岩体应力发展长期实时监测及岩爆预警可视化装置及方法

摘要

本发明公开了一种岩体应力发展长期实时监测及岩爆预警可视化装置及方法，装置由监测杆杆头、监测杆杆身、监测杆杆尾和动力模块组成；监测杆杆身设置在监测杆杆头和监测杆杆尾之间，并且外壁上设置有压力传感器、显微镜头和钻头。监测杆杆身同时兼具岩体锚杆作用，其行进到岩体内部长期置于岩体中，岩体应力发展过程由监测杆杆身外壁上布置的压力传感器测量；压力传感器测量得到的数据由数据处理模块进行处理后，算出监测装置周围岩体的环向应力，并对岩爆等级进行预测，最后将结果在数据显示屏上显示；图像处理及显示模块可以实时显示显微镜头拍摄的图像，并且无线信号发射器可以将该图像传到外界设备上实时显示。

说明书

技术领域

本发明属于岩体监测技术领域，具体涉及一种岩体应力发展长期实时监测及岩爆预警可视化装置及方法。

背景技术

目前对岩体应力监测的方法有：扁千斤顶法、钻孔套心应力解除法、水压致裂法。扁千斤顶法是一种一维应力测量方法，只能测量测量点处垂直于扁千斤顶方向的应力分量；钻孔套心应力解除法通过测量套心应力解除前后的孔径，来计算应力大小和方向，但是孔径的测量误差较大，导致最后的应力计算结果误差较大；水压致裂法要求岩石是完整的，非渗透性的，并且主应力方向测量不准确；另外，这些方法不能对岩体的应力和微观结构进行长期实时监测。

岩爆的预测主要采用现场实测法，但是需专用监测设备，如声发射仪或微震监测系统，受测量设备精度和成本的影响，发展相对缓慢。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种岩体应力发展长期实时监测及岩爆预警可视化装置及方法。

本发明的装置所采用的技术方案是：一种岩体应力发展长期实时监测及岩爆预警可视化装置，其特征在于：由监测杆杆头、监测杆杆身、监测杆杆尾和动力模块组成；所述监测杆杆头、监测杆杆身、监测杆杆尾均通过连接节点可拆卸地连接在一起；

所述监测杆杆头内部设置有图像处理及显示模块、第一电源、第二电源、信号放大器、无线信号发射器、数据显示屏、数据处理模块；

所述监测杆杆身内部设置有信号传输线，侧壁上设置有显微镜头、第一压力传感器、小钻头；

所述监测杆杆尾设置有大钻头；连接节点内部设置有第二压力传感器；

所述动力模块由液压控制系统和机械臂组成；所述机械臂卡设在所述监测杆杆头上，用于给所述装置施加前进的动力；所述液压控制系统用于所述机械臂的伸缩；

所述第一电源、图像处理及显示模块、信号放大器通过信号传输线与显微镜头串联连接，所述显微镜头拍摄的图像经过放大处理，然后在图像处理及显示模块上显示；所述第一电源、照明机构调节器、照明机构串联连接；

所述第二电源、数据显示屏、数据处理模块通过信号传输线与第一压力传感器和第二压力传感器串联连接，所述第一压力传感器和第二压力传感器测得的数据经过所述数据处理模块处理后，在所述数据显示屏显示出应力以及岩爆等级；

所述无线信号发射器与图像处理及显示模块相连，将显微镜头拍摄的图像传到外界设备上实时显示。

作为优选，所述装置还配置有照明机构调节器、照明机构，所述图像处理及显示模块、照明机构调节器、照明机构串联连接；所述照明机构设置在所述监测杆杆身侧壁上。

作为优选，所述监测杆杆身从里到外由中间空心层、排线层、外壁层组成；所述外壁层上设置有大凹槽和小凹槽；所述显微镜头安装在大凹槽内，所述照明机构安装在小凹槽内。

作为优选，所述外壁层和大钻头的连接部设置有滚珠、第二电源、开关和马达；所述第二电源、开关和马达串联连接。

作为优选，所述连接节点通过螺纹咬合在一起，即监测杆杆身的两端外螺纹分别与监测杆杆头、监测杆杆尾的内螺纹咬合在一起。

作为优选，所述小钻头和大钻头均由喷嘴、刮刀、中心刀、切刀、渣槽组成；所述刮刀、中心刀和切刀对岩体进行切割，钻出的碎石进入渣槽；所述喷嘴喷水，从而减少灰尘，使岩层在摄像头中更清晰；所述小钻头内部还设置有排碎石通道。

作为优选，所述监测杆杆头、监测杆杆身、监测杆杆尾的外壁均由高强钢制作而成。

作为优选，第一压力传感器和第二压力传感器由压电敏感材料制作而成。

作为优选，所述监测杆杆身能根据需要钻探的深度进行延长，即在监测杆杆头与监测杆杆身之间设置延长杆；所述延长杆的两端分别有内螺纹和外螺纹，分别与监测杆杆头的外螺纹和监测杆杆身的内螺纹进行连接；所述延长杆的侧壁设置有显微镜头、第一压力传感器和小钻头。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种岩体应力发展长期实时监测及岩爆预警可视化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据需要测量的岩体应力大小，选择有合适电压量程的第一压力传感器和第二压力传感器；

步骤2：监测杆杆身侧壁上的一个小钻头距离杆身形心的距离为a，此时第一压力传感器测得的力为q₁；与其并列安装的另外一个小钻头向岩体中钻入一段距离后，距离杆身形心的距离为b，此时第一压力传感器测得的力为q₂；

步骤3：根据弹性力学厚壁筒的受力情况及边界条件，计算得出距离杆身形心r处环向应力为：

步骤4：根据该地方岩体的单轴抗压强度σ_c，然后利用σ_θ/σ_c的比值预测岩爆等级：当σ_θ/σ_c<0.3时，无岩爆；当0.3<σ_θ/σ_c<0.5时，弱岩爆；当0.5<σ_θ/σ_c<0.7时，中等岩爆；当σ_θ/σ_c>0.7时，强岩爆；

步骤5：第二压力传感器测得的应力σ同样按照步骤4进行岩爆的预测。

本发明的优点是：

1、由于所用监测装置的杆身所用的钢材具有高强度，故该监测装置兼具锚杆作用，能对钻孔起到锚固支护作用。

2、该监测装置的监测杆杆身部分和监测杆尾部部分连接处与杆身侧壁上均设置有力传感器，可以对监测杆尾部部分的钻头和杆身侧壁受到的阻力进行精确测量。数据显示屏可以实时显示岩体的应力大小和岩爆等级。

3、该监测装置的侧壁内部嵌有显微镜头，图像显示屏可以将该镜头观测到的图像显示出来，由于不同材质岩层的力表现和图像特性不同，我们利用此方法可以很好的对岩层的材质进行识别。

4、图像处理及显示模块可以实时显示显微镜头拍摄的图像；无线信号发射器与图像处理及显示模块相连，将显微镜头拍摄的图像传到移动设备上，装有接收器的移动设备可以将该图像进行实时显示。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的监测杆头部部分纵剖面；

图3为本发明实施例的监测杆身部分纵剖面；

图4为本发明实施例的监测杆身部分的延长杆的纵剖面；

图5为本发明实施例的监测杆尾部部分纵剖面；

图6为本发明实施例沿A-A轴的横剖面图；

图7为本发明实施例的连接节点靠近监测装置杆身部分那一边的纵剖面图；

图8为本发明实施例的连接节点靠近监测装置监测杆头部部分或监测杆尾部部分那一边的纵剖面图；

图9为本发明实施例的监测杆尾部部分纵剖面的放大图；

图10为本发明实施例图5中虚线框内的放大图；

图11为本发明实施例所用钻头的结构图；

图12为本发明实施例方法中计算岩体应力的计算简图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1-图11，本发明提供的一种岩体应力发展长期实时监测及岩爆预警可视化装置，由监测杆杆头、监测杆杆身、监测杆杆尾和动力模块组成；监测杆杆头、监测杆杆身、监测杆杆尾均通过连接节点12可拆卸地连接在一起；连接节点12有内外两层，分为排线层20和外壁层21，这两层之间设置有第二压力传感器23；监测杆杆头内部设置有图像处理及显示模块1、第一电源201、第二电源202、信号放大器3、照明机构调节器4、无线信号发射器5、数据显示屏6、数据处理模块7；监测杆杆身内部设置有信号传输线9，侧壁上设置有显微镜头8、第一压力传感器10、小钻头11、照明机构16；监测杆杆尾设置有大钻头13；动力模块由液压控制系统14和机械臂15组成；机械臂15卡设在监测杆杆头上，用于给装置施加前进的动力；液压控制系统14用于机械臂15的伸缩；

第一电源201、图像处理及显示模块1、信号放大器3通过信号传输线9与显微镜头8串联连接，显微镜头8拍摄的图像经过放大处理，然后在图像处理及显示模块1上显示；第一电源201、照明机构调节器4、照明机构16串联连接；

第二电源202、数据显示屏6、数据处理模块7通过信号传输线9与第一压力传感器10和第二压力传感器23串联连接，第一压力传感器10和第二压力传感器23测得的数据经过数据处理模块7处理后，在数据显示屏6显示出应力以及岩爆等级(无岩爆、弱岩爆、中等岩爆、强岩爆)；无线信号发射器5与图像处理及显示模块1相连，将显微镜头8拍摄的图像传到外界设备上实时显示。

如果监测杆杆身较短，可以在监测杆杆头与监测杆杆身之间设置延长杆34；延长杆34的侧壁设置有显微镜头8、第一压力传感器10和小钻头11。监测杆根据需要可以将多节延长杆34连接形成较长的监测杆，深入岩体。

连接节点12靠螺纹22咬合在一起，即监测杆杆身的两端外螺纹分别与头部部分、尾部部分的内螺纹咬合在一起；监测杆杆尾的端部设置有大钻头13；外壁层21和大钻头13的连接部位设置有滚珠25、第二电源26、开关27和马达28。

监测杆杆身侧壁上设置有2个第一压力传感器10和3个并排放置的小钻头11，它们的表面高度均突出侧壁表面0.2～0.5mm；小钻头11内部设置有排碎石通道24。监测杆杆头、监测杆杆身、监测杆杆尾的外壁均由高强钢制作而成；第一压力传感器10和第二压力传感器23由压电陶瓷或压电敏感材料制作而成。小钻头11和大钻头13由喷嘴29、刮刀30、中心刀31、切刀32、渣槽33组成；所述刮刀30、中心刀31和切刀32对岩体进行切割，钻出的碎石进入渣槽33；所述喷嘴29喷水，从而减少灰尘，使岩层在摄像头中更清晰。

本实施例的照明机构16为LED白光灯。

请见图12，本发明提供的一种岩体应力发展长期实时监测及岩爆预警可视化方法，包括以下步骤：

步骤1：根据要测量的岩体应力大小，选择有合适电压量程的第一压力传感器10和第二压力传感器23；

步骤2：监测杆身侧壁上的一个小钻头11距离杆身形心的距离为a，此时第一压力传感器10测得的力为q₁；与其并列安装的另外一个小钻头11向岩体中钻入一段距离后，距离杆身形心的距离为b，此时第一压力传感器10测得的力为q₂；

步骤3：根据弹性力学厚壁筒的受力情况及边界条件，可以计算得出距离杆身形心r处环向应力为：

步骤4：查资料或者测量得到该地方岩体的单轴抗压强度σ_c，然后利用σ_θ/σ_c的比值预测岩爆等级：当σ_θ/σ_c<0.3时，无岩爆；当0.3<σ_θ/σ_c<0.5时，弱岩爆；当0.5<σ_θ/σ_c<0.7时，中等岩爆；当σ_θ/σ_c>0.7时，强岩爆。

步骤5：第二压力传感器23测得的应力σ同样按照步骤4进行岩爆的预测。

尽管本说明书较多地使用了图像处理及显示模块1、第一电源201、第二电源202、信号放大器3、照明机构调节器4、无线信号发射器5、数据显示屏6、数据处理模块7、显微镜头8、信号传输线9、第一压力传感器10、小钻头11、连接节点12、大钻头13、液压控制系统14、机械臂15、照明机构16、大凹槽17、小凹槽18；中间空心层19、排线层20、外壁层21、螺纹22、第二压力传感器23、排碎石通道24、滚珠25、第二电源26、开关27和马达28、喷嘴29、刮刀30、中心刀31、切刀32、渣槽33等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。