一种软岩崩解实时监测装置及监测方法制造方法及图纸

一种软岩崩解实时监测装置及监测方法，该装置包括内部监测装置、外部监测装置；所述内部监测装置包括布置在试件内的多个声发射传感器，声发射传感器连接声信号放大器，声信号放大器连接信号采集系统，信号采集系统连接记录与显示系统。所述外部监测装置包括布置在试件外部的多个高速摄像机，高速摄像机连接记录与显示系统。本发明专利技术能够有效从软岩岩体内部对解进行实时监测；同时集监测、定位为一体，适合工程现场环境。

【技术实现步骤摘要】
一种软岩崩解实时监测装置及监测方法
本专利技术属于岩体崩解的监测领域，具体涉及一种软岩崩解实时监测装置及监测方法。
技术介绍
从工程上来说，一般认为当岩石的单轴抗压强度小于30MPa时，便被视为软岩。软岩的微观结构比较复杂，颗粒之间胶结性差，在应力作用下可产生大量裂隙，风化程度高。软岩的力学特性总结如下：①易扰动性；②可塑性；③膨胀性；④流变性；⑤崩解性。崩解性是岩体丧失强度发生崩解的一种现象，软岩在长时间的水化作用下可呈现出崩解性，丧失力学强度。软岩的崩解时一个由表及里的过程。在现场施工时，软岩表面原先的崩解物质覆盖层会被破坏，从而使下部新的软岩暴露出来，吸收水蒸气而发生软化、膨胀和崩解。最重要的破坏是：覆盖层被破坏后，水蒸气会进入节理，节理吸水膨胀。节理膨胀会使断裂面产生挤压，进而加剧节理的断裂，甚至会产生明显位移而形成断层。且由于节理是地下水移动的通道，所以在有大量降水的时候，地下水会大量进入节理，使软岩吸水软化，不仅会增加岩体的自重，还会使岩体本身的物理力学性质降低，使岩体内部原有的平衡发生变化，应力重分布加剧，从而大大增加了围岩破坏的可能性。这些变化最终会导致软岩的稳定性降低，从而降低工程施工的安全性。韩蕾蕾在《基于信息化的软岩巷道联合监测技术中》将传感器安装在支护结构及围岩上,然后进行监测；秦江涛在《深部高构造应力破碎软岩巷道支护的应用研究》中将位移测站布置在了试验巷道表面，然后进行位移监测；李辉在《富碱性水弱胶结软岩巷道围岩控制机理与应用研究》中，将综合观测测站布置在巷道内。已有的岩体监测大部分都将监测装置布置在了岩体外部，很少有将监测装置布置在岩体内部的。现有技术中的对软岩崩解等破坏的监测方式存在很大的弊端，比如：①现行的监测方式多为从外部进行，而从外部进行的监测存在不足，比如外部环境对传感器造成的影响(腐蚀、噪声等)，进而对声发射信号造成影响下，导致监测结果的不准确；②软岩的风化、崩解是从外到内的渐进的过程，因此，如果传感器布置在外部，会首先受到风化、崩解的影响，这样也会损坏传感器。另一方面，现行规范中规定的耐崩解性指数为即用崩解后烘干的质量mr与原试样的烘干质量md的比值，来评价岩体的崩解性，这只是根据崩解后的结果来评价岩体的崩解，无法定量描述岩体崩解过程。因此，本专利将声发射传感器布置在试样内部，更好地监测从外到内的崩解过程的同时还能更好地保护传感器。另外，采用崩解速率vd和崩解损伤率D来对软岩崩解的过程进行实时监测。综上所述，有必要开展从内部对软岩崩解实时监测装置的研究。但是软岩崩解实时监测还是存在很多的难点，比如：①如何对传感器进行保护；②如何更好地定位软岩崩解的位置；③如何对隔绝噪声或其它信号的干扰。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供一种软岩崩解实时监测装置及监测方法，能够有效从软岩岩体内部对崩解进行实时监测；同时集监测、定位为一体，适合工程现场环境。本专利技术采取的技术方案为：一种软岩崩解实时监测装置，该装置包括内部监测装置、外部监测装置；所述内部监测装置包括布置在试件内的多个声发射传感器，声发射传感器连接声信号放大器，声信号放大器连接信号采集系统，信号采集系统连接记录与显示系统。所述外部监测装置包括布置在试件外部的多个高速摄像机，高速摄像机连接记录与显示系统。所述试件钻有多个孔道，在正中间孔道的中部位置布置一个声发射传感器，试件上围绕正中间孔道钻有多个周边孔道，每一个周边孔道布置有至少两个声发射传感器。每一个声发射传感器用凡士林固定，使得与试件耦合；相邻声发射传感器之间设置硅胶，孔道的端口设置硅胶进行封堵固定。在试件的四周布置三个高速摄像机，三个高速摄像机之间呈120°角,高速摄像机用于对试件表面进行监测。本专利技术一种软岩崩解实时监测装置及监测方法，技术效果如下：1)用凡士林来固定声发射传感器可以使其耦合良好，达到更好的监测效果；另：由于测试点在试样内部，且用704硅胶进行封堵，会使声发射传感器受到的噪声干扰达到最小，并且这样可以很好地保护声发射传感器，使其不会受到外部的影响而破坏。2)可以通过多个声发射传感器在不同的平面，精准定位崩解发生的位置，通过声发射事件数，即AE事件数，来判断岩体的损伤程度；3)软岩的崩解是一个由表及里的过程，为了使传感器不受干扰，全程监测崩解发生的位置和过程，因此，将传感器布置到试样内部，从试样内部测试能够更好地监测软岩崩解的情况。而且，声发射传感器布置在试样内部，则能够模拟更为复杂的环境，比如：自然风化和应力耦合条件下的崩解、干湿循环等。4)除了声发射监测外，本专利技术还附加了外部监测装置，通过对试件表面进行网格划分，然后在试件斜上方设置一高速摄像机，运用三维数字散斑影像相关方法进行变形监测，便于观察和监测试件各区域外部的变形。5)利用声发射传感器监测系统，实现全程无干扰监测岩石崩解破坏过程，准确定位。利用中心位置的声发射传感器与周围的声发射传感器之间传递回信号采集系统的时间差，来计算定位崩解发生的位置。6)将声发射监测系统和三维数字散斑应变测量分析系统结合起来，实现内部微细观裂纹和表面应变、裂缝的开裂和扩展集成观测。附图说明图1为本专利技术中的声发射传感器在试件中的安装示意图。图2为本专利技术监测装置连接示意图。图3为棱柱体试件网格图；图4为棱柱体试件的内部监测装置示意图一；图5为棱柱体试件的内部监测装置示意图二。图6为棱柱体试件的外部监测装置示意图。图7为圆柱体试件网格图。图8为圆柱体试件的内部监测装置示意图一。图9为圆柱体试件的内部监测装置示意图二。图10为变形前后子域中心点移动图。图11为崩解深度示意图。图12为崩解前后体积对比图。具体实施方式如图2所示，一种软岩崩解实时监测装置，该装置包括内部监测装置、外部监测装置；所述内部监测装置包括布置在试件1内的多个声发射传感器2，所述声发射传感器2连接声信号放大器3，声信号放大器3连接信号采集系统4，信号采集系统4连接记录与显示系统6。所述外部监测装置包括布置在试件1外部的多个高速摄像机5，高速摄像机5连接记录与显示系统6。在试件1的四周布置三个高速摄像机5，三个高速摄像机5之间呈120°角,高速摄像机5用于对试件1表面进行监测。所述试件1钻有多个孔道，在正中间孔道7的中部位置布置一个声发射传感器，试件1上围绕正中间孔道7钻有多个周边孔道7’，每一个周边孔道7’布置有至少两个声发射传感器。如图2所示，每一个声发射传感器用凡士林9固定，使得与试件1耦合；相邻声发射传感器之间设置硅胶，孔道的端口设置硅胶10进行封堵固定。声发射传感器2可选择Nano30型声发射传感器,频域125Hz-750kHz。声信号放大器3可选择1220A-AST方法器，增益为40dB。高速摄像机5选择最高拍摄频率可达100000本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种软岩崩解实时监测装置，其特征在于该装置包括内部监测装置、外部监测装置；/n所述内部监测装置包括布置在试件(1)内的多个声发射传感器(2)，所述声发射传感器(2)连接声信号放大器(3)，声信号放大器(3)连接信号采集系统(4)，信号采集系统(4)连接记录与显示系统(6)；/n所述外部监测装置包括布置在试件(1)外部的多个高速摄像机(5)，高速摄像机(5)连接记录与显示系统(6)。/n

【技术特征摘要】
1.一种软岩崩解实时监测装置，其特征在于该装置包括内部监测装置、外部监测装置；
所述内部监测装置包括布置在试件(1)内的多个声发射传感器(2)，所述声发射传感器(2)连接声信号放大器(3)，声信号放大器(3)连接信号采集系统(4)，信号采集系统(4)连接记录与显示系统(6)；
所述外部监测装置包括布置在试件(1)外部的多个高速摄像机(5)，高速摄像机(5)连接记录与显示系统(6)。


2.根据权利要求1所述一种软岩崩解实时监测装置，其特征在于：所述试件(1)钻有多个孔道，在正中间孔道(7)的中部位置布置一个声发射传感器，试件(1)上围绕正中间孔道(7)钻有多个周边孔道(7’)，每一个周边孔道(7’)布置有至少两个声发射传感器。


3.根据权利要求2所述一种软岩崩解实时监测装置，其特征在于：每一个声发射传感器用凡士林(9)固定，使得与试件(1)耦合；相邻声发射传感器之间设置硅胶，孔道的端口设置硅胶(10)进行封堵固定。


4.采用如权利要求1～3所述任意一种监测装置的软岩崩解实时监测方法，其特征在于：
当试件(1)发生崩解时，布置在内部的声发射传感器(2)能够捕捉到试件(1)破裂而产生的声信号，声信号通过信号线(8)传递到声信号放大器(3)中进行声信号的放大，再传递到信号采集系统(4)，最后出现在记录与显示系统(6)中，通过记录与显示系统(6)中出现的声发射事件数，即AE事件数，判断软岩的崩解情况。


5.根据权利要求4所述一种软岩崩解实时监测方法，其特征在于：
设某一时期因为软岩崩解而得到的岩体声发射事件数数据的序列为：C0，C1，…Ci，Ci为第i次数据；
对声发射事件系列求一次差，得序列：
ΔC0＝C0-C1,ΔC1＝C1-C2,…ΔCi＝Ci-Ci+1；
上升序列
下降序列



A＝(A1-A2)/(A1+A2)
A在+1与-1之间变化，其进行标准化处理，则得到岩体声发射事件率相对强弱指标：
CR＝50(1+A)＝100(A1/(A1+A2))
经标准化处理后，声发射相对强弱指标CR的值在0～100之间变化；指标值越大，表示声发射事件率上升率越大，岩体发生崩解的范围越大，崩解速率越快；
岩体声发射事件可分为3个时期，即事件稳定期、活动期和前兆期，分别同岩体崩解过程中的稳定状态、局部崩解状态和整体崩解状态相对应；随着岩体崩解的不断进行，岩体声发射相对强弱指标也发生相应变化。


6.采用如权利要求1～3所述任意一种监测装置的软岩崩解实时监测方法，其特征在于：采用的声发射的撞击数，并且布置多个声发射传感器(2)，每个声发射传感器(2)传回的信号存在时间差，根据时间差而推断出崩解发生的位置；


7.根据权利要求6所述一种软岩崩解实时监测方法，其特征在于：采用Geiger算法来进行定位，
Geiger定位方法是通过给定一个初始点来不断迭代而接近最终结果；每一次迭代，都基于最小二乘法计算一个修正向量Δθ(Δx，Δy，Δz，Δt)，把向量Δθ加到上次迭代的结果上，得到一个新的试...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓华锋，王文东，冯云杰，陈天楠，程雷，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42