一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法及系统

摘要

一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法及系统，所述方法是在地下工程岩体开挖现场打水平钻孔，利用钻孔摄像技术与DIC软件协同作用，得到开挖卸荷诱导裂纹拟合平面空间分布的钻孔三维柱状图；根据钻孔三维柱状图中裂纹拟合平面与钻孔三维柱状图中岩心轴线的夹角α，裂纹判定为板裂裂纹或剪切裂纹。所述系统包括高清探头、主机、推杆、导向棒、电缆；高清探头通过电缆与主机电连接；在所述高清探头两侧靠下处固定连接有两根导向棒，在高清探头尾部端面固定连接一推杆。本发明通过将钻孔摄像技术与DIC技术有机结合，可以将开挖卸荷裂纹与原生裂纹进行有效区分，保证了现场岩体开挖诱导裂纹动态监测与识别的真实性与可靠性，具有操作方便，监测可靠、精度高的优点，特别适用于含有一定天然灰度差值的深埋高应力硬岩。

说明书

技术领域

本发明涉及一种现场孔内岩体开挖卸荷裂纹扩展模式的识别方法及系统，尤其涉及一种基于DIC技术的现场孔内岩体开挖卸荷诱导裂纹扩展模式识别方法及系统。

背景技术

在地下工程施工过程中，由于岩体开挖而导致应力重新分布，在开挖空间周围形成一定范围的松动区(塑性区)。在有岩爆倾向的硬岩矿山或隧道硐室，一些应力集中区域往往出现板裂、层裂等破坏现象。另外，根据作用机制，结构面型岩爆还可分为滑移型、剪切破裂型和张拉板裂型。板裂、层裂、岩爆都是高应力硬岩的常见破坏现象，而张拉和剪切是岩石发生破坏时的力学机理描述，人们一致试图弄清这些现象与机理之间的关系。为了确定岩石在不同受力环境下的裂纹扩展模式，解释硬岩从破坏现象到破坏机理之间的关系，探明高应力硬岩破坏的本质，首先应当采取科学的监测手段对现场开挖卸荷岩体裂纹的扩展路径与模式进行有效识别与判定。

目前，根据监测原理，对于围岩松动区的监测方法主要有声波探测法、多点位移计法、地质雷达法、钻孔摄像法和地震波法、电阻率法等，而能够对岩体内部裂纹形状、产状进行直观和有效的监测方法仅有钻孔摄像法。数字钻孔摄像系统集电子技术、视频技术、数字技术和计算机应用技术于一体，解决了钻孔内工程地质信息采集的完整性和准确性问题，摆脱了因软弱或破碎岩体导致钻孔取芯率相对较低的制约，特别是避免了完整岩体因机械扰动导致破碎的误判。然而，在使用钻孔摄像法对围岩松动区内裂纹扩展路径进行动态跟踪监测的过程中，遇到了一个非常棘手的问题，即无法排除天然岩体中固有结构面、节理以及层理对于开挖卸荷诱导裂纹的干扰。在监测全过程中，科研工作者往往无法区分钻孔表面裂纹是属于天然节理、层理还是诱导致裂裂纹，因此也就无法辨别诱导裂纹的扩展路径与破坏方式。

DIC(Digital Image Correlation)，即数字图像相关技术，是一种根据物体表面随机分布的斑点在变形前后图像的相关性来确定研究对象位移和变形等参数的非接触全场测量技术。图像相关匹配技术是通过对变形前后两幅图像子区域的灰度相关性来实现匹配运算的。对变形前后两幅图像计算区域内的所有点进行相关匹配后，就可以获得这些点在变形前后空间几何位置的变化，即获得计算区域的位移场分布。DIC技术是针对某一监测过程中位移与应变场的分布规律来开展研究，而并不受岩体中原生裂隙的影响。目前，DIC技术仅仅在试验岩石力学以及岩石细观力学领域得到了一定的发展，而将其应用于地下工程并结合钻孔摄像技术进行裂纹动态扩展模式与路径的研究还未见有报道。

综上所述，将DIC技术扩展至现场实际工程之中，尤其是地下工程岩体开挖卸荷诱导裂纹扩展模式的识别之中，是非常有科研和实际意义的。

发明内容

本发明的目的是，针对深部高应力硬岩开挖卸荷的实际情况，提出一种操作简便、适用性强，同时能够保证诱导裂纹识别的真实性与可靠性的基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法及基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别系统。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法，包括以下步骤：

第一步，在地下工程岩体开挖现场打水平钻孔，水平钻孔轴线与地下工程硐壁或巷道壁呈85-95度夹角；

第二步，将高清探头沿钻孔轴线平稳推进，直至钻孔底端面，推进过程中，实时拍摄钻孔内壁图像；将图像信息传至数字钻孔摄像系统的钻孔图像查看器中，得到钻孔岩心平面图A₁；

第三步，重复第二步的操作，定期拍摄钻孔内壁图像，得到多张钻孔岩心平面图A_i，i＝1、2、…n；采用DIC软件，分析比较钻孔岩心平面图A_i中裂纹周边的应变变化情况，当相邻两张钻孔岩心平面图A_n与A_n-1中裂纹周边的应变差值为0时，停止第二步操作；

第四步，采用DIC软件，将得到的A_i张钻孔岩心平面图转换为一张包含钻孔中裂纹扩展路径的钻孔岩心平面图B，将钻孔岩心平面图B导入钻孔图像查看器中，利用钻孔图像查看器中自带的曲线拟合功能对开挖卸荷诱导裂纹进行曲线拟合，得到体现裂纹拟合平面空间分布的钻孔三维柱状图；

第五步，观察钻孔三维柱状图中裂纹拟合平面与钻孔三维柱状图中岩心轴线的夹角α，当夹角α≥80度，裂纹判定为板裂裂纹或张拉裂纹；当夹角α<80度，裂纹判定为剪切裂纹或张剪裂纹。

在岩石力学中，板裂破坏为一系列平行于深部硬岩硐室开挖边界面的宏观裂纹，在水平钻孔中则反映为垂直于钻孔轴线方向的板裂裂纹，即板裂破坏的主破裂面一般平行于硐室最大切向应力方向。而现场实际中出现的板裂裂纹并非严格平行于硐室开挖边界，因此，本发明中定义为当夹角α≥80度，裂纹判定为板裂裂纹或张拉裂纹，否则，为剪切裂纹或张剪裂纹。

本发明一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法，水平钻孔是在地下工程岩体开挖现场中的深埋巷道两帮围岩中进行。

本发明一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法，水平钻孔为多个，且钻孔之间相互平行、深度相等。

本发明一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法，水平钻孔数量为1-8个，深度为2～5米。

本发明一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法，对水平钻孔中进行冲洗，直至孔壁出水无浑浊、清澈时为止。

本发明一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法，步骤二中，在水平钻孔内壁布置三根与水平钻孔轴线平行的定位线，其中，在水平钻孔内壁最低位置设置的一根为中心线，在水平钻孔内壁两侧各设置一根侧线，两根侧线与中心线的连线构成以中心线为顶点的等腰三角形，将两根导向棒(胶棒)分别固定于高清探头两侧靠下处，两根导向棒的位置与两根侧线重合以应保证高清探头在行进过程中的稳定性，在高清探头尾部端面中心固定连接一与高清探头轴线平行的推杆；将高清探头端部放置于孔壁处，使两根导向棒与两根侧线紧贴并共线，推杆的垂直投影与中心线重合；通过推杆将高清探头推进孔中，实时拍摄孔内图像，推进全过程中，确保推杆垂直投影与中心线的偏差≤5度，尽量保持推杆轴线平行于钻孔轴向。操作人员视线应位于距钻孔孔壁30cm处正上方，全程观测推杆路线，发现偏差应及时调整，若偏差超过允许范围则重新进行观测。

所述的3条定位线中，中心线起点位于钻孔壁断面最低点处，两侧线与中心线的水平距离相等，线长可根据孔径大小确定。一般采用喷漆的方式进行布线。

本发明一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法，第三步中，定期拍摄钻孔内壁图像的时间间隔为8～24小时之间，现场监测间隔时间一旦确定，不得变更。

本发明一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法，第四步中，采用DIC软件，分析比较钻孔岩心平面图A_i中裂纹周边的应变变化情况，将A_i张钻孔岩心平面图导入DIC分析软件，在每一张钻孔岩心平面图中裂纹附近的相同位置选择多个检测点，对检测点进行偏差标注或点检测，比较相邻两幅图A_n与A_n-1中相应检测点的应变差，当相应检测点的应变差值为0时，停止第二步操作。

本发明一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法，所述的深埋巷道围岩岩体为含有一定天然灰度差值的岩体(该天然灰度差值根据DIC软件曲面成分中微面积尺寸与点距确定)，如花岗岩、片麻岩等，即无需对钻孔原岩表面喷洒人工散斑，这有利于现场实际操作。

本发明一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别系统，所述识别系统包括高清探头、主机、推杆、导向棒、电缆；所述高清探头通过电缆与主机电连接；在所述高清探头两侧靠下处固定连接有两根导向棒，在高清探头尾部端面固定连接一推杆。

本发明一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别系统，所述推杆固定连接在高清探头尾部端面中心并与高清探头轴线平行。

本发明一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别系统，所述主机包括图像查看器、DIC分析与计算软件。

本发明一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别系统，所述导向棒选自胶棒、金属棒中的一种。

定期拍摄钻孔内壁图像，其频率视现场实际情况可适当调整，时间间隔一般为不少于8h，时间间隔确定后，不允许变化。每次监测时间为15～30min(不包括设备的安装及拆卸时间)。

所述的推杆，其在推进过程中应始终与中心线共线，以确保DIC处理图像的准确性与可靠性。通过调节DIC分析软件中微面积尺寸与点距的参数可以实现对于现场原岩全局散斑点的捕捉，为后续的计算与分析提供必要条件。

综上所述，本发明的一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法具有以下有益效果：

(1)本发明操作方便、灵活，监测装备便于拆卸，处理软件精确度高，计算速度快，通过将钻孔摄像技术与DIC技术有机结合，可以对地下工程施工过程中开挖卸荷围岩裂隙动态扩展路径与破坏模式进行有效识别与辨析，该方法尤其适用于花岗岩、片麻岩以及砂岩等含有一定天然灰度差值的深埋高应力硬岩。

(2)本发明将数字图像相关技术(DIC)应用于地下工程现场之中，可以实现地下巷道围岩全局应变场与岩体裂纹扩展的动态监测与分析，为大型地下岩土工程现场位移与变形监测提供了一种全新的途径。

(3)该识别方法可以排除天然岩体中固有结构面、节理以及片理对于开挖卸荷诱导扩展裂纹的干扰，将开挖卸荷裂纹与原生裂纹进行有效区分，保证了现场岩体开挖诱导裂纹动态监测与识别的真实性与可靠性。

附图说明

附图1为一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法操作流程图。

附图2为一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别系统结构示意图。

附图3为本发明图像处理过程示意图。

附图4为本发明装置中高清探头安装布置示意图。

附图5为本发明现场钻孔布线与高清探头定位俯视示意图。

图中：1—水平钻孔，2—高清探头，3—主机，4—图像查看器，5—推杆，6—导向棒，7—黑胶带，8—电缆，9—中心线，10—右侧线，11—左侧线，12—DIC分析软件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施做进一步描述：

实施例1

参见附图2、3、4，本发明基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别系统，所述识别系统包括高清探头2、主机3、推杆5、导向棒6、电缆8；所述高清探头2通过电缆8与主机3电连接；在所述高清探头2两侧靠下处通过黑胶带7固定连接有两根导向棒6，在高清探头2尾部端面中心固定连接一与高清探头2轴线平行的推杆5；

所述主机3包括图像查看器4、DIC分析与计算软件12；

本实施例中，导向棒为胶棒；

高清探头2为4D超高清全智能孔内电视(武汉固德科技有限公司生产的GD3Q-GA型)；

DIC分析与计算软件12为德国GOM公司生产的Gom correlate professional V8软件。

实施例2

参见附图2、3、4、5，对某大型地下磷矿，采用本发明的一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法对其现场孔内岩体裂纹扩展模式进行识别。

矿井基本情况：

根据该矿区具体地质资料以及开采技术条件可知，矿山的开拓深度(640中段下磷5盘区)距地表已达600～700m，垂直深度已超过800m，矿体平均厚度6.07m，倾角20～45°，采用走向长壁式对矿体进行回采。通过对该盘区内某采场磷矿体钻孔取芯后观察发现，磷矿体及其表面含有较为明显的天然灰度差值，这是因为其矿物颗粒中含有一定含量的石英、砂岩、粒砂岩、页岩所致，且各矿物成分分布较为均匀。因此，在确保计算精度的前提下，可以取消人工喷洒散斑的工序(事实证明，在现场尤其是钻孔内对岩体表面喷洒散斑极为不便)，这对于现场监测以及后期采用DIC技术进行相关的计算与分析非常有利。通过室内试验测得矿体单轴抗压强度为平均为109.50MPa，岩石普氏硬度系数f较大，表现为硬而脆的特性，开挖卸荷之后的矿体由于应力重分布会在矿壁周边产生一定规模的松动圈，而松动区的范围、岩体的破坏形式与破坏程度与开挖诱导裂纹的扩展路径与模式存在必然的联系。

采用本发明的一种基于DIC技术的现场孔内岩体裂纹扩展模式识别方法对其现场孔内岩体裂纹扩展模式进行识别的具体操作过程如下：

首先，在试验采场内矿体中距工作面1-2米处确定好监测点A，在监测点A处对矿体布置一个水平钻孔1，钻孔1高度应便于工作人员实际操作，一般取为1.2～1.4m，钻孔1深度3-5米(钻孔1不宜过长，过长不利于控制推杆5的行进位置，因此造成较大的误差)，若打多个平行钻孔，则应使所有钻孔1深度保持一致；随后，采用水流反复冲刷孔内污泥与杂质，直至孔壁出水无浑浊、清澈时方可停止冲洗作业；

然后，待孔内壁清洁、干燥后，在水平钻孔1的孔壁处采用喷漆的方式布线，保证各条布线宽度一致，所布置的3条直线均平行于水平钻孔轴线方向；分别为1条中心线9，1条右侧线10和1条左侧线11，中心线9的长度根据实际情况可适当延长，两侧线10(11)与中心线9的水平距离视高清探头2直径(或胶棒间距)而定，各布线的长度视钻孔1直径确定；本次使用的高清探头2直径为Ф52mm，钻孔1直径为Ф60mm，因此，3条线长度均取为100mm，两侧线10(11)与中心线9的水平距离均为20mm。

对高清探头2进行组装，高清探头2由高清探头端部2.1与高清探头尾部2.2组成，高清探头端部2.1用于拍摄与记录图像，高清探头尾部2.2与推杆5、电缆8相连，电缆8另一端与一体式主机3相连，用黑胶带7将两胶棒6分别捆绑于高清钻孔探头尾部2.2两侧靠下处，胶棒6水平间距(本次取为40mm)应保证高清探头2在行进过程中的稳定性。准备工作完毕后，将高清探头2端部放置于孔壁处，使胶棒6与2条侧线10(11)紧贴并共线，使推杆5的投影线与中心线9重合，之后采用推杆5缓慢推进搞清探头2，在推进过程中应始终保证电缆8处于拉直状态，通过高清探头2实时拍摄孔内图像并利用主机3对孔内图像进行实时记录与跟踪；在推进全过程中，为始终保证推杆5平行于钻孔1轴向方向并与中心线9共线，操作人员视线应位于距钻孔1孔壁30cm处正上方，全程监测推杆5路线，发现偏差应及时调整，若偏差过大(当推杆与钻孔轴线夹角大于5°时)需重新进行监测。监测过程应尽量使高清探头缓慢推进，探头应顶至钻孔端部。每次监测时间约为30min(不包括设备组装与拆卸时间)，监测时间间隔约为24h，并于每天相同的时点进行。

本实施例中进行了14次监测，得到14张钻孔岩心平面图，采用DIC软件，分析比较14张钻孔岩心平面图中裂纹周边的应变变化情况，发现第13张与第14张钻孔岩心平面图中诱导裂纹扩展停止发展，且并无其他裂纹生成，且裂纹周边的应变差值为0，停止监测；钻孔岩心平面图中共检测到5条较为明显的诱导裂纹；

然后，采用DIC软件，将得到的14张钻孔岩心平面图转换为一张包含钻孔中裂纹扩展路径的钻孔岩心平面图B，对上述5条诱导裂纹(此时的裂纹一般呈水平直线、正弦或余弦曲线3种方式分布)进行编号，分别为L₁、L₂、L₃、L₄以及L₅，将钻孔岩心平面图B导入主机3中的钻孔图像查看器4中，利用钻孔图像查看器4中自带的曲线拟合功能对开挖卸荷诱导裂纹进行曲线拟合，拟合后的裂纹体现在钻孔三维柱状图之中，得到体现裂纹拟合平面空间分布的钻孔三维柱状图；将L₁至L₅所对应的裂纹拟合平面分别定义为A₁、A₂、A₃、A₄、A₅。经计算发现A₁至A₅平面依次与钻孔三维柱状图中岩心轴线夹角为85°、67°、87°、32°、35°，则开挖卸荷诱导裂纹L₁、L₃破坏方式判定为板裂裂纹，开挖卸荷诱导裂纹L₂、L₄、L₅破坏方式判定为剪切裂纹。另外，经观察发现两条板裂裂纹均靠近硐室矿壁开挖边界，而其他三条剪切裂纹距开挖边界较远。该结果表明，当岩体由硐壁处向围岩深部转移时，随着径向应力(即最小主应力)的不断增加，岩体由二向应力状态过渡为三向应力状态，其破坏方式将会由板裂破坏逐渐转变为剪切破坏或张剪破坏。