本發(fā)明屬于巖體監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種巖體應(yīng)力發(fā)展長期實(shí)時(shí)監(jiān)測及巖爆預(yù)警可視化裝置及方法。

背景技術(shù)：

目前對(duì)巖體應(yīng)力監(jiān)測的方法有：扁千斤頂法、鉆孔套心應(yīng)力解除法、水壓致裂法。扁千斤頂法是一種一維應(yīng)力測量方法，只能測量測量點(diǎn)處垂直于扁千斤頂方向的應(yīng)力分量；鉆孔套心應(yīng)力解除法通過測量套心應(yīng)力解除前后的孔徑，來計(jì)算應(yīng)力大小和方向，但是孔徑的測量誤差較大，導(dǎo)致最后的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果誤差較大；水壓致裂法要求巖石是完整的，非滲透性的，并且主應(yīng)力方向測量不準(zhǔn)確；另外，這些方法不能對(duì)巖體的應(yīng)力和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期實(shí)時(shí)監(jiān)測。

巖爆的預(yù)測主要采用現(xiàn)場實(shí)測法，但是需專用監(jiān)測設(shè)備，如聲發(fā)射儀或微震監(jiān)測系統(tǒng)，受測量設(shè)備精度和成本的影響，發(fā)展相對(duì)緩慢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種巖體應(yīng)力發(fā)展長期實(shí)時(shí)監(jiān)測及巖爆預(yù)警可視化裝置及方法。

本發(fā)明的裝置所采用的技術(shù)方案是：一種巖體應(yīng)力發(fā)展長期實(shí)時(shí)監(jiān)測及巖爆預(yù)警可視化裝置，其特征在于：由監(jiān)測桿桿頭、監(jiān)測桿桿身、監(jiān)測桿桿尾和動(dòng)力模塊組成；所述監(jiān)測桿桿頭、監(jiān)測桿桿身、監(jiān)測桿桿尾均通過連接節(jié)點(diǎn)可拆卸地連接在一起；

所述監(jiān)測桿桿頭內(nèi)部設(shè)置有圖像處理及顯示模塊、第一電源、第二電源、信號(hào)放大器、無線信號(hào)發(fā)射器、數(shù)據(jù)顯示屏、數(shù)據(jù)處理模塊；

所述監(jiān)測桿桿身內(nèi)部設(shè)置有信號(hào)傳輸線，側(cè)壁上設(shè)置有顯微鏡頭、第一壓力傳感器、小鉆頭；

所述監(jiān)測桿桿尾設(shè)置有大鉆頭；連接節(jié)點(diǎn)內(nèi)部設(shè)置有第二壓力傳感器；

所述動(dòng)力模塊由液壓控制系統(tǒng)和機(jī)械臂組成；所述機(jī)械臂卡設(shè)在所述監(jiān)測桿桿頭上，用于給所述裝置施加前進(jìn)的動(dòng)力；所述液壓控制系統(tǒng)用于所述機(jī)械臂的伸縮；

所述第一電源、圖像處理及顯示模塊、信號(hào)放大器通過信號(hào)傳輸線與顯微鏡頭串聯(lián)連接，所述顯微鏡頭拍攝的圖像經(jīng)過放大處理，然后在圖像處理及顯示模塊上顯示；所述第一電源、照明機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)器、照明機(jī)構(gòu)串聯(lián)連接；

所述第二電源、數(shù)據(jù)顯示屏、數(shù)據(jù)處理模塊通過信號(hào)傳輸線與第一壓力傳感器和第二壓力傳感器串聯(lián)連接，所述第一壓力傳感器和第二壓力傳感器測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過所述數(shù)據(jù)處理模塊處理后，在所述數(shù)據(jù)顯示屏顯示出應(yīng)力以及巖爆等級(jí)；

所述無線信號(hào)發(fā)射器與圖像處理及顯示模塊相連，將顯微鏡頭拍攝的圖像傳到外界設(shè)備上實(shí)時(shí)顯示。

作為優(yōu)選，所述裝置還配置有照明機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)器、照明機(jī)構(gòu)，所述圖像處理及顯示模塊、照明機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)器、照明機(jī)構(gòu)串聯(lián)連接；所述照明機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述監(jiān)測桿桿身側(cè)壁上。

作為優(yōu)選，所述監(jiān)測桿桿身從里到外由中間空心層、排線層、外壁層組成；所述外壁層上設(shè)置有大凹槽和小凹槽；所述顯微鏡頭安裝在大凹槽內(nèi)，所述照明機(jī)構(gòu)安裝在小凹槽內(nèi)。

作為優(yōu)選，所述外壁層和大鉆頭的連接部設(shè)置有滾珠、第二電源、開關(guān)和馬達(dá)；所述第二電源、開關(guān)和馬達(dá)串聯(lián)連接。

作為優(yōu)選，所述連接節(jié)點(diǎn)通過螺紋咬合在一起，即監(jiān)測桿桿身的兩端外螺紋分別與監(jiān)測桿桿頭、監(jiān)測桿桿尾的內(nèi)螺紋咬合在一起。

作為優(yōu)選，所述小鉆頭和大鉆頭均由噴嘴、刮刀、中心刀、切刀、渣槽組成；所述刮刀、中心刀和切刀對(duì)巖體進(jìn)行切割，鉆出的碎石進(jìn)入渣槽；所述噴嘴噴水，從而減少灰塵，使巖層在攝像頭中更清晰；所述小鉆頭內(nèi)部還設(shè)置有排碎石通道。

作為優(yōu)選，所述監(jiān)測桿桿頭、監(jiān)測桿桿身、監(jiān)測桿桿尾的外壁均由高強(qiáng)鋼制作而成。

作為優(yōu)選，第一壓力傳感器和第二壓力傳感器由壓電敏感材料制作而成。

作為優(yōu)選，所述監(jiān)測桿桿身能根據(jù)需要鉆探的深度進(jìn)行延長，即在監(jiān)測桿桿頭與監(jiān)測桿桿身之間設(shè)置延長桿；所述延長桿的兩端分別有內(nèi)螺紋和外螺紋，分別與監(jiān)測桿桿頭的外螺紋和監(jiān)測桿桿身的內(nèi)螺紋進(jìn)行連接；所述延長桿的側(cè)壁設(shè)置有顯微鏡頭、第一壓力傳感器和小鉆頭。

本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是：一種巖體應(yīng)力發(fā)展長期實(shí)時(shí)監(jiān)測及巖爆預(yù)警可視化方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)需要測量的巖體應(yīng)力大小，選擇有合適電壓量程的第一壓力傳感器和第二壓力傳感器；

步驟2：監(jiān)測桿桿身側(cè)壁上的一個(gè)小鉆頭距離桿身形心的距離為a，此時(shí)第一壓力傳感器測得的力為q₁；與其并列安裝的另外一個(gè)小鉆頭向巖體中鉆入一段距離后，距離桿身形心的距離為b，此時(shí)第一壓力傳感器測得的力為q₂；

步驟3：根據(jù)彈性力學(xué)厚壁筒的受力情況及邊界條件，計(jì)算得出距離桿身形心r處環(huán)向應(yīng)力為：

步驟4：根據(jù)該地方巖體的單軸抗壓強(qiáng)度σ_c，然后利用σ_θ/σ_c的比值預(yù)測巖爆等級(jí)：當(dāng)σ_θ/σ_c<0.3時(shí)，無巖爆；當(dāng)0.3<σ_θ/σ_c<0.5時(shí)，弱巖爆；當(dāng)0.5<σ_θ/σ_c<0.7時(shí)，中等巖爆；當(dāng)σ_θ/σ_c>0.7時(shí)，強(qiáng)巖爆；

步驟5：第二壓力傳感器測得的應(yīng)力σ同樣按照步驟4進(jìn)行巖爆的預(yù)測。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1、由于所用監(jiān)測裝置的桿身所用的鋼材具有高強(qiáng)度，故該監(jiān)測裝置兼具錨桿作用，能對(duì)鉆孔起到錨固支護(hù)作用。

2、該監(jiān)測裝置的監(jiān)測桿桿身部分和監(jiān)測桿尾部部分連接處與桿身側(cè)壁上均設(shè)置有力傳感器，可以對(duì)監(jiān)測桿尾部部分的鉆頭和桿身側(cè)壁受到的阻力進(jìn)行精確測量。數(shù)據(jù)顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示巖體的應(yīng)力大小和巖爆等級(jí)。

3、該監(jiān)測裝置的側(cè)壁內(nèi)部嵌有顯微鏡頭，圖像顯示屏可以將該鏡頭觀測到的圖像顯示出來，由于不同材質(zhì)巖層的力表現(xiàn)和圖像特性不同，我們利用此方法可以很好的對(duì)巖層的材質(zhì)進(jìn)行識(shí)別。

4、圖像處理及顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示顯微鏡頭拍攝的圖像；無線信號(hào)發(fā)射器與圖像處理及顯示模塊相連，將顯微鏡頭拍攝的圖像傳到移動(dòng)設(shè)備上，裝有接收器的移動(dòng)設(shè)備可以將該圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的監(jiān)測桿頭部部分縱剖面；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的監(jiān)測桿身部分縱剖面；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例的監(jiān)測桿身部分的延長桿的縱剖面；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例的監(jiān)測桿尾部部分縱剖面；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例沿A-A軸的橫剖面圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例的連接節(jié)點(diǎn)靠近監(jiān)測裝置桿身部分那一邊的縱剖面圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例的連接節(jié)點(diǎn)靠近監(jiān)測裝置監(jiān)測桿頭部部分或監(jiān)測桿尾部部分那一邊的縱剖面圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例的監(jiān)測桿尾部部分縱剖面的放大圖；

圖10為本發(fā)明實(shí)施例圖5中虛線框內(nèi)的放大圖；

圖11為本發(fā)明實(shí)施例所用鉆頭的結(jié)構(gòu)圖；

圖12為本發(fā)明實(shí)施例方法中計(jì)算巖體應(yīng)力的計(jì)算簡圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請(qǐng)見圖1-圖11，本發(fā)明提供的一種巖體應(yīng)力發(fā)展長期實(shí)時(shí)監(jiān)測及巖爆預(yù)警可視化裝置，由監(jiān)測桿桿頭、監(jiān)測桿桿身、監(jiān)測桿桿尾和動(dòng)力模塊組成；監(jiān)測桿桿頭、監(jiān)測桿桿身、監(jiān)測桿桿尾均通過連接節(jié)點(diǎn)12可拆卸地連接在一起；連接節(jié)點(diǎn)12有內(nèi)外兩層，分為排線層20和外壁層21，這兩層之間設(shè)置有第二壓力傳感器23；監(jiān)測桿桿頭內(nèi)部設(shè)置有圖像處理及顯示模塊1、第一電源201、第二電源202、信號(hào)放大器3、照明機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)器4、無線信號(hào)發(fā)射器5、數(shù)據(jù)顯示屏6、數(shù)據(jù)處理模塊7；監(jiān)測桿桿身內(nèi)部設(shè)置有信號(hào)傳輸線9，側(cè)壁上設(shè)置有顯微鏡頭8、第一壓力傳感器10、小鉆頭11、照明機(jī)構(gòu)16；監(jiān)測桿桿尾設(shè)置有大鉆頭13；動(dòng)力模塊由液壓控制系統(tǒng)14和機(jī)械臂15組成；機(jī)械臂15卡設(shè)在監(jiān)測桿桿頭上，用于給裝置施加前進(jìn)的動(dòng)力；液壓控制系統(tǒng)14用于機(jī)械臂15的伸縮；

第一電源201、圖像處理及顯示模塊1、信號(hào)放大器3通過信號(hào)傳輸線9與顯微鏡頭8串聯(lián)連接，顯微鏡頭8拍攝的圖像經(jīng)過放大處理，然后在圖像處理及顯示模塊1上顯示；第一電源201、照明機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)器4、照明機(jī)構(gòu)16串聯(lián)連接；

第二電源202、數(shù)據(jù)顯示屏6、數(shù)據(jù)處理模塊7通過信號(hào)傳輸線9與第一壓力傳感器10和第二壓力傳感器23串聯(lián)連接，第一壓力傳感器10和第二壓力傳感器23測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊7處理后，在數(shù)據(jù)顯示屏6顯示出應(yīng)力以及巖爆等級(jí)(無巖爆、弱巖爆、中等巖爆、強(qiáng)巖爆)；無線信號(hào)發(fā)射器5與圖像處理及顯示模塊1相連，將顯微鏡頭8拍攝的圖像傳到外界設(shè)備上實(shí)時(shí)顯示。

如果監(jiān)測桿桿身較短，可以在監(jiān)測桿桿頭與監(jiān)測桿桿身之間設(shè)置延長桿34；延長桿34的側(cè)壁設(shè)置有顯微鏡頭8、第一壓力傳感器10和小鉆頭11。監(jiān)測桿根據(jù)需要可以將多節(jié)延長桿34連接形成較長的監(jiān)測桿，深入巖體。

連接節(jié)點(diǎn)12靠螺紋22咬合在一起，即監(jiān)測桿桿身的兩端外螺紋分別與頭部部分、尾部部分的內(nèi)螺紋咬合在一起；監(jiān)測桿桿尾的端部設(shè)置有大鉆頭13；外壁層21和大鉆頭13的連接部位設(shè)置有滾珠25、第二電源26、開關(guān)27和馬達(dá)28。

監(jiān)測桿桿身側(cè)壁上設(shè)置有2個(gè)第一壓力傳感器10和3個(gè)并排放置的小鉆頭11，它們的表面高度均突出側(cè)壁表面0.2～0.5mm；小鉆頭11內(nèi)部設(shè)置有排碎石通道24。監(jiān)測桿桿頭、監(jiān)測桿桿身、監(jiān)測桿桿尾的外壁均由高強(qiáng)鋼制作而成；第一壓力傳感器10和第二壓力傳感器23由壓電陶瓷或壓電敏感材料制作而成。小鉆頭11和大鉆頭13由噴嘴29、刮刀30、中心刀31、切刀32、渣槽33組成；所述刮刀30、中心刀31和切刀32對(duì)巖體進(jìn)行切割，鉆出的碎石進(jìn)入渣槽33；所述噴嘴29噴水，從而減少灰塵，使巖層在攝像頭中更清晰。

本實(shí)施例的照明機(jī)構(gòu)16為LED白光燈。

請(qǐng)見圖12，本發(fā)明提供的一種巖體應(yīng)力發(fā)展長期實(shí)時(shí)監(jiān)測及巖爆預(yù)警可視化方法，包括以下步驟：

步驟1：根據(jù)要測量的巖體應(yīng)力大小，選擇有合適電壓量程的第一壓力傳感器10和第二壓力傳感器23；

步驟2：監(jiān)測桿身側(cè)壁上的一個(gè)小鉆頭11距離桿身形心的距離為a，此時(shí)第一壓力傳感器10測得的力為q₁；與其并列安裝的另外一個(gè)小鉆頭11向巖體中鉆入一段距離后，距離桿身形心的距離為b，此時(shí)第一壓力傳感器10測得的力為q₂；

步驟3：根據(jù)彈性力學(xué)厚壁筒的受力情況及邊界條件，可以計(jì)算得出距離桿身形心r處環(huán)向應(yīng)力為：

步驟4：查資料或者測量得到該地方巖體的單軸抗壓強(qiáng)度σ_c，然后利用σ_θ/σ_c的比值預(yù)測巖爆等級(jí)：當(dāng)σ_θ/σ_c<0.3時(shí)，無巖爆；當(dāng)0.3<σ_θ/σ_c<0.5時(shí)，弱巖爆；當(dāng)0.5<σ_θ/σ_c<0.7時(shí)，中等巖爆；當(dāng)σ_θ/σ_c>0.7時(shí)，強(qiáng)巖爆。

步驟5：第二壓力傳感器23測得的應(yīng)力σ同樣按照步驟4進(jìn)行巖爆的預(yù)測。

盡管本說明書較多地使用了圖像處理及顯示模塊1、第一電源201、第二電源202、信號(hào)放大器3、照明機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)器4、無線信號(hào)發(fā)射器5、數(shù)據(jù)顯示屏6、數(shù)據(jù)處理模塊7、顯微鏡頭8、信號(hào)傳輸線9、第一壓力傳感器10、小鉆頭11、連接節(jié)點(diǎn)12、大鉆頭13、液壓控制系統(tǒng)14、機(jī)械臂15、照明機(jī)構(gòu)16、大凹槽17、小凹槽18；中間空心層19、排線層20、外壁層21、螺紋22、第二壓力傳感器23、排碎石通道24、滾珠25、第二電源26、開關(guān)27和馬達(dá)28、噴嘴29、刮刀30、中心刀31、切刀32、渣槽33等術(shù)語，但并不排除使用其他術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便的描述本發(fā)明的本質(zhì)，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。

應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。