前 言
巖石的損傷破裂是引發(fā)煤與瓦斯突出、沖擊礦壓和礦井突水等煤礦動(dòng)力災(zāi)害的根本原因，也是巖石工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)和共性科學(xué)問題之一。準(zhǔn)確有效地對(duì)巖石的損傷破裂過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可為煤礦動(dòng)力災(zāi)害預(yù)警提供可靠的前兆信息，是實(shí)現(xiàn)采掘面圍巖破裂和滲（突）水監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要基礎(chǔ)。巖石加載破裂過程中會(huì)伴隨著紅外輻射的變化。然而，目前的研究多是圍繞加載巖石表面的紅外輻射變化特征開展的，而沒有很好地將巖石表面的紅外輻射信息與其內(nèi)部的損傷破裂特征建立定量關(guān)系�；�于此，本書開展了不同側(cè)向應(yīng)力下的砂巖雙軸實(shí)驗(yàn)，采用自行設(shè)計(jì)的加載巖石多參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了加載砂巖的聲發(fā)射和表面紅外輻射特征，研究了紅外輻射與巖石內(nèi)部損傷破裂的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建了基于紅外輻射信息的砂巖三維塑性損傷本構(gòu)模型，并以此對(duì)水力耦合作用下砂巖內(nèi)部的“滲流-溫度”演化規(guī)律進(jìn)行了研究，取得的主要研究成果如下：
（1）分析了砂巖雙軸加載過程中的紅外輻射噪聲曲線特征，提出了紅外輻射溫度曲線的分區(qū)域去噪方法，即將實(shí)驗(yàn)試樣和參照試樣等分為多個(gè)區(qū)域，將每一個(gè)實(shí)驗(yàn)試樣的分區(qū)域與參照試樣的所有分區(qū)域相減，確定將多項(xiàng)式擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)作為分區(qū)域去噪的評(píng)價(jià)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，采用高斯核函數(shù)作為影響函數(shù)評(píng)估某一溫度點(diǎn)對(duì)周圍溫度區(qū)域的影響力，并引入紅外輻射能量作為確定高斯核函數(shù)閾值的紅外指標(biāo)，從而判別溫度點(diǎn)是否為噪聲，該方法可以快速檢測(cè)出紅外輻射離群點(diǎn)，有效解決了紅外輻射溫度曲線的波動(dòng)漂移難題。結(jié)合分區(qū)域去噪方法，構(gòu)建了“分區(qū)域-高斯核函數(shù)”的平均紅外輻射溫度去噪新模型，既創(chuàng)新了紅外輻射去噪方法，也解決了雙軸加載砂巖的紅外輻射溫度失真難題。
（2）基于紅外熱像圖，采用百分位法確定了紅外輻射溫度矩陣中的高溫點(diǎn)閾值，定義了高溫點(diǎn)比例因子振幅，采用兩倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為高溫點(diǎn)比例振幅突變的臨界線，提出了累計(jì)高溫點(diǎn)比例因子振幅的紅外輻射新指標(biāo)。結(jié)合應(yīng)力、累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)和有效去噪后的平均紅外輻射溫度，基于主成分分析法構(gòu)建了砂巖加載破裂過程中聲熱綜合評(píng)價(jià)模型，定義了砂巖加載破裂過程中發(fā)生破壞的概率函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了各聲熱指標(biāo)對(duì)砂巖破裂破壞的影響權(quán)重量化分析。在此基礎(chǔ)上，提出了基于聲熱綜合評(píng)價(jià)模型一階導(dǎo)數(shù)確定砂巖破壞前兆的新方法，該方法克服了加載砂巖聲發(fā)射和表面紅外輻射信息的離散性分析缺陷。
（3）基于塑性應(yīng)變能和變形功轉(zhuǎn)換方程，定義了砂巖等效塑性應(yīng)變差值，闡明了加載砂巖的摩擦熱效應(yīng)；依據(jù)塑性區(qū)位置與裂紋尖端的歐氏距離，表征了裂紋塑性區(qū)的溫度源密度函數(shù)，并基于熱傳導(dǎo)的傅里葉定律推導(dǎo)并解析了裂紋擴(kuò)展熱效應(yīng)，建立了砂巖加載破裂過程中紅外輻射響應(yīng)機(jī)制的數(shù)學(xué)模型。基于該模型，通過有限元軟件二次開發(fā)確定了砂巖雙軸加載破裂的熱傳導(dǎo)范圍。發(fā)現(xiàn)對(duì)于本書實(shí)驗(yàn)中采用的50mm×50mm×100mm尺寸的紅砂巖，巖樣表面紅外輻射受到內(nèi)部裂紋擴(kuò)展熱效應(yīng)的影響范圍最大為0.981cm，并實(shí)現(xiàn)了加載砂巖局部高溫區(qū)域的平均紅外輻射溫度預(yù)測(cè)。
（4）發(fā)現(xiàn)了砂巖加載破裂過程中紅外輻射能量與有效應(yīng)力呈近冪函數(shù)關(guān)系，建立了應(yīng)力第一不變量和偏應(yīng)力第二不變量的紅外輻射量化表征方法，提出了采用累積高溫點(diǎn)比例因子振幅表征砂巖塑性體積應(yīng)變�；�于有效應(yīng)力和塑性應(yīng)變分別建立了砂巖塑性和損傷模型，并構(gòu)建了基于紅外輻射的加載砂巖三維塑性損傷本構(gòu)模型，該模型具有明確物理意義的輸入?yún)��?shù)，且考慮了砂巖的壓密階段，通過有限元軟件子程序二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了砂巖雙軸加載過程中的應(yīng)力預(yù)測(cè)。
（5）基于熱力學(xué)第一定律和非達(dá)西流表達(dá)式，推導(dǎo)了砂巖滲流過程中內(nèi)部溫度與孔隙水壓力的定量表達(dá)式；基于雙彈簧模型，提出了采用紅外輻射表征加載砂巖的應(yīng)力，結(jié)合裂隙滲流控制方程和損傷變量方程，建立了基于紅外輻射的水力耦合作用下砂巖內(nèi)部“滲流-溫度”演化模型，通過有限元軟件二次開發(fā)獲得了滲流和溫度演化曲線。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了以砂巖內(nèi)部溫度為輸出參量的人工智能模型，對(duì)比發(fā)現(xiàn)隨機(jī)森林算法預(yù)測(cè)性能的顯著性，更適合預(yù)測(cè)水力耦合作用下砂巖內(nèi)部的物理力學(xué)參量。
本書出版得到了國(guó)家“973計(jì)劃”項(xiàng)目(2015CB251600)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51874280)、礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題和江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程(PAPD)的資助。本書的研究?jī)?nèi)容得到了吳宇等學(xué)者諸多幫助和有益指導(dǎo)，機(jī)械工業(yè)出版社在本書出版過程中提出了諸多寶貴意見，在此表示衷心的感謝。本書參考并引用了國(guó)內(nèi)外諸多文獻(xiàn)，對(duì)這些文獻(xiàn)的作者一并表示感謝!