采动砂岩损伤渗流的红外辐信息监测预警

前 言
岩石的损伤破裂是引发煤与瓦斯突出、冲击矿压和矿井突水等煤矿动力灾害的根本原因，也是岩石工程领域的基础和共性科学问题之一。准确有效地对岩石的损伤破裂过程进行监测，可为煤矿动力灾害预警提供可靠的前兆信息，是实现采掘面围岩破裂和渗（突）水监测预警的重要基础。岩石加载破裂过程中会伴随着红外辐射的变化。然而，目前的研究多是围绕加载岩石表面的红外辐射变化特征开展的，而没有很好地将岩石表面的红外辐射信息与其内部的损伤破裂特征建立定量关系。基于此，本书开展了不同侧向应力下的砂岩双轴实验，采用自行设计的加载岩石多参量监测系统，分析了加载砂岩的声发射和表面红外辐射特征，研究了红外辐射与岩石内部损伤破裂的内在联系，构建了基于红外辐射信息的砂岩三维塑性损伤本构模型，并以此对水力耦合作用下砂岩内部的“渗流-温度”演化规律进行了研究，取得的主要研究成果如下：
（1）分析了砂岩双轴加载过程中的红外辐射噪声曲线特征，提出了红外辐射温度曲线的分区域去噪方法，即将实验试样和参照试样等分为多个区域，将每一个实验试样的分区域与参照试样的所有分区域相减，确定将多项式拟合函数的相关系数作为分区域去噪的评价指标。在此基础上，采用高斯核函数作为影响函数评估某一温度点对周围温度区域的影响力，并引入红外辐射能量作为确定高斯核函数阈值的红外指标，从而判别温度点是否为噪声，该方法可以快速检测出红外辐射离群点，有效解决了红外辐射温度曲线的波动漂移难题。结合分区域去噪方法，构建了“分区域-高斯核函数”的平均红外辐射温度去噪新模型，既创新了红外辐射去噪方法，也解决了双轴加载砂岩的红外辐射温度失真难题。
（2）基于红外热像图，采用百分位法确定了红外辐射温度矩阵中的高温点阈值，定义了高温点比例因子振幅，采用两倍标准偏差作为高温点比例振幅突变的临界线，提出了累计高温点比例因子振幅的红外辐射新指标。结合应力、累计振铃计数和有效去噪后的平均红外辐射温度，基于主成分分析法构建了砂岩加载破裂过程中声热综合评价模型，定义了砂岩加载破裂过程中发生破坏的概率函数，实现了各声热指标对砂岩破裂破坏的影响权重量化分析。在此基础上，提出了基于声热综合评价模型一阶导数确定砂岩破坏前兆的新方法，该方法克服了加载砂岩声发射和表面红外辐射信息的离散性分析缺陷。
（3）基于塑性应变能和变形功转换方程，定义了砂岩等效塑性应变差值，阐明了加载砂岩的摩擦热效应；依据塑性区位置与裂纹尖端的欧氏距离，表征了裂纹塑性区的温度源密度函数，并基于热传导的傅里叶定律推导并解析了裂纹扩展热效应，建立了砂岩加载破裂过程中红外辐射响应机制的数学模型。基于该模型，通过有限元软件二次开发确定了砂岩双轴加载破裂的热传导范围。发现对于本书实验中采用的50mm×50mm×100mm尺寸的红砂岩，岩样表面红外辐射受到内部裂纹扩展热效应的影响范围最大为0.981cm，并实现了加载砂岩局部高温区域的平均红外辐射温度预测。
（4）发现了砂岩加载破裂过程中红外辐射能量与有效应力呈近幂函数关系，建立了应力第一不变量和偏应力第二不变量的红外辐射量化表征方法，提出了采用累积高温点比例因子振幅表征砂岩塑性体积应变。基于有效应力和塑性应变分别建立了砂岩塑性和损伤模型，并构建了基于红外辐射的加载砂岩三维塑性损伤本构模型，该模型具有明确物理意义的输入参数，且考虑了砂岩的压密阶段，通过有限元软件子程序二次开发实现了砂岩双轴加载过程中的应力预测。
（5）基于热力学第一定律和非达西流表达式，推导了砂岩渗流过程中内部温度与孔隙水压力的定量表达式；基于双弹簧模型，提出了采用红外辐射表征加载砂岩的应力，结合裂隙渗流控制方程和损伤变量方程，建立了基于红外辐射的水力耦合作用下砂岩内部“渗流-温度”演化模型，通过有限元软件二次开发获得了渗流和温度演化曲线。在此基础上，构建了以砂岩内部温度为输出参量的人工智能模型，对比发现随机森林算法预测性能的显著性，更适合预测水力耦合作用下砂岩内部的物理力学参量。
本书出版得到了国家“973计划”项目(2015CB251600)、国家自然科学基金项目(51874280)、矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室开放课题和江苏高校优势学科建设工程(PAPD)的资助。本书的研究内容得到了吴宇等学者诸多帮助和有益指导，机械工业出版社在本书出版过程中提出了诸多宝贵意见，在此表示衷心的感谢。本书参考并引用了国内外诸多文献，对这些文献的作者一并表示感谢!
由于作者水平有限，书中难免存在疏漏之处，恳请广大读者批评指正。意见或建议可发送至邮箱:ckma@cumt.edu.cn。

本书基于实验室实验、理论推导和数值分析，对砂岩加载破裂过程中的红外辐射响应机制及其应用进行了创新性研究。首先，开展不同侧向应力下的砂岩双轴实验，采用自行设计的加载岩石多参量监测系统，分析砂岩加载破裂过程中的红外辐射噪声特征，构建了加载砂岩的“分区域-高斯核函数”的去噪模型。其次，提出高温点比例因子和累计高温点比例因子振幅的红外辐射新指标，结合应力、累计振铃计数和去噪后的平均红外辐射温度指标，建立声热综合评价模型，对砂岩双轴加载过程中的破坏前兆特征进行了研究。再次，基于塑性应变能、变形功转换方程和热传导傅里叶定律，建立加载岩石表面的红外辐射响应机制数学模型和三维塑性损伤本构模型。最后，依据热力学第一定律、非达西流表达式和经典的双弹簧模型，分析基质系统渗透率控制方程的红外辐射量化表征，建立水力耦合作用下带红外辐射数据接口的岩石内部“渗流-温度”演化模型，进而实现采用红外辐射表征加载砂岩内部的物理力学参量。
本书可供从事采矿工程及相关专业的科研人员及工程技术人员参考使用。

曹克旺，1991年4月生，男，汉族，安徽淮南人，校聘龙湖学者。2022年6月获得中国矿业大学工程力学博士学位，2021年1月至2022年1月在国家公派留学基金委的支持下就读于韩国高丽大学土木与环境工程系，2022年6月入职安徽财经大学艺术学院环境设计系工作。近四年时间以第一作者发表SCI论文12篇，其中中科院2区及以上8篇，另外以通讯作者发表SCI论文10篇，担任多个国际期刊的审稿人。

目 录
前言
第1章绪论
1.1问题的提出与研究意义
1.2国内外研究现状
第2章砂岩加载破裂过程中的红外辐射去噪
2.1红外物理学定律
2.2实验设计
2.3红外辐射指标
2.4分区域-高斯核函数去噪模型
2.5本章小结
第3章砂岩加载破裂过程中的红外辐射特征
3.1红外辐射特征
3.2声发射特征
3.3声发射和红外辐射多元函数表征
3.4声发射和红外辐射的综合评价模型
3.5本章小结
第4章砂岩加载破裂过程中的红外辐射响应机制
4.1热弹效应和摩擦热效应
4.2裂纹扩展热效应
4.3加载砂岩破裂过程中红外辐射的数值分析
4.4本章小结
第5章砂岩加载破裂过程中的红外辐射本构模型
5.1一维统计损伤本构模型
5.2三维塑性损伤本构模型
5.3本章小结
第6章水力耦合作用下砂岩内部的“渗流-温度”模型
6.1砂岩加载破裂渗水的红外辐射特征
6.2水力耦合作用下砂岩内部的“渗流-温度”模型
6.3数值分析
6.4人工智能预测模型
6.5本章小结
第7章结论与展望
7.1研究结论
7.2研究展望
参考文献

本书基于实验室实验、理论推导和数值分析，对砂岩加载破裂过程中的红外辐射响应机制及其应用进行了创新性研究。首先，开展不同侧向应力下的砂岩双轴实验，采用自行设计的加载岩石多参量监测系统，分析砂岩加载破裂过程中的红外辐射噪声特征，构建了加载砂岩的“分区域-高斯核函数”的去噪模型。其次，提出高温点比例因子和累计高温点比例因子振幅的红外辐射新指标，结合应力、累计振铃计数和去噪后的平均红外辐射温度指标，建立声热综合评价模型，对砂岩双轴加载过程中的破坏前兆特征进行了研究。再次，基于塑性应变能、变形功转换方程和热传导傅里叶定律，建立加载岩石表面的红外辐射响应机制数学模型和三维塑性损伤本构模型。最后，依据热力学第一定律、非达西流表达式和经典的双弹簧模型，分析基质系统渗透率控制方程的红外辐射量化表征，建立水力耦合作用下带红外辐射数据接口的岩石内部“渗流-温度”演化模型，进而实现采用红外辐射表征加载砂岩内部的物理力学参量。
本书可供从事采矿工程及相关专业的科研人员及工程技术人员参考使用。

曹克旺，1991年4月生，男，汉族，安徽淮南人，校聘龙湖学者。2022年6月获得中国矿业大学工程力学博士学位，2021年1月至2022年1月在国家公派留学基金委的支持下就读于韩国高丽大学土木与环境工程系，2022年6月入职安徽财经大学艺术学院环境设计系工作。近四年时间以第一作者发表SCI论文12篇，其中中科院2区及以上8篇，另外以通讯作者发表SCI论文10篇，担任多个国际期刊的审稿人。