饱水粉砂岩破裂失稳的红外温度突变前兆及SVM预警模型

摘要

岩石破裂发育可能引起红外温度场突变，而岩石破裂失稳过程的红外温度瞬时变化异常特征却鲜有研究。为探寻岩石破裂失稳的红外温度突变前兆，进行了50 ℃水浸透粉砂岩单轴压缩过程的红外-声发射同步监测实验，以热图像序列小时步差分处理为特色，通过红外温度场突变信息提取和分析、红外温变场（ITVF）统计分析，对岩石破裂失稳过程的红外温度瞬时变化异常特征进行了重点研究，并融合多源红外监测数据，建立了基于SVM的岩石失稳预警模型。主要研究内容及成果如下：
　　（1）基于阈值理论，通过直接提取红外温度突变信息，探寻岩石破裂失稳的红外温度突变前兆。结果表明：热图像序列小时步差分处理方法可抑制环境因素的干扰，突出由岩石破裂发育造成的红外温度突变信息；临破裂粉砂岩红外温度存在红外温度突变异常前兆，包括突升异常、突降异常、突变点量异常、突变极值异常前兆；红外温度突变极值异常和突变点量异常呈正相关；红外温度突升异常和突降异常呈负相关；四种形式的红外温度突变异常前兆可相互验证，相互补充，对提高岩石受力灾变预测的可靠性和准确性具有一定理论意义。
　　（2）红外温度突变可能导致ITVF统计分布异常，在提出“红外温变场（ITVF）”概念的基础上，从统计分布角度探寻岩石破裂失稳的红外温度突变前兆。结果表明：饱水粉砂岩破裂失稳过程中ITVF的特征参数（极差R、峰度K、突变比率MR）存在陡增的突变异常；3指标异常主要集中于峰后破裂阶段，趋于在压力降显现时刻伴随出现；该异常可解释为，当变形进入塑性-峰后破裂阶段，试件表面破裂加剧发育引起红外温度场突变，一方面使得红外温变速率大幅度向极大或极小值方向迁移，导致R值出现突增异常；另一方面使得ITVF异常值的数量突然增加，引起K、MR发生陡增异常。该研究为探寻岩石灾变的红外异常前兆提供了新思路和新方法。
　　（3）在多角度探寻岩石破裂失稳的红外异常前兆的基础上，选取ITVF的极差（R）和峰度（K）两个指标，选定RBF为核函数，采用粗细双重网格搜索交叉检验的方法确定最优参数组合(C,σ)，融合多源监测数据构建了基于SVM理论的岩石失稳红外预警模型。结果表明：对ITVF特征参数序列而言，均值化变换方法适用于原始数据的预处理；根据红外监测数据建立的训练样本集属于不均衡训练集，基于分区随机取点的欠抽样方法，可实现不均衡训练集的均衡化，优化分类器性能；通过检验，所建预警模型具有较强的学习能力和外推能力，非常适合岩石破裂灾变的红外异常信号识别预警。该研究对提高地压预警精准度，保障矿山生产安全具有重要的理论指导意义。