基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置及方法制造方法及图纸

一种基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置及方法，属于岩土工程地应力测量装置及方法。装置包括电子显微摄像头、信号处理及控制模块、信号传输模块、陀螺仪、信号采集模块、移动电源以及装置外壳；方法：将测试装置固定在装置安装钻孔内，通过电子显微摄像头全程采集应力解除过程中钻孔孔壁数字图像，选取应力解除前后代表图像并通过图像插值得到亚像素图像，优选亚像素图像分析区域和分析点，设定分析迹线，计算获得应变值，利用钻孔局部壁面应力解除法理论计算得到地应力值及其方位角。优点：操作简单，适应性强，测试精度达到1个微应变，优选应变量测标志点和分析迹线，不受温度、岩石可粘性、电磁干扰影响，探头能复用，成本低。

【技术实现步骤摘要】
基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置及方法
本专利技术涉及一种岩土工程地应力测量装置及方法，尤其是一种基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置及方法。
技术介绍
地应力是存在于地层中未受工程扰动的原始应力，是引起岩土地下工程变形、破坏以及冲击地压、煤与瓦斯突出等工程灾害的根源。地应力测量是进行围岩稳定性分析，实现岩土地下工程布局、开挖、支护设计科学决策的必要前提条件。根据测量物理参数不同，地应力测试可以分为水压致裂法、声发射法、围岩破坏行迹分析法以及变形测量法，其中属于变形测量法的空心包体解除法可以获取三维空间应力，是目前适应性和可靠性最好的地应力测试装置和方法，但空心包体解除法需通过电阻应变片获取岩石应变值，存在很多缺陷：①电阻应变片式空心包体解除法需要粘结剂将空心包体与岩石粘结在一起，受胶结剂性能及岩石可粘性的影响，无法保证二者精确的同步变形；②电阻应变片式空心包体解除法通过电阻应变片获取岩石应变值，电阻应变片工作特性受温度、湿度等环境因素影响较大；③电阻应变片式电阻应变片电信号通过电缆传递给采集仪，电信号受测量系统电压、静电、空间电磁环境影响较大，易产生数据漂移和衰减，另外电缆线需从旋转的钻杆中穿过，容易缠绞在一起发生断裂造成测试失败；④电阻应变片式受应变片尺寸及空间布置方式的限制，空心包体解除法测量岩石应变的范围有限，无法确定应变计粘结范围内孔壁岩性、完整性等特征，测试结果具有一定的偶然性；⑤电阻应变片式空心包体不能够重复使用，造价高昂。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置及方法，解决目前电阻应变片式套芯应力解除法操作复杂，环境要求苛刻，精度低，易受温度、岩石可粘性、电磁干扰影响，探头不能复用，成本高的问题。本专利技术的目的是这样实现的：非接触式地应力测试装置位于测试装置安装钻孔内，测试装置安装钻孔位于初始大直径钻孔内，在测试装置安装钻孔和初始大直径钻孔之间为解除岩心，主机位于初始大直径钻孔外；所述的非接触式地应力测试装置包括：电子显微摄像头、照明灯、信号处理及控制模块、信号传输模块、陀螺仪、信号采集模块、移动电源以及装置外壳；在装置外壳的两端分别连接有导向活塞和装置连接头及后活塞；装置外壳上设有电子显微摄像头，电子显微摄像头、陀螺仪、信号传输模块与信号处理及控制模块连接，陀螺仪、信号传输模块、移动电源、信号处理及控制模块均设置在装置外壳内部，照明灯设置在装置外壳上，装置所有构件所需电源均由移动电源提供。所述的电子显微摄像头为多个，摄像头之间使用合金钢骨架连接固定，合金钢骨架靠近钻孔孔底一端固定在装置外壳上。所述的电子显微摄像头为可调节焦距摄像头，其放大倍率不低于1000倍，其像素不低于1600万。所述的装置外壳材质为合金钢，其两端设置有出胶孔及橡胶封隔圈，储胶室用于放置粘结剂，向安装钻孔孔底推动非接触式地应力测试装置时，非接触式地应力测试装置两端的导向活塞和装置连接头及后活塞压缩装满快速粘结剂的储胶室，使快速粘结剂从出胶孔溢出与孔壁粘结将地应力测试装置固定。所述的装置外壳中部设置有电子显微摄像头观察孔，观察孔使用高硬度钢化玻璃护罩密封。所述的照明灯为LED灯，均匀布置在电子显微摄像头观察孔周围。所述的主机发送控制信号，信号传输模块接收控制信号并传递给信号处理及控制模块调整电子显微摄像头拍摄焦距，同时，电子显微摄像头拍摄的图片与陀螺仪采集非接触式地应力测试装置的方位信号，经过信号处理及控制模块编码处理后，传递给信号传输模块向外发送，由钻孔外的主机接收。非接触式地应力测试装置的地应力测试方法包括如下步骤：(1)使用钻机在煤岩体内部施工初始大直径钻孔，在其孔底有测试装置安装钻孔；(2)将非接触式地应力测试装置固定在测试装置安装钻孔内，调节电子显微摄像头焦距和拍摄位置并设置图像采集频率，拍摄不少于2幅图像并将图像存储至主机中作为初始图像，使用陀螺仪测量获得非接触式地应力测试装置安装方位数据；(3)使用空心钻头将包含探头的解除岩心与周围煤岩体分离，实现应力解除，图像实时采集工作伴随整个分离过程；(4)选取解除岩心分离前后电子显微摄像头采集的图像并通过图像插值得到亚像素图像，优选亚像素图像分析区域和分析点，设定分析迹线，计算获得应变值，利用钻孔局部壁面应力解除法理论计算得到地应力值及其方位角；(5)取出非接触式地应力测试装置，清洗，以备下次使用。所述的应变值计算方法为：式中：εt为沿钻孔切向平行布置2个摄像头中2点沿钻孔切向应变；εa为沿钻孔轴向平行布置2个摄像头中2点沿钻孔轴向应变；εc为45°交叉布置2个摄像头中2点沿45°交线方向应变；Δdt为沿钻孔切向平行布置2个摄像头中2点沿钻孔切向变形；Δda为沿钻孔轴向平行布置2个摄像头中2点沿钻孔轴向变形；Δdc为45°交叉布置2个摄像头中2点沿45°交线方向变形；dAt为钻孔孔壁变形前摄像头甲中摄像头甲A标志点靠近摄像头乙中摄像头乙B标志点方向上沿钻孔切向距离摄像头甲视野边缘的长度；dA’t为钻孔孔壁变形后摄像头甲中摄像头甲A标志点靠近摄像头乙中摄像头乙B标志点方向上沿钻孔切向距离摄像头甲视野边缘的长度；dBt为钻孔孔壁变形前摄像头乙中摄像头乙B标志点靠近摄像头甲中摄像头甲A标志点方向上沿钻孔切向距离摄像头乙视野边缘的长度；dB’t为钻孔孔壁变形后摄像头乙中摄像头乙B标志点靠近摄像头甲中摄像头甲A标志点方向上沿钻孔切向距离摄像头乙视野边缘的长度；lt为摄像头甲和摄像头乙沿钻孔切向镜头视野边缘距离；dAa为钻孔孔壁变形前摄像头甲中摄像头甲A标志点靠近摄像头丙中摄像头丙C标志点方向上沿钻孔轴向距离摄像头甲视野边缘的长度；dA‘a为钻孔孔壁变形后摄像头甲中摄像头甲A标志点靠近摄像头丙中摄像头丙C标志点方向上沿钻孔轴向距离摄像头甲视野边缘的长度；dCa为钻孔孔壁变形前摄像头丙中摄像头丙C标志点靠近摄像头甲中摄像头甲A标志点方向上沿钻孔轴向距离摄像头丙视野边缘的长度；dC’a为钻孔孔壁变形后摄像头丙中摄像头丙C标志点靠近摄像头甲中摄像头甲A标志点方向上沿钻孔轴向距离摄像头丙视野边缘的长度；la为摄像头甲和摄像头丙沿钻孔切向镜头视野边缘距离；α为摄像头甲和摄像头丁镜头视野对角连线与沿钻孔切向的夹角；dDa为钻孔孔壁变形前摄像头丁中摄像头甲A标志点靠近摄像头乙中摄像头乙B标志点方向上沿钻孔轴向距离摄像头丁视野边缘的长度；dDt为钻孔孔壁变形前摄像头丁中摄像头甲A标志点靠近摄像头丙中摄像头丙C标志点方向上沿钻孔切向距离摄像头丁视野边缘的长度；lc为摄像头甲和摄像头丁对角连线长度。所述的使用空心钻头将包含探头的解除岩心与周围煤岩体分离，实现应力解除的过程中钻机每钻进一段固定距离即停止钻进摄像后再继续钻进，循环往复直至解除长度超过测量装置长度。有益效果及优点：本专利技术继承了空心包体应变法的优点，同时利用钻孔显微数字摄像图像分析的方法有效避免了电阻应变片式空心包体解除法的缺点；测试指标为煤岩体应力解除前后的应变。本专利技术是一种无需与岩石接触的地应力测试装置与方法，方法操作简单，环境适应性强，测试精度可以达到1个微应变，可以优选应变量测标志点和分析迹线，不受温度、岩石可粘性、电磁干扰影响，探头可以复用，成本低。具有精度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置，其特征是：非接触式地应力测试装置位于测试装置安装钻孔内，测试装置安装钻孔位于初始大直径钻孔内，在测试装置安装钻孔和初始大直径钻孔之间为解除岩心，主机位于初始大直径钻孔外；所述的非接触式地应力测试装置包括：电子显微摄像头、照明灯、信号处理及控制模块、信号传输模块、陀螺仪、信号采集模块、移动电源以及装置外壳；在装置外壳的两端分别连接有导向活塞和装置连接头及后活塞；装置外壳上设有电子显微摄像头，电子显微摄像头、陀螺仪、信号传输模块与信号处理及控制模块连接，陀螺仪、信号传输模块、移动电源、信号处理及控制模块均设置在装置外壳内部，照明灯设置在装置外壳上，装置所有构件所需电源均由移动电源提供。

【技术特征摘要】
1.一种基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置，其特征是：非接触式地应力测试装置位于测试装置安装钻孔内，测试装置安装钻孔位于初始大直径钻孔内，在测试装置安装钻孔和初始大直径钻孔之间为解除岩心，主机位于初始大直径钻孔外；所述的非接触式地应力测试装置包括：电子显微摄像头、照明灯、信号处理及控制模块、信号传输模块、陀螺仪、信号采集模块、移动电源以及装置外壳；在装置外壳的两端分别连接有导向活塞和装置连接头及后活塞；装置外壳上设有电子显微摄像头，电子显微摄像头、陀螺仪、信号传输模块与信号处理及控制模块连接，陀螺仪、信号传输模块、移动电源、信号处理及控制模块均设置在装置外壳内部，照明灯设置在装置外壳上，装置所有构件所需电源均由移动电源提供。2.根据权利要求1所述的一种基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置，其特征是：所述的电子显微摄像头为多个，摄像头之间使用合金钢骨架连接固定，合金钢骨架靠近钻孔孔底一端固定在装置外壳上。3.根据权利要求1所述的一种基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置，其特征是：所述的电子显微摄像头为可调节焦距摄像头，其放大倍率不低于1000倍，其像素不低于1600万。4.根据权利要求1所述的一种基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置，其特征是：所述的装置外壳材质为合金钢，其两端设置有出胶孔及橡胶封隔圈，储胶室用于放置粘结剂，向安装钻孔孔底推动非接触式地应力测试装置时，非接触式地应力测试装置两端的导向活塞和装置连接头及后活塞压缩装满快速粘结剂的储胶室，使快速粘结剂从出胶孔溢出与孔壁粘结将地应力测试装置固定。5.根据权利要求1所述的一种基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置，其特征是：所述的装置外壳中部设置有电子显微摄像头观察孔，观察孔使用高硬度钢化玻璃护罩密封；在电子显微摄像头观察孔周围均匀布置有照明灯。6.根据权利要求1或5所述的一种基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置，其特征在于，所述照明灯为LED灯。7.根据权利要求1所述的一种基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置，其特征在于，所述的主机发送控制信号，信号传输模块接收控制信号并传递给信号处理及控制模块调整电子显微摄像头拍摄焦距，同时，电子显微摄像头拍摄的图片与陀螺仪采集非接触式地应力测试装置的方位信号，经过信号处理及控制模块编码处理后，传递给信号传输模块向外发送，由钻孔外的主机接收。8.权利要求1所述的一种基于钻孔显微数字摄像的非接触式地应力测试装置的方法，其特征在于，非接触式地应力测试装置的地应力测试方法包括如下步骤：(1)使用钻机在煤岩体内部施工初始大直径钻孔，在其孔底有测试装置安装钻孔；(2)将非接触式地应力测试装置固定在测试装置安装钻孔内，调节电子显微摄像头焦距和拍摄位置并设置图像采集频率，拍摄不少于2幅图像并将图像存储至主机中作为初始图像，使用陀螺仪测量获得非接触式地应力测试装置安装方位数据；(3)使用空心钻头将包含探头的解除岩心与周围煤岩体分离，实现应力解除，图像实时采集工作伴随整个分离过程；(4)选取解除岩心分离前后电子显微摄像头采集的图像并通过图像插值得到亚像素图像，优选亚像素图像分析区域和分析点，设定分析迹线，计算获得应变值，利用钻孔局部壁面应力解除法理论计算得到地应力值及其方位角；(5)取出非接触式地应力测试装置，清洗，以备下次使用。9.根据权利要求8所述的一...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟波，靖洪文，李元海，陈坤福，许国安，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32