Η Τηλεπισκόπηση στη Μηχανική πετρωμάτων και συναφείς πειραματικές μελέτες
Από RemoteSensing Wiki
Αντικείμενο Εφαρμογής: Η εφαρμογή της τηλεπισκόπησης στη μηχανική πετρωμάτων (RSRM) με τη βοήθεια πειραματικών μεθόδων, οργάνων και ορισμένων τυπικών αποτελεσμάτων που αφορούν τις σχέσεις μεταξύ της ακτινοβολίας IR και της τάσης του βράχου.
Πρωτότυπος Τίτλος: «Remote sensing rock mechanics (RSRM) and associated experimental studies»
Συγγραφείς: Lixin W., Chengyu C., Naiguang G., Jinzhuang W.
Πηγή:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1365160999000660
Λέξεις Κλειδιά: τηλεπισκόπηση, μηχανική πετρωμάτων, πετρώματα
1. Στόχος Εφαρμογής Η σύνδεση της μελέτης και της εφαρμογής του RSRM με την ανίχνευση της συμπεριφοράς των υλικών, που προκύπτει από την ετερογένεια και / ή την εφαρμογή της τάσης, καθώς και η αστοχία και η κατάρρευση ως πρόβλεψη χρόνου-διάστημα.
2. Εισαγωγή
2.1 Υπόβαθρο Είναι γνωστό ότι οποιοδήποτε αντικείμενο με θερμοκρασία υψηλότερη από το απόλυτο μηδέν, εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μήκους κύματος 10-10-1014μm. Με την ταχεία ανάπτυξη της πληροφορικής, και ιδιαίτερα με την εμφάνιση συστημάτων εικόνας με υψηλή ευαισθησία σε θερμοκρασίες και ορατότητα χώρου, η τηλεπισκόπηση IR αναπτύχθηκε ραγδαία την τελευταία δεκαετία, ιδιαίτερα λόγω των χωρίς επαφή και μη καταστρεπτικών ιδιοτήτων της. Η εφαρμογή της μπορεί να ταξινομηθεί σε δύο τύπους· εναέρια και επίγεια. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες έχουν γίνει σημαντικές προσπάθειες διεξαγωγής ερευνών για φαινόμενα ηλεκτρομαγνητικών και εκπομπών φωτός, που σχετίζονται με θραύση πετρωμάτων. Οι παρακάτω εξηγήσεις θεωρήθηκαν ως οι μηχανισμοί αυτού του φαινομένου: τα θραύσματα βράχου θερμαίνονται λόγω της τριβής, του διαχωρισμού φορτίου και επιφάνειας θραύσης, της παραγωγής πλάσματος από πετρώματα λόγω ταχείας και έντονης θέρμανσης, της απελευθέρωσης αερίων και σκόνης και της διέγερσης της περιβάλλουσας ατμόσφαιρας με σωματιδίων.
2.2. Επανεξέταση και μελέτη πειράματος Επισημάνθηκε ότι σε κάποια ανθρακωρυχεία η θερμοκρασία άλλαξε αισθητά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας της εξόρυξης άνθρακα και πετρωμάτων με εκρηκτικά. Το 1988 εφαρμόστηκε η θερμική τηλεπισκόπηση για τη θραύση των πετρωμάτων και την μελέτη σεισμών, και με βάση αυτό, προτάθηκε ότι η μη φυσιολογική IR ακτινοβολία και η θέρμανση που παρατηρήθηκαν θα μπορούσαν να ληφθούν ως δείκτες της σεισμικής δραστηριότητας. Βάσει μιας σειράς πειραματικών μελετών επισημάνθηκε ότι η ενεργειακή ακτινοβολία των πετρωμάτων αυξήθηκε με την αύξηση της τάσης στο βράχο, και ότι ορισμένες πληροφορίες των IR θα μπορούσαν να προβλέψουν το σπάσιμο των πετρωμάτων. Με βάση τις πειραματικές μελέτες για τα πετρώματα των ορυχείων, προτάθηκε ότι: -Υπάρχουν τρία είδη χαρακτηριστικών θερμοκρασίας ακτινοβολίας IR και τρία είδη χαρακτηριστικών θερμικών IR κατά τη διαδικασία φόρτισης και αστοχίας άνθρακα και ψαμμίτη. -Η καταγραφή ενδείξεων μέσω τηλεπισκόπησης είναι συγκρίσιμη με εκείνη της ανίχνευσης ακουστικών εκπομπών και ηλεκτρικής αντίστασης. -Μια συνιστώσα τάσης 0,79σc θα πρέπει να θεωρείται ως «ζώνη επικινδυνότητας» για το έδαφος. Επίσης, είχε μελετηθεί πειραματικά η πιθανότητα εμφάνισης μικροκυμάτων (0,8-10 cm) στη διαδικασία θραύσης πετρωμάτων. Αργότερα, εφαρμόστηκε επιτυχώς η τηλεπισκόπηση IR και μικροκυμάτων, για να μελετηθεί η αστοχία των σκυροδεμάτων, των χαλύβδινων πλακών και των πυλώνων από χάλυβα. Αυτές οι πειραματικές μελέτες υποδεικνύουν ότι η δομή των πετρωμάτων αλλάζει κατά τη φόρτιση, και τα σχετικά φυσικά και χημικά φαινόμενα συμβαίνουν εσωτερικά. Έτσι, μέρος της μηχανικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμική και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η ανιχνεύσιμη θερμοκρασία θα αντικατοπτρίζει τη μεταβολή της θερμικής ακτινοβολίας, να αντικατοπτρίζει τους φυσικούς και χημικούς μηχανισμούς, και να προειδοποιεί για την θραύση, την κατάρρευση και τις καταστροφές. Τελευταία, μελετήθηκαν τα χαρακτηριστικά ακτινοβολίας IR και μικροκυμάτων πολλών δομικών υλικών, με τις μελέτες να έχουν επικεντρωθεί σε πετρώματα. Τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν περιλαμβάνουν ένα θερμόμετρο και σύστημα εικόνας IR, φασματόμετρο εδάφους, φασματογράφο, φασματικό ραδιόμετρο, ραδιόμετρο μικροκυμάτων. Το μήκος κύματος ήταν 0,38mm-10cm, που καλύπτει ορατά, εγγύς IR, μέσο IR, θερμικό IR και μικροκύματα. Περαιτέρω έρευνα διεξάγεται συνεχώς.
3. Η έννοια της μηχανικής πετρωμάτων με τηλεπισκόπηση (RSRM)
3.1 Ορισμός της RSRM
Η RSRM προέκυψε από την ανάπτυξη βελτιωμένων οργάνων για την τηλεπισκόπηση και την απαίτηση προβλέψεων για την αστοχία πετρωμάτων. Ορίζεται ως νέα μέθοδος συνδυασμού με βάση την τηλεπισκόπηση, για τη μηχανική πετρωμάτων, τη γεωφυσική, τη φυσική, τη χημεία και την πληροφορική. Προτείνεται η μελέτη και η εφαρμογή της RSRM να περιλαμβάνουν τα ακόλουθα τρία μέρη: 1.Ανίχνευση της συμπεριφοράς των υλικών από την ετερογένεια: τα πετρώματα παρουσιάζουν ανιχνεύσιμες διαφορές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, που μπορεί να προκύψουν από την ετερογένεια, την τοπική και διαφορική διάβρωση κ.λπ. 2.Ανίχνευση της συμπεριφοράς του υλικού από την εφαρμογή της τάσης: το πέτρωμα ανταποκρίνεται σε διαφορετικές μεθόδους εφαρμογής πίεσης. Αυτές οι διαφορές, θα έχουν ως αποτέλεσμα ανιχνεύσιμες μεταβολές του χρόνου-χώρου της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. 3.Προβλεπόμενη χρονική περίοδος αστοχίας: Προβλέψεις της θέσης-χρόνου της αστοχίας, με την παρακολούθηση της ακτινοβολίας, γνωστών παραμέτρων και τυποποιημένων τιμών ακτινοβολίας που σχετίζονται με αυτή. Τα πεδία εφαρμογής περιλαμβάνουν προβλέψεις σεισμών και κατολισθήσεων, διογκώσεις βράχων και προβλέψεις αστοχίας πυλώνων ορυχείων, δομικές αστοχίες κλπ.
3.2 Η βάση της RSRM
Η βάση της RSRM είναι η ποιοτική και ποσοτική μεταβολή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας του πετρώματος κατά τη φόρτιση, που εξαρτάται από τις θερμικές ιδιότητες του υλικού, τις εσωτερικές φυσικές και χημικές διεργασίες και τη θερμική ανταλλαγή με το περιβάλλον. Το πλαίσιο της RSRM περιγράφεται στο σχήμα 1, λαμβάνοντας υπόψιν την προέλευση, τη μέτρηση, την παρουσίαση, την ανάλυση και την ερμηνεία των δεδομένων RS για την πρόβλεψη καταστροφών και τον έλεγχο συμπεριφοράς της συνολικής διαδικασίας.
4.Πειραματική μέθοδος
4.1 Δειγματοληψία και φόρτιση
Προκειμένου να παρατηρηθούν η IR και τα μικροκύματα και να μελετηθούν οι σχέσεις μεταξύ της ακτινοβολίας και των μηχανικών ιδιοτήτων του πετρώματος, εκτελέστηκε μια σειρά πειραμάτων, συμπεριλαμβανομένης της μονοαξονικής, της διαξονικής φόρτισης, της διάσπασης και της κάμψης σε τρία σημεία. Τα δείγματα φορτίστηκαν μέχρι την αστοχία. Ο συνολικός χρόνος φόρτισης έως την αστοχία κάθε δείγματος ελέγχθηκε για περίπου 10 λεπτά. Τα όργανα που χρησιμοποιήθηκαν θα μπορούσαν να ταξινομηθούν σε τρεις τύπους: τη συσκευή φόρτισης, τα όργανα IR και μικροκυμάτων (θερμόμετρο, σύστημα απεικόνισης, φασματικό ραδιομετρικό, ραδιόφωνο μικροκυμάτων) και τις συσκευές παρατήρησης (παραμόρφωσης, μετατόπισης, ηλεκτρικής αντίστασης και ακουστικής εκπομπής).
Σύστημα απεικόνισης IR Χρησιμοποιήθηκαν 3 συστήματα απεικόνισης IR για την παρακολούθηση της ακτινοβολίας και της μεταβολής της. Οι θερμικές εικόνες του δείγματος καταγράφονταν συνεχώς, έτσι ώστε να μπορούν να επαναληφθούν και να χρησιμοποιηθούν για μετά-ανάλυση.
5. Αποτελέσματα Πειραμάτων
Όταν ένα δείγμα πετρώματος υποβληθεί σε τάση, η μηχανική ενέργεια συσσωρεύεται στο εσωτερικό και μπορεί να μετασχηματιστεί σε άλλους τύπους (ακουστική εκπομπή, θερμική). Ο μετασχηματισμός της ενέργειας θα προκαλέσει ακτινοβολία και μεταβολή θερμοκρασίας, αρκετά μεγάλες για να ανιχνευθούν από τα όργανα τηλεπισκόπησης.
5.1. Η ενέργεια ακτινοβολίας IR αυξάνει με τη φόρτωση
5.1.1. Η αύξηση της θερμοκρασίας Τα πειράματα δείχνουν ότι η ακτινοβολία IR αυξάνεται με τη φόρτιση. Γενικά, η αύξηση της θερμοκρασίας είναι 0,2-1⁰C, όπως φαίνεται στο Σχ. 2 (λεπτόκοκκος διορίτης), με την υψηλότερη θερμοκρασία να εντοπίζεται στη θραύση, ενώ μετά από αυτή, η θερμοκρασία μειώνεται. Περίπου το 70% όλων των δειγμάτων είχε δείξει αυτή τη συμπεριφορά.
5.1.2. Η αύξηση της έντασης φασματικής ακτινοβολίας IR
Όπως φαίνεται στο σχ. 3, η ένταση φασματικής ακτινοβολίας του δείγματος αυξήθηκε σταδιακά με την τάση. Τα αποτελέσματα για αυτόν τον τραχύ ψαμμίτη, για τα 0 MPa, 50 MPa, 103 MPa και για τη στιγμή αστοχίας, είναι συνεπή για όλα τα δείγματα που δοκιμάστηκαν. Η καμπύλη αντικατοπτρίζει τη μεταβολή της ενέργειας του δείγματος.
5.2. Η θερμοκρασία αυξάνεται με την αύξηση της αντοχής του βράχου
Όσο μεγαλύτερη είναι η αντοχή του βράχου, τόσο υψηλότερη είναι η αύξηση της θερμοκρασίας. Είναι πιθανό να συγκεντρωθεί περισσότερη ενέργεια μέσα στο δείγμα, αν η δύναμη είναι μεγαλύτερη. Έτσι, θα ακτινοβοληθεί περισσότερη ενέργεια.
5.3. Η θερμοκρασία αυξάνεται με το βάθος στο εσωτερικό του δείγματος
Κατά την αστοχία και λίγο μετά, η θερμοκρασία μέσα στο δείγμα είναι υψηλότερη από την επιφάνεια. Για 1 δείγμα λευκού μαρμάρου, το οποίο έχει ομοιογένεια και μεγάλη αντοχή, η θερμοκρασία κατά την αστοχία στην επιφάνεια αυξήθηκε κατά 2⁰C, ενώ στο κέντρο του κατά 22,8⁰C. Για να διευκρινιστεί αν υπάρχει σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας επιφάνειας και της εσωτερικής, διενεργήθηκαν περαιτέρω πειράματα. Ανακαλύφθηκε, λοιπόν, ότι γενικά η αύξηση της εσωτερικής θερμοκρασίας των πετρωμάτων ήταν 0,2-2,1⁰C πριν από την αστοχία και ότι η αύξηση της εσωτερικής θερμοκρασίας έχει την ίδια συμπεριφορά με αυτή της επιφανειακής θερμοκρασίας.
5.4. Πρόβλεψη μεταφοράς της τάσης και της θραύσης των δειγμάτων
Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης, η μεταφορά τάσεων μπορεί να εμφανιστεί στις θερμικές εικόνες. Σε δείγμα άνθρακα, π.χ., που φορτίστηκε ομοιόμορφα και η αντοχή του ήταν 6,34 ΜΡα, η αριστερή πλευρά άρχισε να παραμορφώνεται όταν η κατακόρυφη καταπόνηση έφθασε τα 6,3 MPa, και η θερμοκρασία στο μέσο, αυξήθηκε. Αργότερα, η ζώνη υψηλής θερμοκρασίας κινήθηκε σταδιακά προς τα αριστερά και η θερμοκρασία συνέχισε να αυξάνεται, έως ότου το δείγμα ράγισε και η ζώνη υψηλής θερμοκρασίας εξαφανίστηκε σταδιακά. Η θέση θραύσης θα μπορούσε να αναμένεται στις εικόνες για τα σημεία υψηλής και τα σημεία χαμηλής θερμοκρασίας. Η υψηλή θερμοκρασία συνήθως προκύπτει από μια τοπική συγκέντρωση τάσης ή από τη δράση τριβής, ενώ η χαμηλή συνήθως από τοπική χαλάρωση λόγω των αδύναμων σημείων.
5.5 Πρόβλεψη της σταθερής ολίσθησης και τραντάγματος
Διεξήχθη μια δοκιμή ολίσθησης-τριβής για προσομοίωση σεισμικής δράσης. Φαίνεται ότι η θερμοκρασία κατά μήκος της επιφάνειας επαφής αυξήθηκε σταδιακά, καθώς το κατακόρυφο φορτίο έγινε υψηλότερο.
6. Μελλοντικές κατευθύνσεις έρευνας Οι προτεινόμενες μελλοντικές κατευθύνσεις έρευνας για την RSRM και τα σχετικά βασικά ζητήματα έχουν ως εξής: 1.Εξέταση των φυσικών και χημικών διεργασιών που συμβαίνουν στο πέτρωμα κατά τη φόρτιση. Ο τρόπος με τον οποίο προκύπτει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και το πώς προκαλείται η μεταβολή θερμοκρασίας και ακτινοβολίας μικροκυμάτων είναι ασαφείς. 2.Κατάλληλη πειραματική διάταξη που απαιτείται για τα τυπικά διαγράμματα IR και τα στοιχεία τάσης-μικροκυμάτων για διάφορους τύπους βράχων. Για την παρακολούθηση της καταπόνησης και την πρόγνωση καταστροφών στη γεωτεχνική και τη σεισμολογία, οι θερμικές εικόνες και τα χαρακτηριστικά μικροκυματικής ακτινοβολίας των μαζών θα πρέπει να συλλέγονται και να αποθηκεύονται. 3.Η μελέτη και κατασκευή φορητών ραδιομέτρων μικροκυμάτων και συστημάτων θερμικής απεικόνισης, με συγκεκριμένα μήκη κύματος, υψηλό ποσοστό σάρωσης και καταγραφής, ευαισθησία σε υψηλή θερμοκρασία και υψηλή χωρική ανάλυση. 4.Η ανάπτυξη ευφυούς, τυποποιημένου λογισμικού ανάλυσης, συνδυασμένου με το σύστημα γεωγραφικών πληροφοριών (GIS).
