[7]。刘善军、 吴立新等研究了岩石 破裂和非冲击倾向性煤样的热红外前兆，认为微破 裂越强，产生的热效应越明显，红外辐射温度效应 最强是在加载达到煤样强度的 70左右时， 并对岩 石破裂的热红外前兆表现形式及类型、前兆时间及 空间特征和前兆机理等进行了系统总结与分析[8-9]。 赵毅鑫等通过对冲击倾向性煤样和煤岩组合体进行 单向加载和循环加载破坏试验，利用红外热像、 声 发射、应变等监测方式，分析了煤样和煤岩组合体 在破坏过程中的声、 热效应及破坏前的异常信息特 征[10-11]。邓明德等对混凝土进行了加载试验， 测试研 究了微波辐射和红外辐射的变化规律，发现混凝土 的微波辐射能量和红外辐射能量随混凝土应力状态 显著变化， 并分析了两者的试样破裂前兆信息[12]。 刘 善军等对含水混凝土试样进行了单轴压缩加载试 验，测试研究了红外辐射温度、红外热像和声发射 的变化特征以及破裂前兆信息[13]。李国爱测试了裂 隙不同角度条件下的红外辐射，研究发现最高和平 均红外辐射温度曲线在试样的加载过程中存在异常 前兆反应，最高红外辐射温度曲线前兆规律主要表 现为 降温前兆， 红外温度降低幅度为 0.05～0.2 ℃； 升温前兆， 红外温度升高幅度为 0.1～0.3 ℃。其中对 于最高红外辐射温度曲线前兆，当试样预制裂隙角 度为 0～60 时，载荷比基本都落在 73～88区间 内，当试样预制裂隙角度为 75、 90 时，主要集中 在 90 左右[14]。李忠辉、 殷山等利用气密气缸对应 力和气体耦合作用下的煤岩裂缝进行了红外辐射试 验， 研究了煤在气体作用下的红外辐射变化规律[15]。 前人对煤岩破坏的红外信息做了大量的研究，但对 于红外前兆信息的研究缺乏系统的判定。 基于此，对煤样受载破坏过程红外辐射温度变 化特征以及前兆信息进行了研究。同时运用临界慢 化方法对煤样受载破坏最高红外温度进行处理， 对 表征临界慢化参数方差和自相关系数进行了不同窗 口长度、相同滞后步长及不同滞后步长、相同窗口 长度的分析，为进 1 步提高煤体受载破坏的监测精 度提供 1 种新方法。 1试验 1.1试验试样和试验方案 试验煤样选自中国淮北杨庄煤矿 5煤层， 煤层 分布平稳，多为块状且强度较高。将新采煤样送至 实验室加工成 50 mm50 mm100 mm 的长方体标 准试样， 并将表面打磨平整光滑， 便于实验观察。 选取 6 组试验煤样提前放置于实验室 2 h， 使 煤样温度与实验室环境温度保持一致。拿取煤样时 应佩戴隔热手套，煤样两端垫上隔热垫片并固定 好。在压机四周围上 1 层黑色沾水帷帐，隔绝周围 环境干扰。红外热像仪和工业相机布置在离试样 30 cm 处， 红外热像仪提前预热 30 min， 待其稳定后 开始试验。试验采用无围压单轴压缩，加载方式采 用力控方法， 加载速率为 150 N/s。 试验期间， 关闭实 验室灯光及门窗， 禁止人员靠近压机和走动。 1.2试验系统 试验系统包括加载控制系统系统、红外辐射数 据采集系统、摄像系统以及电磁屏蔽室系统。试验 系统如图 1。 加载控制系统采用 YAW 型微机控制电液伺服 试验机， 具有恒应力控制、 载荷保持和力闭环控制功 能， 控制精度高， 能够实现等位移、 等负荷加载。红 外辐射数据采集系统采用 Optris PI 450 红外热像 仪，光学分辨率为 382 288 像素，共包含 110 016 个温度点， 温度测试范围为-20～100 ℃， 光谱测试范 39 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 3煤样应力-应变 Fig.3Stress-strain of coal sample 围为 7.5～13 μm，最大帧频为 80 Hz， FOV 为 30 23， NETD 为 0.04 K。摄像系统采用 USB2.0 MV- UB500 高清工业相机， 像素为 500 万， 光学分辨率则为 2 5921 944 像素。电磁屏蔽室系统采用 GP6 电磁 屏蔽室， 屏蔽效果在 85 dB 以上， 可有效减少外界较 强电磁场、 噪声和空气热流动对实验信号的干扰。 2煤样受载破坏红外辐射特征 通过煤样载荷、 最高红外辐射温度、 平均红外辐 射温度与时间的关系以及应力与应变之间的关系， 分析研究了煤样红外辐射特征。煤样载荷、 温度-时 间曲线如图 2， 应力应变曲线如图 3。可以看出煤样 在失稳破坏前经历了原生孔裂隙压密阶段、线弹性 变形阶段、 塑性变形阶段 3 个阶段。 加载初期 （图 2 中 OA 段） ， 煤样原有少量孔裂 隙被压实。平均红外辐射温度波动较小， 走势平稳， 基本保持在 18.62 ℃；最高红外辐射温度从 19.3 ℃ 迅速升至 19.5 ℃， 之后降至 19.33 ℃， 对应载荷时间 曲线并无明显变化。 加载中期， 煤样变形进入线弹性变形阶段 （图 2 中 AB 段） 。该阶段煤样内部在外界压力作用下， 产 生新的裂隙，此时最高红外辐射温度在经历 1 个峰 值 （19.6 ℃） 后平稳运行至 177 s， 平均红外辐射温度 在 99 s 时降至 18.43 ℃，然后回升至 18.64 ℃并稳 定发展至 177 s。随时间的发展， 平均红外温度与最 高红外温度在 177 s 时开始出现降温趋势，并缓慢 发展至 254 s， 之后经过短暂回升， 在 257 s 时开始急 剧下降， 平均红外温度下降至 18.32 ℃， 最高红外温 度下降至 19.06 ℃，降幅分别为 0.36 ℃和 0.37 ℃， 两 者降幅仅相差 0.01 ℃。 此时温度低值点距第 1 次损 伤点出现时间为 24 s， 距煤样失稳破坏时间为 80 s。 随加载时间的推移，在加载后期煤样进入塑性 变形阶段 （图 2 中 BC 段） 。该阶段煤样因受到载荷 较大， 煤体内原有裂隙不断扩展， 新生裂隙发展急 剧增加， 裂隙之间频繁发生错动摩擦生热， 导致煤 体温度不断升高。从图 2 中可以看出，最高红外辐 射温度在 284 s 时开始出现升高趋势， 到 360 s 时温 度升到最高。其中，在第 1 次损伤点出现时温度明 显升高， 升温幅值为 0.07 ℃， 随后煤样分别在 322 s 和 350 s 处出现明显损伤现象，最高红外温度均出 现明显升温， 幅值分别为 0.16 ℃和 0.14 ℃， 最终在 358 s 时最高红外温度迅速上升，升温幅值达到 0.53 ℃，此时煤样完全失稳破坏。平均红外温度在 第 1 次损伤点出现时也有明显升温，但在第 2 和第 3 次损伤点并未出现明显波动，且自 315 s 至 356 s 出现缓慢下降趋势， 最终在 358 s 时开始急剧下降， 降温幅值为 0.37 ℃。 试验表明， 红外辐射温度具有时效性， 煤样在受 载破坏过程中会出现红外辐射温度升温现象， 且升 温过程与煤样损伤破裂时间相一致。 研究表明[14]， 在 煤岩受载破坏前，红外辐射温度会出现降温现象， 如图 2 中 J 点为降温前兆点，可以作为预测煤岩失 稳破坏的前兆信号。但这种降温前兆并不总会出 现， 有时还会出现升温现象， 因此急需一种能够实 现效果好， 预测时间更加准确的预测方法。 3煤样表面红外辐射临界慢化特征分析 3.1临界慢化理论 在动力系统中， 当系统发生相态的变化， 即由旧 相态向新相态的转化， 并且会在靠近临界点附近出 现表现为幅度的增大， 涨落时间拉长， 扰动恢复速 度变慢， 以及恢复到旧相的能力变小等一系列有利 于新相形成的分散涨落现象， 通常把这种现象称作 临界慢化[16-17]。表征系统的 1 个参量在趋近于慢化 阈值点时， 往往出现其方差和自相关系数增大的现 图 2煤样载荷、 温度-时间曲线 Fig.2Coal sample load, temperature-time curves 40 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 象，所以通常通过分析参量的方差和自相关系数来 观测临界慢化现象。 方差 s2是描述样本中数据 xi对平均值 x 偏离 程度的特征量， 记为 s2 s2 1 n n i ∑（xi－x） 2 （1） 式中 xi为第 i 个数据； n 为样本中数据的个数。 将滞后步长为 j 的变量 x 的自相关数记为 a （j） ， 则 a （j） ＝ n－1 i ＝ 1 ∑ xi－x s （） （xi＋j－x ） s （）（2） 式中 s 为均方差。 假定状态变量存在周期为△t 的受迫扰动， 在 扰动过程中， 恢复速率为 λ， 程近似指数关系， 在回 归模型中可以描述为 yn＋1＝eλ△tyn＋sεn（3） 式中 yn是系统变量到平衡态的偏离量； εn为符 合正态分布的随机量。 若 λ 和△t 不依赖于 yn， 该过程可简化为 yn＋1＝ayn＋sεn（4） 式中 a 为自相关系数， a＝eλ△t。 用方差对式 （4） 进行分析 Var （yn＋1） ＝ s2 1－a2 （）（5） 式中 Var （yn＋1） 为对偏离量 yn＋1求方差。 当系统向临界点趋近过程中，小幅度扰动恢复 的速率会越来越慢，当系统趋近于临界点时，恢复 速率 λ 将趋近于 0 且自相关项 a 趋近于 1， 由式 （5） 知方差趋近于无限大，因此可以将方差和自相关系 数增大作为系统趋近临界点的前兆信号[18-20]。 3.2方差和自线关系数 方差和自相关系数是描述临界慢化现象的 2 个 重要指标。研究表明，在对红外辐射温度数据进行 临界慢化方法处理时，方差和自相关系数会受到窗 口长度和滞后步长的影响 （窗口长度是指进行序列计 算的基本单位， 滞后步长是指从选定窗口长度的序列 到另一个相同新序列所要进行的滞后序列长度[21]） 。 因此针对方差和自相关系数进行了不同窗口长度和 滞后步长情况下的处理分析。 现选取窗口长度 20， 分别取滞后步长 2、 4、 6， 比 较相同窗口长度、不同滞后步长对方差和自相关系 数的影响。 方差和自相关系数曲线如图 4， 方差曲线 基本不受到滞后步长的影响，不同滞后步长情况下 的方差曲线变化规律一致，曲线基本重合。反观自 相关系数， 曲线变化杂乱无章， 仅在局部变化上走 向相同， 但曲线波动幅度一致。 取窗口长度 20、 30、 40， 滞后步长固定为 2， 比较 在滞后步长相同情况下，不同窗口长度对方差和自 相关系数的影响如图 5。 从图 5 可以看出， 相同滞后 步长、 不同窗口长度下的方差之间不再重合， 变化幅 度略有不同， 方差曲线随窗口长度增加而略显滞后。 在降温点前， 窗口长度越大， 方差变化幅值越大， 相 反在升温之前， 窗口长度越小， 方差变化幅值反而越 大。与方差相比， 窗口长度越小， 自相关系数波动越 大。相比于不同滞后步长对自相关的影响，在不同 窗口长度下， 自相关系数呈现出明显的规律性， 曲线 变化基本一致， 在煤样失稳破坏前， 不同窗口长度下 的自相关系数曲线基本重合。 综上所述，窗口长度和滞后步长的选取对方差 和自相关系数均有影响，总体来看，相比于窗口长 度， 滞后步长对方差的影响较小； 在降温点前和升温 点前，不同窗口长度对方差的影响表现出明显的差 异性。自相关系数受窗口长度和滞后步长同时作用 的影响， 但窗口长度对自相关系数的影响较小， 在不 同窗口长度情况下，自相关系数曲线表现出明显的 规律性。方差和自相关系数在一定的窗口长度和滞 图 4方差和自相关系数曲线 Fig.4Variance and autocorrelation curves 41 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 5方差和自相关系数曲线 Fig.5Variance and autocorrelation curves 后步长条件下均可以作为表征红外辐射温度临界慢 化现象的指标，但相比之下，因为方差曲线变化简 单，受窗口长度和滞后步长影响均较小，因此更适 合作为表征煤样红外辐射临界慢化特征的指标。 3.3煤表面红外辐射临界慢化前兆分析 红外辐射作为 1 种非接触式检测方法，在煤岩 动力灾害监测方面发挥了重要作用。将临界慢化理 论运用到红外辐射上，为提高利用红外辐射监测煤 岩动力灾害发生精度提供了 1 种新的技术手段。前 面分析窗口长度和滞后步长对方差和自相关系数均 有影响， 因此综合比较之下， 选取窗口长度 20， 滞后 步长 2 的方差曲线对临界慢化理论在煤样表面红外 辐射外温度中的运用进行分析。 方差、载荷以及最高红外辐射温度在相同时间 下的变化情况如图 6。 从图 6 中可以看出，方差曲线自 240 s 开始出 现多个突变点，时间分别为 240、 281、 306、 344、 353 s。对应煤样表面最高红外辐射温度曲线， 在这些突 变点发生之后，均会出现红外温度的突增或者突降 现象，特别是煤样发生较大损伤和主破裂发生之 前， 方差曲线均出现了明显的突增现象。研究发现， 方差曲线在最高红外辐射温度升温和降温两种情况 下突增变化有所不同， 最高红外辐射下降时， 方差曲 线先是缓慢上升， 上升速率约为 17.241， 在 259 s 时 方差曲线开始急速上升， 上升速率为 6.939； 当煤样 出现微小损伤破裂时，最高红外辐射温度升高， 此 时方差曲线以较为缓慢的速率上升； 主破裂发生前， 方差曲线以 3.949 的速率突增，呈现出垂直上升趋 势， 上升幅值为 0.003 39， 与其它突增点有明显差异。 主破裂发生前， 方差曲线突增点 （前兆点 c） 距 主破裂发生时间为 7 s，占整个加载破坏时间的 1.94；最高红外温度在 358 s 时出现急速上升趋 势， 距主破裂破坏时间为 2 s， 占整个加载破坏时间 的 0.56， 基本上与煤样失稳破坏同时发生； 煤样受 载破坏过程中，最高红外辐射温度在 280 s 时出现 降温前兆现象， 距主破裂发生时间为 80 s， 占整个加 载破坏过程的 22.22。由此可见， 虽然 3 种信号均 可作为监测煤岩破坏的前兆信号，但方差的表现效 果最好， 距离煤样失稳破坏的时间最为适宜， 可以对 煤岩动力灾害发生实现更加精准的预测。 4结论 1） 煤样在加载的不同阶段， 其最高红外辐射温 度与平均红外辐射温度具有不同的变化特征；红外 辐射温度具有时效性，煤样在受载破坏过程中会出 现红外辐射温度升温现象，且温度变化与煤样损伤 破裂程度相一致； 在加载过程的中后期， 红外辐射温 度会出现降温现象，此现象可以作为煤样破坏的前 兆信号。 2） 运用临界慢化理论对煤样受载破最高红外辐 射温度进行处理，分析了不同窗口长度相同滞后步 长和不同滞后步长相同窗口长度下的方差和自相关 系数的变化特征， 得出在 2 种情况下， 自相关系数曲 图 6红外温度监测指标 Fig.6Infrared temperature monitoring inds 42 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 线较为杂乱， 没有统一规律； 方差曲线效果明显， 但 受窗口长度的影响，方差曲线随窗口长度增加而略 显滞后； 在降温点前， 窗口长度越大， 方差变化幅值 越大， 相反在升温之前， 窗口长度越小， 方差变化幅 值反而越大。 3 ） 对比分析了方差、 最高红外辐射温度与载荷 在时间上的变化特征，得出方差对于不同的煤样损 伤变化具有不同的变化特征；主破裂发生前，方差 突增点距主破裂发生时间为 7 s，占整个加载破坏过 程的 1.94， 相比最高红外辐射升温点 （0.56） 和红 外辐射降温前兆点 （22.22 ） ， 方差的预测效果最好。 参考文献 ［1］ 高新， 苗德俊， 宋大川.深部煤层冲击地压机理与防治 技术 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （12） 75-78. ［2］ 肖福坤， 于涵， 刘刚.煤样变形破坏过程中全应变场分 布规律 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （12） 9-11. ［3］ 蒋军军， 邓志刚.不同尺寸煤体失稳破坏的前兆声发 射特征研究 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （12） 37-40. ［4］ 王恩元， 李忠辉， 何学秋， 等.煤与瓦斯突出电磁辐射 预警技术及应用 ［J］ .煤炭科学技术， 2014， 42 （6） 53. ［5］ 李忠辉， 王恩元， 宋晓艳.隧道砂岩破裂过程的电位信 号研究 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2013， 30 （1） 112. ［6］ 程富起， 李忠辉， 魏洋， 等.基于单轴压缩红外辐射的 煤岩损伤演化特征 ［J］ .工矿自动化， 2018， 44 （5） 64. ［7］ 徐子杰， 齐庆新， 李宏艳， 等.冲击倾向性煤体加载破 坏的红外辐射特征研究 ［J］ .中国安全科学学报， 2013， 23 （10） 121-125. ［8］ 吴立新， 刘善军， 吴育华， 等.遥感-岩石力学 （IV） 岩石压剪破裂的热红外辐射规律及其地震前兆意义 ［J］ .岩石力学与工程学报， 2004， 23 （4） 539-544. ［9］ 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， 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